JP2005119658A - Ornithopter and flapping flight method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は羽ばたき飛行機および羽ばたき飛行方法に関し、人力羽ばたき飛行機および人力による羽ばたき飛行に好適である。また、本発明は原動機付羽ばたき飛行機および小型飛翔体(MicroAerialVehicle)に好適である。 The present invention relates to a flapping airplane and a flapping flight method, and is suitable for human-powered flapping airplane and flapping flight by human power. The present invention is also suitable for a flapping airplane with a motor and a small flying vehicle (MicroAerialVehicle).
羽ばたき飛行機における羽ばたき運動は、羽ばたき翼を打上げ及び打下ろしする主運動(以下、「フラッピング」という。)に、羽ばたき翼のピッチ角を適宜変更する副運動(以下、「フェザリング」という。)を連成して推力と揚力とを得るものである。図8(a)に示す羽ばたき翼の打下ろしでは、羽ばたき翼のピッチ角αが0度から−45度を経て再び0度となるようフェザリングが連成され、図8(b)に示す羽ばたき翼の打上げでは、羽ばたき翼のピッチ角αが0度から45度を経て再び0度となるようにフェザリングが連成されている。このとき、羽ばたき翼のピッチ角αの変動に応じて、羽ばたき翼の打下ろしでは非定常な推力と揚力とが、羽ばたき翼の打上げでは非定常な推力とダウンフォースとが生じる。これら羽ばたき運動によって生じる非定常な推力を時間平均した推力と、非定常な揚力とダウンフォースとを時間平均した揚力とを得ることで、羽ばたき飛行機は飛行することができる。 The flapping motion in a flapping airplane is the main motion (hereinafter referred to as “flapping”) for raising and lowering the flapping wing, and the secondary motion (hereinafter referred to as “feathering”) for appropriately changing the pitch angle of the flapping wing. To obtain thrust and lift. In the flapping wing down shown in FIG. 8 (a), feathering is coupled so that the pitch angle α of the flapping wing passes from 0 degree to −45 degrees and becomes 0 degree again, and the flapping flapping shown in FIG. 8 (b) is performed. In the wing launch, feathering is coupled so that the flapping wing pitch angle α goes from 0 degree to 45 degrees and then becomes 0 degree again. At this time, unsteady thrust and lift force are generated when the flapping wing is lowered, and unsteady thrust force and downforce are generated when the flapping wing is launched, according to the fluctuation of the pitch angle α of the flapping wing. The flapping airplane can fly by obtaining a time-averaged thrust of the unsteady thrust generated by the flapping motion and a time-averaged lift of the unsteady lift and downforce.
こうした羽ばたき運動を実現する機構として、回転出力軸に傾斜溝車を固定して設け、前記傾斜溝車と回動自在に嵌合する振動起動環をさらに設け、前記振動起動環と一体として羽ばたき翼を設ける機構が発明されている(特許文献1参照。)。この機構により実現される羽ばたき運動においては、羽ばたき翼のフラッピングに、羽ばたき翼の全幅に亘って羽ばたき翼のピッチ角が均一となるフェザリングが連成されることとなる。
羽ばたき飛行機のうち、その羽ばたき運動を搭乗者の人力のみにより成し、当該羽ばたき運動により得られる推力と揚力とのみを用いて飛行する人力羽ばたき飛行機の実現は、かのレオナルド・ダ・ビンチによる試み以降、人類共通の憧れとして位置付けられている。しかしながら、人力羽ばたき飛行機の実現を目指す数多くの試みにも拘らず、本発明の出願日現在に至るまで、人力による羽ばたき飛行は実現されていない。 Among the flapping planes, the flapping movement is performed only by the passenger's human power, and the realization of the human flapping plane that uses only the thrust and lift obtained by the flapping movement is an attempt by Leonardo da Vinci. Since then, it has been positioned as a longing for all humankind. However, in spite of numerous attempts to realize a human-powered airplane, flapping by human power has not been realized until the filing date of the present invention.
