JP2019171984A - 流れ制御システム、流れ制御方法及び航空機 - Google Patents

Abstract

【課題】より小さなサイズの動翼であっても機体の応答速度を向上できるようにすることである。【解決手段】実施形態に係る流れ制御システムは、航空機の翼に連結される動翼と、前記動翼の表面に取付けられたプラズマアクチュエータとを備え、前記動翼の舵角変化と前記プラズマアクチュエータの作動を連動させることによって前記翼の周りにおける空気の流れを制御するようにしたものである。また、実施形態に係る航空機は、上述した流れ制御システムを備えたものである。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、流れ制御システム、流れ制御方法及び航空機に関する。

航空機の主翼や尾翼等の翼周りの空気の流れを制御する構成要素として補助翼（エルロン）、方向舵（ラダー）、昇降舵（エレベータ）、フラップ、スポイラ及びフラッペロン等の動翼が知られている。また、複数のスポイラを主翼の後縁に設けた航空機も知られている（例えば特許文献１参照）。これら動翼の舵角を変化させることによって、航空機や飛翔体の姿勢を制御することができる。

更に、近年、航空機の翼周りの空気の流れを制御する補助的なデバイスとして、プラズマアクチュエータ（ＰＡ：ｐｌａｓｍａ ａｃｔｕａｔｏｒ）を用いる研究がなされている（例えば特許文献２及び特許文献３参照）。航空機の翼に取付けられるプラズマアクチュエータとして実用的なのは、誘電体バリア放電（ＤＢＤ：Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）を用いて空気の流れを形成するＤＢＤ−ＰＡである。

ＤＢＤ−ＰＡは誘電体を挟んで電極を配置し、電極間に高い交流電圧を印加することによって誘電体の片面のみにプラズマを発生させるようにしたプラズマアクチュエータである。ＤＢＤ−ＰＡを用いれば、プラズマの制御によって空気の剥離を抑制し、気流を変化させることができる。このため、ＤＢＤ−ＰＡを翼に取付けることによって、補助翼やフラップ等の動翼を省略する試みもなされている。すなわち、ＤＢＤ−ＰＡは、航空機の舵面を代替する要素として期待されている。

特開２０１４−１６６８１６号公報 特表２０１３−５３０４８６号公報 特開２００８−２９０７１０号公報

航空機の急激な操縦や突風等によって気流が非定常に変化し、機体の姿勢が変化した場合には機体の姿勢を立て直すために動翼を操作することが必要となる。但し、動翼を操作した場合における機体の応答速度は動翼のサイズに依存する。すなわち、動翼のサイズが大きい程、機体の応答速度が速くなる。従って、高速な応答を必要とする場合には、動翼の大型化が必要となる。

しかしながら、動翼が大型化すると、動翼を操舵するためのアクチュエータも大型化することが必要となる。その結果、動翼が設けられる主翼等の翼構造体の内部における積載空間が減少するのみならず、機体の重量が増加するという問題がある。しかも、動翼が大型化する程、アクチュエータのみで動翼を高速に操作することが困難となる。

そこで本発明は、より小さなサイズの動翼であっても機体の応答速度を向上できるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係る流れ制御システムは、航空機の翼に連結される動翼と、前記動翼の表面に取付けられたプラズマアクチュエータとを備え、前記動翼の舵角変化と前記プラズマアクチュエータの作動を連動させることによって前記翼の周りにおける空気の流れを制御するようにしたものである。

また、本発明の実施形態に係る航空機は、上述した流れ制御システムを備えたものである。

また、本発明の実施形態に係る流れ制御方法は、上述した流れ制御システムを用いて航空機の翼周りにおける空気の流れを制御するものである。

また、本発明の実施形態に係る流れ制御方法は、航空機の翼に連結される動翼の舵角変化と、前記動翼の表面に取付けられたプラズマアクチュエータの作動を連動させることによって前記翼の周りにおける空気の流れを制御するものである。

本発明の実施形態に係る流れ制御システムを備えた航空機の部分構成図。 図１に示すプラズマアクチュエータの原理を示す図。 従来の動翼を備えた翼の構成例を示す図。 典型的なバースト波の波形を表すグラフ。 図１に示す流れ制御システムを用いて航空機の翼周りにおける空気の流れを制御する流れを示すフローチャート。

本発明の実施形態に係る流れ制御システム、流れ制御方法及び航空機について添付図面を参照して説明する。

（流れ制御システムの構成及び機能）
図１は本発明の実施形態に係る流れ制御システムを備えた航空機の部分構成図である。

流れ制御システム１は、航空機２の翼周りにおける空気の流れを制御するシステムである。このため、流れ制御システム１は、主翼や尾翼等の翼３を有する航空機２に備えられる。尚、翼３を有する航空機２であれば、航空機２は固定翼機に限らず飛翔体であっても良い。また、航空機２は無人機であっても良いし、有人機であっても良い。

