特開 2022-142803 翼及び航空機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022142803

(43)【公開日】2022-10-03

(54)【発明の名称】翼及び航空機

(51)【国際特許分類】

   B64C 3/48 20060101AFI20220926BHJP

   B64C 3/26 20060101ALI20220926BHJP

【ＦＩ】

B64C3/48

B64C3/26

【審査請求】未請求

【請求項の数】19

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021042990

(22)【出願日】2021-03-17

(71)【出願人】

【識別番号】503361400

【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100104215

【弁理士】

【氏名又は名称】大森 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100196575

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 満

(74)【代理人】

【識別番号】100168181

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 哲平

(74)【代理人】

【識別番号】100160989

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 正好

(74)【代理人】

【識別番号】100117330

【弁理士】

【氏名又は名称】折居 章

(74)【代理人】

【識別番号】100168745

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 彩子

(74)【代理人】

【識別番号】100176131

【弁理士】

【氏名又は名称】金山 慎太郎

(74)【代理人】

【識別番号】100197398

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 絢子

(74)【代理人】

【識別番号】100197619

【弁理士】

【氏名又は名称】白鹿 智久

(72)【発明者】

【氏名】原田 正志

(57)【要約】

【課題】フラップを有さず、且つ、キャンバーを受動的に可変な翼と、この翼を有する航空機とを提供する。
【解決手段】翼は、翼の前縁を構成するボックス構造体と、前記ボックス構造体の上面の後端に取り付けられ、自由端である上側後端を有し、可撓性を有する上面外板と、前記ボックス構造体の下面の後端に取り付けられ、自由端である下側後端を有し、可撓性を有する下面外板と、前記上側後端に設けられた上側摺動材と、前記下側後端に設けられ、前記上側摺動材に対して翼弦方向成分を含む摺動方向に摺動可能に線接触することで、前記上面外板及び前記下面外板は互いに付勢し、前記上側後端と前記下側後端とにより構成される前記翼の後縁を閉塞する下側摺動材であって、前記上側摺動材及び前記下側摺動材の前記摺動方向の長さは、それぞれ、前記上側摺動材及び前記下側摺動材が前記上面外板及び前記下面外板の変形に伴い前記摺動方向に接線を変位しながら常時線接触することが可能な長さである、下側摺動材と、を具備する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

翼の前縁を構成するボックス構造体と、
前記ボックス構造体の上面の後端に取り付けられ、自由端である上側後端を有し、可撓性を有する上面外板と、
前記ボックス構造体の下面の後端に取り付けられ、自由端である下側後端を有し、可撓性を有する下面外板と、
前記上側後端に設けられた上側摺動材と、
前記下側後端に設けられ、前記上側摺動材に対して翼弦方向成分を含む摺動方向に摺動可能に線接触することで、前記上面外板及び前記下面外板は互いに付勢し、前記上側後端と前記下側後端とにより構成される前記翼の後縁を閉塞する下側摺動材であって、前記上側摺動材及び前記下側摺動材の前記摺動方向の長さは、それぞれ、前記上側摺動材及び前記下側摺動材が前記上面外板及び前記下面外板の変形に伴い前記摺動方向に接線を変位しながら常時線接触することが可能な長さである、下側摺動材と、
を具備する翼。

【請求項2】

請求項１に記載の翼であって、
飛行時に、前記翼の外側と、前記ボックス構造体の後端面、前記上面外板の内面、前記下面外板の内面及び閉塞された前記後縁により規定される空間との圧力差が変動することにより、前記上面外板及び前記下面外板が変形し、前記上側摺動材及び前記下側摺動材の前記接線が前記摺動方向に変位して、前記翼のキャンバーが変化する
翼。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の翼であって、
前記上側後端と前記下側後端とは、非接触である
翼。

【請求項4】

請求項１乃至３の何れか一項に記載の翼であって、
前記下面外板が存在せず前記下面外板が前記上面外板に干渉しないと仮定したときの前記上側後端は、前記上面外板が存在せず前記上面外板が前記下面外板に干渉しないと仮定したときの前記下側後端より、下方に位置する
翼。

【請求項5】

請求項１乃至４の何れか一項に記載の翼であって、
前記上面外板の曲げ剛性は、前縁側が高く、後縁側が低い
翼。

【請求項6】

請求項１乃至５の何れか一項に記載の翼であって、
前記下面外板の曲げ剛性は、前縁側が高く、後縁側が低い
翼。

【請求項7】

請求項１乃至６の何れか一項に記載の翼であって、
前記下側後端に取り付けられ、前記下面外板の下方に傾斜するタブ
をさらに具備する翼。

【請求項8】

請求項７に記載の翼であって、
前記タブは、飛行時に、カルマン渦を発生して前記下側摺動材に上下方向の非定常力を加える
翼。

【請求項9】

請求項７又は８に記載の翼であって、
前記タブは、飛行時に、前記下側摺動材を前記上側摺動材に押し付けることで、少なくとも前記下側摺動材に発生する運動エネルギーを摩擦により生じる熱エネルギーに変換して、前記上面外板及び前記下面外板に生じ得るフラッターを抑制する
翼。