限られた人力によって羽ばたき飛行をするためには、その羽ばたき運動を最適化することで、羽ばたき飛行に必要な推力と揚力とを効率良く得ることができる羽ばたき運動とすることが必要である。表1に示す標準的な性能諸元を有する従来の人力羽ばたき飛行機について、最適化の目的関数を数式1に示す推進効率ηPとし、図5に示すフラッピングの振幅φ0、図6に示すフェザリングの振幅θ0、同じく図6に示すルートコードcにおけるセミルートコードbにより無次元化されたフェザリング軸の配置位置a、図7に示すフラッピングとフェザリングとの位相差λ、数式2に示す無次元振動数kを夫々設計変数として、羽ばたき翼前縁に生ずるサクションを考慮するよう改良された改良非定常揚力面理論コードによる空力解析性能をCOMPLEX法により最適化して得ることができる最適な羽ばたき運動を表3に開示する。
In order to perform a flapping flight with limited human power, it is necessary to optimize the flapping motion so as to obtain a flapping motion that can efficiently obtain the thrust and lift necessary for the flapping flight. For a conventional flapping airplane having standard performance specifications shown in Table 1, the optimization objective function is the propulsion efficiency η P shown in
表3に示す従来の人力羽ばたき飛行機における最適な羽ばたき運動において、推進効率ηPは0.658と低い値にとどまる。この推進効率によれば、例えば人力羽ばたき飛行機を5m/sで水平飛行させるために、搭乗者の体重1Kgあたりに対して少なくとも6.7Wの出力が要求されることとなる。加えて実在気体中では、粘性の影響によってさらなる推進効率の低下が生じることとなるから、従来の羽ばたき運動即ち、羽ばたき翼のフラッピングに、羽ばたき翼のピッチ角を羽ばたき翼の全幅に亘って均一に変動するフェザリングを連成した羽ばたき運動では、羽ばたき飛行機の飛行に必要な推力を人力により供与することができないため、人力による羽ばたき飛行の実現は困難であると推論できる。 In the optimal flapping motion in the conventional human-powered flapping airplane shown in Table 3, the propulsion efficiency η P remains as low as 0.658. According to this propulsion efficiency, for example, in order to fly a human-powered airplane horizontally at 5 m / s, an output of at least 6.7 W is required per 1 kg body weight of the passenger. In addition, in real gas, the propulsion efficiency is further reduced by the influence of viscosity, so the flapping wing pitch angle is uniform over the entire width of the flapping wing in the conventional flapping motion, that is, flapping of the flapping wing. It can be inferred that it is difficult to realize flapping flight by human power because the flapping motion coupled with fluctuating feathering cannot provide the human force with the thrust necessary for the flight of the flapping airplane.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、人力羽ばたき飛行機の推進効率を向上することにより人力羽ばたき飛行機および人力による羽ばたき飛行を実現し、提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to realize and provide a human-powered airplane and a human-powered airplane by improving the propulsion efficiency of the human-powered airplane. .
また本発明は、広く羽ばたき飛行機の推進効率の向上を目的とし、原動機付羽ばたき飛行機、特に産業上の利用が期待される小型飛翔体(MicroAerialVehicle)の性能向上を企図するものである。羽ばたき飛行機において、フラッピングをおこなうことにより羽ばたき翼に空気力並びに慣性力を作用させ、羽ばたき翼を受動的に弾性変形させてフェザリングを連成する簡易ないわゆるメンブレイン方式の羽ばたき運動が広く採用されているが、近年においてはその羽ばたき機構の実現の容易さもさることながら、羽ばたき飛行機の航続距離や飛行性能がより重視される傾向が強まっているものと推察する。本発明はまた羽ばたき運動の最適化を追求することで、原動機付羽ばたき飛行機および小型飛翔体(MicroAerialVehicle)において高い推進効率を実現する優れた羽ばたき飛行方法および羽ばたき飛行機を提供することを目的とする。 In addition, the present invention aims to improve the propulsion efficiency of a flapping airplane widely, and intends to improve the performance of a flapping airplane with a motor, particularly a small flying vehicle (MicroAerialVehicle) expected to be used industrially. In flapping airplanes, flapping is used to apply the aerodynamic force and inertial force to the flapping wings and passively elastically deform the flapping wings so that the so-called membrane-type flapping movement is widely used. However, in recent years, it is presumed that there is an increasing tendency to emphasize the cruising distance and flight performance of a flapping airplane, in addition to the ease of realizing the flapping mechanism. Another object of the present invention is to provide an excellent flapping flight method and flapping airplane that realize high propulsion efficiency in a flapping airplane and a small flying vehicle (MicroAerial Vehicle) by pursuing optimization of flapping motion.