流れ制御システム１は、動翼４、プラズマアクチュエータ５、エネルギ供給システム６、制御装置７、姿勢変化検出部８及び事象検知部９で構成することができる。

動翼４は、航空機２の翼３に連結され、翼３の一部を構成する。すなわち、翼３は、静翼１０に動翼４を設けて構成される。動翼４の例としては、エルロン、ラダー、エレベータ、フラップ、スポイラ及びフラッペロン等が挙げられる。動翼４は、油圧式、空気圧式又は電気式等の機械的なアクチュエータ１１で駆動することができる。

また、図１に例示されるように１つの静翼１０に複数の動翼４を連結することもできる。その場合には、各動翼４に、それぞれ動翼４を駆動するためのアクチュエータ１１が連結される。このため、各動翼４をアクチュエータ１１で個別に駆動させることができる。尚、図１に例示される各動翼４はエルロンである。

プラズマアクチュエータ５は、動翼４の表面に取付けられる。プラズマアクチュエータ５の取付け位置は、風洞試験やシミュレーション等によって適切な位置に決定することができる。従って、図１に示す例では、プラズマアクチュエータ５が動翼４の後縁に配置されているが、動翼４の前縁に配置しても良い。また、図１に示す例では、プラズマアクチュエータ５が動翼４の上面側に配置されているが、動翼４の下面側或いは、上面側と下面側の双方に配置しても良い。

尚、図１に例示されるように静翼１０ごとに複数の動翼４が設けられる場合には、各動翼４の表面にそれぞれプラズマアクチュエータ５を取付けることができる。また、静翼１０にプラズマアクチュエータ５を取付けることもできる。

図２は図１に示すプラズマアクチュエータ５の原理を示す図である。

プラズマアクチュエータ５は、第１の電極２１、第２の電極２２、誘電体２３及び交流電源２４で構成される。第１の電極２１と第２の電極２２は、放電エリアが形成されるように誘電体２３を挟んで互いにシフトして配置される。第１の電極２１は、空気の流れを誘起すべき空間に露出した状態で配置される。一方、第２の電極２２は、空気の流れを誘起すべき空間に露出しないように誘電体２３で覆われる。また、第２の電極２２は、航空機２の機体に接地される。第１の電極２１と第２の電極２２との間には、交流電源２４によって交流電圧が印加される。

交流電源２４を動作させて第１の電極２１と第２の電極２２との間に交流電圧を印加すると、第１の電極２１が配置されている側の誘電体２３の表面に形成される放電エリアには電子と正イオンから成るプラズマが生じる。その結果、プラズマによって誘電体２３の表面に向かう空気の流れが誘起される。尚、第１の電極２１と第２の電極２２との間に誘電体２３を挟んで誘電体バリア放電を起こすプラズマアクチュエータ５は、ＤＢＤ−ＰＡと呼ばれる。

プラズマアクチュエータ５を構成する第１の電極２１及び第２の電極２２は、薄いフィルム状にすることができる。このため、動翼４の表面に貼付けるか、或いは取付位置となる表面層に埋め込んで使用することができる。

動翼４にプラズマアクチュエータ５を取付けると、動翼４の舵角変化とプラズマアクチュエータ５の作動の双方によって翼３の周りにおける空気の流れを制御することができる。このため、動翼４のサイズを縮小することが可能となる。

図３は従来の動翼３０を備えた翼３１の構成例を示す図である。

従来の翼３１に備えられる動翼３０も機械式のアクチュエータ３２で操舵される。アクチュエータ３２は電源、モータ或いはポンプ等のエネルギ供給システム３３から供給されるエネルギで駆動し、エネルギ供給システム３３は制御信号を生成及び出力する制御システム３４によって制御される。制御システム３４はパイロットが操縦する操縦桿３５と接続される。

そして、パイロットによる操縦桿３５の操作によって動翼３０の操舵コマンドを制御システム３４に与えると、制御システム３４は動翼３０の操舵コマンドに応じた制御信号をエネルギ供給システム３３に出力する。これにより、エネルギ供給システム３３から動翼３０の操舵コマンドに応じたエネルギがアクチュエータ３２に出力され、アクチュエータ３２の駆動によって動翼３０を操舵することができる。

これに対して図１に例示されるように動翼４にプラズマアクチュエータ５を取付けると、動翼４のサイズを縮小することが可能となる。具体的には、プラズマアクチュエータ５を取付けると、プラズマアクチュエータ５が取付けられていない従来の動翼３０の長さと比べて、動翼４の長さを短くすることができる。動翼４の長さを短くできれば、動翼４は片持ち構造であることから動翼４を操舵するためのアクチュエータ１１に要求される剛性を低減することができる。その結果、アクチュエータ１１を含む動翼４全体の軽量化を図ることができる。加えて、動翼４を翼弦方向に細分化することが可能となる。

