(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【0015】
図1は、航空機100の斜視図である。航空機100は、例えば、無人機であって全翼機である。ただし、航空機100は、有人機であってもよいし、胴体部や尾翼が設けられていてもよい。また、
図1では、航空機100の機体110の後方、右側、上側をそれぞれ、矢印AFT、RH、UPRで示す。以下、機体110の前方、後方、右側、左側、上側、下側を、単に、前方、後方、右側、左側、上側、下側ということがある。ここで、前方は、例えば、前進中の航空機100の進行方向である。前方は、機首側であり、後方は機尾側である。
【0016】
図1に示すように、航空機100の機体110は、主翼120を含んで構成される。主翼120は、機体110の幅方向(以下、単に幅方向ということがある)に延在する。主翼120には、吸気口122および排気口124が設けられる。吸気口122、排気口124は、主翼120のうち、幅方向の中心側に2つずつ設けられる。排気口124は、吸気口122よりも機体110の後方に位置する。吸気口122、排気口124は後述するエンジンに連通する。
【0017】
主翼120のうち、幅方向の両側の端部126には、翼端デバイス(筒部材)140が設けられる。翼端デバイス140は、大凡円筒形状(筒形状)の第1本体部(本体部)142を有する。第1本体部142は、機体110の前後方向(以下、単に前後方向ということがある)に延在する。第1本体部142は、主翼120との接続部よりも後方に延在する。
【0018】
主翼120のうち、幅方向の中心部128には、テール部(筒部材)160が設けられる。テール部160は、主翼120の中心部128から機体110の後方に向かって突出(延在)する。テール部160は、機体110の重心よりも後方に延在する。テール部160は、大凡円筒形状(筒形状)の第2本体部(本体部)162を有する。第2本体部162は、前後方向に延在する。
【0019】
ここでは、第1本体部142、第2本体部162が前後方向に延在する場合について説明した。ただし、第1本体部142、第2本体部162は、少なくとも前方から後方に向かって延在すればよく、後述する操舵機能に支障がない範囲で、前後方向に対して傾斜してもよい。
【0020】
図2は、航空機100の操舵機能に関する機能ブロック図である。
図2中、破線は制御信号および電力の流れを示す。
図2に示すように、航空機100は、エンジン200、プラズマアクチュエータ210、飛行制御装置220、バッテリ230、および、上記の主翼120、翼端デバイス140、テール部160を含んで構成される。
【0021】
主翼120には、例えば、2つのエンジン200が搭載される。上記の吸気口122から吸気された外気(流体)は、それぞれのエンジン200の燃焼に寄与し、排気口124から排出される。また、航空機100には、抽気流路202が形成され、2つのエンジン200は、抽気流路202に連通する。
【0022】
エンジン200側の圧縮機で圧縮された外気の一部は、抽気として抽気流路202に流出する。抽気流路202は、翼端デバイス140の第1本体部142(
図1参照)に設けられた第1抽気口(導入口)144に連通する。また、抽気流路202は、テール部160の第2本体部162に設けられた第2抽気口(導入口)164に連通する。抽気は、抽気流路202を通じて翼端デバイス140およびテール部160に導かれる。
【0023】
プラズマアクチュエータ210は、翼端デバイス140、テール部160、主翼120に設けられる。プラズマアクチュエータ210は、例えば、誘電体バリア放電(DBD:Dielectric Barrier Discharge)を利用したアクチュエータである。
【0024】
プラズマアクチュエータ210では、斜向かいに配された2つの電極の間に誘電体を挟み、電極間に高周波、高電圧の交流を印加する。流体中に露出した一方の電極側においてプラズマが発生する。プラズマの正電荷が他方の電極側に向けて加速し、正電荷が中性子に衝突する。その結果、流体において、誘電体に沿って他方の電極側に向かう流れが生じる。
【0025】
このように、プラズマアクチュエータ210は、電動アクチュエータや油圧アクチュエータのような可動部によらずに、プラズマによって流体に流れを生じさせることができる。
【0026】
飛行制御装置220、バッテリ230は、例えば、主翼120に搭載される。飛行制御装置220は、バッテリ230から供給される電力で動作する。飛行制御装置220は、各プラズマアクチュエータ210への上記の電圧の印加の開始、停止を制御する。プラズマアクチュエータ210に印加される電圧(電力)は、バッテリ230によって供給される。飛行制御装置220は、主翼120、翼端デバイス140、テール部160に設けられた複数のプラズマアクチュエータ210それぞれを独立して制御可能である。
