JP7158119B2 - 航空機の操舵システム及び航空機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、航空機の操舵システム及び航空機に関する。

従来、航空機の舵面を操作するための操舵システムとして、電動アクチュエータを用いた操舵システムが知られている。航空機用の電動アクチュエータの種類としては、電気油圧式アクチュエータ（ＥＨＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ Ａｃｔｕａｔｏｒ）と、電気機械式アクチュエータ（ＥＭＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｃｔｕａｔｏｒ）が代表的である。ＥＨＡは、油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプを電動モータで駆動させるようにした電動アクチュエータである（例えば特許文献１参照）。一方、ＥＭＡは、油圧を利用せずに電動シリンダ、ギア及びネジ等によって駆動する電動アクチュエータである。

また、航空機の翼に取付けられる補助的なアクチュエータとして、プラズマアクチュエータ（ＰＡ：ｐｌａｓｍａ ａｃｔｕａｔｏｒ）を用いる研究がなされている（例えば特許文献２及び特許文献３参照）。航空機の翼に取付けられるＰＡとして実用的なのは、誘電体バリア放電（ＤＢＤ：Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）を用いて空気の流れを形成するＤＢＤ－ＰＡである。

ＤＢＤ－ＰＡは誘電体を挟んで電極を配置し、電極間に高い交流電圧を印加することによって誘電体の片面のみにプラズマを発生させるようにしたＰＡである。ＤＢＤ－ＰＡを用いれば、プラズマの制御によって気流を変化させることが期待できる。このため、ＤＢＤ－ＰＡを翼に取付けることによって、補助翼やフラップ等の動翼を省略する試みがなされている。

航空機の舵面を駆動させるためのアクチュエータには、冗長性を持たせることが重要である。冗長性とは、システムの一部に障害が発生した場合でもシステムの機能を維持できる性質である。対象となるシステムに冗長性を付与するためには、予備のシステムを設けることが必要となる。

冗長性を備えたアクチュエータの例としては、油圧アクチュエータに作動油を供給するための油圧ポンプが故障した場合に、電磁クラッチで油圧駆動モードから電動モードに切換えることによって、電動モータでもロッドを伸縮させることができるようにしたアクチュエータが挙げられる（例えば特許文献４参照）。

特開２０１３－０６４４１６号公報 特表２００９－５１１３６０号公報 特表２０１３－５３０４８６号公報 特開２００７－１５５０７５号公報

ＥＨＡで構成される航空機の操舵システムを冗長化するためには、複数の油圧系統を設けることが必要となる。その結果、航空機の重量が増加するとともに、システム構成の複雑化及び整備の煩雑化の要因となる。

また、近年では、油圧系統を要するＥＨＡから油圧系統が不要なＥＭＡへの置換が試みられている。しかしながら、ＥＭＡの場合、ギアが多くジャミングが起きやすい。このため、冗長化が非常に重要である。尚、ジャミングとは、機械的にギアが動かなくなる不具合である。

しかしながら、多数のギアを有するＥＭＡで構成される航空機の操舵システムを機械的に冗長化するためには、非常に複雑なシステムが必要となり、大幅な重量増加を招く。その結果、冗長化が非現実的となり、ＥＨＡからＥＭＡへの置換が進展しない状況にある。

そこで、本発明は、航空機の操舵システムにおいて簡易な構成で冗長性を付与できるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係る航空機の操舵システムは、航空機の動翼の角度を変化させるための電動アクチュエータと、前記電動アクチュエータの駆動によって前記動翼に伝達されるトルクを遮断するクラッチと、前記トルクが遮断された場合に前記動翼の表面に空気の流れを形成するための少なくとも１つのプラズマアクチュエータと、前記電動アクチュエータの故障を検出するためのセンサによって前記故障が検出された場合に前記クラッチを動作させることによって自動的に前記トルクを遮断する制御装置とを備えるものである。
また、本発明の実施形態に係る航空機の操舵システムは、航空機の動翼の角度を変化させるための電動アクチュエータと、前記電動アクチュエータの駆動によって前記動翼に伝達されるトルクを遮断するクラッチと、前記トルクが遮断された場合に前記動翼の表面に空気の流れを形成するための少なくとも１つのプラズマアクチュエータと、前記トルクが遮断された場合に前記航空機の操縦装置から入力された前記動翼の制御情報に基づいて前記プラズマアクチュエータを制御する制御装置とを備えるものである。

また、本発明の実施形態に係る航空機は、上述した操舵システムを備えたものである。

本発明の実施形態に係る航空機の操舵システムの構成を示すブロック図。 図１に示すクラッチの典型的な構成を示す図。 図１に示すＰＡの典型的な構成を示す断面図。 図１に示すＰＡの第１の配置例を示す動翼４の横断面図。 図１に示すＰＡの第２の配置例を示す動翼４の横断面図。 図１に示すＰＡの第３の配置例を示す動翼４の横断面図。 図１に示す電動アクチュエータ、クラッチ及び翼の連結構造を含む具体的な第１の構造例を示す部分断面図。 図７に示す電動アクチュエータ、クラッチ及び翼の部分上面図。 図１に示す電動アクチュエータ、クラッチ及び翼の連結構造を含む具体的な第２の構造例を示す部分断面図。 図１に示す電動アクチュエータ、クラッチ及び翼の連結構造を含む具体的な第３の構造例を示す翼の部分上面図。 図１に示す操舵システム１による動翼４の操舵方法を示すフローチャート。