そこで、図１に例示されるように、１つの静翼１０に複数の動翼４を連結し、各動翼４の表面にそれぞれプラズマアクチュエータ５を取付けることができる。そして、各動翼４と、対応するプラズマアクチュエータ５とをそれぞれ連動させて翼３の周りにおける空気の流れを制御することによって、各動翼４のサイズを縮小することができる。つまり、各翼３の翼弦方向に複数の動翼４を隣接配置することによって流れの制御効果を維持しつつ動翼４の小型化及び軽量化が可能となる。

動翼４を操舵するためのアクチュエータ１１と、プラズマアクチュエータ５は、エネルギ供給システム６から出力されるエネルギによって駆動することができる。すなわち、エネルギ供給システム６は、アクチュエータ１１の駆動方式に応じたエネルギをアクチュエータ１１に供給することによってアクチュエータ１１を駆動させる一方、プラズマアクチュエータ５の交流電源２４に電力を供給することによってプラズマアクチュエータ５を作動させるシステムである。

例えば、アクチュエータ１１が油圧式又は空気圧式であれば、エネルギ供給システム６をポンプとポンプを駆動する電源で構成することができる。そして、エネルギ供給システム６から油圧又は空気圧をアクチュエータ１１に負荷することによってアクチュエータ１１を駆動させることができる。また、アクチュエータ１１が電動式であれば、エネルギ供給システム６をモータとモータを駆動する電源で構成することができる。そして、エネルギ供給システム６のモータから回転トルクをアクチュエータ１１に伝達することによってアクチュエータ１１を駆動させることができる。

制御装置７は、エネルギ供給システム６に制御信号を出力することによって、動翼４とプラズマアクチュエータ５を統括制御する装置である。特に、制御装置７には、動翼４とプラズマアクチュエータ５を連動させる機能を設けることができる。すなわち、制御装置７による制御下において動翼４の舵角変化とプラズマアクチュエータ５の作動を連動させることによって、翼３の周りにおける空気の流れを制御することができる。

従って、図１に例示されるように複数の動翼４の表面にそれぞれプラズマアクチュエータ５が取付けられる場合には、複数の動翼４の各舵角と、各プラズマアクチュエータ５の作動条件を、目的とする航空機２の姿勢に合わせて制御することができる。すなわち、図１に例示されるように動翼４を細分化すれば、複数の動翼４の舵角と複数のプラズマアクチュエータ５の出力をそれぞれ個別に設定及び制御することが可能となる。このため、局所的な気流の変化等に合わせて複数の動翼４の舵角と複数のプラズマアクチュエータ５の出力を最適制御することが可能となる。

そこで、目的とする航空機２の姿勢を得るために好ましい複数の動翼４の舵角と複数のプラズマアクチュエータ５の出力の組合せを風洞試験やシミュレーションで取得しておくことができる。そして、目的とする航空機２の姿勢と、目的とする航空機２の姿勢を得るために適切な複数の動翼４の舵角と複数のプラズマアクチュエータ５の出力の組合せを、目的とする航空機２の姿勢ごとに関連付けたテーブルや関数等の情報を記憶させた記憶装置７Ａを制御装置７に設けることができる。これにより、制御装置７では、記憶装置７Ａに保存された情報を参照することにより、目的とする航空機２の姿勢を得るために適切な複数の動翼４の舵角と複数のプラズマアクチュエータ５の出力を設定することが可能となる。

目的とする航空機２の姿勢は、操縦装置４０の操作又は航空機２の自動巡航用の飛行プログラムによって制御装置７に指示することができる。従って、制御装置７からエネルギ供給システム６に出力すべき動翼４の制御信号は、航空機２が自動巡航中であれば航空機２の飛行プログラムに基づいて生成することができる。一方、航空機２が操縦者によって操縦されている場合であれば、操縦装置４０の操作によって入力される動翼４の操舵を指示する情報に従って動翼４の制御信号を生成することができる。

尚、航空機２が有人機であれば操縦装置４０はパイロットの操縦室に配置される操縦桿等となるが、航空機２が無人機であれば操縦装置４０は航空機２の外部に配置される遠隔操縦用のコントローラとなる。

動翼４の制御信号は、動翼４を駆動するためのアクチュエータ１１の制御量を表す信号として生成することができる。一方、プラズマアクチュエータ５の制御信号は、交流電源２４から第１の電極２１と第２の電極２２との間に印加される交流電圧の波形を表す信号として生成することができる。プラズマアクチュエータ５の交流電源２４から第１の電極２１と第２の電極２２との間に印加される交流電圧の波形としては、連続波の他、バースト波とすることが効果的であることが試験等によって確認されている。