本発明は、上記の課題を解決するために次の構成を備える。即ち、本発明による羽ばたき飛行方法は、羽ばたき翼のフラッピングに連成する前記羽ばたき翼のフェザリングの振幅を、前記羽ばたき翼の翼根から前記羽ばたき翼の翼端へ向かうにしたがって増大するよう設けたことを特徴とする。 The present invention has the following configuration in order to solve the above problems. That is, the flapping flight method according to the present invention is provided so that the amplitude of feathering of the flapping wing coupled to flapping of the flapping wing increases from the blade root of the flapping wing toward the tip of the flapping wing. It is characterized by that.
また、前記羽ばたき翼のフェザリングの振幅を、前記羽ばたき翼の翼根から前記羽ばたき翼の翼端へ向かうにしたがって線形増加するよう設け、前記線形増加の微分係数を0.085から0.115の範囲に設け、前記羽ばたき翼のルートコード上におけるフェザリング軸の配置位置を前記ルートコードの中点を基点としてセミルートコード長の0.3倍から0.7倍の範囲で前記ルートコードの中点より前方の位置に設け、前記フラッピングの振幅を31度から45度の範囲に設け、前記フラッピングに対する前記フェザリングの位相差を進角76度から進角95度の範囲に設け、無次元振動数を0.2から0.28の範囲に設けたことを特徴とする。 The flapping wing feathering amplitude is set to linearly increase from the flapping wing root toward the flapping wing tip, and the linear increase differential coefficient is 0.085 to 0.115. The position of the feathering axis on the route code of the flapping wing is within the range of 0.3 to 0.7 times the semi-route code length with the midpoint of the route code as a base point. The flapping amplitude is set in the range of 31 to 45 degrees, the phase difference of the feathering with respect to the flapping is set in the range of the advance angle of 76 degrees to the advance angle of 95 degrees, The dimensional frequency is set in the range of 0.2 to 0.28.
また、前記フラッピングと前記フェザリングとを羽ばたき飛行機の搭乗者が出力する人力のみにより成し、前記フラッピングと前記フェザリングとにより得られる推力と揚力とのみを用いて羽ばたき飛行をすることを特徴とする。 Further, the flapping and the feathering are performed only by human power output from a flapping airplane passenger, and the flapping flight is performed using only the thrust and lift obtained by the flapping and the feathering. Features.
また、本発明による羽ばたき飛行機は、羽ばたき翼のフラッピングに連成する前記羽ばたき翼のフェザリングの振幅を、前記羽ばたき翼の翼根から前記羽ばたき翼の翼端へ向かうにしたがって増大するよう設けたことを特徴とする。 Further, the flapping airplane according to the present invention is provided such that the amplitude of feathering of the flapping wing coupled to flapping of the flapping wing increases from the blade root of the flapping wing toward the tip of the flapping wing. It is characterized by that.
また、前記羽ばたき翼のフェザリングの振幅を、前記羽ばたき翼の翼根から前記羽ばたき翼の翼端へ向かうにしたがって線形増加するよう設け、前記線形増加の微分係数を0.085から0.115の範囲に設け、前記羽ばたき翼のルートコード上におけるフェザリング軸の配置位置を前記ルートコードの中点を基点としてセミルートコード長の0.3倍から0.7倍の範囲で前記ルートコードの中点より前方の位置に設け、前記フラッピングの振幅を31度から45度の範囲に設け、前記フラッピングに対する前記フェザリングの位相差を進角76度から進角95度の範囲に設け、無次元振動数を0.2から0.28の範囲に設けたことを特徴とする。 The flapping wing feathering amplitude is set to linearly increase from the flapping wing root toward the flapping wing tip, and the linear increase differential coefficient is 0.085 to 0.115. The position of the feathering axis on the route code of the flapping wing is within the range of 0.3 to 0.7 times the semi-route code length with the midpoint of the route code as a base point. The flapping amplitude is set in the range of 31 to 45 degrees, the phase difference of the feathering with respect to the flapping is set in the range of the advance angle of 76 degrees to the advance angle of 95 degrees, The dimensional frequency is set in the range of 0.2 to 0.28.
また、前記フェザリング軸を中心軸とする円筒形状の主翼桁を設け、前記円筒形状の主翼桁の外周面と摺動して前記フェザリング軸を中心に回動する多数のリブを設け、前記多数のリブのうち最翼端に位置するリブに固定して前記フェザリング軸を中心軸とするフェザリング駆動軸を前記円筒形状の主翼桁の内側に通して設け、前記フェザリング駆動軸を捻ることで前記フェザリングをおこなうよう設けたことを特徴とする。 In addition, a cylindrical main wing girder having the feathering shaft as a central axis is provided, and a plurality of ribs that slide around an outer peripheral surface of the cylindrical main wing girder and rotate about the feathering shaft are provided. A feathering drive shaft centered on the feathering shaft is fixed to a rib located at the outermost blade edge among a number of ribs, and is provided through the inside of the cylindrical main wing girder, and the feathering drive shaft is twisted Thus, it is provided to perform the feathering.