【請求項10】

請求項７乃至９の何れか一項に記載の翼であって、
前記タブの翼弦に対する傾斜角度は、飛行時に、背面の流れが剥離する角度である
翼。

【請求項11】

請求項７乃至１０の何れか一項に記載の翼であって、
前記タブの前記翼弦に対する傾斜角度は、３０度以上４５度以下である
翼。

【請求項12】

請求項７乃至１１の何れか一項に記載の翼であって、
前記タブの翼弦長に対する長さの割合は、１％以上１０％以下である
翼。

【請求項13】

請求項１乃至１２の何れか一項に記載の翼であって、
前記翼の前縁から前記ボックス構造体の後端までの、翼弦長に対する長さの割合は、３０％以上７０％以下である
翼。

【請求項14】

請求項１乃至１３の何れか一項に記載の翼であって、
前記空間の圧力を調整する圧力調整部
をさらに具備する翼。

【請求項15】

請求項１４に記載の翼であって、
前記圧力調整部は、前記上面外板及び前記下面外板に穿孔され、前記翼の外側と前記空間とを連通する穴である
翼。

【請求項16】

請求項１５に記載の翼であって、
前記穴によって、前記翼の外側と前記空間との圧力差の変化が指数関数的減衰となり、前記翼の前縁から後縁までを飛行速度で通過する際の時間をＴとしたとき、前記指数関数的減衰の時定数はＴの１００倍以上１万倍以下である
翼。

【請求項17】

請求項１乃至１６の何れか一項に記載の翼であって、
前記上側摺動材及び／又は前記下側摺動材の材料は、プラスチック、繊維、金属及び／又はエラストマーを含む複合材である
翼。

【請求項18】

請求項１７に記載の翼であって、
前記複合材は、ブレーキシューに好適な材料である
翼。

【請求項19】

請求項１乃至１８に記載の何れか一項に記載の翼
を具備する航空機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、キャンバーを可変な翼と、この翼を有する航空機とに関する。

【背景技術】

【0002】

航空機は離着陸時に速度を下げるためにフラップを下げる等して、翼のキャンバーを能動的に変化させることにより、翼の揚力係数を上げる。通常はパイロットがフラップレバーを操作して、フラップ角度を操作する。

【0003】

フラップの種類として、プレーンフラップ、ファウラーフラップ等がある。プレーンフラップは、後縁で翼を分割し、ここにヒンジを設けて分割した後縁側の翼素を折り曲げてキャンバーを変化させる。ファウラーフラップは、翼後縁下面に独立した翼素を設け、後方にスライドさせながら折り曲げて面積を増大させながらキャンバーを大きくする。プレーンフラップ、ファウラーフラップ等のフラップは翼を分割し、ヒンジを介してそれらを曲げる又はスライドさせることで、キャンバーを大きくする。一方、翼を分割するため、翼表面上に隙間や段差が生じて、空気抵抗を増大させる要因になる。

【0004】

そこで、１９８０年代には、ＮＡＳＡなどがＦ－１１１を改造し、翼を分割することなく、連続的にキャンバーを変化させることができるＭＡＷ（Ｍｉｓｓｉｏｎ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｗｉｎｇ）を開発した（特許文献１）。特許文献２にも連続する外板を有する可変キャンバー翼が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】米国特許第４３５１５０２号明細書

【特許文献2】米国特許第３９４１３３４号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＭＡＷは、翼を分割することなく連続的に翼のキャンバーを変化させることが可能である。一方、翼の内部に複雑なリンク機構を必要とする。このため、価格と信頼性の点で問題がある。加えて、パイロット又はコンピューターの指令によって、能動的に翼の形状を変えなければならない。フラップを下げる操作をパイロットが能動的に行うことは、パイロットの労力の一つになる。

【0007】

以上のような事情に鑑み、本開示の目的は、フラップを有さず、且つ、キャンバーを受動的に可変な翼と、この翼を有する航空機とを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一形態に係る翼は、
翼の前縁を構成するボックス構造体と、
前記ボックス構造体の上面の後端に取り付けられ、自由端である上側後端を有し、可撓性を有する上面外板と、
前記ボックス構造体の下面の後端に取り付けられ、自由端である下側後端を有し、可撓性を有する下面外板と、
前記上側後端に設けられた上側摺動材と、
前記下側後端に設けられ、前記上側摺動材に対して翼弦方向成分を含む摺動方向に摺動可能に線接触することで、前記上面外板及び前記下面外板は互いに付勢し、前記上側後端と前記下側後端とにより構成される前記翼の後縁を閉塞する下側摺動材であって、前記上側摺動材及び前記下側摺動材の前記摺動方向の長さは、それぞれ、前記上側摺動材及び前記下側摺動材が前記上面外板及び前記下面外板の変形に伴い前記摺動方向に接線を変位しながら常時線接触することが可能な長さである、下側摺動材と、
を具備する。

【0009】

前記上側摺動材及び前記下側摺動材の前記摺動方向の長さは、それぞれ、前記上側摺動材及び前記下側摺動材が前記上面外板及び前記下面外板の変形に伴い前記摺動方向に接線を変位しながら常時線接触することが可能な長さであるので、上面外板及び下面外板が成す翼の形状が変化し、翼のキャンバーも変化する。

【0010】

飛行時に、前記翼の外側と、前記ボックス構造体の後端面、前記上面外板の内面、前記下面外板の内面及び閉塞された前記後縁により規定される空間との圧力差が変動することにより、前記上面外板及び前記下面外板が変形し、前記上側摺動材及び前記下側摺動材の前記接線が前記摺動方向に変位して、前記翼のキャンバーが変化する。