図４は典型的なバースト波の波形を表すグラフである。

図４において縦軸は電圧Ｖを示し、横軸は時間ｔを示す。バースト波は、図４に示すように、振幅が変化する期間と、振幅が変化しない期間を一定のバースト周期Ｔで繰り返す波である。従って、交流電圧の波形がバースト波である場合には、振幅Ｖｍの交流電圧が連続的に印加される期間Ｔｏｎがバースト周期Ｔで断続的に繰り返されることになる。バースト周期Ｔに対する交流電圧の印加期間Ｔｏｎの比Ｔｏｎ／Ｔは、デューティ比に相当し、バースト比ＢＲと呼ばれる。

従って、プラズマアクチュエータ５の出力は交流電圧の振幅に限らず、バースト波とするか連続波とするか並びにバースト波とする場合にはバースト周期Ｔ及びバースト比ＢＲをパラメータとして表すことができる。交流電源２４から第１の電極２１と第２の電極２２との間に印加される交流電圧の波形と、プラズマアクチュエータ５の作動によって形成される空気の流れとの関係は、風洞試験やシミュレーションによって予め求めておくことができる。

プラズマアクチュエータ５による流れ制御の応答速度は、動翼４の操舵による流れ制御の応答速度よりも桁違いに速い。具体的には、プラズマアクチュエータ５の応答速度は気流の流速に依存して変化するが、１００Ｈｚ以上である。一方、動翼４の舵角変化の応答速度は約３０Ｈｚである。従って、動翼４の舵角変化が完了する前にプラズマアクチュエータ５の作動による空気の流れ制御効果を得ることができる。

そこで、制御装置７からエネルギ供給システム６に出力すべきプラズマアクチュエータ５の制御信号を航空機２の姿勢の変化に基づいて自動的に生成することもできる。もちろん、プラズマアクチュエータ５の制御信号に限らず、動翼４の制御信号についても航空機２の姿勢の変化に基づいて生成することができる。

そのために、姿勢変化検出部８には、航空機２の機体の姿勢の変化を検出又は予測する機能と、検出又は予測した航空機２の姿勢の変化を制御装置７に通知する機能が備えられる。また、事象検知部９には、航空機２に姿勢の変化が生じる原因となる事象を検知する機能と、検知された事象を姿勢変化検出部８に通知する機能が備えられる。

そして、制御装置７は、姿勢変化検出部８から通知された航空機２の姿勢の変化に基づいてプラズマアクチュエータ５の制御信号を自動的に生成し、生成したプラズマアクチュエータ５の制御信号をエネルギ供給システム６に出力するように構成されている。また、必要に応じて、制御装置７は、姿勢変化検出部８から通知された航空機２の姿勢の変化に基づいて動翼４の制御信号を自動的に生成し、生成した動翼４の制御信号をエネルギ供給システム６に出力するように構成されている。

制御装置７、姿勢変化検出部８及び事象検知部９は、Ａ／Ｄ（ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ）変換器、Ｄ／Ａ（ｄｉｇｉｔａｌ−ｔｏ−ａｎａｌｏｇ）変換器及びプログラムを読込ませたコンピュータ等の電気回路で構成することができる。従って、制御装置７、姿勢変化検出部８及び事象検知部９を一体化しても良い。

航空機２に姿勢の変化が生じる原因となる事象としては、航空機２の操縦者による操縦装置４０の操作や航空機２の飛行プログラムによる自動巡航中における航空機２の姿勢の変化指示のような航空機２の姿勢制御情報の入力の他、例えば、突風等の天候の変化、障害物の接近、迂回すべきエリアへの接近及び機器の故障が挙げられる。

そこで、事象検知部９は、航空機２に備えられる操縦装置４０、飛行プログラム、気象情報及び地形情報等を記憶する記憶装置４１、航空機２に備えられる圧力センサ４２Ａや角度センサ４２Ｂ等のセンサ類４２並びに通信装置４３と接続される。そして、事象検知部９は、操縦装置４０、記憶装置４１、センサ類４２及び通信装置４３の少なくとも１つから取得した情報に基づいて航空機２に姿勢の変化が生じる原因となる事象を検知するように構成される。

具体例として、急激な航空機２の姿勢変化を指示する操縦装置４０の操作があった場合や記憶装置４１から制御装置７に読み込まれた航空機２の飛行プログラムによって急激な航空機２の姿勢変化が指示された場合には、事象検知部９において航空機２に姿勢の変化が生じる原因となる事象が発生したと判定することができる。

また、圧力センサ４２Ａで航空機２の機体表面における圧力分布の変動を検出することによって事象検知部９において突風を検出したり、角度センサ４２Ｂで航空機２の機体の姿勢変化自体を検出することもできる。このため、突風が検出された場合や航空機２の機体の姿勢変化自体が検出された場合にも、事象検知部９において航空機２に姿勢の変化が生じる原因となる事象が発生したと判定することができる。

