JP2009502620A - 航空機と周囲の地上との衝突の危険を検知する方法と装置 - Google Patents

航空機と周囲の地上との衝突の危険を検知する方法と装置 Download PDF

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    • G01S13/935Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of aircraft or spacecraft for terrain-avoidance

Abstract

本発明は、地上のプロフィールを認識している手段(5)と、特定の飛行パラメータの有効値を決定する手段(7)と、上記の有効値により決定された飛行経路が地上のプロフィールと一致するかどうかを確認する照合手段(9)と、不一致の場合、警告信号を発する手段(13)とからなる装置(1)に関し、上記の照合手段(9)が、回避操作中減速により生じるエネルギ伝達と全傾斜変化とによる高度変化を計算する少なくとも1つの要素(15)と、上記の高度変化を用いて回避経路を決定する要素(16)と、こうして決定された回避経路が上記の地上のプロフィールに一致するかどうかを照合する要素(3)を含んでいる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、航空機、特に輸送飛行機と周囲の地上との衝突の危険を検知する方法と装置に関する。
そのような装置、例えば、TAWS (地上回避および警告システム)タイプあるいはGPWS(地上近接警告システム)タイプのものの目的は、航空機と周囲の地上との衝突の危険を検知し、その危険が検知されると乗務員に警告し、地上回避操縦を取らせることができることは既知である。そのような装置は一般に
− 航空機の前方に位置する地面の輪郭を認識している第1手段と、
− 特定の飛行パラメータの有効値を決定する第2手段と、
− 上記の有効値から、実際の状況を可能なかぎり最も良く示す回避経路を計算し、この回避経路が、航空機の前方少なくとも所定距離に亘る上記の地面の輪郭と一致するかどうかを照合する第3手段と、
− 上記の第3手段が不一致を検知すれば、対応する警告信号を送るための第4手段と
からなっている。
一般に、上記の第3手段は、対応する経路を計算するため、航空機により行われた回避操縦を示すことを意図したモデルを使用する。然し、航空機の安定状態を示す一定の負荷因子と固定経路とを考慮する、使用されたモデルは航空機によりなされた操縦をかなり良く再生する。更に、為された近似計算は、回避操縦中の航空機の実際の飛行性能を過剰に予測しないように大きなエラー・マージンを考慮する必要がある。然し、エラー・マージンの考慮は特に間違った警告をなし得る。上記の第3の手段が用いる計算モードと照合モードとは、よって、完全には信頼できない。
本発明は、これらの短所を克服できる、航空機と周囲の地上との衝突の危険を検知する方法に関する。
この目的のため、本発明によれば、上記の方法は、以下の連続工程、
a) 航空機の前方に位置する地面の輪郭が考慮され、
b) 特定の飛行パラメータの有効値が決定され、
c) これらの有効値から、少なくともプル・アウト(引き込み)部分と一定傾斜部分とからなる回避経路が決定され、航空機の前方に投影され、
d) 上記の回避経路が航空機の前方、少なくとも所定の距離に亘る地面の上記の輪郭と一致するかどうかが照合され、
e) 工程d)で、不一致が検知されると、対応する警告信号が発せられる
ことが自動的に繰り返し行なわれ、
− 工程c)で、
・ 上記の特定の飛行パラメータのいくらかの、決定有効値を用いて、回避操縦中の減速により生じた、エネルギーの伝達と全傾斜変化による、航空機の高度変化が計算され、
・ こうして計算された高度変化が、可能な限り現実を最も良く示し、プル・アウト部分と一定傾斜部分との間の、上記の高度変化を考慮する中間部分を含む回避経路を決定するのに用いられ、
− 工程d)で、こうして決定された回避経路が航空機の前方の所定距離に亘る地面の輪郭と一致するかどうか照合するため、この回避経路が用いられることを特徴とする。
