JP2004345525A

JP2004345525A - ヘリコプタ

Info

Publication number: JP2004345525A
Application number: JP2003145271A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Hagi; 俊之萩
Original assignee: R & D Inst Of Metals & Composi; R & D Inst Of Metals & Composites For Future Industries
Current assignee: R & D Inst Of Metals & Composi; R & D Inst Of Metals & Composites For Future Industries
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】ロータの共振を抑制して飛行中における機体振動を低減させ、乗り心地を向上させることができる制振材を備えるヘリコプタを提供する。
【解決手段】ブレード１１及びハブ１３を有するロータを備えたヘリコプタ１において、ブレード１１及び／又はハブ１３の表面に設けられた第１ＣＦＲＰ層１６ａと、第１ＣＦＲＰ層１６ａに所定の間隔をおいて配置された第２ＣＦＲＰ層１６ｂと、第１ＣＦＲＰ層１６ａと第２ＣＦＲＰ層１６ｂとの間に形成された空間に封入された電気粘性流体１７と、を有する制振材１５を備える。電気粘性流体１７には、第１ＣＦＲＰ層１６ａ及び第２ＣＦＲＰ層１６ｂを介して所定の電圧が印加される。制振材１５は、第２ＣＦＲＰ層１６ｂの表面に、印加電圧により伸縮する圧電素子１９をさらに備える。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘリコプタに関し、特に、ロータブレードの剛性を変化させて、ロータの共振による振動を抑制するヘリコプタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリコプタのロータの回転に起因する強制振動力の振動数（以下、「強制振動数」という）と、地上又は空中における機体の固有振動数と、が一致した場合には、地上共振又は空中共振と呼ばれる不安定現象が発生することが知られている。
【０００３】
かかる地上共振や空中共振の発生を防止するため、ロータの常用回転数域における強制振動数と固有振動数とが一致しないようにロータや機体を設計するという手法が一般に採用されている。
【０００４】
また、地上共振を抑制するための従来の技術として、機体固有振動数を変化させるための電気粘性流体ダンパをヘリコプタの降着装置に設けるとともに、強制振動数を検出するセンサを設け、検出した強制振動数に基づいて電気粘性流体ダンパを制御する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、空中共振を抑制するための従来の技術として、ヘリコプタのブレード等に埋設される機能材、強制振動数を検出するセンサ、検出された強制振動を抑制するための制振振動を機能材を介してブレード等に積極的に発生させるコントローラ、等を備えた振動低減装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−２２６３９６号公報（第１頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１０−２４０３５３号公報（第３頁、第２図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ロータの常用回転数域における強制振動数と固有振動数とが一致しないようにロータや機体を設計するという一般的手法を採用すると、機体設計に種々の制限が課されるという問題があった。
【０００８】
また、前記特許文献１に記載の技術を採用すると、地上での機体固有振動数を変化させて地上共振を抑制することはできるが、空中での機体固有振動数を適切に変化させることが困難であるため、空中共振を十分に抑制することができないという問題があった。
