JP2017024469A - 高揚力に関する飛しょう体翼の前縁構造 - Google Patents

Abstract

【課題】揚力に係る空気流れを適切に誘導し、揚力の発生効率が高く抗力の小さい翼の形状を得る。
【解決手段】落下時に生じる空気流れを、母翼前縁８前方に設けた反射壁５により母翼上面１４に誘導し、飛行時に於ける相対風に対して順流の流れを促し加速させる事で、上下面での流速差を減じる事無く、両面で生じる圧力差による揚力の増大を図る。反射壁側の前縁１６をよどみ点の小さい翼形状とし、形状抵抗を抑えつつ揚力を増大する翼を目指す。
【選択図】図８

Description

本発明は、抗力を減らし揚力を高める形状の翼に関するものである。

従来は、飛行機などの飛しょう体における翼は抗力が大きく揚力が抑えられた形状であった。翼の一般的な形状である流線型は揚力を生じる成分である、空気流れの損失を減じる形状ではあるものの充分とは言えず、高揚力装置も種々開発されている。低速でも揚力を増大する手段の一つとして、スラップという技術が導入されている。

特表2009-501304 流体力学的な力を生成する要素 特開平07-132891 層流維持型高揚力装置 特開2009-006987 高揚力発生装置、翼および高揚力発生装置の騒音低減構造

図１と図２は翼に於ける揚力発生の模式図である。翼が落下時に、空気は下面に於いて圧縮され、上面に於いては伸張される。下面で圧縮された正圧の空気は拡散し、側面より負圧となる上面に吸い込まれ、対流を形成する。落下時で生じる空気の流れを落下対流２とする。この状態で飛行時に一様の相対風が流れると、下面では逆流となる落下対流２と衝突して流速が遅くなり、上面では順流となる落下対流２に乗じて加速する。この流速差により、上下面で圧力差が生じ、揚力が発生する。

しかし図１は理想的な流れであり、落下速度や前縁の形状により、図３のように落下対流２の一部は外側にて拡散する。図４では対流による抵抗を示している。拡散した空気は相対風の一部と衝突して相対風の速度を減衰させる。揚力のモデル式に物体と流体の相対速度があるように、この減衰した分、揚力が減る事が分かる。また、本来は翼上面に向かうはずの空気が外方へ弾かれ、その分を補う形で上方から空気が吹き降ろされ、翼を押し下げる働きを生じ揚力に対する抗力となる。前縁は充分な丸みを帯びていれば落下対流２の剥離を抑え易いのだが、高速飛行に於いては厚い丸みは相対風に対する形状抵抗となる。後縁や側縁でも前縁と同じ落下対流２が生じ、相対風と衝突するなどして渦を生じ抗力となる。揚力が生じる落下時における様々な抗力を小さくすると同時に、空力的な無重力状態である水平飛行時の抵抗が小さい形状が理想的な翼と言える。

本発明では、外側へ拡散する落下対流２を母翼上面１４に誘導することにより、相対風の流れを阻害させず、空力的な揚力発生の効率を高めた翼１０の形状を提供する。図５は本発明の最も単純な形態の模式図である。母翼前縁８の前方に反射壁を設ける事で母翼前縁８を流れる落下対流２の飛散を抑え、反射壁と母翼前縁８で形成される中空部から母翼下面１５の落下対流２が母翼上面１４に流れやすくなる。中空部の上面側を吹き出し口１３、下面側を吸い込み口１２とする。また、母翼前縁８に丸みをつけ吹き出し口１３と吸い込み口１２とに滑らかに接続することで、渦の発生を抑え落下対流２を母翼上面１４に伝えやすくなる。

反射壁の前縁部を小さくすることで、相対風への形状抵抗を小さくする。

反射壁５上端を、母翼４側へ突出することで母翼下面１５からの落下対流２を母翼上面１４へ伝えやすくなる。

母翼後縁９や側縁の翼厚を小さくすることで母翼下面１５からの落下対流２が母翼上面１４に回りにくく外に弾かれやすくなり、抗力を減らす事が出来る。

母翼前縁８の中空部内に突起を設けることで落下対流２を乱流とし、剥離を抑える事が出来る。

反射壁５と母翼前縁８で形成される中空部を設ける事で、母翼下面１５から前方へ弾かれる正圧の落下対流２の大部分が、負圧である母翼上面１４へ吸い込まれる事になり、相対風１への衝突を軽減し、空力的な抗力を減らす事が出来る。

