JP2008518821A - 地上走行時の航空機のブレーキ性能を向上させるための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明によれば、昇降舵(８)および／または調節可能な水平安定板(６)が、負の揚力(ＤＰ２)が生成されることによって、ブレーキからもたらされる機首下げモーメント(ＣＢ)に対抗する機首上げモーメント(ＣＤＰ)が生じるような方法で、操作される。負の揚力の値(ＤＰ２)は、地面によって前脚(１２)へと加えられる垂直力であって基準値(Ｆａｖ３)でなければならない垂直力に調和するようにされる。
【選択図】 図２Ａ

Description

本発明は、地上を走行している航空機のブレーキ性能を向上させるための方法および装置に関する。

現在の航空機、とくには民間の航空機が、細長い胴体を当該胴体の中間部分に配置された主脚と操向可能な前脚(通常は、機首脚と呼ばれる)とによって地上に支持して有することは、公知である。さらに、主脚の車輪にブレーキが備えられる一方で、地上で航空機を横方向に案内するために使用される前記前脚は、ブレーキを持たない車輪を有している。

このような構成配置の結果として、地上を滑走中のこのような航空機にブレーキをかけたとき、主脚の車輪によって加えられるブレーキ力によって機首を下げようとするモーメントが発生し、前記主脚への荷重が減少し、前記前脚への荷重が増加する傾向になる。結果として、航空機の最適なブレーキ性能を可能にすべく主脚を充分な力で地面に押し付けることができなくなる。

本発明の目的は、この欠点を改善し、地上を滑走している航空機に常に最適なブレーキ性能を与えることにある。

この目的のため、本発明によれば、
細長い胴体を有し、
‐ 該胴体の中間位置に配置され、ブレーキを備える車輪を有している主脚、
‐ 該胴体の前部に配置され、ブレーキを持たない車輪を有しており、当該航空機を地上で横方向に案内するために使用される操向可能な前脚、および
‐ 該胴体の後部に配置され、可変の負の揚力を生成することができる制御可能な空気力学的表面
が設けられている航空機について、地面を滑走しているときのブレーキ性能を向上させるための方法が、
‐ 予備的段階において、地面から前記前脚へと加えられる垂直力について、当該航空機が地面を滑走しているときに当該航空機の横方向の案内を行うための前記前脚の充分な能力を確保できる基準値が決定され、
次いで、地面を走行している当該航空機がブレーキをかけているときに、
‐ 地面によって前記前脚へと実際に加えられている瞬時の垂直力が測定され、
‐ 前記後部の空気力学的表面が、前記瞬時の垂直力を前記基準値に少なくともほぼ等しい値に維持できる負の揚力値を生むように制御される
ことを特徴とする。

このように、本発明においては、前脚に航空機を横方向に案内するための充分な能力を維持しつつ、前脚に加わる垂直力を制御することで、機首上げのモーメントが前記ブレーキによる機首下げのモーメントに対抗して生成され、したがって航空機のブレーキ性能が向上し、その結果、航空機を停止させるために必要な滑走路の長さが短縮される。さらに、前記後部の空気力学的表面を偏向させることで、航空機の空気抵抗が大きくなり、これがブレーキに有利に働くことにも注目できる。

地面によって前記前脚へと加えられる垂直力の前記基準値は、計算によって決定することができ、あるいは実際に前記前脚についての直接の実験的測定によって決定することができる。これは、航空機を充分に横方向に制御でき、かつ制御ハンドルに力の余裕を維持するように選択される。

前記航空機が、制御可能な後部の空気力学的表面として、調節可能な水平安定板および該水平安定板にヒンジで取り付けられた昇降舵の両方を有している場合には、前記負の揚力値の生成は、前記調節可能な水平安定板の作用によって達成でき、あるいは前記昇降舵の作用によって達成でき、さらには前記調節可能な水平安定板および前記昇降舵の同時作用によって達成できる。