【０００９】
すなわち、空中での機体固有振動数は、主としてブレードの剛性によって定められるので、降着装置の剛性を電気粘性流体ダンパによって変化させるだけでは、空中での機体固有振動数を適切に変化させることが困難であり、空中共振を十分に抑制することができない。
【００１０】
また、前記特許文献２に記載の技術においては、機能材をブレード等に埋設する作業に手間がかかる上に、ブレード強度が低下するという問題があった。また、前記特許文献２に記載の技術においては、検出した強制振動を抑制するための制振振動を、機能材を介してブレード等に積極的に発生させる必要がある。このため、高精度のコントローラや、交流電圧を発生させる可変電圧発生装置や、高度な制御則が必要となり、装置が高価となるという問題があった。
【００１１】
本発明の課題は、ロータの共振を抑制して飛行中における機体振動を低減させ、乗り心地を向上させるとともに、ロータの常用回転数域を拡大して機体設計の自由度を高めることができる制振材を備えるヘリコプタを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ブレード及びハブを有するロータを備えたヘリコプタにおいて、前記ブレード及び／又は前記ハブの表面に設けられた第１ＣＦＲＰ層と、前記第１ＣＦＲＰ層に所定の間隔をおいて配置された第２ＣＦＲＰ層と、前記第１ＣＦＲＰ層と前記第２ＣＦＲＰ層との間に形成された空間に封入された電気粘性流体と、を有する制振材を備え、前記第１ＣＦＲＰ層及び前記第２ＣＦＲＰ層を介して前記電気粘性流体に所定の電圧が印加されることを特徴とする。
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、第１ＣＦＲＰ層及び第２ＣＦＲＰ層が電極として機能し、これら第１ＣＦＲＰ層及び第２ＣＦＲＰ層を介して電気粘性流体に所定の電圧が印加される。そして、印加電圧の値を適切な値に設定することにより電気粘性流体の粘性を変化させて、ブレード及び／又はハブの剛性を変化させることができる。
【００１４】
従って、ロータの固有振動数を適切に変化させることができるので、ロータの共振を効果的に抑制することができる。この結果、飛行中における機体振動を低減させ、乗り心地を向上させるとともに、ロータの常用回転数域を拡大して機体設計の自由度を高めることができる。
【００１５】
しかも、第１ＣＦＲＰ層、第２ＣＦＲＰ層及び電気粘性流体を有する制振材は、ブレード及び／又はハブの表面に設けられるので、従来のようにブレード等に埋設される機能材と比較して取り付けが容易である。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のヘリコプタにおいて、前記制振材は、前記第２ＣＦＲＰ層の表面に所定の絶縁材を介して接着され、印加電圧により前記第２ＣＦＲＰ層の表面に沿う方向に伸縮する圧電素子を有することを特徴とする。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、制振材は、印加電圧により第２ＣＦＲＰ層の表面に沿う方向に伸縮する圧電素子をさらに有するので、印加電圧による電気粘性流体の粘性の変化と、圧電素子の伸縮作用と、の相乗効果により、ブレード及び／又はハブの剛性を容易かつ確実に変化させることができる。この結果、ロータの共振を一層確実に抑制することができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のヘリコプタにおいて、前記ロータの回転数を検出する回転数検出手段と、前記制振材の前記電気粘性流体及び／又は前記圧電素子に印加する電圧を発生させる電圧発生手段と、前記ロータの回転数が所定値に達した場合に、前記電気粘性流体及び／又は前記圧電素子に印加する電圧の値を指示する制御信号を前記電圧発生手段に出力する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、ロータの回転数を検出する回転数検出手段と、制振材の電気粘性流体及び／又は圧電素子に印加する電圧を発生させる電圧発生手段と、ロータの回転数が所定値に達した場合に、電気粘性流体及び／又は圧電素子に印加する電圧の値を指示する制御信号を電圧発生手段に出力する制御手段と、を備えるので、ロータの回転数が所定値に達すると、電気粘性流体及び／又は圧電素子に印加する電圧を設定することができる。