母翼上面１４へ流れる空気量が多くなるので、母翼上面１４に沿う落下対流２が広範になり、相対風が剥離しにくく、揚力の発生部位も広くなる。

母翼下面１５から母翼上面１４へ充分な空気が流れる事で、上方からの吹き降ろしが少なくなり、母翼４を押し下げる抗力が減少する。

揚力が強くなるので翼弦長を短くし、重量を軽減することができる。

相対風１と最初に接触する淀み点を小さく出来るので形状抵抗が小さくなる。

大迎角時にも背面となる母翼上面１４に気流が流れやすくなり、失速を遅らせる事が出来る。

理想流体での空気流れを説明する正面視模式図 理想流体での揚力発生を説明する正面視模式図 粘性流体での空気流れを説明する正面視模式図 粘性流体での揚力発生を説明する正面視模式図 本発明に係る一実施形態の翼に於ける空気流れを示す正面視模式図 本発明に係る一実施形態の翼に於ける空気流れを示すモデル斜視図 一般的な形状の翼で生じる抗力を説明する正面視模式図 本発明に係る一実施形態の翼を概略的に示す斜視図 本発明に係る一実施形態の翼の正面視模式図 本発明に係る一実施形態の翼を概略的に示す斜視図 本発明に係る一実施形態の翼に於ける空気流れを示す正面視模式図 本発明に係る一実施形態の翼を概略的に示す斜視図

図５と図６は本発明の実施例を模式的に示したものである。落下対流２の飛散を防ぎ、母翼上面１４へと促す反射壁５を母翼前縁８の前方に中空部を介して設ける事で、相対風への抗力を減らし落下対流を適切に誘導し、相対風に対し順流となる上面と逆流となる下面の流速差を損なうことなく、上下面における相対風１の流れに対し大きな差異を生じさせ、揚力を増大することで課題を解決する事が出来る。本明細では翼１０は左向きに進行するものであり、左側を翼前方、右側を翼後方とし、相対風１は左から右へ流れるものとする。また、断面とは正面視における断面であり、模式図は全て断面を示す。

落下時に於いて母翼上面１４で引き離される空気量と母翼下面１５で押し出される空気量は等量であり、理想では母翼下面１５の空気量の全てが母翼上面１４へ流れるのだが、落下速度や翼１０の縁形状により母翼下面１５の空気は外方へ弾かれてしまい、様々な抵抗を生じる。弾かれる分の空気量を反射壁５で抑えれば、負圧である母翼上面１４に吸引され理想の流れに近づく。翼弦長が長いと母翼上面１４中央部に流れが淀む死水域が形成され、相対風の剥離が早く起こり揚力が減少するので、母翼上面１４は死水域を覆う程度に山なりの形状にするのがよい。母翼４の最大翼厚はこの山なりの形状部分となる。

落下時に落下対流２が生じ、それに乗じて上下面における相対風１の流速差が生じる事で揚力が発生する。飛しょう体は落下と上昇を細かく繰り返すバウンド運動により、飛行を維持する事が出来る。空力的な無重力状態、落下対流２が生じない水平飛行時に於いては、空気抵抗は相対風１と翼１０だけの関係を考えれば良い。母翼上面１４に溝または凸部を設け落下対流を乱流にし、剥離しにくくする事は出来るが、水平飛行時には形状抵抗となりかねない。よって反射壁５の陰となる中空部で、母翼前縁８に僅かな突起を設ける事で乱流を生じさせ、母翼上面１４における剥離を抑える事が出来る。

母翼前縁８前方に、後部を反射壁５とした子翼７を設け、子翼後縁１７から子翼前縁１６にかけて翼体高さが狭くなる形状にする事で翼１０の形状抵抗を小さく出来る。子翼７先端にも子翼側の落下対流２や、中空部を飛び越えた母翼側の落下対流２が流れるので、丸みを帯びた形状とするが、空気量は小さくなるので前縁半径は小さくて良い。これにより揚力の損失を減らしつつ、形状抵抗を減らした翼が可能になる。母翼４と子翼７を合わせた全体を翼１０と表現する。

反射壁５と母翼前縁８の間の隙間幅は最大で、翼の水平位での落下速度が一定となる終端速度に於いて、母翼側の落下対流２が反射壁５の上端に触れられる距離となる。これにより落下対流２は少なくとも、課題で示した相対風１の抗力になることは防げる。母翼前縁８の形状が前縁半径の大きい丸みを帯びていると、落下対流２が母翼上面１４へ流れやすくなり、最大の隙間幅は狭くなる。

中空部の隙間幅が大きすぎると落下対流２の飛散が生じるなどして、課題で示した抵抗が増える事になり、反射壁５の意味が無くなる。また、間隔が狭すぎると落下対流２の多くが反射壁５を飛び越えてしまい、発明の効果は生じつつも、やはり飛散等の抵抗が生じてしまう。特許文献１では母翼上面の吹き出し口を狭くしているが、本発明では流れを堰き止めて圧力が高まり、吸い込み口１２から落下対流２が溢れ出やすい。吹き出し口１３を狭めた分、吸い込み口１２を広くする工夫が必要になる。