しかしながら、本発明による方法の実行は、昇降舵のみが使用される場合にとくに容易である。実際、その場合に必要とされることは、航空機がブレーキをかけつつ地上を滑走しているときに、偏向指令がゼロであるときに昇降舵の偏向角度がゼロでない値をとるように、偏向指令に従って昇降舵の偏向をもたらす航空機の特性を変化させることだけである。

さらに、本発明は、上述の方法を実行するための装置に関する。本発明による装置は、偏向指令に従って昇降舵の偏向角を与える特性であって、中立点を有している特性を生成する手段の他に、
‐ 当該航空機がブレーキをかけつつ地面を滑走しているときに、前記操向可能な前脚へと加わる垂直力を継続的に測定するための手段、
‐ 前記基準値が保存されるメモリ手段、
‐ 前記垂直力の前記継続的な測定値および前記基準値を受け取って、その差を計算する比較手段、
‐ 前記差および当該航空機の地上走行速度の測定値を受け取り、前記昇降舵の偏向角について、偏向指令がゼロであるときに、当該航空機の速度とともに減少するゼロでない機首上げ値をもたらす演算手段、
‐ 前記ゼロでない機首上げ値から、偏向指令に従って昇降舵の偏向角を与える変更された特性を決定する演算手段、および
‐ 主脚の車輪にブレーキがかけられているか否かに応じて、前記昇降舵へと、前記通常の特性または前記変更された特性を適用するためのスイッチ手段
を有することができる。

添付の図面の図が、いかに本発明を適用できるかについて、良好な理解をもたらすであろう。これらの図において、同一の参照符号は、同様の要素を指し示している。

幅の広い胴体の航空機１が、図１においては飛行中の状態で図式的に示されているが、長手軸Ｌ‐Ｌに沿って細長く延びる胴体２、ならびに後縁フラップ４および前縁スラット５が設けられた主翼３を有している。さらに航空機１は、双方向矢印７によって示されるとおりチルト調節を備える水平安定板６を有している。この調節可能な水平安定板６の後縁には、この水平安定板６に対して双方向矢印９によって示されるとおりに回動できる昇降舵８が、ヒンジで取り付けられている。

さらに、航空機１は、図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃに示されているように、胴体２に対して中間位置に配置され、ブレーキを(図示されていない公知の形式で)備える車輪１１が設けられている主脚１０と、胴体２の前部に配置され、地上走行時の航空機１を案内すべく使用される操向可能な前脚１２(通常は、機首脚と呼ばれる)とを有している。この前脚１２は、ブレーキを持たない車輪１３を有している。

図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃにおいては、航空機１が、脚１０および１２に支えられ、脚１０および１２の車輪１１および１３を地面Ｓ上で転がしつつ、地面Ｓを速度Ｖで方向Ａに移動しているときの３つの異なる状況について示されている。これらの状況のそれぞれにおいて、主翼３および関連のフラップおよびスラット４、５が、等しい揚力Ｐを生み出す一方で、水平安定板６および／または昇降舵８が、値がＤＰ１またはＤＰ２である負の揚力ＤＰを生み出している。これら３つの状況において、航空機１は、自重Ｍ×ｇの作用にさらされており、ここでＭは、この航空機の質量を表し、ｇは重力加速度を表している。

図２Ａに示されている状況では、車輪１１にブレーキが加えられておらず、揚力Ｐ、重量Ｍ×ｇ、および弱い負の揚力ＤＰ１(水平安定を空気力学的延長するために水平安定板６に通常備えられてる昇降舵８の設定ゆえ)にさらされている航空機１が、地面Ｓを自由に滑走していると仮定する。結果として、脚１０および１２には、値がそれぞれＦｔｐ１およびＦａｖ１である垂直力ＦｔｐおよびＦａｖがそれぞれ加わっており、前脚１２に加わる垂直力Ｆａｖ１は、この前脚１２によって加えられなければならない航空機１の地上案内機能にとって適切である。当然ながら、Ｆａｖ１およびＦｔｐ１の値は、負の揚力ＤＰ１、重量Ｍ×ｇ、航空機１の重心の長手方向の位置、揚力Ｐ(すなわち、速度Ｖならびにフラップ４およびスラット５の状態)、および長手方向の空気力学的モーメントに依存して決まる。

