JP2019189045A - 翼構造体、翼構造体の制御方法及び航空機 - Google Patents

Abstract

【課題】航空機の主翼等に設けられるフラップの迎角を大きくしても揚力が減少しないようにする装置を提供する。【解決手段】翼構造体１は、航空機用の翼構造体であって、静翼３と、前記静翼との間に空気の流路が形成されるように展開可能なフラップ４と、前記フラップが展開している状態において前記静翼の下面側から前記流路を経由して前記フラップの上面側に流れた空気を含む空気の、前記フラップの上面側における剥離を抑制又は低減するための空気の流れを誘起する少なくとも１つのプラズマアクチュエータ２０とを備える。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、翼構造体、翼構造体の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フラップが知られている（例えば特許文献１参照）。フラップは、航空機の離着陸の際に操舵される高揚力装置である。フラップは航空機の巡行時には主翼に格納されており、航空機の離着陸時に展開される。フラップを展開すると、主翼の面積及びキャンバーが大きくなるため、主翼が発生する揚力を増加させることができる。尚、キャンバーは翼型の中心線と翼弦線との間における距離である。

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２０１２−１８９２１５号公報 特開２００８−２９０７１０号公報 特開２０１６−０５６８１４号公報

主翼のキャンバーを大きくする際には、フラップの迎角が大きくなるように制御される。しかしながら、フラップの迎角を大きくすると、フラップの後縁付近において剥離が生じ、揚力が減少してしまうという問題がある。

そこで、本発明は、航空機の主翼等に設けられるフラップの迎角を大きくしても揚力が減少しないようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係る翼構造体は、航空機用の翼構造体であって、静翼と、前記静翼との間に空気の流路が形成されるように展開可能なフラップと、前記フラップが展開している状態において前記静翼の下面側から前記流路を経由して前記フラップの上面側に流れた空気を含む空気の、前記フラップの上面側における剥離を抑制又は低減するための空気の流れを誘起する少なくとも１つのプラズマアクチュエータとを備えるものである。

また、本発明の実施形態に係る航空機は、上述した翼構造体を備えたものである。

また、本発明の実施形態に係る翼構造体の制御方法は、静翼と、前記静翼との間に空気の流路が形成されるように展開可能なフラップとを有する航空機用の翼構造体の制御方法であって、前記フラップが展開している状態において前記静翼の下面側から前記流路を経由して前記フラップの上面側に流れた空気を含む空気の、前記フラップの上面側における剥離を抑制又は低減するための空気の流れを少なくとも１つのプラズマアクチュエータを用いて誘起するものである。

本発明の実施形態に係る翼構造体の構成を示す横断面図。 図１に示す翼構造体のフラップを展開した状態を示す横断面図。 従来のスロッテッドフラップの問題点を説明する図。 図１に示すプラズマアクチュエータの原理を示す図。 典型的なバースト波の波形を表すグラフ。

本発明の実施形態に係る翼構造体、翼構造体の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。

（構成及び機能）
図１は本発明の実施形態に係る翼構造体の構成を示す横断面図であり、図２は図１に示す翼構造体のフラップを展開した状態を示す横断面図である。

翼構造体１は航空機２用の主翼や尾翼等の構造体である。従って、翼構造体１は航空機２に備えられる。翼構造体１は、静翼３及びフラップ４を有する。フラップ４は、航空機２の離着陸の際に操舵される高揚力装置である。従って、フラップ４は、主に航空機２の主翼構造体に設けられる。

図１及び図２に例示されるフラップ４は、静翼３との間に空気の流路が形成されるように展開可能な構造を有する。図１及び図２に例示されるように静翼３との間に空気の流路としてスロット５が形成されるように展開可能な構造を有するフラップ４は、スロッテッドフラップと呼ばれる。

フラップ４は、例えば特開平７−１３２８９１号公報に例示されるようにアクチュエータ６を含む展開機構によって展開及び収納することができる。典型的なスロッテッドフラップの場合には、フラップ４を展開及び収納するためのアクチュエータ６と、フラップ４の舵角を制御するためのアクチュエータ６が設けられる。

フラップ４が展開している状態では、図２に示すように静翼３の上面側からフラップ４の上面側に流れる空気に加えて、静翼３の下面側からスロット５を経由してフラップ４の上面側に空気が流れる。このため、フラップ４の上面側において静翼３の上面側から流れてくる空気と、静翼３の下面側からスロット５を経由して流れてくる空気が合流する。そして、フラップ４の上面側に導かれた空気はフラップ４の上面に沿ってフラップ４の後縁側に導かれる。その結果、フラップ４の舵面上における剥離を抑制する効果が得られる。

図３は従来のスロッテッドフラップの問題点を説明する図である。

従来のスロッテッドフラップ１０を備えた主翼１１の場合、スロット１２を経由した空気の流れがスロッテッドフラップ１０の上面において乱流となり、スロッテッドフラップ１０の後縁付近において剥離が発生する場合があるという問題がある。スロッテッドフラップ１０の後縁付近において空気の剥離が発生するとスロッテッドフラップ１０の操舵による舵の効きの低下に繋がる。

そこで、翼構造体１には図１及び図２に例示されるように少なくとも１つのプラズマアクチュエータ２０が設けられる。プラズマアクチュエータ２０は、プラズマを利用して空気の流れを誘起する流れ制御デバイスである。

図４は図１に示すプラズマアクチュエータ２０の原理を示す図である。

プラズマアクチュエータ２０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２０は、ＤＢＤ−ＰＡと呼ばれる。