【0011】

上面外板及び下面外板は、上側摺動材及び下側摺動材を介して、翼の後縁を閉塞する。速度が高くなり、可撓性を有する上面外板及び下面外板の曲げモーメントが最大静止摩擦力を超えると、上側摺動材と下側摺動材が相対運動を起こし、相対的に摺動する。上側摺動材と下側摺動材とが相対的に摺動することで、上側摺動材及び下側摺動材の接線が変位する。これにより、上面外板及び下面外板の位置関係が、新しい位置関係になる。これにより、上面外板及び下面外板が成す翼の形状が受動的に変化し、翼のキャンバーも受動的に変化することができる。

【0012】

前記上側後端と前記下側後端とは、非接触である。

【0013】

言い換えれば、上面外板の上側後端と下面外板の下側後端とは、上側摺動材及び下側摺動材を介して分離されている。翼の後縁が閉塞されるとき、上面外板の上側後端と、下面外板の下側後端とは、常時非接触である。典型的な翼と異なり、上面外板の上側後端と、下面外板の下側後端とは、接続されていない。これにより、上面外板及び下面外板が成す翼の形状が変化し、翼のキャンバーも変化することができる。

【0014】

前記下面外板が存在せず前記下面外板が前記上面外板に干渉しないと仮定したときの前記上側後端は、前記上面外板が存在せず前記上面外板が前記下面外板に干渉しないと仮定したときの前記下側後端より、下方に位置してもよい。

【0015】

翼の組み立て時に、上側摺動材と下側摺動材とを接触させることにより、可撓性を有する上面外板と、可撓性を有する下面外板とは、互いに付勢する。言い換えれば、上面外板及び下面外板は、自由形状に戻ろうとして、上側摺動材及び下側摺動材を介して押し合う。上面外板の曲げモーメントと下面外板の曲げモーメントが釣り合うところで翼の初期形状が決定できる。上面外板及び下面外板は、上側摺動材及び下側摺動材を介して、強く押し付け合い付勢し合う初期形状を有する。上面外板及び下面外板の初期形状により、上側摺動材と下側摺動材との間に摩擦を発生させることができる。

【0016】

前記上面外板の曲げ剛性は、前縁側が高く、後縁側が低くてもよい。

【0017】

上面外板の前縁側の曲げ剛性が高いことで、可撓性を有する上面外板が変形した場合にも、曲率の不連続が無い様に、ボックス構造体から連続的な形状を維持でき、空気抵抗の増加を抑えることができる。

【0018】

前記下面外板の曲げ剛性は、前縁側が高く、後縁側が低くてもよい。

【0019】

下面外板の前縁側の曲げ剛性が高いことで、可撓性を有する下面外板が変形した場合にも、曲率の不連続が無い様に、ボックス構造体から連続的な形状を維持でき、空気抵抗の増加を抑えることができる。

【0020】

翼は、前記下側後端に取り付けられ、前記下面外板の下方に傾斜するタブをさらに具備する。

【0021】

タブが、揚力を発生することで、下側摺動材を上側摺動材に押し付ける。上側摺動材及び下側摺動材の摩擦力によって、上面外板及び下面外板はエネルギーを散逸するため、フラッターの発生を回避することができる。

【0022】

前記タブは、飛行時に、カルマン渦を発生して前記下側摺動材に上下方向の非定常力を加える。

【0023】

カルマン渦は、タブに加わる揚力を増減させ、非定常な揚力を発生する。これにより、タブが設けられた下面外板の下側摺動材が、タブからの非定常な力を受け、下側摺動材と上側摺動材との接触圧力が変化する。圧力変化に伴い、上側摺動材と下側摺動材との間の最大静止摩擦力も非定常に変化する。この様に、上側摺動材と下側摺動材との間の最大静止摩擦力は、タブが常時発生するカルマン渦により非定常に変化し続け、最大静止摩擦力が下側摺動材と上側摺動材との相対運動を抑制する値を下回る度に、上面外板及び下面外板が変形する。このため、上面外板及び下面外板は、時間的に滑らかに変形する。これにより、上面外板及び下面外板が成す翼の形状が時間的に滑らかに変化し、翼のキャンバーも時間的に滑らかに変化することができる。

【0024】

前記タブは、飛行時に、前記下側摺動材を前記上側摺動材に押し付けることで、少なくとも前記下側摺動材に発生する運動エネルギーを摩擦により生じる熱エネルギーに変換して、前記上面外板及び前記下面外板に生じ得るフラッターを抑制してもよい。

【0025】

タブが、揚力を発生することで、下側摺動材を上側摺動材に押し付ける。上側摺動材及び下側摺動材の摩擦力によって、上面外板及び下面外板はエネルギーを散逸するため、フラッターの発生を回避することができる。

【0026】

前記タブの翼弦に対する傾斜角度は、飛行時に、背面の流れが剥離する角度である。

【0027】

タブの傾斜を適切な値として背面の流れの周期的な剥離を適切な値に設定しておくことで、上側摺動材と下側摺動材との間の最大静止摩擦力が、一時的に下側摺動材と上側摺動材との相対運動を抑制する値を下回る。上側摺動材と下側摺動材との間の最大静止摩擦力が下側摺動材と上側摺動材との相対運動を抑制する値を下回る瞬間に、上側摺動材と下側摺動材が相対運動を起こし、相対的に摺動し、上側摺動材及び下側摺動材の接線が変位する。これにより、上側摺動材と下側摺動材との間の最大静止摩擦力が下側摺動材と上側摺動材との相対運動を抑制する値を下回る瞬間に、上面外板及び下面外板は、曲げモーメントに応じて自由に変形することができる。これにより、上面外板及び下面外板が成す翼の形状が時間的に滑らかに変化し、翼のキャンバーも時間的に滑らかに変化することができる。