従って、例えば、ロータの回転に起因する強制振動数と、ロータの固有振動数と、が近付きすぎないように印加電圧を設定して、ロータの共振を効果的に抑制することができる。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか一項に記載のヘリコプタにおいて、前記電圧発生手段は、直流電圧を発生させることを特徴とする。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、電圧発生手段は直流電圧を発生させるので、従来の振動低減装置のような高精度のコントローラや、交流電圧を発生させる可変電圧発生装置が不要となる。このため、比較的安価に制振効果を達成することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
まず、図１を用いて、本実施の形態に係るヘリコプタ１の構成を説明する。図１は、本実施の形態に係るヘリコプタ１の概略図である。ヘリコプタ１は、ロータ１０、胴体２０、スキッド３０、テイルブーム４０、尾翼５０、テイルロータ６０、等を備えて構成される。
【００２４】
ロータ１０は、図示されていないエンジンによって回転運動を行って機体の重量を支える揚力及び推進力を発生させるものである。ロータ１０は、図１に示すように、４枚のブレード１１、これらブレード１１をシャフト１２に結合させるためのハブ１３、等を有している。
【００２５】
ブレード１１及びハブ１３は、繊維強化樹脂等の複合材で調製されており、その表面には、本発明の主要部である制振材１５が装着されている。後述する可変電圧発生装置２２で発生した電圧は、シャフト１２に取り付けられたスリップリング１４を介して、ブレード１１及びハブ１３に装着された制振材１５の電気粘性流体１７及び／又は圧電素子１９に印加される。制振材１５については、図２及び図３を用いて後述する。
【００２６】
胴体２０は、操縦者や乗務員を搭乗させるとともに各種装置を搭載するキャビン２１を備えている。キャビン２１内には、図１に示すように、制振材１５の電気粘性流体１７や圧電素子１９に印加する電圧を発生させる可変電圧発生装置２２や、ロータ１０の回転数が所定値に達した場合に、制振材１５の電気粘性流体１７や圧電素子１９に印加する電圧の値を指示する制御信号を可変電圧発生装置２２に出力するコントローラ２３が備えられている。可変電圧発生装置２２は、本発明における電圧発生手段であり、コントローラ２３は、本発明における制御手段である。
【００２７】
可変電圧発生装置２２で発生した電圧は、導線２４及びスリップリング１４を介して、ロータ１０のブレード１１及びハブ１３に装着された制振材１５の電気粘性流体１７及び／又は圧電素子１９に印加される。また、コントローラ２３から出力された制御信号は、導線２５を介して可変電圧発生装置２２に伝送される。本実施の形態における可変電圧発生装置２２から発生する電圧は、直流電圧とする。
【００２８】
また、胴体２０の上部には、ロータ１０の回転数を検出する回転数センサ２６が設けられている。回転数センサ２６によって検出されたロータ１０の回転数に係る信号は、導線２７を介してコントローラ２３に伝送される。回転数センサ２６は、本発明における回転数検出手段である。
【００２９】
次に、図２及び図３を用いて、本発明の主要部である制振材１５について説明する。図２は、制振材１５の斜視図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ部分の断面図である。
【００３０】
制振材１５は、ロータ１０のブレード１１及びハブ１３に装着され、これらブレード１１及びハブ１３の剛性を変化させてロータ１０の固有振動数を変化させることにより、ロータ１０の共振を抑制するという機能を果たすものである。なお、図２及び図３においては、ブレード１１（ハブ１３）の表面に制振材１５を１個だけ装着した状態を示しているが、ブレード１１（ハブ１３）の翼幅方向や翼弦方向に複数個装着することができる。