本発明の実施形態に係る航空機の操舵システム及び航空機について添付図面を参照して説明する。

（航空機の操縦システム）
図１は本発明の実施形態に係る航空機の操舵システムの構成を示すブロック図である。

操舵システム１は、航空機２の主翼、垂直尾翼及び水平尾翼等の翼３に設けられる動翼４の角度を調整するシステムである。このため、操舵システム１は、動翼４を備えた航空機２に搭載される。操舵システム１の搭載対象となる航空機２は無人機であっても良いし、有人機であっても良い。操舵対象となる動翼４の例としては、補助翼、方向舵、昇降舵、フラップ、スポイラー及びエアブレーキが挙げられる。典型的な動翼４は、静翼５に連結される。

操舵システム１は、電動アクチュエータ６、クラッチ７、少なくとも１つのＰＡ８及び制御装置９で構成することができる。

電動アクチュエータ６は、航空機２の動翼４の角度を変化させるための電動式のアクチュエータである。すなわち、電動アクチュエータ６は電動モータ６Ａを備え、電動モータ６Ａの出力軸の回転運動を動翼４に伝達して迎角を変化させる装置である。電動アクチュエータ６には、電動モータ６Ａの他、必要に応じて伸縮機構である動力シリンダ、ギア及びリンク機構等の機械要素を設けることができる。

電動アクチュエータ６のうち、電動モータ６Ａによって油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプから供給される作動油によって油圧シリンダを伸縮させる構造を有するものは、ＥＨＡと呼ばれる。

これに対して、電動アクチュエータ６のうち、油圧を利用しないものはＥＭＡと呼ばれる。典型的なＥＭＡは、電動モータ６Ａと、電動モータ６Ａによって伸縮する電動シリンダで構成される。典型的な電動シリンダは、電動モータ６Ａによって回転するボールネジと、ボールネジの回転によって直線的に移動するナットを連結したロッドで構成される。但し、電動シリンダを設けずに、電動モータ６Ａのみ、或いは電動モータ６Ａにギアやリンク機構を連結してＥＭＡを構成するようにしてもよい。

典型的な動翼４は、静翼５に連結されるため、電動アクチュエータ６は静翼５と動翼４との間に設けられる。すなわち、電動アクチュエータ６の一部が静翼５に固定され、電動アクチュエータ６の可動部が動翼４と連結される。

電動アクチュエータ６としてＥＭＡを用いれば油圧系統を不要にすることができる。このため、重量の軽減及び整備の容易化を図ることができるのみならず、作動油への引火という危険性を回避することができる。しかしながら、通常のＥＭＡは、複数のギアを有しており、機械的にギアが動かなくなるジャミングが発生する恐れがある。このため、ＥＭＡの故障に備えた冗長性を操舵システム１に設けることが重要である。また、電動アクチュエータ６がＥＭＡである場合に限らず、ＥＨＡである場合においてもＥＨＡの故障に備えて冗長性を操舵システム１に設けることが重要である。

そこで、操舵システム１には、電動アクチュエータ６の駆動によって動翼４に伝達されるトルクを遮断するクラッチ７が設けられる。すなわち、電動アクチュエータ６が故障した場合には、クラッチ７を動作させることによって、電動アクチュエータ６を動翼４から切り離すことができる。これにより、電動アクチュエータ６の故障によって動翼４が動かなくなるという不具合を防止することができる。例えば、電動アクチュエータ６がＥＭＡである場合において、ＥＭＡにジャミングが起きた場合であっても、安全性を確保することができる。

図２は図１に示すクラッチ７の典型的な構成を示す図である。

電動アクチュエータ６から動翼４への動力伝達を切換えるクラッチ７は、２枚の回転板７Ａ、７Ｂで構成することができる。一方の回転板７Ａは電動アクチュエータ６と連結される。他方の回転板７Ｂは動翼４と連結される。２枚の回転板７Ａ、７Ｂは任意の移動機構によって互いに引離した状態と、接触させた状態に切換えることができる。

クラッチ７は、電磁クラッチや機能性流体クラッチ等の電動式のクラッチで構成することが、油圧系統や多数の機械要素の搭載を不要とし、かつ多数の部品の搭載による重量増加を回避する観点から好ましい。電磁クラッチは、磁場を与えると、回転板７Ａ、７Ｂ同士が接触してトルクが伝達される一方、磁場を与えないと、回転板７Ａ、７Ｂ同士が離れてトルクが伝達されなくなるクラッチである。

機能性流体クラッチとしては、磁気粘性（ＭＲ：Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ）流体クラッチ及び電気粘性（ＥＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ）流体クラッチが挙げられる。ＭＲ流体クラッチは、磁場を与えると粘性が可逆的に変化するＭＲ流体を回転板７Ａ、７Ｂの間に充填したクラッチである。一方、ＥＲ流体クラッチは、電場を与えると粘性が可逆的に変化するＭＲ流体を回転板７Ａ、７Ｂの間に充填したクラッチである。