【0028】

前記タブの前記翼弦に対する傾斜角度は、３０度以上４５度以下であってもよい。

【0029】

タブの傾斜角度を適切に設計することで、タブがカルマン渦を発生し、カルマン渦がタブに加わる揚力を増減させて非定常な揚力を発生することができる。

【0030】

前記タブの翼弦長に対する長さの割合は、１％以上１０％以下でもよい。

【0031】

タブの長さを適切に設計することで、タブがカルマン渦を発生し、カルマン渦がタブに加わる揚力を増減させて非定常な揚力を発生することができる。

【0032】

前記翼の前縁から前記ボックス構造体の後端までの、翼弦長に対する長さの割合は、３０％以上７０％以下でもよい。

【0033】

ボックス構造体を翼弦長に対して３０％とすれば、ボックス構造体が上面外板及び下面外板の捻じれや曲げを最低限支えつつ、翼のキャンバーを最大限変化させることができる。一方、ボックス構造体を翼弦長に対して７０％とすれば、ボックス構造体が上面外板及び下面外板を十分堅牢に支えつつ、翼のキャンバーを最低限変化させることができる。

【0034】

翼は、前記空間の圧力を調整する圧力調整部をさらに具備する。

【0035】

圧力調整部は、空間の圧力を調整し、圧力を適切な値を保つことで、上面外板及び下面外板がより時間的に滑らかに変形することを図れる。

【0036】

前記圧力調整部は、前記上面外板及び前記下面外板に穿孔され、前記翼の外側と前記空間とを連通する穴でもよい。

【0037】

能動的に圧力を検出及び調整する必要無く、空間の圧力を受動的に調整可能である。

【0038】

前記穴によって、前記翼の外側と前記空間との圧力差の変化が指数関数的減衰となり、前記翼の前縁から後縁までを飛行速度で通過する際の時間をＴとしたとき、前記指数関数的減衰の時定数はＴの１００倍以上１万倍以下でもよい。

【0039】

穴を適切に穿孔することで空間の圧力を受動的に調整可能である。

【0040】

前記上側摺動材及び／又は前記下側摺動材の材料は、プラスチック、繊維、金属及び／又はエラストマーを含む複合材でもよい。

【0041】

これらの材料により、互いに摺動可能な摩擦係数を有する上側摺動材及び下側摺動材を作製できる。

【0042】

前記複合材は、ブレーキシューに好適な材料でもよい。

【0043】

上側摺動材及び／又は下側摺動材をブレーキシューに好適な材料で作製することで、長期間にわたる使用を担保することを図れる。

【0044】

本開示の一形態に係る航空機は、上記の何れかに記載の翼を具備する。

【発明の効果】

【0045】

本開示によれば、フラップを有さず、且つ、キャンバーを受動的に可変な翼と、この翼を有する航空機とを提供することができる。

【0046】

なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

【図面の簡単な説明】

【0047】

【図1】本開示の一実施形態に係る航空機を示す上面図である。

【図2】本開示の一実施形態に係る低速飛行時の翼を示す側面図である。

【図3】翼を示す分解側面図である。

【図4】上面外板の形状及び下面外板の形状の関係を仮想的に示す。

【図5】高速飛行時の翼を示す側面図である。

【図6】上側摺動材及び下側摺動材の別の一例を示す。

【図7】上側摺動材及び下側摺動材の別の一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0048】

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。

【0049】

１．航空機の構造

【0050】

図１は、本開示の一実施形態に係る航空機を示す上面図である。

【0051】

航空機１０は、例えば、無人機、小型航空機、電動航空機である。航空機１０は、機体１１に設けられた翼１２を有する。翼１２は主翼である。翼１２は、フラップを有さず、且つ、キャンバーを受動的に可変である。翼１２は、ボックス構造体を構成する前面外皮１と、ボックス構造体の上面の後端に取り付けられた上面外板５とを有する。次に、前面外皮１及び上面外板５を有する翼１２の構造を説明する。

【0052】

２．翼の構造

【0053】

図２は、本開示の一実施形態に係る低速飛行時の翼を示す側面図である。図３は、翼を示す分解側面図である。

【0054】

翼１２は、ボックス構造体１３と、上面外板５と、下面外板６と、上側摺動材７と、下側摺動材８と、タブ９と、圧力調整部（不図示）とを有する。

【0055】

ボックス構造体１３は、翼１２の前縁１４を含む前面を構成する。ボックス構造体１３は、前面外皮１、上側フランジ２、下側フランジ３及びウェブ４を有する。前面外皮１、上側フランジ２、下側フランジ３及びウェブ４は、閉じてＤボックス構造を構成する。ボックス構造体１３は、Ｄボックス構造に代えて、２本桁構造等の他の構造を有してもよい。ボックス構造体１３の長さ、即ち、翼１２の前縁１４からボックス構造体１３の後端であるウェブ４までの、翼弦長に対する長さの割合は、３０％以上７０％以下である。ボックス構造体１３の翼弦長に対する長さの割合を３０％以上とすれば、ボックス構造体１３が上面外板５及び下面外板６の捻じれや曲げを最低限支えつつ、翼１２のキャンバーを最大限変化させることができる。一方、ボックス構造体１３の翼弦長に対する長さの割合を７０％以下とすれば、ボックス構造体１３が上面外板５及び下面外板６を十分堅牢に支えつつ、翼１２のキャンバーを最低限変化させることができる。本実施形態で、翼弦は、翼１２の前縁１４から、下面外板６の下側後端６２（後述）までとする。