【００３１】
制振材１５は、ブレード１１（ハブ１３）の表面に設けられた第１ＣＦＲＰ（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃ）層１６ａ、第１ＣＦＲＰ層１６ａに所定の間隔をおいて配置された第２ＣＦＲＰ層１６ｂ、第１ＣＦＲＰ層１６ａと第２ＣＦＲＰ層１６ｂとの間に形成された空間に封入された電気粘性流体１７、第２ＣＦＲＰ層１６ｂの表面に絶縁材１８を介して接着された圧電素子１９、等を備えて構成されている。
【００３２】
第１ＣＦＲＰ層１６ａ及び第２ＣＦＲＰ層１６ｂは、反りや捩りが発生しない範囲で可能な限り薄く成形された電極である。これら第１ＣＦＲＰ層１６ａと第２ＣＦＲＰ層１６ｂとの間に封入された電気粘性流体１７には、図１に示した導線２４及びスリップリング１４を介して、可変電圧発生装置２２で発生した電圧が印加される。
【００３３】
電気粘性流体１７は、印加電圧によってその粘性が増加する流体である。印加電圧を変化させることにより、電気粘性流体１７の粘性を広範囲にわたって変化させることができる。また、印加電圧を変化させた場合の電気粘性流体１７の粘性変化率（応答速度）は高い。電気粘性流体１７としては、シリコン油等の絶縁性の油に炭素質粉末や金属微粒子等を分散させたコロイド懸濁液を採用することができる。
【００３４】
電気粘性流体１７は、封印材１７ａによって、第１ＣＦＲＰ層１６ａ及び第２ＣＦＲＰ層１６ｂの間に形成された空間に封入され、第１ＣＦＲＰ層１６ａ及び第２ＣＦＲＰ層１６ｂを介して、可変電圧発生装置２２で発生した電圧が印加される。かかる印加電圧によって電気粘性流体１７の粘性が増加することにより、ブレード１１（ハブ１３）の剛性を高め、ロータ１０の固有振動数を大きくすることができる。また、印加電圧を変化させることによって電気粘性流体１７の粘性を変化させ、ロータ１０の固有振動数を変化させることができる。
【００３５】
本実施の形態においては、ブレード１１（ハブ１３）をオートクレーブで成形する際に、その表面に第１ＣＦＲＰ層１６ａを一体的に積層・成形しておく。そして、第１ＣＦＲＰ層１６ａ上に、封印材１７ａで調製された所定の枠を接着又は機械的結合手段により固定し、その枠内に電気粘性流体１７を充填し、その枠の上部に第２ＣＦＲＰ層１６ｂを接着又は機械的結合手段により固定する。この際、第１ＣＦＲＰ層１６ａ及び第２ＣＦＲＰ層１６ｂは、電気粘性流体１７と接触するように配置される。封印材１７ａとしては、シーラントやゴム等を採用することができる。
【００３６】
圧電素子１９は、絶縁材１８を介して第２ＣＦＲＰ層１６ｂの表面に接着され、印加電圧により、第２ＣＦＲＰ層１６ｂの表面に沿う方向に伸縮するものであり、ブレード１１（ハブ１３）の剛性を変化させることによって、ロータ１０の固有振動数を変化させるという機能を果たす。絶縁材１８は、剛性が高く薄手のものを採用するのが好ましく、本実施の形態においてはＧＦＲＰ（ＧｌａｓｓＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃ）を採用している。
【００３７】
圧電素子１９の伸縮方向は、ブレード１１（ハブ１３）の曲げ振動や捩り振動を抑制する方向に設定される。例えば、ブレード１１（ハブ１３）の上下に撓む曲げ振動を抑制する場合には、圧電素子１９の伸縮方向をブレード１１（ハブ１３）の長手方向に設定する。また、ブレード１１（ハブ１３）の捩り振動を抑制する場合には、圧電素子１９の伸縮方向を捩り振動の軸線に対して略４５°の方向に設定する。
【００３８】
次に、本実施の形態に係るヘリコプタ１の制振動作について説明する。
【００３９】
まず、回転数センサ２６によってヘリコプタ１のロータ１０の回転数を検出し、検出されたロータ１０の回転数に係る信号を、導線２７を介してコントローラ２３に伝送する。
【００４０】
コントローラ２３は、ロータ１０の共振を発生させるロータ回転数（以下、「臨界回転数」という）を記憶しておき、検出されたロータ１０の回転数が臨界回転数より所定の値だけ低い回転数に達した場合に、可変電圧発生装置２２に制御信号を伝送して所定の電圧を発生させ、制振材１５の電気粘性流体１７及び／又は圧電素子１９に電圧を印加させる。