従って、クラッチ７が機能性流体クラッチである場合には、図２に示すように、２枚の回転板７Ａ、７Ｂを収納するケーシング７Ｃの内部に機能性流体７Ｄが充填される。また、ケーシング７Ｃの近傍には、電場又は磁場を発生させる電気回路が設けられる。このような機能性流体クラッチを用いると、従来の電磁クラッチを用いる場合に比べて応答が高速になるという利点が得られる。

ＰＡ８は、可動部をもたず交流電圧の印加により駆動するアクチュエータである。ＰＡ８は、電動アクチュエータ６の駆動によって動翼４に伝達されるトルクがクラッチ７で遮断された場合に使用される。すなわち、ＰＡ８は、電動アクチュエータ６が故障した場合に使用されるバックアップとしてのアクチュエータである。

図３は図１に示すＰＡ８の典型的な構成を示す断面図である。

ＰＡ８は、第１の電極８Ａ、第２の電極８Ｂ、誘電体８Ｃ及び交流電源８Ｄで構成される。第１の電極８Ａと第２の電極８Ｂは、放電エリアが形成されるように誘電体８Ｃを挟んで互いにシフトして配置される。第１の電極８Ａは、外部に露出した状態で配置される。一方、第２の電極８Ｂは、外部に露出しないように誘電体８Ｃで覆われる。また、第２の電極８Ｂは、機体に接地される。第１の電極８Ａと第２の電極８Ｂとの間には、交流電源８Ｄによって交流電圧が印加される。

交流電源８Ｄを動作させて第１の電極８Ａと第２の電極８Ｂとの間に交流電圧を印加すると、第１の電極８Ａが配置されている側の誘電体８Ｃの表面に形成される放電エリアには電子と正イオンから成るプラズマが生じる。その結果、プラズマによって誘電体８Ｃの表面に向かう空気の流れが誘起される。尚、第１の電極８Ａと第２の電極８Ｂとの間に誘電体８Ｃを挟んで誘電体バリア放電（ＤＢＤ）を起こすＰＡ８は、ＤＢＤ－ＰＡと呼ばれる。

ＰＡ８を構成する第１の電極８Ａ及び第２の電極８Ｂは、薄いフィルム状にすることができる。このため、動翼４の表面層を誘電体８Ｃで構成し、第１の電極８Ａ及び第２の電極８Ｂを動翼４の表面層に両側から貼付ければ動翼４の表面に空気の流れを形成することができる。或いは、動翼４の表面に凹凸が生じないように第１の電極８Ａ及び第２の電極８Ｂの双方を動翼４の表面層に埋め込んでもよい。

電動アクチュエータ６からの動力伝達をクラッチ７で切ると、動翼４の舵面はフリーとなる。そうすると、動翼４には空気力のみが作用し、空力振動が生じる恐れがある。尚、気流による空力振動はフラッタリングと呼ばれる。少なくとも１つのＰＡ８を動翼４に取付けて作動させると、動翼４の空力振動を抑制又は低減させることができる。具体的には、動翼４に作用する空気抵抗が低減されるようにＰＡ８を動作させる制御を行えば、動翼４の空力振動を抑制又は低減させることができる。特に、複数のＰＡ８を動翼４の適切な位置に取付け、空気抵抗に応じて適切なＰＡ８を動作させる制御を行えば、空力振動の抑制効果を向上させることができる。

また、動翼４の上面側及び下面側にそれぞれ少なくとも１つのＰＡ８を設ければ、空力振動の抑制又は低減のみならず、ＰＡ８の制御によって動翼４の角度制御も可能となる。すなわち、ＰＡ８で気流を発生させ、空気力を利用して舵を切ることができる。具体的には、動翼４の迎角を大きくするためのＰＡ８と、動翼４の迎角を小さくするためのＰＡ８を、それぞれ少なくとも１つ動翼４に設けることができる。そして、動作させるＰＡ８を切換えることによって、動翼４の迎角を制御することが可能となる。

図４は図１に示すＰＡ８の第１の配置例を示す動翼４の横断面図である。

図４に例示されるように、少なくとも動翼４の上面側かつ前縁側、上面側かつ後縁側、下面側かつ前縁側及び下面側かつ後縁側にそれぞれＰＡ８を設けることができる。図４に例示されるように、互いに異なる複数の向きの流線に沿って気流が誘起されるように複数のＰＡ８を動翼４に取付けると、動作させるべきＰＡ８を選択することによって、舵である動翼４を切るための操舵力のみならず、動翼４の迎角を制御することが可能となる。

もちろん、動翼４の長さ方向に複数のＰＡ８を設けることもできる。一様な流線に沿う気流を誘起させるための複数のＰＡ８を動翼４に取付ければ、操舵力を大きくすることが可能となる。

ＰＡ８を設ける好適な位置としては動翼４の迎角を変化させるための回転シャフト４Ａ付近が挙げられる。これは、動翼４の回転シャフト４Ａ付近では、気流の剥離が無く、ＰＡ８を動作させると空気の流れを形成し易いためである。従って、動翼４の上面側及び下面側にＰＡ８を設ける場合には、図４に示すように少なくとも１つのＰＡ８を動翼４の回転シャフト４Ａ付近に配置することが好ましい。また、単一のＰＡ８を動翼４の表面に設ける場合においても、動翼４の回転シャフト４Ａ付近にＰＡ８を配置することが好ましい。

