JP2014105919A - 飛しょう体 - Google Patents

Abstract

【課題】操舵方式がローリングエアフレーム方式である場合、飛しょう体が回転するため、飛しょう体の姿勢制御が困難になる。
【解決手段】一実施形態によれば、ロール軸方向の機軸を有する機体１１と、この機体１１の外周面上でロール軸周りに回転する外郭体１２と、この外郭体１２に機軸の径外方向に設けられた操舵翼１５、１６を有し操舵翼１５、１６を操舵する操舵部２１と、この操舵部２１および外郭体１２を機体１１の飛行による空力の操舵力によってロール軸周りに回転可能に支持する回転支持機構２２と、この回転支持機構２２の回転位置情報を検出する検出部２３と、この検出部２３からの回転位置情報により操舵翼１５、１６を操舵駆動する操舵駆動部２４とを備える飛しょう体１０が提供される。
【選択図】図１

Description

一実施形態は飛しょう体に関する。

一般的な飛しょう体の操舵装置は、胴体の前方、後方にそれぞれ複数葉の翼を設けており、前方又は後方の一対の翼が操舵翼として操舵する。操舵装置は例えば２枚の操舵翼を２本の可動軸周りの舵角により操舵する。あるいは操舵装置は４枚全ての翼を４本の可動軸により操舵する。４枚２対の操舵翼により、ピッチ、ヨーそれぞれ舵角を切る。

この操舵方式と別の方式を用いた操舵方式にローリングエアフレーム方式が知られており、機体の長手軸回りにスピンをしながら飛行する飛しょう体が知られている（例えば特許文献１参照）。ローリングエアフレーム方式を用いた操舵装置は飛しょう体がスピン回転しながら飛しょう体の操舵を１軸の操舵機構で行っており、操舵装置の小型軽量化を図ると共に、機体の安定化を行っている。１軸とは翼の操舵可能な可動軸が一つであることを言う。この方式では飛しょう体本体を意図的に回転させて１軸操舵により操舵装置が飛しょう体の舵角を切る。翼を最低一枚設けることにより、回転しながら所定のタイミングで、操舵装置がこの一枚の翼の舵角を回転に同期させて切ってやり、機軸方向及びこの機軸方向と直交する径方向について操舵を行う。１軸の翼で操舵を担うことにより、スピン飛しょう体では操舵装置の構造を簡略化している。スピンにより機体を安定化させている。

特開平８−１５９６９８号公報 特表２００６−５２６１３２号公報

しかし、操舵方式がローリングエアフレーム方式である場合、飛しょう体が回転するため、回転に伴う種々の現象が発生し、これらの現象によって飛しょう体の姿勢制御が困難になる。例えば一様流中で回転する物体に、流れに垂直な方向に発生するマグナス力や、機体形状の非対称や推力線のずれによって生じる空力的不整形と呼ばれる振動などが発生する。これらのマグナス力や振動等によって飛しょう体の誘導制御は非常に困難になる。

このような課題を解決するため、一実施形態によれば、ロール軸方向の機軸を有する機体と、この機体の外周面上で前記ロール軸周りに回転する外郭体と、この外郭体に前記機軸の径外方向に設けられた一枚以上の操舵翼を有する操舵部と、この操舵部および前記外郭体を前記機体の飛行による空力の操舵力によって前記ロール軸周りに回転可能に支持する回転支持機構と、この回転支持機構の回転位置情報を検出する検出部と、この検出部からの前記回転位置情報により前記操舵翼を操舵駆動する操舵駆動部と、を備える飛しょう体が提供される。

実施の形態に係る飛しょう体の斜視図である。 実施の形態に係る飛しょう体の断面図である。 実施の形態の変形例に係る飛しょう体の断面図である。

以下、実施の形態に係る飛しょう体について、図１乃至図３を参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。

図１は実施の形態に係る飛しょう体の斜視図である。飛しょう体１０は回転操舵式飛しょう体であり、ロール軸方向の機軸を有する機体１１と、この機体１１の外周面上でロール軸周りに回転するシェル１２（外郭体）と、それぞれこのシェル１２に機軸の径外方向に設けられた操舵翼１５、１６を有する操舵装置２１（操舵部）とを備えている。更に飛しょう体１０はこの操舵装置２１およびシェル１２を機体１１の飛行による空力の操舵力によってロール軸周りに回転可能に支持する回転支持機構２２と、この回転支持機構２２の回転角速度により操舵装置２１の回転位置情報を検出するレートセンサ２３（検出部）と、この検出部２３からの回転位置情報により操舵翼１５、１６を操舵駆動する操舵駆動部２４と、この操舵駆動部２４へ操舵量を与える操舵制御部２０とを備えている。