よって、本発明によれば、回避操縦中のエネルギー伝達および推力変化による航空機の高度変化が考慮され、これにより工程c)で用いられ下記に記載されているモデルを最適化することができる。この工程c)で用いられる処理は、よって、出来る限り現実に近くなるようになされている。従って、地上との衝突の危険の検知は、航空機が、必要ならば、実際用いる回避操縦に非常に近い回避操縦を考慮して、特に、間違った警告を避け、特に信頼できる監視をすることができる。
第1の実施例では、上記の減速により生じた全傾斜変化は推力変化に対応する。
この第1の実施例では、
− 工程d)では、
・ 航空機の実効質量GWが概算され、
・ 航空機の現在の実効速度VOが測定され、
・ 航空機の現在の実効傾斜γOが測定され、
− 工程c)で、上記の高度変化ΔHが以下の式で計算されるのが望ましく、
Figure 2009502620
式中
・ K1、K2およびK3は航空機に依存する所定のパラメータ、
・ gは重力加速度、
・ GWOは上記の航空機に依存する、航空機の質量の所定の一定値を示し、
・ VFは、回避操縦の最後で到達した安定速度に対応する速度の一定値を示し、この値は所定のもので、航空機に依存し、
・ γFは回避操縦の最後で安定する、地上に対する飛行傾斜に対応する飛行傾斜の一定値を示し、この一定値は所定のもので、航空機とその状況パラメータに依存し、
・ Xは航空機の対称の垂直面の水平軸上の航空機の現在の位置を示し、
・ XOは、上記の回避操縦の高度変化段階の開始時での、上記の垂直面の水平軸上の航空機の位置を示す。
更に、第2の実施例では、工程c)で、上記の高度変化は、工程毎に、
− 減速により生じる、運動エネルギーから潜在エネルギーへの変換を示す第1高度変化と、
− 当該工程の全傾斜を示す第2の高度変化とを
合計することにより計算される。
更に、回避操縦の当初のプル・アウト段階を最適化させるため、
− 工程c)で、
・ 上記の特定の飛行パラメータのいくらかの、決定有効値を用いて、回避操縦のプル・アウト段階を示す負荷因子が計算され、
・ こうして計算された負荷因子が、可能な限り現実を最も良く示す回避経路のプル・アウト部分を決定するのに用いられ、
− 工程d)で、こうして決定されたプル・アウト部分が、上記の回避経路が航空機の前方の所定距離に亘る地上のプロフィールと一致するかどうかを照合するため用いられるのが望ましい。
この場合、
− 工程b)では、
・ 航空機の実効質量GWが概算され、
・ 航空機の現在の実効速度VOが測定され、
− 工程c)では、
上記の負荷因子Nzが以下の式を用いて計算される。
Figure 2009502620
式中、n0、n1およびn2は所定のパラメータである。
特定の実施例では、上記の所定のパラメータの少なくともいくらか、そして必要ならば、上記の一定の値が航空機の有効飛行形態に依存する。これにより、実際航空機が行なう可能性のある操縦と比較して、モデル化された回避操縦の表示性を改良することができる。
本発明は、又、航空機と周囲の地上との衝突の危険を自動的に検知する装置に関し、この装置は
− 航空機の前方に位置する地上のプロフィールを認識している第1手段と、
− 特定の飛行パラメータの有効値を決定する第2手段と、
− 上記の有効値から回避経路を計算し、この回避経路が航空機の前方、少なくとも所定の距離に亘る地上の上記のプロフィールと一致するかどうかを照合する第3手段と、
− 上記の第3手段が不一致を検知すると、対応する警告信号を送る第4手段と
からなる。
本発明によれば、上記の装置は、上記の第3手段が、少なくとも
− 上記の特定の飛行パラメータのいくらかの、決定有効値を用いて、回避操縦中の減速により生じた、エネルギーの伝達と推力変化による、航空機の高度変化を計算する第1ユニットと、
− 可能な限り現実を最も良く示す回避経路を決定するため、上記の第1ユニットにより計算された高度変化を用いる第2ユニットと、
− 第2ユニットにより決定された回避経路が航空機の前方の所定距離に亘る地面の輪郭と一致するかどうか照合するため、この回避経路を用いる第3ユニットと
からなる。
特定の実施例では、上記の第3手段は、更に、
− 上記の特定の飛行パラメータのいくらかの、決定有効値を用いて、回避操縦のプル・アウト段階を示す負荷因子を計算する第4ユニットと、
− 現実を可能な限り最も良く示す回避経路のプル・アウト部分を決定するため、上記の第4ユニットで計算された負荷因子を用いる(例えば、上記の第2ユニットに対応する)第5ユニットと、