【0056】

上面外板５は、ボックス構造体１３の上面の後端である上側フランジ２に取り付けられた固定端である前端５１と、自由端である上側後端５２とを有する。即ち、上面外板５は、片持ち梁の状態でボックス構造体１３に取り付けられる。上面外板５は、曲率の不連続が無い様に、ボックス構造体１３の上面から連続的に取り付けられる。上側後端５２は、下側後端６２（後述）とともに翼１２の後縁１５を構成する。上面外板５は、可撓性を有する。言い換えれば、上面外板５は、曲げ及び上下移動の自由度を２以上持つ。上面外板５の曲げ剛性は、翼１２の前縁１４側である前端５１が高く、後縁１５側である上側後端５２側が低い。翼１２の前縁１４側である前端５１の曲げ剛性が高いことで、可撓性を有する上面外板５が変形した場合にも、曲率の不連続が無い様に、ボックス構造体１３から連続的な形状を維持でき、空気抵抗の増加を抑えることができる。上面外板５は、金属又は複合材製である。上側摺動材７は、上面外板５の上側後端５２の内面に、下面外板６に対向して設けられる。

【0057】

下面外板６は、ボックス構造体１３の下面の後端である下側フランジ３に取り付けられた固定端である前端６１と、自由端である下側後端６２とを有する。即ち、下面外板６は、片持ち梁の状態でボックス構造体１３に取り付けられる。下側後端６２は、曲率の不連続が無い様に、ボックス構造体１３の下面から連続的に取り付けられる。下側後端６２は、上側後端５２とともに翼１２の後縁１５を構成する。下面外板６は、可撓性を有する。言い換えれば、下面外板６は、曲げ及び上下移動の自由度を２以上持つ。下面外板６の曲げ剛性は、翼１２の前縁１４側である前端６１が高く、後縁１５側である下側後端６２側が低い。翼１２の前縁１４側である前端６１の曲げ剛性が高いことで、可撓性を有する下面外板６が変形した場合にも、曲率の不連続が無い様に、ボックス構造体１３から連続的な形状を維持でき、空気抵抗の増加を抑えることができる。下面外板６は、金属又は複合材製である。下側摺動材８は、下面外板６の下側後端６２の内面に、上面外板５に対向して設けられる。

【0058】

図４は、上面外板の形状及び下面外板の形状の関係を仮想的に示す。

【0059】

上面外板５は、上に凸となるように予め曲げられている。一方、下面外板６は、低速飛行時及び高速飛行時に翼１２が適切な形状となる様に、ほぼ曲率がない形状を有する。下面外板６が存在せず下面外板６が上面外板５に干渉しないと仮定したときの上面外板５の上側後端５２は、上面外板５が存在せず上面外板５が下面外板６に干渉しないと仮定したときの下面外板６の下側後端６２より、下方に位置する。言い換えれば、下面外板６が存在せず下面外板６が上面外板５に干渉しないと仮定したときの上面外板５と、上面外板５が存在せず上面外板５が下面外板６に干渉しないと仮定したときの下面外板６とは、交差する。

【0060】

上側摺動材７及び下側摺動材８は、翼弦方向成分を含む摺動方向に互いに摺動可能に線接触する形状の接触面をそれぞれ有する。上側摺動材７及び下側摺動材８の摺動方向の長さは、それぞれ、上側摺動材７及び下側摺動材８が上面外板５及び下面外板６の変形に伴い摺動方向に接線を変位しながら常時線接触することが可能な長さである。本実施形態で「接線」は上側摺動材７と下側摺動材８とが線接触する線を意味し、翼弦方向成分を含む摺動方向に直交する方向（即ち、図２の紙面奥行き方向）に延びる直線である。上側摺動材７及び下側摺動材８は、線接触し、且つ、面接触が不可能な形状の接触面をそれぞれ有する。例えば、上側摺動材７は、上面外板５の内面から下面外板６に向けて円弧状に膨出した接触面を有する。下側摺動材８は、下面外板６の内面から上面外板５に向けて円弧状に膨出した接触面を有する。翼１２の組み立て時に、上側摺動材７と下側摺動材８とを線接触させることにより、可撓性を有する上面外板５と、可撓性を有する下面外板６とは、互いに付勢する。言い換えれば、上面外板５及び下面外板は、自由形状に戻ろうとして、上側摺動材７及び下側摺動材８を介して押し合う。上面外板５の曲げモーメントと下面外板６の曲げモーメントが釣り合うところで翼１２の初期形状（図２参照）が決定される。