機体１１は胴体部２５を有する。機体１１は、画像を生成して目標を検出するシーカ部２６と、一つの点座標を計算する信号処理部２７とを備える。機体１１はその後部の空間に噴射物質を噴出する図示しないノズルを備える。シェル１２はこのシェル１２の内周面を胴体部２５の外周面に隙間をもって胴体部２５に対して相対回転する回転体である。

操舵装置２１は、それぞれシェル１２に径外方向へ突出して固定された２枚の固定翼１３、１４を備え、これらの固定翼１３、１４および操舵翼１５、１６への空気抵抗によって操舵装置２１自身が回転するようになっている。

図２は回転支持機構２２を含む飛しょう体１０の断面図であり、図１のＡＡ′に沿う飛しょう体１０の内部構造が示されている。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。固定翼１３、１４はそれぞれロール舵角をもってシェル１２に固定された安定翼である。固定翼１３の翼構造は、例えばシェル面から起立した前縁部と、この前縁部を翼端部とし推進方向からの空気流を受ける正圧面２９を有する。正圧面２９は胴体部２５の外周面上で前縁部から周方向に傾斜している。固定翼１４の翼構造も固定翼１３の例と同じである。固定翼１３、１４はこれらの固定翼１３、１４間の一旋回での位相差が１８０度になる位置に間隔をもって取付けられている。固定翼１３の正圧面２９の傾斜方向と、固定翼１４の正圧面２９の傾斜方向とは胴体部２５の外周面上において同じ回転方向を向く。機体１１の飛行によりこれらの固定翼１３、１４及び操舵翼１５、１６への空気抵抗によりシェル１２に回転力が与えられるようになっている。動力源無しで操舵装置２１自体がロール軸周りに回転するようになっている。

回転支持機構２２はシェル１２および操舵装置２１の間に設けられた転動機構３０を備える。転動機構３０は例えば、シェル１２の外周面に設けられた内輪３４と、この内輪３４とともにハウジングを構成し操舵装置２１の内周面に設けられた外輪３５と、それぞれこのハウジングに収容された複数個の転動体３６とを有する。これらの転動体３６はそれぞれシェル１２の外周面上でこの操舵装置２１の周方向への移動に従動して転動する。

レートセンサ２３はロール軸周りの回転位置を検出するセンサである。レートセンサ２３は例えば回転角速度を時間積分し操舵装置２１の回転速度を算出し、回転速度を時間積分することにより操舵装置２１の回転角度を算出する。

操舵駆動部２４は、図１に示すように、モータ１７（回転駆動部）と、このモータ１７のシャフトに連結されたギア類などの駆動力伝達機構を介して回転駆動され操舵翼１５をシェル１２に可動に保持する軸受部１８と、同様に操舵翼１６をシェル１２に可動に保持する軸受部１９とを備えている。このモータ１７は軸受部１８、１９を互いに独立して駆動し、推進方向からの空気流に対する翼面積を変える羽ばたきを繰返すことによって操舵翼１５、１６の各機体１１の姿勢を制御するようにしている。あるいは、操舵駆動部２４は、軸受部１８と軸受部１９との間で共用される一つの軸受部を設け、操舵翼１５、１６の操舵量を共通制御するようにしてもよい。モータ１７には例えばステッピングモータが用いられる。操舵駆動部２４はこのレートセンサ２３からの出力により操舵翼１５、１６の駆動をロール軸周りの回転速度に同期させて行う。

操舵制御部２０は、レートセンサ２３の出力と、信号処理部２７の出力とによって、機体１１の飛行経路を算出し、機体１１の姿勢を変更するための操舵量を操舵駆動部２４のモータ１７へ与える。操舵制御部２０は、操舵翼１５の傾けるべき方向及び回転量と、操舵翼１６の傾けるべき方向及び回転量とをそれぞれ算出し、必要な各操舵量を操舵駆動部２４へ通知する。操舵制御部２０には、ＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）によって構成される。