図５は図１に示すＰＡ８の第２の配置例を示す動翼４の横断面図である。

ＰＡ８は動翼４の舵面上に限らず、舵面付近に配置してもよい。具体例として図５に示すように動翼４の回転シャフト４Ａ付近における静翼５側の表面に配置してもよい。

図６は図１に示すＰＡ８の第３の配置例を示す動翼４の横断面図である。

図６に示すように静翼５に複数の動翼４が連結されている場合には、静翼５或いは各動翼４の上面側及び下面側の舵面にＰＡ８を取付けることができる。すなわち、複数の動翼４の各迎角を制御できるように適切な数のＰＡ８を適切な位置に配置することができる。

ＰＡ８、クラッチ７及び電動アクチュエータ６は、制御装置９によって制御される。すなわち、制御装置９は、電動アクチュエータ６、クラッチ７及びＰＡ８を制御する機能を有している。電動アクチュエータ６、クラッチ７及びＰＡ８は、いずれも電気信号によって動作する。従って、制御装置９は、コンピュータプログラムを読込ませた演算回路等の電子回路で構成することができる。

航空機２が無人機であれば、通常、遠隔操作される。すなわち、航空機２の操舵指示を表す制御信号が無線によって制御装置９に与えられる。この場合、制御装置９に操舵指示を与えるための入力装置が遠隔地に設置され、制御装置９には操舵指示を表す無線信号を受信するための無線機と接続されることになる。従って、航空機２に搭載される制御装置９への入力装置１０は、無線機となる。

また、予め作成された操舵指示を表すプログラムによって無人機を自動運航させる場合には、操舵指示を表すプログラムが制御装置９内の記憶回路に保存され、制御装置９はプログラムに従って電動アクチュエータ６、クラッチ７及びＰＡ８を制御することになる。

一方、航空機２が有人機であれば、操縦桿、レバー及びスイッチ等の操縦装置が操縦席（コックピット）に制御装置９への入力装置１０として設けられる。そして、操縦者が入力装置１０を操作することによって操舵指示を表す制御信号を制御装置９に入力することができる。或いは、予め作成された自動運航プログラムによって操舵指示を表す制御信号が制御装置９において生成され、必要に応じて操縦者が入力装置１０を操作する場合もある。

電動アクチュエータ６は、動翼４の操舵を行うための機械要素である。従って、操縦桿等の入力装置１０から制御装置９に入力される動翼４の迎角に関連する操舵指示或いは遠隔から無線で制御装置９に入力される操舵指示等に基づいて制御装置９が電動アクチュエータ６の制御信号を生成し、生成した制御信号を電動アクチュエータ６に出力する。

より具体的には、動翼４の現在の迎角と迎角の目標値との間における角度差、迎角の目標値までの角度差に対応する電動アクチュエータ６の移動量及び電動アクチュエータ６の移動量に対応する電動モータ６Ａの回転角度が制御装置９において算出される。そして、算出された回転角度だけ電動モータ６Ａが回転するように制御装置９によって電動アクチュエータ６の電動モータ６Ａが制御される。これにより、動翼４の迎角を所望の迎角に制御することができる。

クラッチ７は、電動アクチュエータ６が故障した場合に制御対象となる機械要素である。航空機２が有人機であれば、操縦者がクラッチ７を手動で操作できるようにしてもよい。その場合には、クラッチ７を操作するためのスイッチやレバー等の入力装置１０が操縦室に設けられる。そして、スイッチやレバー等の入力装置１０からクラッチ７を動作させる指示、すなわち電動アクチュエータ６を動翼４から切り離す指示が制御装置９に入力された場合には、制御装置９はクラッチ７の動作信号を生成し、生成した動作信号をクラッチ７に出力する。

より具体的には、クラッチ７の回転板７Ａ、７Ｂを引離すための電場又は磁場が生成されるように電場又は磁場の発生回路を制御する制御信号が制御装置９において生成される。そして、制御装置９において生成された制御信号が電場又は磁場の発生回路に出力されると、電場又は磁場の発生回路によって回転板７Ａ、７Ｂには電場又は磁場が印加される。これにより、クラッチ７の回転板７Ａ、７Ｂが互いに引離され、電動アクチュエータ６が動翼４から切り離される。

一方、電動アクチュエータ６が故障した場合にクラッチ７を自動で動作させる機能を制御装置９に設けることもできる。クラッチ７を自動で動作させるためには、ＥＭＡで問題となるジャミング等の電動アクチュエータ６の故障も自動で検知することが必要となるが、航空機２には通常、動翼４の迎角を測定するセンサ１１が設けられている。