【0061】

上側摺動材７及び下側摺動材８は、互いに摺動可能に線接触することで、上面外板５の上側後端５２と下面外板６の下側後端６２とにより構成される翼１２の後縁１５を常時閉塞する。翼１２の後縁１５が閉塞されるとき、上面外板５の上側後端５２と、下面外板６の下側後端６２とは、常時非接触である。言い換えれば、上面外板５の上側後端５２と下面外板６の下側後端６２とは、上側摺動材及び下側摺動材を介して分離されている。一般的な航空機の場合、航空機の上面外板の上側後端と下面外板の下側後端とは、接着やリベット留めにより接続される。一方、典型的な翼と異なり、上面外板５の上側後端５２と、下面外板６の下側後端６２とは、接続されていない。上側摺動材７及び下側摺動材８が互いに摺動することで、上側摺動材７及び下側摺動材８の接線が翼弦方向成分を含む方向に変位しながら常時線接触する。上側摺動材７及び下側摺動材８は、互いに摺動可能な摩擦係数を有する材料で作製される。例えば、上側摺動材７及び／又は下側摺動材８の材料は、プラスチック、繊維、金属及び／又はエラストマーを含む複合材である。複合材は、具体的には、ブレーキシューに好適な材料である重合または架橋構造を含む複合材でよい。典型的には、架橋構造を有するゴムを含む複合材であり、架橋剤や放射線による架橋反応を用いて生成される。架橋剤の一例としては、酸化亜鉛、メタクリル酸亜鉛、酸化マグネシウム、ステアリン酸、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、ビス(１－フェニル－１－メチルエチル)ペルオキシド、アミン類などの過酸化物や硫黄が挙げられる。生成される架橋構造を有するゴムの例としては、ブタジエンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴムが挙げられる。架橋構造を有する複合材は、酸化アルミニウム、ケイ酸マグネシウム、硫酸バリウム、カーボンブラックなどの微粒子や、ガラスファイバ、カーボンファイバなどの繊維を含み、パラフィン、ワックスエステルなどの添加剤を含んでもよい。複合材を構成する原料の選択や原料の混合比によって、上側摺動材７と下側摺動材８との間に、適切な摩擦・摩耗状態を達成することができる。このように、上側摺動材７及び／又は下側摺動材８をブレーキシューに好適な材料で作製することで、長期間にわたる使用を担保することを図れる。

【0062】

タブ９は、下面外板６の下側後端６２の最後端に取り付けられ、下面外板６の下方に傾斜する。タブ９の翼弦に対する傾斜角度及び長さは、飛行時に、背面の流れが周期的に剥離する角度及び長さである。例えば、タブ９の翼弦に対する傾斜角度は、３０度以上４５度以下である。タブ９の翼弦長に対する長さの割合は、１％以上１０％以下である。タブ９は、金属又は複合材、例えば、ジュラルミン板で作製される。

【0063】

圧力調整部（不図示）は、ボックス構造体１３の後端面（即ち、ウェブ４の後縁１５に対向する面）、上面外板５の内面、下面外板６の内面及び閉塞された翼１２の後縁１５により規定される空間１６の圧力を調整し、圧力を適切な値を保つ。圧力調整部は、上面外板５及び下面外板６に穿孔され、翼１２の外側と空間１６とを連通する無数の微細な穴である。穴によって、翼１２の外側と空間１６との圧力差の変化が指数関数的減衰となり、翼１２の前縁１４から後縁１５までを飛行速度で通過する際の時間をＴとしたとき、指数関数的減衰の時定数はＴの１００倍以上１万倍以下となるように、穴の大きさが決定される。圧力調整部は、穴に加えて又は穴に代えて、圧力センサ及び圧力調整弁でもよい。しかしながら、圧力センサ及び圧力調整弁を用いて能動的に圧力を検出及び調整する必要無く、穴を適切に穿孔することで空間１６の圧力を受動的に調整可能である。

【0064】

３．翼のキャンバーの受動的変化

【0065】

低速飛行時の翼１２の形状は、組み立て時即ち停止時の翼１２の形状（図２に示す）と同様である。本実施形態では、翼１２のキャンバーは、翼１２の前縁１４から下面外板６の下側後端６２までの、キャンバーラインと翼弦との差を意味する。

【0066】

図５は、高速飛行時の翼を示す側面図である。

【0067】

飛行時に航空機１０の速度が増加し、低速飛行時の翼型（図２参照）から高速飛行時の翼型（図５参照）に移行するときには、上面外板５の上面側に負圧が生じ、下面外板６の下面側に正圧が生じる。上面外板５の上面側に生じる負圧と空間１６との圧力差により、上面外板５に上方に反ろうとする曲げモーメントが発生する。下面外板６の下面側に生じる正圧と空間１６との圧力差により、下面外板６に上方に反ろうとする曲げモーメントが発生する。

【0068】

下面外板６に下方に傾斜して設けられたタブ９は、揚力を発生し、下面外板６の下側摺動材８を上面外板５の上側摺動材７に押し付け、上面外板５及び下面外板６を持ち上げるモーメントを発生する。上面外板５及び下面外板６が圧力差により発生する曲げモーメントと、タブ９が揚力により発生する上面外板５及び下面外板６を持ち上げるモーメントとの合力が、上面外板５及び下面外板６に加わる。上面外板５及び下面外板６の剛性分布に応じて、上面外板５及び下面外板６の曲率がそれぞれ定まり、上面外板５及び下面外板６が変形する。この様に、翼１２の外側と空間１６との圧力差が変動することにより、上面外板５及び下面外板６が変形する。

【0069】

翼１２の外側と空間１６との圧力差の変動に応じて、上面外板５及び下面外板６に穿孔された穴を介して、翼１２の外側と空間１６との間で、空気が出入りする。これにより、空間１６の圧力が、受動的に、適切な値に変化する。言い換えれば、上面外板５及び下面外板６に穿孔された穴を介して、空間１６の圧力が、受動的に調整される。

【0070】

ところで、上面外板５及び下面外板６は、曲げ及び上下移動の自由度をそれぞれ２以上持つ。このため、上面外板５及び下面外板６が圧力差により発生する曲げモーメントと、タブ９が揚力により発生する上面外板５及び下面外板６を持ち上げるモーメントとの合力は、上面外板５及び下面外板６が自由に変形する力になる。上面外板５及び下面外板６が自由に変形すると、上面外板５及び下面外板６がフラッターを発生し、上面外板５及び下面外板６の破壊につながるおそれがある。一方、フラッターを記述する運動方程式からは、運動に粘性項を加えるとフラッターが効果的に抑えられることがわかる。