つまり、飛しょう体１０は、操舵装置２１を回転させる回転支持機構２２と、操舵翼１５、１６と、操舵翼１５、１６を駆動させる駆動装置（操舵駆動部２４）と、操舵装置２１の回転速度を計測するレートセンサ２３とから構成される。回転支持機構２２は、それぞれ一定角度のロール舵を切られた固定翼１３、１４と、胴体部２５に対してシェル１２を自由に回転させるベアリング等とを備えている。

このような構成の飛しょう体１０はノズルから噴射物質を噴射することにより、噴射力の反作用を受けて推進方向の推力を得る。

（１）飛しょう体１０が飛行開始後、回転支持機構２２によって操舵装置２１のみがロール軸周りに回転する。操舵装置２１が胴体部２５に対して回転すると、回転モーメントがロール軸方向にかかるため、飛しょう体１０の姿勢は安定する。図２のように、固定翼１３、１４及び操舵翼１５、１６はそれぞれ胴体部２５の外周を機軸方向から見て四等分する各位置に一枚ずつ設けられており、２枚の固定翼１３、１４と、２枚の操舵翼１５、１６との４枚それぞれの空力荷重による力が足し合わされて姿勢が確保される。

（２）図１のシーカ部２６など誘導制御装置からの操舵指令に対して、操舵制御部２０はレートセンサ２３によって検出した操舵装置２１の回転速度に同期した操舵を行う。機体１１にはレーダ装置や撮像装置が搭載されている。シーカ部２６は撮像した画面内に目標が存在するかどうかを判定する。シーカ部２６による目標の発見及び慣性装置の出力によって信号処理部２７は、飛しょう体１０及び目標が会うであろう空間内の一点への飛行経路を算出する。信号処理部２７は機体１１の機軸に対する目標視線角情報を操舵制御部２０へ与える。操舵制御部２０は２つの操舵翼１５、１６の舵角を計算する。

図２に示すように、軸受部１８の回転軸は径方向に平行である。軸受部１９の回転軸も径方向に平行である。操舵駆動部２４は操舵翼１５を水平になる瞬間など所望のタイミングで一瞬だけ回して戻す。操舵駆動部２４は操舵翼１６も水平になる瞬間など所望のタイミングで一瞬だけ回して戻す。操舵駆動部２４は２軸により操舵翼１５、１６を制御する。操舵駆動部２４は操舵翼１５、１６を互いに独立に回転駆動する。

飛しょう体１０をピッチアップさせる例では、操舵駆動部２４は、操舵翼１５、１６の翼面を下方に傾けること、翼面の傾斜を元に戻すこととの羽ばたき運動を繰返す。これらの操舵翼１５、１６の傾斜によって推進方向からの空気流が当たる翼面積が増加し、操舵翼１５、１６に空気抵抗が発生する。操舵翼１５、１６が回転により水平に位置する瞬間に操舵駆動部２４はこれらの操舵翼１５、１６を羽ばたかせる。再度、一回転して操舵翼１５、１６が水平になった瞬間に操舵駆動部２４は操舵翼１５、１６を羽ばたかせる。操舵翼１５、１６の回転位置に一致したタイミングで操舵駆動部２４は操舵の羽ばたきを行うことを繰返す。換言すれば操舵駆動部２４は舵を切るタイミングを回転角速度に同期させている。この同期により、飛しょう体１０はピッチアップ方向への操舵がかかる。回転に同期させて羽ばたきを繰返し、２葉の空気抵抗による力が機体１１に作用し、機体１１にはその後部において推進方向と逆向きの加速度が生じる。機体１１の姿勢は推進方向に対してピッチアップの方向へ変更される。ピッチダウンや、ヨーを左右何れか一方へ偏向するなどの姿勢制御の例もピッチアップの例と同じである。

このように、飛しょう体１０は、操舵装置２１をロール方向に回転させる回転支持機構２２を有し、操舵装置２１を回転させることで、ピッチ舵、ヨー舵を１軸又は２軸の操舵機構と１対の操舵翼１５、１６との駆動で行い、操舵装置２１の小型軽量化を実現することができる。