事象検知部９では、記憶装置４１から又は通信装置４３を利用して地形情報や気象情報を取得することもできる。気象情報が取得できれば、雷の発生要因の１つと考えられる積乱雲の発生確率が高い空域、積乱雲が発生している空域又は回避することが望ましい雹、雨或いは雪が降っている空域と航空機２との間における相対的な位置関係を特定することができる。また、地形情報が取得できれば、高山等の障害物の位置と航空機２との間における相対的な位置関係を特定することもできる。

他に火山灰が飛散している空域と航空機２との間における相対的な位置関係や鳥の群れの発生確率が高い空域と航空機２との間における相対的な位置関係についても特定することが可能である。すなわち、航空機２が迂回すべきエリアを特定するための情報を事前に記憶装置４１に保存するか、通信装置４３を利用して取得すれば、事象検知部９において航空機２が迂回すべきエリアを特定することができる。そして、航空機２が迂回すべきエリアに接近した場合には、事象検知部９において航空機２に姿勢の変化が生じる原因となる事象が発生したと判定することができる。

通信装置４３を利用すれば、他の航空機又は地上における管制塔と航空機２との間における通信によって、航空機２の周囲を飛行している他の航空機の位置を特定することもできる。このため、航空機２と最も近くを飛行している他の航空機との間における距離を算出することができる。航空機２と最も近くを飛行している他の航空機との間における距離が一定の距離以下となった場合には、航空機２が当該他の航空機と衝突することを回避するために航空機２の姿勢を変化させるべき状況であると考えられる。そこで、航空機２と最も近くを飛行している他の航空機との間における距離が一定の距離以下となった場合には、事象検知部９において航空機２に姿勢の変化が生じる原因となる事象が発生したと判定することができる。

或いは、航空機２の周囲を飛行している他の航空機の位置を事象検知部９において追跡し、一定時間後における他の航空機の位置を予測するようにしても良い。すなわち、他の航空機の空間位置の時間変化を検出することによって他の航空機の向きを含む速度を検出し、検出した速度に基づいて一定時間後における他の航空機の位置を予測することができる。そして、一定時間後における航空機２と他の航空機との間における予測距離が、一定の距離以下となった場合には、事象検知部９において航空機２に姿勢の変化が生じる原因となる事象が発生したと判定することができる。

他に、必要なセンサを配置してエンジンや一部の動翼４等の航空機２の姿勢に影響を与える構成要素の故障を検出するようにしても良い。そして、航空機２の姿勢に影響を与える構成要素の故障が検出された場合には、事象検知部９において航空機２に姿勢の変化が生じる原因となる事象が発生したと判定することができる。

また、事象検知部９において人工知能を利用した予測を行うようにしても良い。具体例として、障害物や他の航空機との接近、気象の変化等の飛行条件に該当した場合における航空機２の操縦情報を蓄積して統計データとし、同様な飛行条件となった場合における操縦を事象検知部９において予測するようにしても良い。すなわち、機械学習法によって飛行条件に応じた航空機２の操縦パターンを予測することができる。

以上の具体例のように事象検知部９において航空機２に姿勢の変化が生じる原因となる事象が発生したと判定され、姿勢変化検出部８に事象の内容が通知されると、姿勢変化検出部８では事象の内容に応じた航空機２の姿勢の変化を検出又は予測することができる。

例えば、操縦装置４０の操作又は航空機２の飛行プログラムによって航空機２の姿勢変化が指示された場合には、航空機２の姿勢変化の指示に従って変化した後の航空機２の姿勢を姿勢変化検出部８において予測することができる。

また、突風が検出された場合であれば、数値流体力学（ＣＦＤ：ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ）解析や風洞試験等によって予め取得した突風の条件と突風による航空機２の姿勢の変化との関係を表すデータベースに基づいて、突風の影響を受けて変化した後の航空機２の姿勢を姿勢変化検出部８において予測することができる。突風の条件は上述したように航空機２の表面における空気の圧力分布で表現することができる。

角度センサ４２Ｂで航空機２の姿勢変化自体が検出された場合であれば、検出された変化後における航空機２の姿勢を、航空機２の姿勢の検出結果とすることができる。また、検出された航空機２の姿勢を初期状態として、他の事象によって変化した後の航空機２の姿勢を姿勢変化検出部８において予測することができる。

また、航空機２が障害物、他の航空機或いは迂回すべきエリア等に接近した場合であれば、上述したような機械学習法で取得した操縦内容の統計データに基づいて一定時間後における航空機２の姿勢を姿勢変化検出部８において予測するようにしても良い。