【0071】

そこで、上面外板５及び下面外板６は、上側摺動材７及び下側摺動材８を介して、強く押し付け合い付勢し合う初期形状を有する。さらに、飛行時に、タブ９が、揚力を発生することで、下側摺動材８を上側摺動材７に押し付ける。上面外板５及び下面外板６の初期形状と、タブ９が発生する揚力とにより、上側摺動材７と下側摺動材８との間に摩擦が発生する。速度が高くなり、上面外板５及び下面外板６が上方に反ろうとする曲げモーメントが最大静止摩擦力を超える。このとき、上側摺動材７と下側摺動材８が相対運動を起こし、翼弦方向成分を含む摺動方向に相対的に摺動する。上側摺動材７と下側摺動材８とが翼弦方向成分を含む摺動方向に相対的に摺動することで、上側摺動材７及び下側摺動材８の接線が翼弦方向成分を含む摺動方向に変位する。これにより、上面外板５及び下面外板６の位置関係が、新しい位置関係に変化する。その結果、上面外板５及び下面外板６が成す翼１２の形状が変化し、翼１２のキャンバーも変化する。飛行時に、上側摺動材７及び下側摺動材８の摩擦力によって、上面外板５及び下面外板６はエネルギーを散逸するため、フラッターの発生を回避することができる。言い換えれば、タブ９は、飛行時に、少なくとも下側摺動材８に発生する運動エネルギーを摩擦により生じる熱エネルギーに変換して、熱エネルギーを散逸し、上面外板５及び下面外板６に生じ得るフラッターを抑制する。

【0072】

静的には上記の様な挙動を示すが、図５の拡大部分に示すように、タブ９は飛行時に常時カルマン渦を発生する。

【0073】

タブ９は、下面外板６の下側後端６２に、適切な角度で下方に傾斜して設けられる。タブ９の翼弦に対する傾斜角度及び長さは、飛行時に、背面の流れが周期的に剥離する角度及び長さである。タブ９は、飛行時に、カルマン渦を発生する。カルマン渦は、タブ９に加わる揚力を増減させ、非定常な揚力を発生する。これにより、タブ９が設けられた下面外板６の下側摺動材８が、タブ９からの非定常な力を受け、下側摺動材８と上側摺動材７との接触圧力が変化する。圧力変化に伴い、上側摺動材７と下側摺動材８との間の最大静止摩擦力も非定常に変化する。タブ９の傾斜を適切な値として背面の流れの周期的な剥離を適切な値に設定しておくことで、上側摺動材７と下側摺動材８との間の最大静止摩擦力が、一時的に下側摺動材８と上側摺動材７との相対運動を抑制する値を下回る。上側摺動材７と下側摺動材８との間の最大静止摩擦力が下側摺動材８と上側摺動材７との相対運動を抑制する値を下回る瞬間に、上側摺動材７と下側摺動材８が相対運動を起こし、相対的に摺動する。上側摺動材７と下側摺動材８とが相対的に摺動することで、上側摺動材７及び下側摺動材８の接線が変位する。これにより、上側摺動材７と下側摺動材８との間の最大静止摩擦力が下側摺動材８と上側摺動材７との相対運動を抑制する値を下回る瞬間に、上面外板５及び下面外板６は、曲げモーメントに応じて自由に変形する。この様に、上側摺動材７と下側摺動材８との間の最大静止摩擦力は、タブ９が常時発生するカルマン渦により非定常に変化し続け、最大静止摩擦力が下側摺動材８と上側摺動材７との相対運動を抑制する値を下回る度に、上面外板５及び下面外板６が変形する。このため、上面外板５及び下面外板６は、時間的に滑らかに変形する。これにより、上面外板５及び下面外板６が成す翼１２の形状が時間的に滑らかに変化し、翼１２のキャンバーも時間的に滑らかに変化する。

【0074】

具体的には、低速飛行時の翼１２（図２参照）のキャンバーに比べて、高速飛行時の翼１２（図５参照）のキャンバーは、小さくなる。速度が増すに連れ、上面外板５及び下面外板６に加わる空気圧分布が変化して、上面外板５及び下面外板６がなすキャンバーは小さくなり、揚力係数が減る。この様に、飛行速度に応じて好ましい揚力変化が、パイロットの能動的な操作なしに、受動的に実現される。

【0075】

これに対して、仮に、適切な長さを有し適切な角度で下方に傾斜するタブ９が無いと仮定する。適切なタブ９が無いと、速度が増加したとき、上側摺動材７及び下側摺動材８の最大静止摩擦力によって、上面外板５及び下面外板６の変形が抑制される。このため、速度が増加したとき、上面外板５及び下面外板６が変形しようとする力が、上側摺動材７と下側摺動材８との間の最大静止摩擦力を超えるまで、上面外板５及び下面外板６は変形しない。言い換えれば、速度が増加したとき、上面外板５及び下面外板６が変形しようとする力が、上側摺動材７と下側摺動材８との間の最大静止摩擦力を超えて初めて、上面外板５及び下面外板６が変形する。このため、キャンバーは、速度の増加に比例して時間的に滑らかに変化することができない。