図２Ｂにおいては、図２Ａの状況にもとづき、着陸時または離陸の中止時に当該航空機を停止させることができるよう、ブレーキ力Ｂを生むべく主脚１０の車輪１１のブレーキを作動させたと仮定する。このブレーキ力が、機首下げのモーメントＣＢを生み、前脚１２への荷重を増加させるとともに、主脚１０への荷重を減少させ、結果として垂直力Ｆｔｐが、Ｆｔｐ１よりも小さい値Ｆｔｐ２をとる一方で、垂直力Ｆａｖは、Ｆａｖ１よりも大きい値Ｆａｖ２をとる。主脚１０への荷重が少なくなるため、主脚１０の車輪１１が地面Ｓへと最適には押し付けられず、ブレーキ力Ｂが、最適ではない値Ｂ１へと大幅に制限されてしまう。

ブレーキ力を値Ｂ１を超えて増加させることができるようにするため、本発明による方法(図２Ｃを参照)は、少なくとも車輪１１にブレーキが加えられている間、負の揚力ＤＰをＤＰ１よりも大きな値ＤＰ２へと増加させるため、調節可能な水平安定板６および／または昇降舵８を関与させる。結果として、この負の揚力の増加が、ブレーキ・モーメントＣＢの作用に対抗する機首上げのモーメントＣＤＰを生みだし、これが、主脚１０の車輪１１にブレーキが加えられているときに、前脚１２への荷重を減らすとともに、主脚１０へと荷重を加える。したがって、前脚１２への垂直力Ｆａｖが、Ｆａｖ２よりも小さい値Ｆａｖ３をとることができる一方で、主脚１０への垂直力Ｆｔｐは、Ｆｔｐ２よりも大きい値Ｆｔｐ３をとることができる。

このように、負の揚力ＤＰに、図２Ａおよび２Ｂの状況において使用される通常の値ＤＰ１よりも大きな値ＤＰ２を与えることによって、力Ｆｔｐが値Ｆｔｐ２を超えて増加し、結果として車輪１１が地面Ｓへと正しく押し付けられ、ブレーキ力がＢ１よりも大きな値Ｂ２をとることができ、これがブレーキをより効果的なものとする。さらには、値ＤＰ２は、前脚１２への垂直荷重Ｆａｖがとる値Ｆａｖ３が、ちょうどＦａｖ１のように当該前脚１２を地上での航空機１の案内に使用できるような値であるように、選択される。

したがって、本発明による方法は、負の揚力ＤＰを制御することによって、地面によって前脚１２へと加えられる垂直力Ｆａｖを、基準として使用される値Ｆａｖ３へと制御することからなる。

上述のとおり、値ＤＰ１から値ＤＰ２へと負の揚力ＤＰの増加は、調節可能な水平安定板６の作用によって、あるいは昇降舵８の作用によって、さらには調節可能な水平安定板６と昇降舵８との組み合わせの作用によって、達成することができる。しかしながら、実行がとくに容易な実施形態においては、昇降舵８のみを関与させることが好都合である。

実際、図３の曲線１４によって示されているように、公知の方法では、直交軸の系において、操縦ハンドル上の偏向指令δｍに従って昇降舵８に偏向角δｑを与える航空機１の特性が、通常は線形である機首下げ部分ＰＡＰと、やはり通常は線形である機首上げ部分ＰＡＣとを有しており、これら機首下げおよび機首上げの部分が、中立点Ｎにおいて互いに接続されていることが知られている。したがって、機首下げの偏向指令δｍを、０と最大値＋δｍｍａｘとの間で(さらには、反対に最大値＋δｍｍａｘと０との間で)変化させると、昇降舵８の機首下げの偏向が、０と最大値＋δｑｍａｘとの間で(さらには、反対に最大値＋δｑｍａｘと０との間で)変化する。同様に、機首上げの偏向指令δｍを、０と最大値−δｍｍａｘとの間で(さらには、反対に最大値−δｍｍａｘと０との間で)変化させると、昇降舵８の機首上げの偏向が、０と最大値−δｑｍａｘとの間で(さらには、反対に最大値−δｑｍａｘと０との間で)変化する。また、航空機１が図２Ａおよび２Ｂに示した通常の公知の状況で地面Ｓを走行しているとき、偏向指令δｍはゼロであり、結果として偏向角δｑもゼロである(昇降舵８が、水平安定板６の空気力学的延長にある)ことが知られており、したがって、特性１４の中立点Ｎにおいて、調節可能な水平安定板６の通常の設定ゆえの値ＤＰ１の弱い揚力が存在しうる。