従って、航空機２の姿勢の変化は、例えば航空機２の飛行プログラム、航空機２の操縦者による操縦装置４０の操作情報、航空機２の近隣を飛行する他の航空機の位置、航空機２に設けられた圧力センサ４２Ａにより計測された航空機２の表面における空気の圧力分布、航空機２に設けられた角度センサ４２Ｂにより計測された航空機２の姿勢、気象情報、地形情報及び航空機２が迂回すべきエリアを特定するための情報の少なくとも１つに基づいて姿勢変化検出部８において検出又は予測することができる。

実用的な例として、航空機２の現在の位置と気象情報、航空機２の現在の位置と地形情報又は航空機２の現在の位置と航空機２の近隣を飛行する他の航空機２の位置に基づいて航空機２の一定時間後における航空機２の姿勢を姿勢変化検出部８において予測することができる。別の実用的な例として、航空機２の操縦情報と、突風や強風等の気象条件に基づいて気象条件の影響を受けた航空機２の実際の姿勢変化を予測することもできる。

航空機２の姿勢変化が姿勢変化検出部８において検出又は予測されると、上述したように、制御装置７では、検出又は予測された航空機２の姿勢変化に基づいて少なくともプラズマアクチュエータ５の制御信号を生成することが可能となる。すなわち、航空機２の姿勢変化に基づいて動翼４及びプラズマアクチュエータ５の双方の制御信号或いはプラズマアクチュエータ５の制御信号を生成することができる。

動翼４及びプラズマアクチュエータ５の双方の制御信号或いはプラズマアクチュエータ５の制御信号は、姿勢変化検出部８において検出又は予測された航空機２の姿勢変化に基づいて、航空機２の姿勢がより適切となるように生成することができる。従って、プラズマアクチュエータ５は、姿勢変化検出部８において検出又は予測された航空機２の姿勢の変化に対応する条件で作動することになる。

具体例として、飛行プログラム又は操縦装置４０の操作によって動翼４が操舵された場合、突風等の気象条件やその他の要因によって実際には航空機２の姿勢が目標値からずれる場合がある。そこで、制御装置７では、姿勢変化検出部８において予測された航空機２の姿勢の変化に基づいて航空機２の姿勢の目標値からの姿勢のずれを予測し、予測されたずれをキャンセルするための条件でプラズマアクチュエータ５が作動するようにプラズマアクチュエータ５の制御信号を生成することができる。この場合、動翼４についても目標値からのずれ量がキャンセルされるように制御量を補正することができる。

別の具体例として、航空機２が障害物、他の航空機或いは迂回すべきエリア等に接近しつつある場合のように、予測される航空機２の姿勢の変化後における姿勢が適切でない場合も起こり得る。また、急激な操縦が行われた場合においても、航空機２の姿勢が不安定となる場合がある。

そこで、姿勢変化検出部８において予測された航空機２の姿勢の変化後における航空機２の姿勢が適切であるか否かを制御装置７において判定し、変化後における航空機２の姿勢が適切でないと判定された場合には、変化後における航空機２の姿勢を適切にするための条件でプラズマアクチュエータ５が作動するようにプラズマアクチュエータ５の制御信号を生成することができる。この場合においても、動翼４を航空機２の姿勢を適切にするための条件で操舵することができる。すなわち、予測又は検出された航空機２の姿勢に基づいて動翼４の舵角を調整することができる。

例えば、上述したように航空機２が障害物、他の航空機或いは迂回すべきエリア等に衝突又は侵入するリスクを低減する場合であれば、航空機２の姿勢の変化後における航空機２の姿勢が、航空機２が回避すべき物体に衝突又は回避すべき領域に侵入するリスクが一定以上ある姿勢であると制御装置７において判定される場合に、変化後における航空機２の姿勢が適切でないと判定するようにすれば良い。そして、航空機２の姿勢が、航空機２が回避すべき物体に衝突又は回避すべき領域に侵入するリスクが低減された姿勢となるように、プラズマアクチュエータ５或いはプラズマアクチュエータ５及び動翼４を制御することができる。

つまり、航空機２が物体に衝突しそうになったり、望ましくない空域に侵入しそうになった場合には、プラズマアクチュエータ５を作動させたり、動翼４の制御量を補正することによって、物体への衝突や望ましくない空域への進入を回避することができる。この場合には、航空機２の姿勢のずれ量のキャンセルではなく、航空機２の姿勢を意図的にシフトさせて修正する制御となる。もちろん、航空機２の姿勢のずれ量のキャンセルと、航空機２の姿勢の修正の双方を行うようにしても良い。

また、別の実用的な例として、急激な動翼４の操舵が行われた場合において動翼４の操舵による航空機２の姿勢変化を予測し、予測した航空機２の姿勢変化に基づいて航空機２の姿勢が不安定とならないように、適切な条件でプラズマアクチュエータ５を作動させることができる。すなわち、急激な動翼４の操舵が行われた場合には、プラズマアクチュエータ５の作動によって、航空機２の姿勢を安定化させる修正を行うことができる。