動翼４の迎角を測定するセンサ１１は、回転センサや直線変位センサで構成することができる。回転センサでセンサ１１を構成する場合には、動翼４の回転シャフト４Ａに回転センサを取付けることによって動翼４の迎角を直接測定することができる。一方、直線変位センサでセンサ１１を構成する場合には、動翼４の迎角の変化に伴って直線的に移動するロッドが動翼４に連結され、ロッドの移動量が直線変位センサで測定される。そして、ロッドの移動量を動翼４の迎角の変化に換算することによって動翼４の迎角を間接的に測定することができる。

このため、動翼４の迎角を測定するためのセンサ１１を、電動アクチュエータ６の故障を検出するために用いることができる。すなわち、センサ１１で測定された動翼４の実際の迎角と、制御装置９から電動アクチュエータ６に出力された動翼４の迎角の制御値との間における差又は比等の乖離量に基づいて油圧系統の不具合やジャミングといった電動アクチュエータ６の故障を自動的に検出することができる。より具体的には、制御装置９から電動アクチュエータ６に出力された動翼４の迎角の制御値に対して、動翼４の実際の迎角が閾値を超えて異なる場合には、電動アクチュエータ６に故障が発生したと自動判定することができる。

この電動アクチュエータ６に発生した故障の自動判定機能も、制御装置９に設けることができる。このため、センサ１１の出力側は、制御装置９に接続される。そして、制御装置９において、センサ１１からの検出信号に基づいて電動アクチュエータ６の故障を自動検出し、電動アクチュエータ６の故障が検出された場合には自動的にクラッチ７を動作させることによって電動アクチュエータ６から動翼４に伝達されるトルクを自動的に遮断することができる。

電動アクチュエータ６から動翼４に伝達されるトルクが遮断されると動翼４はフリーとなり、空気力で振動する恐れがある。そこで、空力振動の抑制又は低減のために、或いは、動翼４迎角を調整するために電動アクチュエータ６に代わってＰＡ８を制御することができる。

ＰＡ８についてもクラッチ７と同様に手動又は自動で制御することができる。ＰＡ８を手動で操作できるようにする場合には、操縦室にＰＡ８を操作するための入力装置１０が備えられる。そして、入力装置１０からＰＡ８の操作指示が制御装置９に入力された場合には、制御装置９がＰＡ８の制御信号を生成し、生成した制御信号をＰＡ８に出力することによって、ＰＡ８を動作させることができる。

一方、ＰＡ８を自動的に動作させる場合には、クラッチ７と同様に電動アクチュエータ６における故障の検出をトリガとしてＰＡ８を自動的に動作させることができる。或いは、クラッチ７の動作によって電動アクチュエータ６から動翼４に伝達されるトルクが遮断されたことをトリガとしてＰＡ８を自動的に動作させるようにしてもよい。すなわち、センサ１１からの検出信号に基づいて電動アクチュエータ６の故障が検出された場合には、制御装置９がクラッチ７のみならず、ＰＡ８についても自動的に動作させるようにすることができる。

動翼４の空力振動の抑制又は低減のためにＰＡ８を動作させる場合には、ＰＡ８をＯＦＦ状態からＯＮ状態に切換えるのみとしてもよい。このため、ＰＡ８を手動で操作できるようにする場合には、各ＰＡ８をＯＦＦ状態からＯＮ状態に切換えるためのスイッチやレバー等の入力装置１０を操縦室に設ければよい。そして、入力装置１０から指定されたＰＡ８をＯＦＦ状態からＯＮ状態に切換える指示が制御装置９に入力された場合には、制御装置９が指定されたＰＡ８の交流電源８Ｄに制御信号を出力してＯＮ状態に切換えるようにすることができる。これにより、指定されたＰＡ８近傍に気流が発生し、動翼４の空力振動を抑制又は低減することができる。

また、動翼４の空力振動の抑制又は低減のためにＰＡ８を自動で動作させる場合には、電動アクチュエータ６の故障が検出され、電動アクチュエータ６から動翼４に伝達されるトルクが遮断された場合には、制御装置９がＰＡ８の交流電源８Ｄに制御信号を出力してＯＮ状態に切換えるようにすることができる。すなわち、制御装置９がＰＡ８を制御することによって動翼４の空力振動を抑制又は低減することができる。

但し、複数のＰＡ８が動翼４に取付けられている場合には、動翼４の空力振動を抑制又は低減させるために動作させるべき適切なＰＡ８を特定することが重要である。そこで、空気振動の低減に寄与する気流を発生させることが可能なＰＡ８を制御装置９において自動的に特定し、特定したＰＡ８の交流電源８Ｄに制御信号を出力してＯＮ状態に切換えるようにすることができる。

動作させるべきＰＡ８を自動的に特定する方法としては、空気力による動翼４の振動方向を検出し、動翼４の空気振動を打ち消す気流を誘起することが可能なＰＡ８を、動作対象として特定する方法が挙げられる。空気力による動翼４の振動方向は、センサ１１からの迎角の時間変化を表す検出信号に基づいて検出することができる。

また、制御対象となるＰＡ８のパラメータは、動作させるべきＰＡ８の識別情報に限らず、各ＰＡ８の交流電源８Ｄから第１の電極８Ａと第２の電極８Ｂとの間に印加される交流電圧の振幅や波形を特定するパラメータとすることもできる。例えば、連続波から成る典型的な交流電圧が交流電源８Ｄから第１の電極８Ａと第２の電極８Ｂとの間に印加される場合であれば、連続波から成る交流電圧の振幅を、制御対象となるＰＡ８のパラメータとすることができる。