【００４１】
なお、臨界回転数とは、ロータ１０の回転に起因する強制振動数が、ロータ１０の固有振動数とほぼ一致する場合のロータ１０の回転数である。ロータ１０の回転数が臨界回転数より低くなるように制御することにより、機体の振動レベルが乗り心地や強度に影響を与えないようにする。
【００４２】
前記したように制振材１５の電気粘性流体１７及び／又は圧電素子１９に所定の電圧を印加することにより、ブレード１１（ハブ１３）の剛性を高めて、ヘリコプタ１のロータ１０の固有振動数を大きくすることができる。この結果、ロータ１０の回転に起因する強制振動数がロータ１０の固有振動数に近付いてロータ１０が共振するのを回避することができ、ロータ１０の共振による振動の増大を阻止することができる。
【００４３】
また、ロータ１０の回転数がさらに上昇することにより強制振動数が変化し、この変化後の強制振動数が、前記した制御動作により変化したロータ１０の固有振動数に近付き、ロータ１０の共振による振動の増大が再び発生する場合がある。かかる事態を回避するために、コントローラ２３は、ロータ１０の回転数が上昇した場合に、可変電圧発生装置２２に制御信号を伝送してより高い電圧を発生させる。そして、この高い電圧を制振材１５の電気粘性流体１７及び圧電素子１９に印加することにより、ロータ１０の固有振動数をさらに変化させて、共振による振動の増大を回避することができる。
【００４４】
なお、可変電圧発生装置２２から発生させる電圧の値は、ブレード１１（ハブ１３）の材料や重量、電気粘性流体１７の組成、圧電素子１９の種類、等の種々の要因を勘案して設定される。本実施の形態においては、あらかじめ試験を実施することによってロータ１０の回転数に応じた電圧の最適値を求め、この電圧の最適値をコントローラ２３に記憶させて、制御動作に利用している。
【００４５】
本実施の形態に係るヘリコプタ１においては、第１ＣＦＲＰ層１６ａ及び第２ＣＦＲＰ層１６ｂが電極として機能し、これら第１ＣＦＲＰ層１６ａ及び第２ＣＦＲＰ層１６ｂを介して電気粘性流体１７に所定の電圧が印加される。そして、印加電圧の値を適切な値に設定することにより電気粘性流体１７の粘性を変化させて、ブレード１１（ハブ１３）の剛性を変化させることができる。
【００４６】
従って、ヘリコプタ１のロータ１０の固有振動数を適切に変化させることができるので、ロータ１０の共振を効果的に抑制することができる。この結果、飛行中における機体振動を低減させ、乗り心地を向上させるとともに、ロータ１０の常用回転数域を拡大して機体設計の自由度を高めることができ、なおかつ、騒音の発生の抑制や高速飛行の実現が可能となる。
【００４７】
しかも、制振材１５はブレード１１（ハブ１３）の表面に設けられるので、従来のようにブレード等に埋設される機能材と比較して取り付けが容易である。
【００４８】
また、本実施の形態に係るヘリコプタ１の制振材１５は、印加電圧により第２ＣＦＲＰ層１６ｂの表面に沿う方向に伸縮する圧電素子１９を有するので、印加電圧による電気粘性流体１７の粘性の変化と、圧電素子１９の伸縮作用と、の相乗効果により、ブレード１１（ハブ１３）の剛性を容易かつ確実に変化させることができる。この結果、ロータ１０の共振を一層確実に抑制することができる。
【００４９】
また、本実施の形態に係るヘリコプタ１においては、ロータ１０の回転数を検出する回転数センサ２６と、制振材１５の電気粘性流体１７及び圧電素子１９に印加する電圧を発生させる可変電圧発生装置２２と、ロータ１０の回転数が所定値（臨界回転数より所定の値だけ低い回転数）に達した場合に、電気粘性流体１７及び／又は圧電素子１９に印加する電圧の値を指示する制御信号を可変電圧発生装置２２に出力するコントローラ２３と、を備えるので、検出されたロータ１０の回転数に基づいて、電気粘性流体１７及び／又は圧電素子１９に印加する電圧を設定することができる。従って、ロータ１０の回転に起因する強制振動数がロータ１０の固有振動数に近付きすぎないように印加電圧を設定して、ロータ１０の共振を効果的に抑制することができる。
【００５０】