【0076】

ここまで、航空機１０の速度が増加し、低速飛行時の翼型（図２参照）から高速飛行時の翼型（図５参照）に翼１２の形状が変化しキャンバーが小さくなる挙動を説明した。逆に、航空機１０の速度が減少し、高速飛行時の翼型（図５参照）から低速飛行時の翼型（図２参照）に復元するときには、上面外板５の上面側の負圧が小さくなり、下面外板６の下面側の正圧が小さくなる。この場合も、高速飛行時に移行する場合と同様に、運動エネルギーを上側摺動材７と下側摺動材８の間の摩擦力で散逸してフラッターを抑えながら、キャンバーが大きい翼型（図２参照）へと時間的に滑らかに移行ことができる。

【0077】

４．上側摺動材及び下側摺動材の変形例

【0078】

上述のように、上側摺動材７及び下側摺動材８は、翼弦方向成分を含む摺動方向に互いに摺動可能に線接触する形状の接触面をそれぞれ有する。上側摺動材７及び下側摺動材８の摺動方向の長さは、それぞれ、上側摺動材７及び下側摺動材８が上面外板５及び下面外板６の変形に伴い摺動方向に接線を変位しながら常時線接触することが可能な長さである。上側摺動材７及び下側摺動材８は、線接触し、且つ、面接触が不可能な形状の接触面をそれぞれ有する。上側摺動材７及び下側摺動材８は、固着状態（即ち、動き出すときに静止摩擦が生じる）と、摺動状態（即ち、動いているときに動摩擦が生じる）とを有し、且つ、固着期間が短い。固着期間は、航空機の仕様、例えば飛行条件を満たすように定めることができ、それに伴い材料や形状を選定することができる。上側摺動材７及び下側摺動材８は、接触面がこの様な性質を有すれば、如何なる材料で作製されてもよく、如何なる形状を有してもよい。

【0079】

図６は、上側摺動材及び下側摺動材の別の一例を示す。

【0080】

上側摺動材７Ａは、平面状の接触面を有する。下側摺動材８Ａは、下面外板６の内面から上面外板５に向けて円弧状に膨出した接触面を有する。この形状に拠っても、上側摺動材７Ａ及び下側摺動材８Ａは、互いに摺動可能に線接触可能であり、上面外板５の上側後端５２と下面外板６の下側後端６２とにより構成される翼１２の後縁１５を常時閉塞する。上側摺動材７Ａの平面状の接触面及び下側摺動材８の円弧状に膨出した接触面は、翼弦方向成分を含む摺動方向に互いに摺動可能に線接触する。上側摺動材７Ａ及び下側摺動材８Ａの摺動方向の長さは、それぞれ、上側摺動材７Ａ及び下側摺動材８Ａが上面外板５及び下面外板６の変形に伴い摺動方向に接線を変位しながら常時線接触することが可能な長さである。上側摺動材７Ａ及び下側摺動材８Ａは、線接触し、且つ、面接触が不可能な形状の接触面をそれぞれ有する。

【0081】

図７は、上側摺動材及び下側摺動材の別の一例を示す。

【0082】

下側摺動材８Ｂは、平面状の接触面を有する。上側摺動材７Ｂは、上面外板５の内面から下面外板６に向けて円弧状に膨出した接触面を有する。この形状に拠っても、上側摺動材７Ｂ及び下側摺動材８Ｂは、互いに摺動可能に線接触可能であり、上面外板５の上側後端５２と下面外板６の下側後端６２とにより構成される翼１２の後縁１５を常時閉塞する。上側摺動材７Ｂの円弧状に膨出した接触面及び下側摺動材８の平面状の接触面は、翼弦方向成分を含む摺動方向に互いに摺動可能に線接触する。上側摺動材７Ｂ及び下側摺動材８Ｂの摺動方向の長さは、それぞれ、上側摺動材７Ｂ及び下側摺動材８Ｂが上面外板５及び下面外板６の変形に伴い摺動方向に接線を変位しながら常時線接触することが可能な長さである。上側摺動材７Ｂ及び下側摺動材８Ｂは、線接触し、且つ、面接触が不可能な形状の接触面をそれぞれ有する。

【0083】

５．結語

【0084】

航空機の翼の揚力係数を変化させるため、通常はパイロットがフラップレバーを能動的に操作して、フラップ角度を操作する。航空機において、パイロットは、降着装置を降ろす、燃料タンクを切り替える等のワークロードが高い。フラップ操作も、それらワークロードの高い操作の一つである。これに対して、本実施形態によれば、航空機の速度に応じて翼のキャンバーを受動的に変化することができる。翼のキャンバーを受動的に変化することができるので、パイロットのワークロードを下げることができる。

【0085】

プレーンフラップ、ファウラーフラップ等のフラップは翼を前後に分割してヒンジなどでつないでいる。このため、屈曲部に隙間や曲率の不連続があり空気抵抗が大きい。これに対して、本実施形態では、つなぎ目及び曲率の不連続が無いため、空気抵抗が小さい。

【0086】

１９８０年代に開発されたＭＡＷは、翼を分割することなく、連続的にキャンバーを変化させることができる。しかしながら、翼の内部に複雑なリンク機構を設ける必要があり、価格と信頼性の点で問題がある。これに対して、本実施形態では、翼の内外の圧力差が変動することにより、翼のキャンバーが受動的に変化する。このため、リンク機構やパイロット又はコンピューターの指令が不要であり、価格や重量を抑えることができ、信頼性が高い。

【0087】

本技術の各実施形態及び各変形例について上に説明したが、本技術は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

【符号の説明】

【0088】

前面外皮１
上側フランジ２
下側フランジ３
ウェブ４
上面外板５
下面外板６
上側摺動材７
下側摺動材８
タブ９
航空機１０
機体１１
翼１２
ボックス構造体１３

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】