但し、ＰＡ８によって誘起される気流の空気力を調整できるようにするためには、交流電圧の波形を連続波とせずにバースト波とすることがより効果的である。これは、交流電圧をバースト波とすれば、振幅及びバースト周波数を容易に制御できるためである。尚、バースト波は、交流電圧の波形が断続的かつ周期的に繰返される波である。

そこで、各ＰＡ８の交流電源８Ｄから第１の電極８Ａと第２の電極８Ｂとの間に印加される交流電圧をバースト波とし、バースト周波数及び振幅を制御対象とすることができる。バースト波のバースト周波数及び振幅を制御対象とする場合には、一層、細やかな動翼４の操舵を行うことが可能となる。例えば、動翼４の振動を最小化するフィードバック制御を行うこともできる。

より具体的には、センサ１１から出力される検出信号に基づいて動翼４の振動方向や振幅を含む振動を検出することができる。そして、動作対象として選択すべきＰＡ８の識別情報並びに動作対象として選択されたＰＡ８の第１の電極８Ａと第２の電極８Ｂとの間に印加すべきバースト波のバースト周波数及び振幅をパラメータとして、動翼４の振動が抑制されるようにフィードバック制御を行うことができる。

もちろん、動作させるべきＰＡ８の特定やＰＡ８の第１の電極８Ａと第２の電極８Ｂとの間に印加すべきバースト波のバースト周波数及び振幅を、操縦者が入力装置１０の操作によって手動で行えるようにしてもよい。或いは、上述したようにバースト波ではなく連続波として交流電圧を第１の電極８Ａと第２の電極８Ｂとの間に印加し、連続波の振幅を制御対象としても良い。

各ＰＡ８は、上述したように空気振動の抑制又は低減のみならず、動翼４の迎角を所望の角度に制御するためにも使用することができる。すなわち、電動アクチュエータ６の代わりに複数のＰＡ８を制御することによって操舵を行うことができる。そのために、動翼４をある迎角にするために動作させるべきＰＡ８と、各ＰＡ８の第１の電極８Ａと第２の電極８Ｂとの間に印加すべきバースト波のバースト周波数及び振幅或いは連続波の振幅を、予め風洞試験やシミュレーション等で調べておくことができる。そうすると、各ＰＡ８の手動操作又は自動操作によって、操舵を行うことが可能となる。

航空機２の操舵を手動で行う場合には、通常、有人機であれば操縦桿の操作によって、無人機であれば遠隔地に設けられたコントローラの操作によって、操舵が行われる。そこで、電動アクチュエータ６から動翼４に伝達されるトルクが遮断された場合には、航空機２の操縦装置から入力された動翼４の制御情報に基づいて制御装置９が各ＰＡ８を制御するようにすることができる。具体的には、動作対象となるＰＡ８に加えて、ＰＡ８を構成する第１の電極８Ａと第２の電極８Ｂとの間に印加される連続波から成る交流電圧の振幅、バースト波から成る交流電圧のバースト周波数及びバースト波の振幅の少なくとも１つを、操縦桿等の操縦装置の操縦によって入力される動翼４の制御情報に基づいて制御することができる。

つまり、操縦者が操縦桿を操作すると、制御装置９が各ＰＡ８を制御して必要なＰＡ８をＯＮ状態に切換え、かつＯＮ状態に切換ったＰＡ８に印加される交流電圧の振幅を含む波形を調整するようにすることができる。これにより、電動アクチュエータ６が故障しても、複数のＰＡ８を動作させることによって引き続き操舵を行うことが可能となる。

尚、ＰＡ８を用いた操舵を、着陸時のように航空機２が低速飛行し、かつ動翼４の迎角が大きい場合に限定してもよい。この場合、風洞試験やシミュレーションの条件を限定することが可能となる。

次に電動アクチュエータ６、クラッチ７及び翼３の連結構造の具体例について説明する。

図７は図１に示す電動アクチュエータ６、クラッチ７及び翼３の連結構造を含む具体的な第１の構造例を示す部分断面図であり、図８は図７に示す電動アクチュエータ６、クラッチ７及び翼３の部分上面図である。尚、図７は図８の位置Ａ－Ａにおける部分断面図である。

ＥＭＡやＥＨＡ等の電動アクチュエータ６が、シリンダチューブ６Ｂに対してロッド６Ｃが移動する動力シリンダ６Ｄで構成される場合には、シリンダチューブ６Ｂ側を静翼５にホーンアームやＬ型アーム等のアーム２０を介して固定することができる。一方、ホーンアームやＬ型アーム等のアーム２１を、動翼４の迎角を変化させるための回転シャフト４Ａと、クラッチ７を介して連結することができる。

すなわち、クラッチ７を接続状態とすれば、アーム２１が回転シャフト４Ａに固定されることによってアーム２１のトルクが回転シャフト４Ａに伝達される一方、クラッチ７を非接続状態とすれば、アーム２１が回転シャフト４Ａから切り離されてアーム２１のトルクが回転シャフト４Ａに伝達されなくなるようにすることができる。