また、前記フラッピングと前記フェザリングとを前記羽ばたき飛行機の搭乗者が出力する人力のみにより成し、前記フラッピングと前記フェザリングとにより得られる推力と揚力とのみを用いて羽ばたき飛行をすることを特徴とする。 Further, the flapping and the feathering are performed only by a human power output by a passenger of the flapping plane, and the flapping flight is performed using only the thrust and the lift obtained by the flapping and the feathering. It is characterized by.
本発明による羽ばたき飛行方法によれば、推進効率を0.85以上の値とする優れた羽ばたき飛行を実現することができる。また本発明により羽ばたき飛行の推進効率を向上することで、人力による羽ばたき飛行を実現することができる。 According to the flapping flight method of the present invention, an excellent flapping flight with a propulsion efficiency of 0.85 or more can be realized. Further, flapping flight by human power can be realized by improving the propulsion efficiency of flapping flight according to the present invention.
同じく本発明によれば、推進効率を0.85以上の高い値とする優れた羽ばたき飛行機を実現することができる。これにより、原動機付羽ばたき飛行機、特に産業上の利用が期待される小型飛翔体(MicroAerialVehicle)の推進効率を向上することができるとともに、未だ成功例の無い人力羽ばたき飛行機を実現することができる。 Similarly, according to the present invention, it is possible to realize an excellent flapping airplane having a high propulsion efficiency of 0.85 or higher. Accordingly, it is possible to improve the propulsion efficiency of a flapping aircraft with a motor, particularly a small flying vehicle (MicroAerialVehicle) expected to be used industrially, and it is possible to realize a human-powered flapping aircraft that has not yet been successful.
以下、本発明に係る羽ばたき飛行方法および羽ばたき飛行機の実施の形態について詳述する。図1は本実施の形態による羽ばたき飛行機の当該羽ばたき翼の骨格を示す説明図である。図中1は、羽ばたき翼のフェザリング軸上に設けた円筒形状の主翼桁である。主翼桁1は主翼桁取付継手2の軸受部に固定され、主翼桁取付継手2は主翼桁取付板3に埋没固定された主翼桁取付ピン4によって回動可能に軸支されている。これにより主翼桁1および主翼桁取付継手2は主翼桁取付ピン4を支軸として回動し、フラッピングをすることができる。
Embodiments of the flapping flight method and flapping airplane according to the present invention will be described in detail below. FIG. 1 is an explanatory diagram showing the skeleton of the flapping wing of the flapping airplane according to the present embodiment. In the figure,
主翼桁1および主翼桁取付継手2をその主要駆動骨格とする本実施の形態による羽ばたき翼のフラッピングは、主翼桁1の翼央部に固定されたワイヤ係留ブッシュ14に係留した打上げワイヤ15および打下ろしワイヤ16を、打上げワイヤガイド17および打下ろしワイヤガイド18より等量ずつ吐出または収納することによって為すことができる。本実施の形態では、駆動機構の軽量化を目的として、ワイヤリンク機構によりフラッピングをおこなうものとしているが、勿論、羽ばたき飛行機の小型化をより優先するものとして、カム、クランク等の剛体リンク機構を用いて羽ばたき翼をフラッピング駆動する形態としてもよい。
Flapping of the flapping wing according to the present embodiment using the
主翼桁1および主翼桁取付継手2並びに主翼桁取付板3および主翼桁取付ピン4加えてワイヤ係留ブッシュ14は重量軽減と必要強度確保のために炭素繊維強化樹脂材料で形成されるのが望ましい。また、打上げワイヤ15および打下ろしワイヤ16は荷重により大きく弾性変形して駆動力を損失することのないケプラー(登録商標)繊維で形成されることが望ましい。また本実施の形態では、フラッピング機構の小型化を目的として、主翼桁取付ピン4の軸径を必要強度を確保する最小の軸径に設けることで主翼桁取付継手2と主翼桁取付ピン4との摺動抵抗の低減をおこなっているが、さらなる摺動抵抗の低減が必要な場合には、主翼桁取付継手2と主翼桁取付ピン4との摺動面にボールベアリングを介在させて設けることが望ましい。
The