本発明の大きな特徴によれば、値ＤＰ１よりも大きい負の揚力値ＤＰ２を得るために、操縦ハンドルが中立位置にあるときに、図３の特性１４が、偏向指令δｍがゼロであるときに偏向角δｑが機首上げの値−δｑｏ(負の揚力値ＤＰ２を生むことができる)をとるように変更される(図４および５を参照)。
図４に示した典型的な実施形態においては、特性１４が、δｍ＝０かつδｑ＝−δｑｏである点をδｍ＝−δｍｍａｘかつδｑ＝−δｑｍａｘである点へと接続する例えば直線状の部位１５Ａと、δｍ＝０かつδｑ＝−δｑｏである点をδｍ＝＋δｍｍａｘかつδｑ＝＋δｑｍａｘである点へと接続する例えば直線状の部位１５Ｂとを有する特性１５へと変更されている。

一つの変型例として、図５によって示されている典型的な特性の変更においては、特性１４が、例えば直線状であって、δｍ＝０かつδｑ＝−δｑｏである点を通過しており、両端が例えば直線状の端部１６Ａおよび１６Ｃによってそれぞれδｍ＝−δｍｍａｘかつδｑ＝−δｑｍａｘである点およびδｍ＝＋δｍｍａｘかつδｑ＝＋δｑｍａｘである点へと接続されている中間部１６Ｂを有する特性１６へと変更されている。

図４および５の特性１５および１６があくまで例であり、他にも多数の可能性が存在することは、容易に理解できるであろう。

さらに、ブレーキ作用Ｂが加えられるとき、地面Ｓでの航空機１の前進速度Ｖが低下するため、揚力値Ｐが減少して、力ＦｔｐおよびＦａｖの値が増加し、したがって前脚１２への垂直力Ｆａｖについて同じ値Ｆａｖ３を得るために、負の揚力ＤＰの値ＤＰ２も減少しなければならない。したがって、偏向指令δｍがゼロであるときに負の揚力値ＤＰ２を生み出す偏向角−δｑｏの絶対値│δｑｏ│値についても同じことが当てはまるよう、ＤＰ２を航空機１の前進速度Ｖとともに減少させなければならない。

図６は、本発明による方法を実行するためのシステムのブロック図を示している。このシステムは、
‐ δｍ＝０かつδｑ＝０である中立点Ｎを有している通常の特性１４(あるいは、他の任意の類似の特性)を生成する公知の装置１７、
‐ 前記装置１７が傾き制限器(例えば、２０°／ｓ)を介して接続されている常時閉の接点ａと、もう１つの常時開の接点ｂと、昇降舵８の制御システムへと接続された共通の接点ｃとを有するスイッチ装置１８、
‐ 主脚１０の車輪１１へのブレーキ指令を生成するための装置２０であって、カウンタ２１を介して非動作位置から動作位置へのスイッチ装置１８の切り替えを制御する装置２０、
‐ 例えば力センサ式または圧力センサ式であって、航空機１が地面Ｓを走行しているときに操向可能な前脚１２へと加わる実際の垂直力Ｆａｖを測定するための手段２２、
‐ 前記垂直力Ｆａｖについての基準値Ｆａｖ３が保存されるメモリ手段２３、
‐ メモリ手段２３からの基準値Ｆａｖ３およびフィルタ２５を介する測定手段２２からの垂直力Ｆａｖの測定値を、それぞれ自身の入力にて受け取る比較手段２４、
‐ 比較手段２４から導出された差分信号を、一定または速度Ｖに依存して決まり、前脚１２へと加わる垂直力Ｆａｖに対する昇降舵８の影響力を表している係数Ｋにて乗算するための乗算器２６、
‐ 乗算器２６から導出された信号および航空機１の瞬時の速度を表している信号を受け取り、速度Ｖとともに減少して、前脚１２に所望の力の値を得るために必要とされる負の揚力ＤＰ２を各瞬間においてもたらすことができる絶対値│δｑｏ│を生成するコンピュータ２７、
‐ 前記絶対値│δｑｏ│を受け取る傾き制限器２８(例えば、５°／ｓ)、および
‐ 傾き制限器２８から受け取った前記絶対値│δｑｏ│にもとづき、特性１５または１６(あるいは、他の任意の同様の特性)を決定してスイッチ装置１８の常時開の接点ｂへと伝達する演算手段２９
を有している。