反射壁５は垂直の形状であれば落下対流２の飛散を防ぎ、相対風１の阻害を防止出来るのだが、上端を母翼４側へ突出する形状とすれば落下対流２を負圧となる母翼上面１４へ誘導しやすくなる。紙飛行機など母翼前縁８におけるコアンダ効果が弱い薄翼の場合、落下対流２は直ちに母翼上方へ流れようとするので、図９のように折り曲げ、反射壁５を母翼前縁８まで覆えば落下対流２を上面へ誘導出来る。反射壁５の形状は垂直若しくは上端を母翼４側へ突出する形状が良い。

母翼前縁８はコアンダ効果により落下対流２を母翼上面１４へ流れやすくするために、母翼前縁８を前縁半径の大きい丸みを帯びた形状とし、吹き出し口１３と吸い込み口１２とを滑らかに接続する方が好適である。特許文献１や特許文献２、特許文献３のスラット機構では吸い込み口１２の下端が凸状になっており、落下対流２ではなく相対風１を取り込む形態となっている。

従来よりスラットという技術が知られている。これは主翼前縁に張り出しを設け、離着陸等の大迎角時に於いて、相対風を前縁との隙間から上面へ誘導することで上面の剥離を抑え、失速する迎角を大きくさせるものである。離着陸等の低速時において、揚力を向上させるので高揚力装置の一つとなっているが、ボーイング７３７等の旅客機に於いても吸い込み口１２の母翼側下端が凸状であり、通常飛行の高速時では抗力が大きくなるので隙間は閉じられている形態となっている。

母翼前縁下端が凸状であると、落下対流２は母翼上面１４へ回りにくくなり、翼が上昇する揚力を生じる落下速度に達するまで、図７aで示す様に落下対流２は前方向へ弾かれ続ける事になり、その反作用から後退方向成分の力が生じ、飛行時における抗力６となる。水平飛行においても、相対風１と接触する表面積が増える形状であるので摩擦抵抗も増大する。本発明では母翼前縁８下端から上端まで滑らかに接続するので落下対流２が前方向へ弾かれにくい形状であり、通常飛行でも高揚力装置として働く。また、相対風１と接触する隙間幅は最小限であり、水平飛行時においても中空部に相対風１が流入しにくく、摩擦抵抗も最小限に抑えられる。

揚力は上下面の流速差で決定し、言い換えると相対速度と落下対流２の速度で決定される。落下による加速度が必要なので、ある程度の落下幅がないと上昇する為の充分な揚力が得られない。
本発明により相対風１と落下対流２の流速は損なわれにくくなるので、より少ない落下幅で、上昇する為の充分な揚力が得られるようになる。

完全な水平飛行時は空力的に重力の影響を受けず、相対風と翼だけの関係となる。水平方向の流体に対しては横向きの涙滴形が最も抵抗が低い事が知られている。翼形もこれに近ければ、水平飛行が長く保てる事になり、飛行効率が良いことになる。涙滴形では重心は前方にあり、後縁は風見安定の働きをする。流体中、後縁上下面の圧力を均一にしようと働くので、後縁が上下非対称形であると上下に振幅してしまい抗力となる。また、母翼前縁が図７bの形状の翼は揚力が大きいとされているが、水平飛行時では相対風が上向きに逸らされ、反作用から下向きの抗力６が働き、落下を早める事になる。上面と下面の中心を結ぶ中心線が水平に近く、揚力を最大にする形状が最も効率のいい翼であると言え、本発明によりその形状に到達し得る。

飛行速度によって、上昇するための充分な揚力を得るための必要な落下速度が変わるため、落下対流２の層厚さにも違いが生じる。飛行速度によって隙間幅を調節すれば効率よく揚力が得られる。

子翼７にも課題で示した抗力が働くので、さらに反射壁５や子翼７を正面視直列に複数設け、中空部を増やす事で抗力を分散する事が出来る。任意の子翼に対して一つ後ろの翼を後翼と表現する。ダイヤモンド翼やレンズ翼など前縁部が広い翼では、図１０で示す様に複数の中空部を設ければ抗力も少なく、揚力の損失も少ない。子翼７を設けた場合、子翼７の下面広さに応じた落下対流２が中空部へ流れ、子翼後縁１７の落下対流２と合流する。

図１２は一般的な翼に本発明を備えた翼である。中空部に支柱１１をいくつか設ける事で翼１０の強度を保つことが出来る。図では子翼７の両端に支柱１１を備えている。

離着陸等の低速時で翼１０が上昇する充分な揚力を得るには大きな落下対流２の速度が必要になる。落下対流２の空気量も多くなるので、隙間幅は大きくした方が効率が良い。また、高速飛行時では上昇する充分な揚力を得るには落下対流２は小さい速度で済むので隙間幅は小さくしたほうが良い。反射壁５と母翼前縁８の隙間幅を、飛行速度に応じて調節すれば、本発明の効果を常に最大限発揮出来る。反射壁５を前後に移動可能とし、隙間幅を調節可能とする場合、反射壁５の形状は母翼前縁８を内嵌可能な環状凹部とするのが良い。