そして、電動アクチュエータ６を構成するロッド６Ｃの先端をアーム２１の一端と回転自在に連結することができる。換言すれば、アーム２１の一端をロッド６Ｃの先端とジョイントで回転自在に連結する一方、アーム２１の他端を動翼４の回転シャフト４Ａとクラッチ７を介して連結することができる。

これにより、クラッチ７の操作によって、電動アクチュエータ６と動翼４とを、接続状態と非接続状態との間で切換えることができる。すなわち、電動アクチュエータ６が故障した場合には、クラッチ７を動作させることによって、電動アクチュエータ６のロッド６Ｃからアーム２１を介して動翼４の回転シャフト４Ａに伝達されるトルクを遮断することができる。

図９は図１に示す電動アクチュエータ６、クラッチ７及び翼３の連結構造を含む具体的な第２の構造例を示す部分断面図である。

図９に例示されるようにクラッチ７を電動アクチュエータ６に内蔵することもできる。電動アクチュエータ６が典型的なＥＭＡである場合には、電動モータ６Ａで回転するボールねじ６Ｅがシリンダチューブ６Ｂ内に配置され、ボールねじ６Ｅの回転によって直線的に移動するナット６Ｆがロッド６Ｃの一端に固定される。これにより、ボールねじ６Ｅを回転させると、回転角度に対応する距離だけロッド６Ｃを平行移動させることができる。すなわち、シリンダチューブ６Ｂ、ボールねじ６Ｅ、ナット６Ｆ及びロッド６Ｃ等で構成される電動シリンダ６Ｇを伸縮させることができる。

このような構造を有するＥＭＡにおいて、電動モータ６Ａの出力軸と、ボールねじ６Ｅとの間にクラッチ７を介在させることができる。そして、シリンダチューブ６Ｂ側を静翼５にアーム２０を介してリジッドに固定する一方、ロッド６Ｃの先端を動翼４にリジッドに固定されたアーム２１と回転自在に連結することができる。

そうすると、クラッチ７の操作によって、電動アクチュエータ６と動翼４とを、接続状態と非接続状態との間で切換えることができる。すなわち、電動アクチュエータ６が故障した場合には、クラッチ７を動作させることによって、電動アクチュエータ６のロッド６Ｃからアーム２１を介して動翼４の回転シャフト４Ａに伝達されるトルクを遮断することができる。

尚、電動モータ６Ａの出力軸と、ボールねじ６Ｅを同軸上とせずに、ギアやベルトで連結するようにしてもよい。また、電動アクチュエータ６がＥＨＡである場合においても、例えば、電動モータ６Ａの出力軸と、油圧ポンプとの間にクラッチ７を介在させることによって、クラッチ７を電動アクチュエータ６に内蔵することができる。

図１０は図１に示す電動アクチュエータ６、クラッチ７及び翼３の連結構造を含む具体的な第３の構造例を示す翼３の部分上面図である。

図１０に例示されるように電動アクチュエータ６を、動力シリンダを用いずに、動翼４の回転シャフト４Ａを回転させる電動モータ６Ａで構成することができる。すなわち、電動モータ６Ａのケーシングは静翼５にリジッドに固定される。そして、電動モータ６Ａの出力軸が動翼４の回転シャフト４Ａと連結される。この場合、クラッチ７を電動モータ６Ａの出力軸と回転シャフト４Ａとの間に配置することができる。

これにより、クラッチ７の操作によって、電動アクチュエータ６と動翼４とを、接続状態と非接続状態との間で切換えることが可能となる。すなわち、電動アクチュエータ６が故障した場合には、クラッチ７を動作させることによって、電動アクチュエータ６を構成する電動モータ６Ａの出力軸から動翼４の回転シャフト４Ａに伝達されるトルクを遮断することができる。

尚、電動モータ６Ａの出力軸と、回転シャフト４Ａを同軸上とせずに、ギアやベルトで連結するようにしてもよい。

（航空機の操舵方法）
次に操舵システム１による航空機２の動翼４の操舵方法について説明する。

図１１は、図１に示す操舵システム１による動翼４の操舵方法を示すフローチャートである。

航空機２の離陸を含め、動翼４の操舵はステップＳ１に示すようにＥＭＡやＥＨＡ等の電動アクチュエータ６を用いて行われる。航空機２が離陸すると、ステップＳ２において、電動アクチュエータ６が故障したか否かが常時判定される。電動アクチュエータ６が故障したか否かの判定は、有人機又は無人機からなる航空機２の操縦者が行っても良いし、センサ１１を用いて検出される動翼４の迎角の測定値と制御値との間における乖離量に基づいて制御装置９が自動的に行うようにしてもよい。

電動アクチュエータ６が故障したと判定されない限り、ステップＳ１における電動アクチュエータ６を用いた操舵が続行される。すなわち、ステップＳ２の判定においてＮＯと判定された場合には、ステップＳ１における電動アクチュエータ６を用いた操舵が続行される。