− 上記の回避経路が、航空機の前方の所定距離に亘る地面の輪郭と一致するかどうか照合するため、上記の第5ユニットにより決定された上記のプル・アウト部分を用いる(例えば、上記の第3ユニットに対応する)第6ユニットと
を備える。
添付図面の図により、本発明がどのように実施されるかが良く理解される。これらの図中、同一符号は同一要素を示す。
図1に略示されている、本発明による装置1の目的は、航空機A、特に軍用輸送機と周囲の地面2との衝突の危険を自動的に検知し、その危険が検知されると、航空機Aの乗務員に警告し、すると乗務員は図2に示されているような、地面2を回避するための操縦TEを行なうことができる。
そのような装置1は、例えば、TAWS(地上回避および警告システム)タイプあるいはGPWS(地上近接警告システム)タイプのものであり、航空機Aに設置され、通常の方法で、
− 少なくとも航空機Aの前方の地面の輪郭6を認識し、このため、例えば、上記の地面の輪郭6を含むデータ・ベースおよび/またはレーダのような、地面を検知する手段からなる手段5であって、上記の地面の輪郭6は、例えば、起伏4の上方の所定のクリア回避高さGにあるものと、
− 以下に記載され、例えば、データ・ソース・アセンブリ8の一部を形成する手段7であって、その目的が、同様に下記に記載されている、複数個の特定の飛行パラメータの有効値を決定するものと、
− リンク11と12を介して、それぞれ、上記の手段5と7に連結されている中央ユニット9であって、その目的が上記の手段7により決定された特定の飛行パラメータの有効値から回避経路を計算し、この回避経路を航空機Aの前方に投影し、この前方に投影された回避経路が航空機Aの前方、少なくとも所定の距離(例えば、10,000メートル)に亘る地面の上記の輪郭6に一致するかどうかを照合するものであり、
− リンク14を介して上記の中央ユニット9に連結され、上記の中央ユニット9により衝突の危険が検知されると、(音響および/あるいは視覚)警告信号を送る手段13とからなる。
本発明によれば、上記の中央ユニット9は、
− 上記の特定の飛行パラメータのいくらかの、(上記手段7により決定された)有効値を用いて、航空機Aの前方の地面2を避けるためなされている回避操縦中の減速により生じた、エネルギーの伝達と全傾斜変化による、航空機Aの高度変化ΔHを以下に記載するように計算するユニット15と、
− リンク17により上記のユニット15に連結され、このユニット15により計算された高度変化ΔHを、可能な限り現実を最も良く示す回避経路を決定するために用いるユニット16と、
− リンク10により上記のユニット16に連結され、上記の回避経路が航空機Aの前方の所定距離に亘る地面の輪郭6と一致するかどうか照合するため、このユニット16により決定された回避経路を用いるユニット3とからなる。
こうするため、上記のユニット3は、図3に示され、回避操縦を再生するよう考慮される、ユニット16により計算される補助カーブ18(あるいは回避カーブ)を用いる。上記のユニット3はこの補助カーブ18を航空機Aの前方で直線方向に移動させ、少なくとも上記の所定の距離に亘って、航空機Aの現在の位置の前方の地面の輪郭6に出会わないかどうかを照合する。このように移動した移動補助カーブ18が地面の輪郭6に出会わない限り、航空機Aはその前方の地上2の起伏4を飛び越えることができる。
然し、上記の補助カーブ18の移動中、上記の補助カーブ18が地面の輪郭6に出会うと、これと衝突する危険があり、するとユニット3は手段13に図2中記号19で示されているような警告信号を送るよう指令する。その際、パイロットあるいは自動案内システムは航空機Aを、その前方にある地上2の起伏4を飛び越し、よってそれとの衝突を回避するように意図された回避経路TEを辿らせる。
現在までは、(回避操縦を再生するように為された)通常の補助カーブ18Aは、図3に点線で示されているように、
− 回避操縦のプル・アウト段階を示し、航空機Aが再度高度を得れるようになされた第1の部分20A(プル・アウト部分)であって、このプル・アウト部分20Aは、一定の半径の円弧に対応するように航空機Aの一定負荷因子を考慮することにより通常の方法で構成されているものと、
− このプル・アウト部分20Aを接線方向に辿る一定の傾斜部分21A
とからなる。
そのような通常の補助カーブ18Aは必要な場合航空機Aが実際行なう回避操縦を正確には再生せず、これにより特に(衝突の危険に関する)偽りの警告を生じさせ得る。