図1において10、11、12に示す羽ばたき翼に多数設けられたリブのうち、最翼根に位置するリブ12は、その翼弦線が当該羽ばたき飛行機の機軸線に対して一定の取付角を備えた状態で主翼桁1の外周面上に接着固定されている。よって本実施の形態において、最翼根に位置するリブ12は主翼桁1に固定されていてフェザリング駆動されることがない。ここで取付角は当該羽ばたき翼に所定の迎え角を与えるためのもので、本実施の形態においては+5度の取付角を備えるように設けられている。なお、当該取付角の設定は通常の飛行機設計方法の範囲内で任意に設定することができる。
Among the ribs provided on the flapping
一方、最翼根に位置するリブ12を除く多数のリブ10および最翼端に位置するリブ11は、所定の位置毎において、フェザリング軸を中心に本実施の形態において円筒形状に設けられた主翼桁1の外周面上を摺動して回動し、夫々にフェザリングすることができるように自由度が与えられて設けられている。勿論、当該主翼桁と当該リブとの間にボールベアリング他の軸受機構を介在させることで、同様に多数のリブ10および最翼端に位置するリブ11をフェザリングすることができるように設けることも可能である。この構成について応用すれば、主翼桁の断面形状を任意の断面形状とすることが可能であるから、例えば当該主翼桁の断面形状を四角形状や楕円形状等とすることで、フラッピングに伴う主翼桁の撓みを抑制することができるよう設けることも可能である。
On the other hand, a large number of
これら羽ばたき翼に多数設けられたリブ10、11、12を連通して、一対のモーションガイド13が主翼桁1を挟んで配置されている。モーションガイド13は、羽ばたき翼にフェザリング軸周りの捻り剛性を付与する部材であって、多数のリブ10の全てを貫通してその両端は最翼端に位置するリブ11および最翼根に位置するリブ12に固定されて設けられている。
A plurality of
続いて本実施の形態におけるフェザリング駆動機構について詳述する。図1に示す5は、円筒形状の主翼桁1の内側を通してフェザリング軸上に設けたフェザリング駆動軸である。フェザリング駆動軸5の翼根部にはユニバーサルジョイント6が夫々設けられるとともに、左右両翼のユニバーサルジョイント6は相互に結合固定された状態でその外周を主翼桁取付板3により嵌合把持されて設けられている。このうち右翼側のユニバーサルジョイント6には、フェザリング駆動レバー8が一体に設けられていて、フェザリング駆動レバー8はフェザリング駆動リンク9に連結されて設けられている。これにより左右夫々のフェザリング駆動軸5は、翼根部に設けられたユニバーサルジョイント6により中折れしてフラッピングをおこないながらも同一のフェザリング駆動リンク9によって与えられるフェザリング駆動力と完全に同期してフェザリング軸周りに回転し、左右夫々の羽ばたき翼にフェザリング駆動力を伝達することができる。
Next, the feathering drive mechanism in the present embodiment will be described in detail. 1 is a feathering drive shaft provided on the feathering shaft through the inside of the cylindrical
また翼端部において、フェザリング駆動軸5はフェザリング駆動軸固定板7を介在して最翼端に位置するリブ11に固定されている。これにより、最翼端に位置するリブ11はフェザリング駆動リンク9による入力駆動に従ってフェザリング駆動されることとなる。ここで本実施の形態における一対のモーションガイド13は、フェザリング軸周りの捻れ変形を許容する弾性材料によって構成されている。したがって当該羽ばたき翼は、主翼桁1に固定されて設けられた最翼根に位置するリブ12を固定端とし、フェザリング駆動力が伝達される最翼端に位置するリブ11を回転端として、フェザリング軸周りに弾性的に捻れ変形および復元をすることができる翼構造に設けられている。
At the blade tip, the feathering
図2および図3は、本実施の形態における羽ばたき飛行機の羽ばたき運動を示す説明図であって、図2は当該羽ばたき翼の打上げを図3は当該羽ばたき翼の打ち下ろしを夫々表す。既述のとおり図2に示す本実施の形態における羽ばたき翼の打上げでは、フラッピングは、打上げワイヤ15を打上げワイヤガイド17より一定量収納するとともに、これと等量の打下ろしワイヤ16を打下ろしワイヤガイド18より吐出することにより為される。
2 and 3 are explanatory views showing the flapping motion of the flapping airplane in the present embodiment. FIG. 2 shows the launching of the flapping wing, and FIG. 3 shows the downing of the flapping wing. As described above, in the launching of the flapping wing in the present embodiment shown in FIG. 2, flapping is performed by storing a fixed amount of the
また、当該羽ばたき翼の打上げで連成されるフェザリングは、フェザリング駆動リンク9を引き下ろす方向で適宜制御することにより羽ばたき翼19および羽ばたき翼20の最翼端に位置するリブ11に等量のピッチ角αtipを与えることで為される。これにより、当該羽ばたき翼の打上げでは、羽ばたき翼の翼根から翼端へと向かうにしたがって羽ばたき翼が捻り上げられる態様のフェザリングが連成されることとなる。
Further, the feathering coupled by the launching of the flapping wing is equivalent to the