ステップＳ２の判定においてＹＥＳと判定された場合には、すなわち電動アクチュエータ６が故障したと判定された場合には、ステップＳ３において、クラッチ７の動作によって電動アクチュエータ６が動翼４から切り離される。これにより、動翼４の舵面はフリーとなる。クラッチ７の操作は、操縦者がスイッチやレバー等の入力装置１０の操作によって手動で行っても良いし、制御装置９において電動アクチュエータ６が故障したと判定された場合に制御装置９が自動的に行うようにしても良い。

次に、ステップＳ４において、ＰＡ８による空力振動の抑制若しくは低減、或いはＰＡ８による操舵が行われる。すなわち、電動アクチュエータ６の冗長系としてのＰＡ８を動作させる。ＰＡ８の動作も、操縦者がスイッチやレバー等の入力装置１０の操作によって手動で行っても良いし、制御装置９において電動アクチュエータ６が故障したと判定された場合に制御装置９が自動的に行うようにしても良い。

例えば、ＰＡ８によって動翼４の空力振動を抑制又は低減させることができる。或いは、複数のＰＡ８を制御することによって動翼４の迎角を調整することもできる。このようなＰＡ８の制御によって、電動アクチュエータ６が故障しても航空機２の安全性を維持することができる。

尚、多くの航空機２には、複数の動翼４が備えられる。このため、操舵システム１で航空機２に備えられる少なくとも１つの動翼４を操舵することによって航空機２の安全性を向上させることができる。

（効果）
以上のような航空機２の操舵システム１及び操舵方法は、動翼４の迎角を変化させるための電動アクチュエータ６を、クラッチ７を介して動翼４と連結し、電動アクチュエータ６が故障した場合にはクラッチ７を操作して電動アクチュエータ６を動翼４から切り離す一方、動翼４又は動翼４近傍に配置したＰＡ８で空力振動の抑制若しくは低減、或いは動翼４の操舵を行うようにしたものである。

このため、航空機２の操舵システム１及び操舵方法によれば、ＥＭＡやＥＨＡ等の電動アクチュエータ６に不具合が発生した場合に、クラッチ７の操作によって速やかに電動アクチュエータ６から動翼４に伝達される動力を切ることが可能である。更に、電動アクチュエータ６の冗長系として翼３に設けられたＰＡ８を臨時のアクチュエータとして使用することができる。このため、空力振動の抑止や低減はもちろん、複数のＰＡ８を制御することによって操舵を行うことも可能である。

また、ＥＭＡにおいてジャミングが発生してもクラッチ７の操作によって速やかにＥＭＡを動翼４から引離すことができる。このため、電動アクチュエータ６として油圧系統が不要なＥＭＡを採用することが容易となる。その結果、操縦系統から油圧系統を不要とし、航空機２の冗長性を維持しつつ、航空機２の軽量化及び構造の単純化を図ることができる。また、電動アクチュエータ６をＥＭＡで構成することによって油圧配管等のメンテナンスを不要とし、電動アクチュエータ６の整備に要する労力を低減することができる。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１ 操舵システム
２ 航空機
３ 翼
４ 動翼
４Ａ 回転シャフト
５ 静翼
６ 電動アクチュエータ
６Ａ 電動モータ
６Ｂ シリンダチューブ
６Ｃ ロッド
６Ｄ 動力シリンダ
６Ｅ ボールねじ
６Ｆ ナット
６Ｇ 電動シリンダ
７ クラッチ
７Ａ、７Ｂ 回転板
７Ｃ ケーシング
７Ｄ 機能性流体
８ ＰＡ
８Ａ 第１の電極
８Ｂ 第２の電極
８Ｃ 誘電体
８Ｄ 交流電源
９ 制御装置
１０ 入力装置
１１ センサ
２０ アーム
２１ アーム

Claims (5)

1. 航空機の動翼の角度を変化させるための電動アクチュエータと、
   前記電動アクチュエータの駆動によって前記動翼に伝達されるトルクを遮断するクラッチと、
   前記トルクが遮断された場合に前記動翼の表面に空気の流れを形成するための少なくとも１つのプラズマアクチュエータと、
   前記電動アクチュエータの故障を検出するためのセンサによって前記故障が検出された場合に前記クラッチを動作させることによって自動的に前記トルクを遮断する制御装置と、
   を備える航空機の操舵システム。
2. 前記制御装置は、前記故障が検出された場合に更に前記プラズマアクチュエータを自動的に動作させるように構成される請求項１記載の航空機の操舵システム。
3. 航空機の動翼の角度を変化させるための電動アクチュエータと、
   前記電動アクチュエータの駆動によって前記動翼に伝達されるトルクを遮断するクラッチと、
   前記トルクが遮断された場合に前記動翼の表面に空気の流れを形成するための少なくとも１つのプラズマアクチュエータと、
   前記トルクが遮断された場合に前記航空機の操縦装置から入力された前記動翼の制御情報に基づいて前記プラズマアクチュエータを制御する制御装置と、
   を備える航空機の操舵システム。
4. 前記プラズマアクチュエータを構成する電極間に印加される連続波から成る交流電圧の振幅、バースト波から成る交流電圧のバースト周波数及び前記バースト波の振幅の少なくとも１つが、前記動翼の制御情報に基づいて制御されるように構成された請求項３記載の航空機の操舵システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の操舵システムを備えた航空機。

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