【0027】
図3は、翼端デバイス140を説明するための図である。
図3(a)には、翼端デバイス140を主翼120側から見た図を示す。ただし、
図3(a)では、主翼120は、翼端デバイス140との接続部(
図3(a)中、一点鎖線)のみを示す。
図3(b)には、
図3(a)のIIIb−IIIb線断面を示す。
【0028】
図3(a)、
図3(b)に示すように、第1本体部142の内部には、内部流路146が形成される。内部流路146は、前後方向に延在する。ただし、内部流路146は、第1本体部142と同様、少なくとも前方から後方に向かって延在すればよく、後述する操舵機能に支障がない範囲で、前後方向に対して傾斜してもよい。
【0029】
第1本体部142のうち、前方の端部には、内部流路146の開口である前端口(導入口)148が形成される。航空機100の飛行中、前端口148から内部流路146に外気が導入される。第1本体部142のうち、後方の端部は閉じられている。
【0030】
翼端デバイス140の第1本体部142には、上記の第1抽気口144が形成される。第1抽気口144は、内部流路146に連通する。第1抽気口144を介して抽気が内部流路146に導かれる。
【0031】
第1本体部142のうち、主翼120との接続部よりも後方には、噴気孔150が設けられる。噴気孔150は、第1本体部142のうち、前端口148よりも後方に設けられる。噴気孔150は、第1本体部142の内周面(内部流路146を形成する壁面)から外周面142aまで貫通する。
【0032】
図3(a)に示すように、噴気孔150は、第1本体部142の周方向の噴気孔150の幅よりも、前後方向に長く延在する。噴気孔150は、機体110の重心よりも後方に位置する。また、
図3(b)に示すように、噴気孔150は、第1本体部142の周方向に離隔して等間隔に4つ設けられる。ただし、噴気孔150は、少なくとも1つあればよく、2つ、3つ、または、5つ以上設けられてもよい。
【0033】
噴気孔150の内周面のうち、第1本体部142の外周面142a側には、湾曲面150aが形成される。湾曲面150aは、例えば、外周面142aから連続する。湾曲面150aは、噴気孔150のうち、第1本体部142の径方向の大凡中心まで連続する。湾曲面150aは、第1本体部142の径方向外側に向かうほど、第1本体部142の周方向における噴気孔150の中心から離隔する。したがって、湾曲面150aにより、噴気孔150は、外周面142a側に向って広がっている。湾曲面150aは、噴気孔150のうち、第1本体部142の周方向の両側にそれぞれ形成される。
【0034】
プラズマアクチュエータ210は、第1本体部142に設けられる。プラズマアクチュエータ210の一部は、第1本体部142に埋め込まれており、プラズマアクチュエータ210の一部は、湾曲面150aに露出する。プラズマアクチュエータ210は、噴気孔150に対して、第1本体部142の周方向の両側に配される。プラズマアクチュエータ210の一部は、噴気孔150に突出していてもよい。プラズマアクチュエータ210は、4つの噴気孔150に対応して8つ設けられる。
【0035】
プラズマアクチュエータ210は、噴気孔150の中心面に対して面対称に配される。ここで、噴気孔150の中心面は、噴気孔150のうち、第1本体部142の周方向の幅の中心に位置し、第1本体部142の径方向および前後方向に延在する。ただし、プラズマアクチュエータ210は、噴気孔150の中心面に対して非対称に配されてもよい。
【0036】
図3(b)に矢印で示すように、内部流路146に流入した流体(外気、抽気)は、噴気孔150から第1本体部142の外部に噴出する。プラズマアクチュエータ210は、噴気孔150から噴出する流体に作用する。
【0037】
図4は、翼端デバイス140による操舵を説明するための図である。以下の図では、作動中のプラズマアクチュエータ210を黒く塗りつぶして示し、非作動のプラズマアクチュエータ210を白抜きで示す。
【0038】
図4(a)には、翼端デバイス140によって航空機100に右ヨー方向の力が作用する場合を示す。プラズマアクチュエータ210が作動すると、湾曲面150aに沿って、第1本体部142の外周面142aに向かう流体の流れが生じる。その結果、噴気孔150から噴出する流体は、コアンダ効果によって湾曲面150aに吸い寄せられ、外周面142aに沿って流れる。
【0039】
図4(a)中、左側の図に示すように、3つのプラズマアクチュエータ210を作動させ、翼端デバイス140に対して右側への流体の流れを生じさせる。その結果、翼端デバイス140の右側の流速が上昇して圧力が低下し、右ヨー方向の力が翼端デバイス140に作用する。2つの翼端デバイス140でプラズマアクチュエータ210を同じように作動させる。こうして、