上述した種々の制御の他、制御装置７では、複数の動翼４のうちの一部の動翼４が故障した場合において、動翼４の故障による気流の流れへの影響が低減される条件で、故障していない残りの動翼４の操舵及びプラズマアクチュエータ５の作動を行う制御を行うことができる。

（流れ制御方法）
次に流れ制御システム１を用いた航空機２の翼周りにおける空気の流れ制御方法について説明する。

図５は、図１に示す流れ制御システム１を用いて航空機２の翼周りにおける空気の流れを制御する流れを示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１において、流れ制御システム１の事象検知部９において航空機２の姿勢変化の原因となる事象が検知される。具体例として、自動操縦又は手動操縦による航空機２の姿勢変化の指示、突風等の気象変化、衝突を回避すべき物体への航空機２の接近、回避すべきエリアへの航空機２の接近、航空機２を構成する機器の故障等を検知することができる。事象検知部９において検知された事象は、姿勢変化検出部８に通知される。

次に、ステップＳ２において、航空機２の姿勢変化の原因となる事象に対応する航空機２の姿勢変化が姿勢変化検出部８において検出又は予測される。検出又は予測された航空機２の姿勢変化は制御装置７に通知される。

次に、ステップＳ３において、制御装置７において航空機２の姿勢の目標値からのずれ量及び目標値に対するシフト量の少なくとも一方が算出される。例えば、突風等による航空機２の姿勢のずれ量、急激な航空機２の姿勢変化に伴う安定性の低下の回避のための適切な航空機２の姿勢の補正量、物体や回避すべきエリアへの航空機２の過剰な接近を回避するための適切な航空機２の姿勢の補正量等が制御装置７において算出される。

次に、ステップＳ４において、制御装置７による制御下において、プラズマアクチュエータ５で航空機２の姿勢を修正しながら動翼４の駆動が行われる。すなわち、航空機２の翼３に連結される動翼４の舵角変化と、動翼４に取付けられたプラズマアクチュエータ５の作動を連動させることによって翼３の周りにおける空気の流れが制御される。

具体例として、動翼４の操舵によって得られる航空機２の姿勢の目標値に対するずれ量が算出された場合であれば、航空機２の姿勢のずれ量をキャンセルするための条件でプラズマアクチュエータ５が作動する。一方、動翼４の操舵によって得られる航空機２の姿勢を適正化するためのシフト量が算出された場合であれば、航空機２の姿勢をシフト量だけシフトさせる条件でプラズマアクチュエータ５が作動する。

そのために、制御装置７では動翼４及びプラズマアクチュエータ５の各制御信号が生成され、生成された各制御信号がエネルギ供給システム６に出力される。そうすると、エネルギ供給システム６からアクチュエータ１１に動翼４の制御量に対応するエネルギが供給される。これにより、アクチュエータ１１が駆動し、動翼４の舵角を調整することができる。他方、エネルギ供給システム６からプラズマアクチュエータ５の交流電源２４に電力が供給される。これにより、プラズマアクチュエータ５が作動し、動翼４の操舵によって得られる航空機２の姿勢のずれ量をキャンセルするための空気の流れ或いは動翼４の操舵によって得られる航空機２の姿勢をシフトさせるための空気の流れを形成することができる。その結果、航空機２の翼３の周りに、より適切な空気の流れを形成することができる。

（効果）
以上のような流れ制御システム１、流れ制御方法及び航空機２は、動翼４にプラズマアクチュエータ５を取付け、動翼４の舵角変化とプラズマアクチュエータ５の作動を連動させることによって翼３の周りにおける空気の流れを制御するようにしたものである。

このため、流れ制御システム１、流れ制御方法及び航空機２によれば、動翼４を小型化及び軽量化することができる。特に動翼４を細分化すれば、複数の動翼４の舵角と複数のプラズマアクチュエータ５の出力をそれぞれ個別に設定及び制御することが可能となる。このため、局所的な気流の変化等に合わせて複数の動翼４の舵角と複数のプラズマアクチュエータ５の出力を最適制御することが可能となる。また、一部の動翼４が故障した場合であっても、残りの動翼４を操舵することによって航空機２の姿勢を制御することができる。

しかも、プラズマアクチュエータ５の応答速度は、動翼４の舵角変化の応答速度と比べて速い。従って、動翼４の舵角変化が完了する前にプラズマアクチュエータ５の作動による空気の流れ制御効果を得ることができる。このため、動翼４の舵角変化によって得られる航空機２の姿勢を、プラズマアクチュエータ５の作動によって修正することができる。すなわち、動翼４とプラズマアクチュエータ５を協働させることによって、動翼４の舵角変化のみで航空機２の姿勢を変化させる場合に比べて、航空機２の姿勢変化における応答速度を向上させることができる。