仮に飛しょう体の操舵方式がローリングエアフレーム方式を用いる場合、飛しょう体のスピン回転により飛しょう体の誘導制御が困難でなる。機軸に対して左右又は上下に対称でない力が飛しょう体に働くことがある。推力が機軸に対してずれると、振動の原因となる。推力が機軸に対してまっすぐに出力されず、ずれた状態で飛しょう体はスピン回転する。空気中のボールが空気流によりカーブする例と同じように、水平方向にマグナス力（マグナスモーメント）が飛しょう体に働く。また、非対称な力が飛しょう体にかかると、飛しょう体のスピン回転によりこの飛しょう体に振動が発生する。機体形状の非対称や推力線のずれによって振動現象が発生する。即ち機体全体を回すことは問題も存在する。発生する多くの問題要素を別途新たに対策しなくてはならない。

また、飛しょう体が画像のためのシーカ部２６を搭載してスピンする場合、スピン回転によって画像にブレが発生する。画像処理によってこのブレを補正する必要が生じてしまう。ローリングエアフレーム方式を採用した場合、機体を安定化させることができるという一つの肯定的な側面もある。しかし機体の静安定性が正である場合、スピン回転数によらず機体は安定しているため、たとえスピン回転数が０であっても機体の安定化を図れる。機体の静安定性が負の場合、非常に大きなスピン回転数により機体がスピン回転しないと機体を安定化させることができない。ローリングエアフレーム方式では、機体の安定化についても、不足である。

これに対して実施形態に係る飛しょう体によれば、操舵装置２１のみを回転させることで、機体１１を安定化させることができる。仮に機体１１に非対称の形状が存在し、あるいは推力線のずれが生じて振動や、マグナス力が発生したとしても、これらの振動やマグナス力などの要素を考慮することなく、操舵装置２１の小型軽量化を図ることができる。

回転角速度に同期させて操舵翼１５、１６の羽ばたき操舵を行うため、回転角速度が大きいと、操舵翼１５、１６による羽ばたき運動の一回の周期が短くなる。操舵のために軸受部１８、１９をともに一方向へ回すこと、及び回した軸をともに他の方向へ戻すことの繰返しの回数が増える。操舵装置２１が回転すると、操舵力の回転成分が操舵翼１５、１６に加わるため、操舵翼１５、１６が振動するが、飛しょう体１０によれば、回転角速度に同期させて羽ばたきを操舵装置２１が行うため、操舵力の回転成分による振動が打ち消される。また、従来例は固定翼１３、１４及び操舵翼１５、１６の４箇所の操舵のための操舵装置の装置サイズを有する。飛しょう体１０によれば、これらの４箇所のための個別に操舵装置を設ける必要がないため、相対的に飛しょう体１０の小型化が可能になる。

（変形例）
上記例では、回転支持機構２２に一定のロール舵が切られた固定翼１３、１４が用いられているが、固定翼１３、１４の代わりにサーボモータによって操舵装置２１を回転させてもよい。

図３は実施の形態の変形例に係る飛しょう体の断面図であり、図１のＡＡ′に対応する飛しょう体１０Ａの内部構造が示されている。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。

回転支持機構２８は、操舵装置２１を一定の角速度で回転させるサーボモータ３１と、このサーボモータ３１の駆動力をシェル１２に伝達する伝達部材３２とを備え、操舵駆動部２４はサーボモータ３１の回転動作に同期させて操舵翼１５、１６の駆動を行う。回転支持機構２８は、サーボモータ３１に結合されたシェル１２の回転時の負荷を推定し、サーボモータ３１へ状態推定量をフィードバックする状態推定器３３を設けても良い。

変形例に係る飛しょう体によれば、サーボモータ３１を用いることで、一定の角速度で正確に操舵装置２１を回転させることができるため、レートセンサを用いなくても操舵装置２１の回転に同期させた操舵を行うことができる。固定翼１３、１４なしの操舵装置２１により飛しょう体１０Ａ自体のスピン回転をせずに、飛しょう体１０Ａは安定した飛行が可能になる。

尚、上記実施形態では、２枚の固定翼１３、１４と、２枚の操舵翼１５、１６とが設けられていたが、操舵装置は少なくとも一枚の操舵翼により上記効果を奏することが可能である。実施の形態に係る飛しょう体は３枚以上の複数の操舵翼を取付けてもよい。各操舵翼の取付け間隔は推進方向から見た一旋回の円周上で等角配置される。操舵装置２１は、固定翼を３枚以上設けてもよく、３枚以上の操舵翼と同じ枚数を設けてもよい。