同様に、図3に示す本実施の形態における羽ばたき翼の打下ろしでは、フラッピングは、打下ろしワイヤ16を打下ろしワイヤガイド18より一定量収納するとともに、これと等量の打上げワイヤ15を打上げワイヤガイド17より吐出することにより為される。
Similarly, in the flapping down of the flapping wing in the present embodiment shown in FIG. 3, flapping is performed by dropping the
また、当該羽ばたき翼の打下ろしで連成されるフェザリングは、フェザリング駆動リンク9を押し上げる方向で適宜制御することにより羽ばたき翼19および羽ばたき翼20の最翼端に位置するリブ11に等量のピッチ角−αtipを与えることで為される。これにより、当該羽ばたき翼の打下ろしでは、羽ばたき翼の翼根から翼端へと向かうにしたがって羽ばたき翼が捻り下げられる態様のフェザリングが連成されることとなる。
Further, the feathering coupled by the downswing of the flapping wing is equivalent to the
なお、本実施の形態における羽ばたき翼のフェザリングは、その全長に亘って均一に設けられた図1に示すモーションガイド13のフェザリング軸周りの捻り剛性に抗して為されるものであるから、当該フェザリング駆動によって翼根から翼端へと向かうにしたがって生じる羽ばたき翼の捻れ角は、フェザリング軸周りにおけるモーションガイド13の捻れ角と一致して、翼根から翼端へと向かうにしたがって一定の比率で連続して増大するものとなる。
Note that the feathering of the flapping wing in the present embodiment is performed against the torsional rigidity around the feathering axis of the
即ち、本実施の形態におけるフェザリングの振幅θは、羽ばたき翼のスパン方向でその大きさが異なるように設けられていて、当該羽ばたき翼の翼根から翼端へと向かうにしたがって一定の比率で連続してその値が増加するように設けられている。言い換えて数学的に表現すれば、羽ばたき翼19および羽ばたき翼20のフェザリング軸上に翼根から翼端へと向かう方向で図2および図3に示すx軸を夫々に定めるとき、当該フェザリングの振幅θを、微分係数dθ/dxを一定として線形に増加するように設けたものと説明することができる。
That is, the amplitude θ of the feathering in the present embodiment is provided so that its magnitude differs in the span direction of the flapping wing, and at a constant ratio from the blade root to the blade tip of the flapping wing. It is provided so that the value increases continuously. In other words, mathematically expressed, when the x-axis shown in FIGS. 2 and 3 is determined on the feathering axis of the flapping
本実施の形態に示すように、羽ばたき翼の翼根から翼端へと向かうにしたがってフェザリングの振幅θが大きくなるように変化させて設けることで羽ばたき飛行機の推進効率を向上させることができるという構成と効果との関連は、概して羽ばたき運動は翼根を支点として翼端で円弧を描く円運動であって、その半径に比例して、羽ばたき運動による誘導速度が羽ばたき翼の翼根から翼端へと向かうにしたがって大きくなるといえるから、これに合わせて、同じく羽ばたき翼の翼根から翼端へと向かうにしたがってフェザリングの振幅θを大きく設けることで、羽ばたき運動の最適化をおこなうことができるものと定性的に説明することができる。 As shown in this embodiment, the propulsion efficiency of a flapping airplane can be improved by changing the feathering wing so that the amplitude θ of the feathering increases as it goes from the root to the tip of the wing. The relationship between the configuration and the effect is that the flapping motion is generally a circular motion that draws an arc at the tip of the blade root as a fulcrum, and the speed induced by the flapping motion is proportional to the radius of the flapping motion from the blade root to the tip of the blade. It can be said that it becomes larger as it goes to, and accordingly, the flapping motion can be optimized by increasing the feathering amplitude θ as it goes from the root of the flapping wing to the tip of the wing. Can be described qualitatively.