また、航空機２の姿勢変化を検出又は事前に予測することによって、プラズマアクチュエータ５の作動条件を適切に決定することができる。実用性の高い具体例として、航空機２が突風に遭遇した場合や急激な姿勢変化を指示する操縦が行われた場合には、プラズマアクチュエータ５の作動によって、突風に依る意図しない航空機２の姿勢変化や急激な姿勢変化に伴う安定性の低下を回避又は低減することができる。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１ 流れ制御システム
２ 航空機
３ 翼
４ 動翼
５ プラズマアクチュエータ
６ エネルギ供給システム
７ 制御装置
７Ａ 記憶装置
８ 姿勢変化検出部
９ 事象検知部
１０ 静翼
１１ アクチュエータ
２１ 第１の電極
２２ 第２の電極
２３ 誘電体
２４ 交流電源
３０ 動翼
３１ 翼
３２ アクチュエータ
３３ エネルギ供給システム
３４ 制御システム
３５ 操縦桿
４０ 操縦装置
４１ 記憶装置
４２ センサ類
４２Ａ 圧力センサ
４２Ｂ 角度センサ
４３ 通信装置

Claims (13)

1. 航空機の翼に連結される動翼と、
   前記動翼の表面に取付けられたプラズマアクチュエータと、
   を備え、
   前記動翼の舵角変化と前記プラズマアクチュエータの作動を連動させることによって前記翼の周りにおける空気の流れを制御するようにした流れ制御システム。
2. １つの静翼と連結される複数の動翼を備え、各動翼の表面にそれぞれプラズマアクチュエータを取付けた請求項１記載の流れ制御システム。
3. 前記複数の動翼の各舵角と、前記各プラズマアクチュエータの作動条件を、目的とする前記航空機の姿勢に合わせて制御する制御装置を更に備える請求項１又は２記載の流れ制御システム。
4. 前記航空機の姿勢の変化を検出又は予測する姿勢変化検出部を更に備え、
   少なくとも前記プラズマアクチュエータは、検出又は予測された前記航空機の姿勢の変化に対応する条件で作動するように構成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流れ制御システム。
5. 前記姿勢変化検出部は、前記航空機の飛行プログラム、前記航空機の操縦者による操縦装置の操作情報、前記航空機の近隣を飛行する他の航空機の位置、前記航空機に設けられた圧力センサにより計測された前記航空機の表面における空気の圧力分布、前記航空機に設けられた角度センサにより計測された前記航空機の姿勢、気象情報、地形情報及び前記航空機が迂回すべきエリアを特定するための情報の少なくとも１つに基づいて前記航空機の姿勢の変化を検出又は予測するように構成される請求項４記載の流れ制御システム。
6. 前記姿勢変化検出部は、前記航空機の位置と気象情報、前記航空機の位置と地形情報又は前記航空機の位置と前記航空機の近隣を飛行する他の航空機の位置に基づいて前記航空機の一定時間後における前記航空機の姿勢を予測するように構成される請求項４記載の流れ制御システム。
7. 前記姿勢変化検出部は、前記航空機の姿勢の変化を予測するように構成され、
   予測された前記航空機の姿勢の変化に基づいて前記航空機の姿勢の目標値からの姿勢のずれを予測し、予測された前記ずれをキャンセルするための条件で前記プラズマアクチュエータを作動させる制御装置を更に備える請求項４記載の流れ制御システム。
8. 前記姿勢変化検出部は、前記航空機の姿勢の変化を予測するように構成され、
   予測された前記航空機の姿勢の変化後における前記航空機の姿勢が適切であるか否かを判定し、前記変化後における前記航空機の姿勢が適切でないと判定された場合には、前記変化後における前記航空機の姿勢を適切にするための条件で前記プラズマアクチュエータを作動させる制御装置を更に備える請求項４記載の流れ制御システム。
9. 前記制御装置は、前記航空機の姿勢の変化後における前記航空機の姿勢が、前記航空機が回避すべき物体に衝突又は回避すべき領域に侵入するリスクが一定以上ある姿勢であると判定される場合に前記変化後における前記航空機の姿勢が適切でないと判定するように構成される請求項８記載の流れ制御システム。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の流れ制御システムを備えた航空機。
11. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の流れ制御システムを用いて航空機の翼周りにおける空気の流れを制御する流れ制御方法。
12. 航空機の翼に連結される動翼の舵角変化と、前記動翼の表面に取付けられたプラズマアクチュエータの作動を連動させることによって前記翼の周りにおける空気の流れを制御する流れ制御方法。
13. １つの静翼に複数の動翼を連結し、各動翼の表面にそれぞれプラズマアクチュエータを取付けて、前記各動翼と、対応する前記プラズマアクチュエータとをそれぞれ連動させて前記翼の周りにおける空気の流れを制御することによって、前記各動翼のサイズを縮小する請求項１１又は１２記載の流れ制御方法。

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