図4(a)中、右側の図に示すように、2つの翼端デバイス140によって右ヨー方向の力が機体110に作用する。
【0040】
図4(b)には、翼端デバイス140によって航空機100に右ロール方向の力が作用する場合を示す。
図4(b)中、左側の図に示すように、3つのプラズマアクチュエータ210を作動させ、翼端デバイス140に対して下側への流体の流れを生じさせる。その結果、翼端デバイス140の下側の流速が上昇して圧力が低下し、下側に向かう力が翼端デバイス140に作用する。
図4(b)中、右側の図に示すように、機体110の右側の翼端デバイス140によって、下側に向かう力を生じさせ、機体110の左側の翼端デバイス140によって、上側に向かう力を生じさせる。こうして、2つの翼端デバイス140によって右ロール方向の力が機体110に作用する。
【0041】
上記のように、噴気孔150は、機体110の重心よりも後方に位置する。そのため、翼端デバイス140によって航空機100にピッチ方向の力を作用させることもできる。すなわち、
図4(b)中、右側の図において、機体110の両側の翼端デバイス140によって、下側に向かう力を生じさせれば、航空機100にピッチ方向のプラス側の力を作用させる。機体110の両側の翼端デバイス140によって、上側に向かう力を生じさせれば、航空機100にピッチ方向のマイナス側の力を作用させる。
【0042】
図5は、テール部160を説明するための図である。
図5(a)には、テール部160の一部を上側から見た図を示す。
図5(b)には、
図5(a)のVb−Vb線断面を示す。
【0043】
図5(a)、
図5(b)に示すように、第2本体部162の内部には、内部流路166が形成される。内部流路166は、前後方向に延在する。ただし、内部流路166は、第2本体部162と同様、少なくとも前方から後方に向かって延在すればよく、後述する操舵機能に支障がない範囲で、前後方向に対して傾斜してもよい。
【0044】
第2本体部162のうち、前方の端部(主翼120との連結部)には、上記の第2抽気口164(
図5では不図示)が形成される。第2抽気口164は、内部流路166に連通する。第2抽気口164を介して抽気が内部流路166に導かれる。第2本体部162のうち、後方の端部(
図5では不図示)は閉じられている。
【0045】
第2本体部162には、噴気孔170、湾曲面170aが形成される。プラズマアクチュエータ210は、第2本体部162に設けられる。噴気孔170、湾曲面170a、プラズマアクチュエータ210については、上記の噴気孔150、湾曲面150a、プラズマアクチュエータ210と実質的に同等であるため、詳細な説明は省略する。
【0046】
図6は、テール部160による操舵を説明するための図である。
図6(a)には、テール部160によって航空機100に右ヨー方向の力が作用する場合を示す。
図6(a)中、左側の図に示すように、3つのプラズマアクチュエータ210を作動させ、テール部160に対して右側への流体の流れを生じさせる。その結果、テール部160の右側の流速が上昇して圧力が低下し、右ヨー方向の力がテール部160に作用する。こうして、
図6(a)中、右側の図に示すように、右ヨー方向の力が機体110に作用する。テール部160は、翼端デバイス140に比べて、ヨー方向に生じさせることが可能な力が大きい。
【0047】
図6(b)には、テール部160によって航空機100にマイナスピッチ方向の力が作用する場合を示す。
図6(b)中、左側の図に示すように、3つのプラズマアクチュエータ210を作動させ、テール部160に対して下側への流体の流れを生じさせる。その結果、テール部160の下側の流速が上昇して圧力が低下し、マイナスピッチ方向の力がテール部160に作用する。こうして、
図6(b)中、右側の図に示すように、マイナスピッチ方向の力が機体110に作用する。
【0048】
図6(c)には、テール部160によって航空機100に左ロール方向の力が作用する場合を示す。
図6(c)中、左側の図に示すように、4つのプラズマアクチュエータ210を作動させ、テール部160に対して、
図6(c)中、反時計回り方向(右ロール方向)への流体の流れを生じさせる。その結果、噴出する流体から受ける反作用の力により、左ロール方向の力がテール部160に作用する。こうして、
図6(c)中、右側の図に示すように、左ロール方向の力が機体110に作用する。
【0049】
図7は、主翼120による操舵を説明するための図である。
図7(a)には、主翼120の右側の一部を示す。
図7(b)には、
図7(a)のVIIb−VIIb線断面を示す。
図7(a)、