また、本実施の形態に係るヘリコプタ１の可変電圧発生装置２２は直流電圧を発生させるので、従来の振動低減装置のような高精度のコントローラや、交流電圧を発生させる可変電圧発生装置が不要となる。このため、比較的安価に制振効果を達成することができる。
【００５１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、第１ＣＦＲＰ層、第２ＣＦＲＰ層及び電気粘性流体を有する制振材を備えるので、第１ＣＦＲＰ層及び第２ＣＦＲＰ層を介して電気粘性流体に所定の電圧を印加することによりブレード及び／又はハブの剛性を変化させることができる。
【００５２】
この結果、ロータの共振を効果的に抑制することができ、飛行中における機体振動を低減させ、乗り心地を向上させるとともに、ロータの常用回転数域を拡大して機体設計の自由度を高めることができる。また、制振材はブレード及び／又はハブの表面に設けられるので、従来のようにブレード等に埋設される機能材と比較して取り付けが容易である。
【００５３】
請求項２に記載の発明によれば、制振材は、印加電圧により第２ＣＦＲＰ層の表面に沿う方向に伸縮する圧電素子をさらに有するので、印加電圧による電気粘性流体の粘性の変化と、圧電素子の伸縮作用と、の相乗効果により、ロータの共振を一層確実に抑制することができる。
【００５４】
請求項３に記載の発明によれば、回転数検出手段、電圧発生手段及び制御手段を備えるので、検出されたロータの回転数に基づいて、電気粘性流体及び／又は圧電素子に印加する電圧を設定することができる。従って、例えば、ロータの回転に起因する強制振動数がロータの固有振動数に近付きすぎないように印加電圧を設定して、共振を効果的に抑制することができる。
【００５５】
請求項４に記載の発明によれば、電圧発生手段は直流電圧を発生させるので、従来の振動低減装置のような高精度のコントローラや、交流電圧を発生させる可変電圧発生装置が不要となる。このため、比較的安価に制振効果を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係るヘリコプタの概略図である。
【図２】図１に示したヘリコプタに備えられる制振材の斜視図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ部分の断面図である。
【符号の説明】
１ヘリコプタ
１０ロータ
１１ブレード
１２シャフト
１３ハブ
１４スリップリング
１５制振材
１６ａ第１ＣＦＲＰ層
１６ｂ第２ＣＦＲＰ層
１７電気粘性流体
１７ａ封印材
１８絶縁材
１９圧電素子
２０胴体
２１キャビン
２２可変電圧発生装置
２３コントローラ
２４導線
２５導線
２６回転数センサ
２７導線
３０スキッド
４０テイルブーム
５０尾翼
６０テイルロータ

Claims

ブレード及びハブを有するロータを備えたヘリコプタにおいて、
前記ブレード及び／又は前記ハブの表面に設けられた第１ＣＦＲＰ層と、
前記第１ＣＦＲＰ層に所定の間隔をおいて配置された第２ＣＦＲＰ層と、
前記第１ＣＦＲＰ層と前記第２ＣＦＲＰ層との間に形成された空間に封入された電気粘性流体と、を有する制振材を備え、
前記第１ＣＦＲＰ層及び前記第２ＣＦＲＰ層を介して前記電気粘性流体に所定の電圧が印加されることを特徴とするヘリコプタ。
前記制振材は、
前記第２ＣＦＲＰ層の表面に所定の絶縁材を介して接着され、印加電圧により前記第２ＣＦＲＰ層の表面に沿う方向に伸縮する圧電素子を有することを特徴とする請求項１に記載のヘリコプタ。
前記ロータの回転数を検出する回転数検出手段と、
前記制振材の前記電気粘性流体及び／又は前記圧電素子に印加する電圧を発生させる電圧発生手段と、
前記ロータの回転数が所定値に達した場合に、前記電気粘性流体及び／又は前記圧電素子に印加する電圧の値を指示する制御信号を前記電圧発生手段に出力する制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のヘリコプタ。
前記電圧発生手段は、
直流電圧を発生させることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のヘリコプタ。