本発明による補助カーブ18は、航空機Aにより実際行なわれる回避操縦を最適な方法で再生することによりこの短所を克服出来る。この目的のため、本発明によれば、上記の補助カーブ18は、下記の特別なプル・アウト部分20と通常の一定の傾斜部分21に加えて、上記の高度変化ΔHを考慮する中間部分22を含む。この補助カーブ18は、よって、上記のプル・アウト部分20の最後から始まり、(よって、上記の通常の部分21Aに対し、高度変化ΔH分、垂直方向上方に移動される)上記の一定傾斜部分21の開始までの高度の動的増加を考慮する。
このため、上記手段7は特に適切には示されていない、
− 航空機Aの実効質量GWを概算し、
− 航空機Aの現在の実効速度VOを測定し、
− 航空機Aの(地上に対する)現在の有効傾斜γOを測定する
ユニットからなる。
更に、上記の全傾斜変化が推力変化に対応する第1の実施例では、上記のユニット15は、前記の有効値と以下の式を用いて、高度変化ΔHを決定し、
Figure 2009502620
式中
− K1、K2、K3、K4およびK5は航空機Aに依存する所定のパラメータ、
− gは重力加速度、
− GWOは上記の航空機に依存する、航空機Aの質量の所定の一定値を示し、
− VFは、回避操縦の最後で到達する安定速度に対応する速度の一定値を示し、この値は所定のもので、航空機Aに依存し、
− γFは回避操縦の最後で安定する、地上に対する飛行傾斜に対応する飛行傾斜の一定値を示し、この一定値は所定のもので、航空機とその状況パラメータに依存し、
− Xは航空機の対称OXZpの垂直面の水平軸OX上の航空機Aの現在の位置を示し、
− XOは、図3に示されている、上記の回避操縦の高度変化段階の開始時での、上記の垂直面OXZpの水平軸OX上の航空機Aの位置を示す。
この高度変化ΔHは、前記のように、(高度変化ΔH1を生じる)エネルギ伝達と、(高度変化ΔH2を生じる)推力変化とによるものであり、
Figure 2009502620
となる。
上記の高度変化ΔH1は運動エネルギから潜在エネルギへの変換をしめす。
Figure 2009502620
更に、この第1の実施例では、高度変化ΔH2は、減速により生じる推力変化による。
更に、高度変化ΔHが、減速により生じるエネルギ伝達と全傾斜変化とによる第2の実施例では、上記の高度変化ΔHは幾何学的傾斜γの関数である。
Figure 2009502620
然し、上記の幾何学的傾斜は全傾斜γTOTと加速期間との合計に等しい。
Figure 2009502620
全傾斜は推進バランス、即ち質量に対する推力と牽引との差、
Figure 2009502620
この全傾斜γTOTは、減速するにつれて、増加するので高度の増加ΔHに寄与する。この全傾斜の増加は、速度に反比例し、速度に反比例する推力の増加によるものである。
事実、この物理現象は、ターボプロップ(エンジン)に目立ち、このターボプロップでは、推力に優勢な期間が式、
Figure 2009502620
により表される。
よって、この第2実施例では、高度変化ΔHはユニット15により、工程毎に、2つの貢献、
− 減速により生じる運動エネルギから潜在エネルギへの変換であるΔH3と、
− 当該工程の全傾斜を示すΔH4
との合計として、計算される。
即ち
Figure 2009502620
工程iでは、
Figure 2009502620
更に、本発明によれば、上記の中央ユニット9は、更に、
− (手段7により決定された)航空機Aの質量GWと速度VOとの有効値を用いて、航空機Aが実際行なう回避操縦のプル・アウト段階中航空機Aの実際の負荷因子を示す負荷因子Nzを計算するユニット23と、
− 追加のユニット、例えば、リンク24により上記のユニット23に連結され、補助カーブ18のプル・アウト部分20を最適化するため(現在まで使用されている所定の一定の負荷因子に代え)上記の負荷因子Nzを用いるユニット16であって、この負荷因子Nzが、上記のプル・アウト部分20を形成する円弧の半径を通常の方法で計算するため考慮されるものを備える。
特定の実施例では、上記のユニット23は上記の負荷因子Nzを以下の式を用いて決定し、
Figure 2009502620
式中、n0、n1およびn2は所定のパラメータである。
この負荷因子Nzは従来例で使用されている一定の負荷因子より現実に近く、補助カーブ18のプル・アウト部分20の一致性を増加できる。