転動機構３０は周方向に複数配列された状態でハウジングに収容されボールベアリング構造であったが、転動機構３０は機軸方向で長い構造でもよく、複数の円筒コロを転動体３６として用いてもよい。転動機構３０は２つ以上が機軸に同心円状に設けられてもよい。転動機構３０は種々の構造をとりうる
検出部はレートセンサ２３と異なる検出センサを用いてもよい。検出部は、操舵装置２１の旋回中の一旋回位置を検出する機能で足りる。例えば操舵装置２１のシェル１２の内周面側に被検出素子を設け、胴体部２５の外周面上に周方向の複数箇所にそれぞれこの被検出素子を検出する検出素子を設け、これらの被検出素子及び検出素子により検出部を構成することも可能である。何れか一箇所の検出素子が被検出素子を検出することで操舵装置２１の回転位置情報を検出する方法によれば、レートセンサ２３を用いた場合のセンサ出力による計算処理や位置判定制御が不要となり、プロセッサの負担を軽くすることができる。これらの変更をして実施したに過ぎない実施品に対して本実施形態に係る飛しょう体の優位性は何ら損なわれるものではない。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０，１０Ａ…飛しょう体、１１…機体、１２…シェル（外郭体）、１３，１４…固定翼、１５，１６…操舵翼、１７…モータ（回転駆動部）、１８，１９…軸受部、２０…操舵制御部、２１…操舵装置（操舵部）、２２…回転支持機構、２３…レートセンサ（検出部）、２４…操舵駆動部、２５…胴体部、２６…シーカ、２７…信号処理部、２８…回転支持機構、２９…正圧面、３０…転動機構、３１…サーボモータ、３２…伝達部材、３３…状態推定器、３４…内輪、３５…外輪、３６…転動体。

Claims (6)

1. ロール軸方向の機軸を有する機体と、
   この機体の外周面上で前記ロール軸周りに回転する外郭体と、
   この外郭体に前記機軸の径外方向に設けられた一枚以上の操舵翼を有する操舵部と、
   この操舵部および前記外郭体を前記機体の飛行による空力の操舵力によって前記ロール軸周りに回転可能に支持する回転支持機構と、
   この回転支持機構の回転位置情報を検出する検出部と、
   この検出部からの前記回転位置情報により前記操舵翼を操舵駆動する操舵駆動部と、
   を備える飛しょう体。
2. 前記操舵部は、
   前記外郭体に前記径外方向へ突出して固定されロール舵角を有する一枚以上の固定翼を備え、
   前記操舵部は前記固定翼および前記操舵翼への空気抵抗によって回転する請求項１記載の飛しょう体。
3. 前記回転支持機構は、
   前記外郭体の外周面に設けられた内輪と、
   この内輪とともにハウジングを構成し前記操舵部の内周面に設けられた外輪と、
   それぞれこれらの内輪および外輪間の前記ハウジングに収容された複数の転動体とを有する転動機構を備える請求項１又は請求項２記載の飛しょう体。
4. 前記回転支持機構は、
   前記操舵部を一定の角速度で回転させるサーボモータと、
   このサーボモータの駆動力を前記外郭体に伝達する伝達部材と、を備え、
   前記操舵駆動部は前記サーボモータの回転動作に同期させて複数の操舵翼の駆動を行う請求項１又は請求項２記載の飛しょう体。
5. 前記検出部は前記ロール軸周りの回転位置を検出するセンサであり、
   前記操舵駆動部はこのセンサからの出力により前記操舵翼の駆動を前記ロール軸周りの回転速度に同期させて行う請求項１乃至請求項４何れか一記載の飛しょう体。
6. 前記操舵駆動部は、
   複数の操舵翼をそれぞれ前記外郭体に可動に保持する前記操舵翼毎の軸受部と、
   これらの軸受部の回転駆動部と、を備え、
   この回転駆動部は前記複数の軸受部を互いに独立して駆動し、空気流に対する翼面積を変えることによって前記機体の姿勢を制御する請求項１乃至請求項５何れか一記載の飛しょう体。

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