図7(b)に示すように、プラズマアクチュエータ210は、主翼120のうち、前端部120aの上側に埋め込まれている。プラズマアクチュエータ210の一部は、前端部120aの表面に露出している。
【0050】
プラズマアクチュエータ210が作動すると、前端部120aに沿って後方に向かう流体の流れが生じる。その結果、主翼120から剥離するはずの流体の一部が、コアンダ効果によって前端部120aに吸い寄せられ、前端部120aに沿って流れる。こうして、主翼120の上側における流速が上昇して圧力が低下し、主翼120に対して上側に向かう力が作用する。
【0051】
プラズマアクチュエータ210は、主翼120の左右それぞれの前端部120aに設けられており、双方のプラズマアクチュエータ210が作動すると、機体110にピッチ方向のプラス側の力が作用する。左側のプラズマアクチュエータ210のみが作動すると、機体110に右ロール方向の力が作用する。右側のプラズマアクチュエータ210のみが作動すると、機体110に左ロール方向の力が作用する。
【0052】
このように、航空機100では、ラダー、エレベータ、エルロンなどの翼や舵がアクチュエータといった翼や舵の変位を要さず、プラズマアクチュエータ210によって操舵が可能となる。
【0053】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【0054】
例えば、上述した実施形態では、ラダー、エレベータ、エルロンなど、変位する翼や舵が設けられない航空機100について説明した。しかし、航空機100は、これらの翼や舵を備えてもよい。この場合、プラズマアクチュエータ210による操舵、および、変位する翼や舵による操舵の一方が補助的なものとなり、総合的な操舵性能の向上が図られる。
【0055】
また、上述した実施形態では、主翼120にプラズマアクチュエータ210が設けられる場合について説明した。しかし、主翼120へのプラズマアクチュエータ210の設置は必須構成ではない。
【0056】
また、上述した実施形態では、翼端デバイス140とテール部160の双方が設けられる場合について説明した。しかし、翼端デバイス140およびテール部160の少なくとも一方が設けられればよい。また、翼端デバイス140、テール部160は、筒部材の一例に過ぎない。プラズマアクチュエータ210による操舵が可能であれば、筒部材が、航空機100の他の部位に設けられてもよい。
【0057】
また、上述した実施形態では、第1本体部142、第2本体部162の周方向における噴気孔150、170の中心に対して、周方向の両側にプラズマアクチュエータ210が設けられる場合について説明した。この場合、噴気孔150、170の中心に対して、周方向の一方側にのみプラズマアクチュエータ210が設けられる場合に比して、流体の流れ方向の操作性が向上する。しかし、プラズマアクチュエータ210は、噴気孔150、170の中心に対して、周方向の少なくとも一方側に設けられればよい。
【0058】
また、上述した実施形態では、噴気孔150、170は、周方向に離隔して等間隔に4つ以上設けられる場合について説明した。この場合、筒部材に対して上下左右のいずれの方向にも力を作用させることが容易となる。
【0059】
また、上述した実施形態では、湾曲面150a、170aが設けられる場合について説明した。この場合、噴気孔150、170から噴出する流体が、湾曲面150a、170aに沿って流れ易い。しかし、湾曲面150a、170aは必須構成ではない。
【0060】
また、第1抽気口144、第2抽気口164の位置は、上述した例に限らず、噴気孔150、170よりも前側であればよい。第1抽気口144、第2抽気口164が複数設けられてもよい。
【0061】
また、上述した実施形態では、噴気孔150は、機体110の重心よりも後方に位置する場合について説明した。この場合、翼端デバイス140によってヨー方向の力を機体110に作用させることができる。しかし、噴気孔150における前後方向の位置は、機体110の重心に対して重なっていてもよい。
【0062】
また、上述した実施形態では、第1本体部142および第2本体部162は、後方から見たとき真円形状である場合について説明した。しかし、第1本体部142および第2本体部162は、後方から見たとき楕円形状であってもよい。
【0063】
また、上述した実施形態では、第1本体部142および第2本体部162に抽気が導かれる場合について説明した。しかし、第1本体部142および第2本体部162に、エンジン200の排気が導かれてもよい。ただし、抽気を用いた場合、排気を用いるよりも供給量が安定する。
【0064】
また、上述した実施形態では、第1本体部142には、前端口148が設けられ、外気が導かれる場合について説明した。ただし、前端口148は必須の構成ではない。