装置1により衝突の危険を検知し、回避操縦を開始する場合、航空機Aが実際辿る回避経路TEはこうして、図3に示されているように、本発明により決定される補助カーブ18により忠実に再生される。
従って、装置1により使用される、地上2との衝突の危険の検知は、航空機Aが必要であれば、実際使用する回避操縦に非常に近い(補助カーブ18の形態の)回避操縦を考慮し、これにより特に間違った警告を避け、特に信頼できる監視を為すことができる。
特定の実施例では、所定のパラメータ、n0、n1、n2、K1、K2およびK3の少なくとも幾つか、あるいは(中央ユニット9あるいはデータ・ソースのアセンブリ8に記録されている)一定値GWO、VFおよびyFの少なくとも幾つは航空機Aの有効飛行形態に依存する。この場合、データ・ソースのアセンブリ8は、例えば、飛行段階、航空機Aの空力学的形態(スラット、フラップ)と、その高度等に依存する、航空機Aの現在の飛行形態を決定できるパラメータを測定するようになされた手段を備える。
本発明に係る装置のブロック図である。 本発明で考慮されているプル・アウト操縦の略図である。 本発明の必須の特徴を示すことができるグラフである。
符号の説明
A…航空機、2…地面、1…衝突検知装置、6…地面の輪郭、5…第1手段、7…第2手段、9…第3手段、19…警告信号、13…第4手段、ΔH…高度変化、15…第1ユニット、16…第2ユニット、3…第3ユニット、23…第4ユニット、16…第5ユニット、3…第6ユニット。

Claims (11)

  1. 航空機(A)と周囲の地面(2)との衝突の危険を検知する方法であり、以下の連続工程、
    a) 航空機(A)の前方に位置する地面(2)の輪郭(6)が考慮され、
    b) 特定の飛行パラメータの有効値が決定され、
    c) これらの有効値から、少なくともプル・アウト(引き込み)部分と一定傾斜部分とからなる回避経路が決定され、航空機(A)の前方に投影され、
    d) 上記の回避経路が航空機(A)の前方、少なくとも所定の距離に亘って地面(2)の上記の輪郭(6)とに一致するかどうかが照合され、
    e) 工程d)で、不一致が検知されると、対応する警告信号(19)が発せられる
    ことが自動的に繰り返し行なわれ、
    − 工程c)で、
    ・ 上記の特定の飛行パラメータのいくらかの、決定有効値を用いて、回避操縦中減速により生じた、エネルギーの伝達と全傾斜変化による、航空機の高度変化(ΔH)が計算され、
    ・こうして計算された高度変化(ΔH)が、可能な限り現実を最も良く示し、プル・アウト部分と一定傾斜部分との間の、上記の高度変化(ΔH)を考慮する中間部分を含む回避経路を決定するのに用いられ、
    − 工程d)で、こうして決定された回避経路が航空機(A)の前方の所定距離に亘る地面(2)の輪郭(6)と一致するかどうか照合するため、この回避経路が用いられることを特徴とする方法。
  2. 減速により生じる上記の全傾斜変化が推力変化に対応することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. − 工程b)では、
    ・ 航空機(A)の実効質量(GW)が概算され、
    ・ 航空機(A)の現在の実効速度(VO)が測定され、
    ・ 航空機(A)の現在の実効傾斜(γO)が測定され、
    − 工程c)で、上記の高度変化ΔHが以下の式を用いて計算され、
    Figure 2009502620
    式中
    ・ K1、K2およびK3は航空機(A)に依存する所定のパラメータ、
    ・ gは重力加速度を示し、
    ・ GWOは上記の航空機(A)に依存する、航空機(A)の質量の所定の一定値を示し、
    ・ VFは、回避操縦の最後で到達する安定速度に対応する速度の一定値を示し、この値は所定のもので、航空機(A)に依存し、
    ・ γFは回避操縦の最後で安定する、地上に対する飛行傾斜に対応する飛行傾斜の一定値を示し、この一定値は航空機(A)とその状況パラメータに依存し、
    ・ Xは航空機(A)の対称の垂直面(OXZp)の水平軸(OX)上の航空機の現在の位置を示し、