本実施の形態では、羽ばたき翼の翼根から翼端へと向かうにしたがって一次線形的に増加する羽ばたき運動による誘導速度を主なるものとして重視した結果、当該羽ばたき翼のフェザリングの振幅θを翼根から翼端へと向かうにしたがって同じく一次線形的に大きくなるよう設けるものとしているが、勿論、翼端渦による誘導速度の加増についても加えて反映するために、当該羽ばたき翼のフェザリングの振幅θを翼根から翼端へと向かうにしたがって高次非線形的に大きくなるよう設けるものとしてもよい。この際には、本実施の形態ではその全長に亘って均一に設けた図1に示すモーションガイド13のフェザリング軸周りの捻り剛性を、当該羽ばたき翼の翼根から翼端へと向かうにしたがって高次非線形的に小さくなるよう設けるものとして構成を変更すればよい。
In this embodiment, as a result of focusing on the induced speed due to the flapping motion that increases linearly as it goes from the root of the flapping wing to the wing tip, the feathering amplitude θ of the flapping wing It is designed to increase linearly as it goes from the root to the blade tip. Of course, in order to reflect the increase in the induced velocity due to the blade tip vortex, the amplitude of the feathering feathering is reflected. It is also possible to provide θ so that it increases in a higher-order nonlinear manner as it goes from the blade root to the blade tip. In this case, in this embodiment, the torsional rigidity around the feathering axis of the
表2に本発明による最適な羽ばたき運動を開示する。当該最適な羽ばたき運動は、表1に示す標準的な性能諸元を有する人力羽ばたき飛行機について、最適化の目的関数を数式1に示す推進効率ηPとし、図5に示すフラッピングの振幅φ0、当該羽ばたき翼におけるフェザリングの振幅θの翼根から翼端方向へと向かう線形増加の微分係数dθ/dx、図6に示すルートコード上におけるフェザリング軸の配置位置a、図7に示すフラッピングとフェザリングとの位相差λ、数式2に示す無次元振動数kを夫々設計変数として、羽ばたき翼前縁に生ずるサクションを考慮するよう改良された改良非定常揚力面理論コードによる空力解析性能をCOMPLEX法により最適化して得ることができる最適な羽ばたき運動である。表2に示すとおり本発明によれば、羽ばたき飛行機において0.94と高い推進効率を得ることができる。
Table 2 discloses the optimal flapping motion according to the present invention. The optimum flapping motion is the flapping amplitude φ 0 shown in FIG. 5 for the human flapping airplane having the standard performance specifications shown in Table 1 and the optimization objective function is the propulsion efficiency η P shown in
本実施の形態における羽ばたき運動は、表2に示す羽ばたき運動を最適運動とするが、推進効率にして0.85以上の高効率領域を確保する範囲内において多様な仕様要求に対応するために、当該フェザリングの振幅が羽ばたき翼の翼根から翼端へと向かうにしたがって増大する線形増加の微分係数を0.085から0.115の範囲に設け、当該羽ばたき翼のルートコード上におけるフェザリング軸の配置位置を当該ルートコードの中点を基点としてセミルートコード長の0.3倍から0.7倍の範囲で当該ルートコードの中点より前方の位置に設け、当該フラッピングの振幅を31度から45度の範囲に設け、当該フラッピングに対する当該フェザリングの位相差を進角76度から進角95度の範囲に設け、無次元振動数を0.2から0.28の範囲に設けるものとしてオフデザインをおこなうことも可能である。当該数値限定は既述の最適化数値計算に基づくものである。 The flapping motion in the present embodiment is the flapping motion shown in Table 2 as the optimal motion, but in order to meet various specification requirements within the range of ensuring a high efficiency region of 0.85 or more as the propulsion efficiency, A linearly increasing differential coefficient is set in the range of 0.085 to 0.115 as the amplitude of the feathering increases from the blade root to the blade tip of the flapping wing, and the feathering axis on the flapping wing root code is provided. Is arranged at a position in front of the midpoint of the route code in the range of 0.3 to 0.7 times the semi-route code length with the midpoint of the route code as a base point, and the flapping amplitude is set to 31. The phase difference of the feathering with respect to the flapping is set in a range of 76 degrees to 95 degrees, and the dimensionless frequency is 0.2 to 0. It is also possible to carry out off-design as provided in the range of 28. The numerical limitation is based on the optimization numerical calculation described above.