したがって、航空機１が、ブレーキをかけることなく地面Ｓを走行しているとき、サブシステム１７、１９、ａ、およびｃを介して昇降舵８の制御に利用できるのは、特性１４(あるいは、中立点Ｎを有する任意の同種の特性)である。

対照的に、装置２０によって生成されたブレーキ指令が、カウンタ２１によってあらかじめ定められた時間にわたって主脚１０の車輪１１へと加えられたとき、カウンタ２１がスイッチ装置１８を切り替え、共通の接点ｃが接点ｂへと接続される。この場合に、昇降舵８を制御すべく共通の接点ｃに現れるのは、特性１５(または特性１６、あるいはδｍ＝０かつδｑ＝−δｑｏである点を有する他の任意の特性)である。

ブレーキ指令が終了すると、スイッチ装置１８が、再び接点ａおよびｃを接続すべく切り替えられ、特性１４が再び共通の接点ｃにおいて利用可能になる。傾き制限器１９が、ブレーキ・モーメントＣＢの消失時の余分な機首上げモーメントを除くために使用される。

航空機のブレーキ性能を改善するための本発明によるシステムは、本発明をより明確に理解するための例として提示して、図６に図式的に示した実施形態には限られない。例えば、図６のシステムを、特性１４を生成するための装置１７および特性１５または１６を生成するためのコンピュータ２７について、共通の部品を持つように変更することができる。

幅の広い胴体の民間の航空機を、上方からの斜視にて図式的に示している。 航空機の地上滑走状態での力バランスを説明する図である。 航空機のブレーキ操作時の地上滑走状態での力バランスを説明する図である。 本発明に係る方法でのブレーキ操作時の地上滑走状態での力バランスを説明する図である。 通常の航空機の特性を示しており、偏向指令δｍに従う当該航空機の昇降舵の偏向角度δｑの値を示している。 本発明に従って変更されたδｑ、δｍの特性の１つの例を示している。 本発明に従って変更されたδｑ、δｍの特性の１つの例を示している。 本発明による方法を実行するシステムの典型的な実施形態のブロック図である。

符号の説明

２…胴体、１１…車輪、１０…主脚、１３…車輪、１…航空機、１２…前脚、ＤＰ…負の揚力、６・８…空気力学的表面(６…水平安定板、８…昇降舵)、Ｓ…地面、 Ｆａｖ…垂直力、Ｆａｖ３…基準値、ＤＰ２…負の揚力値、δｍ…偏向指令、δｑ…偏向角、δｍ…偏向指令、−δｑｏ…機首上げの値、１４…特性、１７・１９…特性１４を生成する手段、Ｎ…中立点、２２…垂直力を継続的に測定するための手段、２３…基準値が保存されるメモリ手段、２４…差を計算する比較手段、Ｖ…航空機の地上走行速度、２７・２９…演算手段、１５・１６…変更された特性、１８…スイッチ手段。

Claims (7)