    ・ XOは、上記の回避操縦の高度変化段階の開始時での、上記の垂直面(OXZp)の水平軸(OX)上の航空機(A)の位置を示すことを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 工程c)で、上記の高度変化(ΔH)は、工程毎に、
    − 減速により生じる、運動エネルギーから潜在エネルギーへの変換を示す第1高度変化と、
    − 当該工程の全傾斜を示す第2の高度変化とを
    合計することにより計算されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  5. − 工程c)で、
    ・ 上記の特定の飛行パラメータのいくらかの、決定有効値を用いて、回避操縦のプル・アウト段階を示す負荷因子が計算され、
    ・ こうして計算された負荷因子が、可能な限り現実を最も良く示す回避経路のプル・アウト部分を決定するのに用いられ、
    − 工程d)で、こうして決定されたプル・アウト部分が、上記の回避経路が航空機(A)の前方の所定距離に亘る地面(2)の輪郭(6)と一致するかどうか照合するため用いられることを特徴とする前記請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の方法。
  6. − 工程b)では、
    ・ 航空機(A)の実効質量(GW)が概算され、
    ・ 航空機(A)の現在の実効速度(VO)が測定され、
    − 工程c)では、
    上記の負荷因子(Nz)が以下の式を用いて計算され、
    Figure 2009502620
    式中、n0、n1およびn2は所定のパラメータであることを特徴とする請求項5に記載の方法。
  7. 上記の所定パラメータの少なくとも幾つかと、必要であれば、上記の一定値が航空機(A)の有効飛行形態に依存することを特徴とする請求項3から請求項6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 航空機(A)と周囲の地面(2)との衝突の危険を検知する装置(1)であって、
    − 航空機(A)の前方に位置する地面(2)の輪郭(6)を認識している第1手段(5)と、
    − 特定の飛行パラメータの有効値を決定する第2手段(7)と、
    − これらの有効値から回避経路を計算し、この回避経路が航空機(A)の前方、少なくとも所定の距離に亘る地面(2)の上記の輪郭(6)と一致するかどうかを照合する第3手段(9)と、
    − 上記の第3手段(9)が不一致を検知すると、対応する警告信号(19)を発する第4手段(13)とからなり、
    上記の第3手段(9)が、少なくとも
    − 上記の特定の飛行パラメータのいくらかの、決定有効値を用いて、回避操縦中の減速により生じた、エネルギーの伝達と全傾斜変化による、航空機の高度変化(ΔH)を計算する第1ユニット(15)と、
    − 可能な限り現実を最も良く示す回避経路を決定するため、上記の第1ユニット(15)により計算された高度変化(ΔH)を用いる第2ユニット(16)と、
    − この第2ユニット(16)により決定された回避経路が航空機(A)の前方の所定距離に亘る地面(2)の輪郭(6)と一致するかどうか照合するため、この回避経路を用いる第3ユニット(3)とからなることを特徴とする装置。
  9. 上記の第3手段(9)は、更に、
    − 上記の特定の飛行パラメータのいくらかの、決定有効値を用いて、回避操縦のプル・アウト段階を示す負荷因子を計算する第4ユニット(23)と、
    − 現実を可能な限り最も良く示す回避経路のプル・アウト部分を決定するため上記の第4手段(23)により計算された負荷因子用いる第5ユニット(16)と、
    − 上記の回避経路が航空機(A)の前方の所定距離に亘る地面(2)の輪郭(6)と一致するかどうか照合するため、上記の第5ユニット(16)により決定された上記のプル・アウト部分を用いる第6ユニット(3)とを備えることを特徴とする請求項8に記載の装置。
  10. 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の方法を実施できる装置(1)を備えることを特徴とする航空機。
  11. 請求項8または請求項9に記載した装置(1)を備えることを特徴とする航空機。
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