空力的な無重力状態である水平飛行時等、揚力が必要でない時は中空部は不要なので、開閉自在な間仕切り板で閉口出来れば渦を抑え、抗力を小さく出来る。

図１１に示す様に、離着陸時等、母翼４が迎角をとる際に子翼７を飛行方向へ水平にすることで形状抵抗を小さく出来る。母翼４が失速する角度になるまで子翼７が水平にあればいいので、失速角１８と同等の角度になる範囲内で、子翼７を下方へ向けて回転自在にすれば、母翼４が大迎角をとる際も揚力を最大限に発揮出来る。回転によって中空部への母翼側落下対流２流れが阻害されないよう、子翼７下面を母翼側吸い込み口１２より下になるように、回転軸は母翼前縁８近傍が良い。

図８は本発明の思想を取り入れた抗力の少ない翼１０である。通常、落下対流２は母翼下面１５中央から前後に散るので、母翼前縁８における落下対流２を増やすために母翼４の最大翼厚は中央近傍とする。しかし本発明では母翼前縁８で落下対流２を母翼上面１４へ誘導し、母翼後縁９では外方へ流すままなので母翼前縁８側の落下対流量が増える事になり、最大翼厚は中央より若干母翼後縁９側となる。よって中央近傍とは、母翼前縁８を０、母翼後縁９を１００とした場合、４０〜７０の範囲とする。また、母翼後縁９の翼厚を小さく水平に近い形状にすることで、落下対流２が母翼上面１４に回り込み難くなり相対風１との衝突による剥離を減らし、さらに落下対流２は母翼後縁９外方へ弾かれ易い形状となるので、その反作用により落下対流を推力とする事が出来る。
母翼前縁８は丸みを帯び、母翼４と子翼７それぞれの中心線は概ね水平であり、先端の子翼前縁１６は丸みが小さく、形状抵抗を小さくしている。

１相対風
２落下対流
３翼の動き
４母翼
５反射壁
６抗力
７子翼
８母翼前縁
９母翼後縁
１０翼
１１支柱
１２吸い込み口
１３吹き出し口
１４上面
１５下面
１６子翼前縁
１７子翼後縁
１８失速角

Claims (8)

1. 母翼の前縁に沿って前記前縁の前方に反射壁を備えた構造を有する翼であって、
   前記前縁と前記反射壁の間には中空部を有し、
   前記反射壁は垂直又は上端が前記母翼側へ突出する形状であり、
   前記反射壁は前記前縁に対し、
   前記母翼水平位落下時における終端速度での、前記母翼の前縁を下面から流れる落下対流が、少なくとも前記反射壁上端に接触出来る範囲内にある翼
2. 前記母翼の前縁は丸みを帯びた形状であり、前記前縁は上面及び下面と滑らかに接続し、
   前記前縁の前方に、
   後縁に前記反射壁を備え、翼体高さが後縁から前縁にかけて幅狭となり、前縁先端が丸みを帯びる形状である子翼を、
   少なくとも一つ、正面視直列に設けた、
   請求項１に記載の翼
3. 前記中空部内の空間に接する前記母翼の前縁に、落下対流を乱流にする大きさの突起を一つ以上設けた請求項１から請求項２いずれか一項に記載の翼
4. 前記反射壁の形状を、後翼の前縁の一部を内嵌可能とする環状凹部とし、
   前記反射壁を、後翼に近接する位置まで前後に移動自在とした、請求項１から請求項３いずれか一項に記載の翼
5. 前記中空部を開閉自在とする間仕切り板を、前記中空部内に少なくとも一つを設けた請求項１から請求項４いずれか一項に記載の翼
6. 前記母翼前縁部内に仮想軸があり、
   前記子翼を、前記仮想軸を中心に下方向へ回転自在とし、
   前記回転の範囲角度は前記母翼の失速角と同角度以内である、
   請求項２から請求項５いずれか一項に記載の翼
7. 前記母翼の断面最大翼厚は中央近傍であり、
   前記母翼の後縁断面は細く、最大翼厚部まで緩やかに増厚し接続し、
   前記母翼の前縁断面は厚く丸みを帯び、最大翼厚部まで緩やかに増厚し接続し、
   前記母翼と前記子翼の中心線は略水平である
   構造を有する、請求項２から請求項６いずれか一項に記載の翼
8. 請求項１から請求項７いずれか１項に記載の翼を備える飛しょう体

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