図4は本実施の形態における羽ばたき飛行機の羽ばたき翼の外皮構造を示す説明図である。図は羽ばたき翼の打下ろしに際して、当該羽ばたき翼がフェザリングにより捻り下げられている状態をその翼端前縁方向より見て示している。図中21は、リブの外周に固定して設けられたスライドレールである。スライドレール21は翼面フィルム22をその両端で把持する部材であって、翼面フィルム22が自在に摺動することができるように設けられた適度な幅の摺動溝内に翼面フィルム22を挟圧して把持している。このため羽ばたき翼がフェザリングにより捻られる際にも当該外皮構造部でフェザリング軸周りの捻り剛性を生じることがないから、当該外皮構造部が羽ばたき翼の捻り剛性に寄与して羽ばたき翼の捻り角を変えてしてしまうことがなく、また羽ばたき翼のフェザリング駆動力を損失してしまうことがない。翼面フィルム22は、当該羽ばたき翼の捻れに追従して変形することができる樹脂フィルムによって形成されていて、当該羽ばたき翼が捻られる際には、リブと隣接するリブとの間を曲面により補間して連続的な翼面を形成することができる。
FIG. 4 is an explanatory view showing an outer skin structure of a flapping wing of a flapping airplane in the present embodiment. The figure shows a state where the flapping wing is twisted down by feathering when the flapping wing is lowered, as viewed from the front edge direction of the wing tip. In the figure,
ここで本実施の形態では、羽ばたき翼にテーパーが設けられているため、外皮構造を既述の構成とするのみでは羽ばたき翼に捻りを加えた際に翼面フィルム22の翼前縁部に大きな皺が生じてしまうこととなる。これは翼前縁部において翼面フィルム22の曲率が最大となることに加えて、隣接するリブとリブとの形状が羽ばたき翼に設けられたテーパーによって異なっていることに起因している。よって本実施の形態では、当該翼前縁部において翼面フィルム22を廃し、これに代えて前縁ブロック23を設けることで羽ばたき翼を構成するものとしている。具体的には、羽ばたき翼の上面および下面に分けて設けられた翼面フィルム22を前縁ブロック23に夫々に固定して翼面を形成するとともに、前縁ブロック23の側面部を半球状に形成することで、前縁ブロック23とこれに当接するリブとが点接触によって当接するように設けられている。この構成により、テーパーの設けられた当該羽ばたき翼に捻りを加える際にも、翼前縁部に皺を生じてしまうことがなく、また翼前縁部において前縁ブロック23とこれに当接するリブとが柔軟にその当接状態を変化させることが可能とされているため、当該羽ばたき翼の捻れに好適に追従して翼面を形成することができる。
Here, in the present embodiment, since the flapping wing is tapered, the wing leading edge portion of the
以上、本発明に係る羽ばたき飛行方法および羽ばたき飛行機の実施の形態について個別具体的な形態を提示して詳述したが、ここに提示した例示的実施の形態は、本発明について好適な実施を導くために開示されたものであって本発明の実施の形態についてその技術的適用範囲を規定するものではなく、本発明に係る実施の形態は、本発明に基づくあらゆる実施の形態に及ぶものである。 As mentioned above, although the individual specific form was shown and explained in detail about embodiment of the flapping flight method and flapping airplane concerning the present invention, exemplary embodiment presented here leads to suitable implementation about the present invention. Therefore, the technical scope of the embodiments of the present invention is not defined, and the embodiments according to the present invention cover all the embodiments based on the present invention. .
1 主翼桁
2 主翼桁取付継手
3 主翼桁取付板
4 主翼桁取付ピン
5 フェザリング駆動軸
6 ユニバーサルジョイント
7 フェザリング駆動軸固定板
8 フェザリング駆動レバー
9 フェザリング駆動リンク
10 リブ
11 最翼端に位置するリブ
12 最翼根に位置するリブ
13 モーションガイド
14 ワイヤ係留ブッシュ
15 打上げワイヤ
16 打下ろしワイヤ
17 打上げワイヤガイド
18 打下ろしワイヤガイド
19 羽ばたき翼(左)
20 羽ばたき翼(右)
21 スライドレール
22 翼面フィルム
23 前縁ブロック
1
20 Flapping wing (right)
21
Claims (4)
The flapping and the feathering are performed only by a human power output by a passenger of the flapping airplane, and the flapping flight is performed using only the thrust and the lift obtained by the flapping and the feathering. The flapping airplane according to any one of claims 1 to 3.
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