1. 細長い胴体(２)を有し、
   ‐ 該胴体(２)の中間位置に配置され、ブレーキを備える車輪(１１)を有している主脚(１０)、
   ‐ 該胴体(２)の前部に配置され、ブレーキを持たない車輪(１３)を有しており、当該航空機(１)を地上で横方向に案内するために使用される操向可能な前脚(１２)、および
   ‐ 該胴体(２)の後部に配置され、可変の負の揚力(ＤＰ)を生成することができる制御可能な空気力学的表面(６、８)
   が設けられている航空機(１)について、地面(Ｓ)を滑走しているときのブレーキ性能を向上させるための方法であって、
   予備的段階において、地面(Ｓ)によって前記前脚(１２)へと加えられる垂直力(Ｆａｖ)について、当該航空機(１)が地面(Ｓ)を滑走しているときに当該航空機(１)の横方向の案内を行うための前記前脚(１２)の充分な効果を確保できる基準値(Ｆａｖ３)が決定され、
   次いで、地面(Ｓ)を走行している当該航空機(１)がブレーキをかけているときに、
   ‐ 地面(Ｓ)によって前記前脚(１２)へと実際に加えられている瞬時の垂直力(Ｆａｖ)が測定され、
   ‐ 前記後部の空気力学的表面(６、８)が、前記瞬時の垂直力(Ｆａｖ)を前記基準値(Ｆａｖ３)に少なくともほぼ等しい値に維持できる負の揚力値(ＤＰ２)を生成するように制御されることを特徴とする方法。
2. 前記負の揚力値(ＤＰ２)が、当該航空機(１)の速度とともに小さくなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 調節可能な水平安定板(６)および該調節可能な水平安定板(６)にヒンジで取り付けられた昇降舵(８)を有している航空機(１)に適用され、
   前記負の揚力値(ＤＰ２)が、前記調節可能な水平安定板(６)を制御することによって少なくとも部分的に得られることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 昇降舵(８)を備える後部の空気力学的表面を有している航空機(１)に適用され、
   前記負の揚力値(ＤＰ２)が、前記昇降舵(８)を制御することによって少なくとも部分的に得られることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記負の揚力値(ＤＰ２)が、昇降舵(８)のみを制御することによって得られ、
   偏向指令(δｍ)に従って前記昇降舵(８)の偏向角(δｑ)を与える特性が、該偏向指令(δｍ)がゼロであるときに偏向角(δｑ)が機首上げの値(−δｑｏ)をとるように変更されていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記機首上げの値(−δｑｏ)の絶対値│δｑｏ│が、当該航空機(１)の速度とともに小さくなることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 請求項６に記載の方法を実行するための装置であって、偏向指令(δｍ)に従って昇降舵(８)の偏向角(δｑ)を与える特性(１４)を生成する手段(１７、１９)が設けられるとともに、該特性(１４)が中立点(Ｎ)(δｑ＝０かつδｍ＝０である)を有しており、
   ‐ 当該航空機(１)がブレーキをかけつつ地面を走行しているときに、前記操向可能な前脚(１２)へと加わる垂直力(Ｆａｖ)を継続的に測定するための手段(２２)、
   ‐ 前記基準値(Ｆａｖ３)が保存されるメモリ手段(２３)、
   ‐ 前記垂直力(Ｆａｖ)の前記継続的な測定値および前記基準値(Ｆａｖ３)を受け取って、その差を計算する比較手段(２４)、
   ‐ 前記差および当該航空機の地上走行速度(Ｖ)の測定値を受け取り、前記昇降舵(８)の偏向角(δｑ)について、該偏向指令(δｍ)がゼロであるときに、当該航空機の速度(Ｖ)とともに減少するゼロでない機首上げ値(−δｑｏ)をもたらす演算手段(２７)、
   ‐ 前記ゼロでない機首上げ値から、偏向指令(δｍ)に従って昇降舵(８)の偏向角(δｑ)を与える変更された特性(１５、１６)を決定する演算手段(２９)、および
   ‐ 主脚(１０)の車輪(１１)にブレーキがかけられているか否かに応じて、前記昇降舵(８)へと、前記通常の特性(１４)または前記変更された特性(１５、１６)を適用するためのスイッチ手段(１８)を有することを特徴とする装置。

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