プラズマアクチュエータ２０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、翼構造体１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。

そして、プラズマアクチュエータ２０によって、静翼３の下面側からスロット５を経由してフラップ４の上面側に流れた空気を含む空気の、フラップ４の上面側における剥離を抑制又は低減するための空気の流れが誘起される。すなわち、静翼３の下面側からスロット５を経由して流れてきた空気と、静翼３の上面側から流れてきた空気が合流することによってフラップ４の上面側に形成される空気の流れの剥離が、プラズマアクチュエータ２０で誘起される空気の流れによって抑制又は低減される。

具体的には、図２に例示されるようにプラズマアクチュエータ２０によって、フラップ４の上面側における空気の剥離を抑制又は低減するための空気の渦を生成することが効果的である。すなわち、フラップ４の上面側において空気の渦を生成することによって、フラップ４の後縁付近における空気の剥離を抑制又は低減することができる。空気の渦は、静翼３の後端において生じる空気のせん断流に擾乱を与えることによって生成することができる。

プラズマアクチュエータ２０の数及び配置は、風洞試験やシミュレーションによってフラップ４の後縁側における空気の剥離を効果的に抑制又は低減できる数及び配置に決定することができる。従って、プラズマアクチュエータ２０を静翼３及びフラップ４からなる翼構造体１の所望の位置に設けることができる。特に、空気が静翼３の表面から離れる部分にプラズマアクチュエータ２０を配置すると、剥離を抑制又は低減するための空気の渦を効果的に生成することが可能となる。

そこで、風洞試験やシミュレーションの結果に応じて、少なくとも静翼３の上面側における後端部にプラズマアクチュエータ２０を配置するようにしても良いし、少なくとも静翼３の下面側における後端部にプラズマアクチュエータ２０を配置するようにしても良い。静翼３の上面側における後端部にプラズマアクチュエータ２０を配置すれば、主として静翼３の上面側からフラップ４の上面側に流れる空気の流れを制御するための空気の流れを誘起することができる。一方、静翼３の下面側における後端部にプラズマアクチュエータ２０を配置すれば、主として静翼３の下面側からスロット５を経由してフラップ４の上面側に流れる空気の流れを制御するための空気の流れを誘起することができる。

図１及び図２に示す例では、静翼３の上面側における後端部と、静翼３の下面側における後端部の双方にプラズマアクチュエータ２０が配置されている。このため、静翼３の上面側における後端部に配置されたプラズマアクチュエータ２０を作動させることによって静翼３の上面側からフラップ４の上面側に流れる空気の流れを制御する一方、静翼３の下面側における後端部に配置されたプラズマアクチュエータ２０を作動させることによって静翼３の下面側からスロット５を経由してフラップ４の上面側に流れる空気の流れを制御することができる。その結果、フラップ４の上面側における空気の剥離を効果的に抑制又は低減することができる。

プラズマアクチュエータ２０を作動させることによって渦を生成するためには、プラズマアクチュエータ２０を断続的に作動させることが効果的であることが試験によって確認されている。プラズマアクチュエータ２０を断続的に作動させるためには、プラズマアクチュエータ２０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をバースト波とすることが効果的である。

図５は典型的なバースト波の波形を表すグラフである。

図５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５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２０を作動させることによって目的とする空気の渦を形成するために適切なバースト周期Ｔやバースト比ＢＲ等の波形パラメータを風洞試験やシミュレーションによって事前に求め、データベース化することができる。すなわち、プラズマアクチュエータ２０を作動させることによって形成すべき空気の流れと、プラズマアクチュエータ２０の第１の電極２１と第２の電極２２との間に印加すべき交流電圧の波形との関係を表すテーブルや関数等の情報を記憶させた記憶装置をプラズマアクチュエータ２０の制御装置３０に備えることができる。これにより、プラズマアクチュエータ２０の第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電気回路等で構成される制御装置３０によって自動制御することができる。

尚、バースト周期Ｔ又はバースト周期Ｔの逆数であるバースト周波数ｆを無次元化して風洞試験又はシミュレーションを行うと、フラップ４を含む翼構造体１の形状や空気の流速が異なる場合であっても、共通の風洞試験又はシミュレーションによって適切なバースト周期Ｔ又はバースト周波数ｆを決定することが可能となる。例えば、バースト周波数ｆは図１に例示されるように定義される翼構造体１の翼弦長ｃ１又はフラップ４の舵面長ｃ２と、空気の主流速度Ｕを基準として無次元化することができる。

具体的には、翼構造体１の翼弦長ｃ１と空気の主流速度Ｕで無次元化されたバースト周波数Ｆ１は式（１）で表される。
Ｆ１＝（１／Ｔ）／（Ｕ／ｃ１）＝ｆ／（Ｕ／ｃ１） （１）

一方、フラップ４の舵面長ｃ２と空気の主流速度Ｕで無次元化されたバースト周波数Ｆ２は式（２）で表される。
Ｆ２＝（１／Ｔ）／（Ｕ／ｃ２）＝ｆ／（Ｕ／ｃ２） （２）

従って、フラップ４と静翼３とによって構成される翼構造体１の翼弦長ｃ１又はフラップ４の舵面長ｃ２で無次元化したバースト周波数Ｆ１、Ｆ２又はバースト周期のバースト波形としてプラズマアクチュエータ２０の第１の電極２１と第２の電極２２との間に印加すべき交流電圧の波形を決定することができる。これにより、翼構造体１の翼弦長ｃ１又はフラップ４の舵面長ｃ２に依らず、共通の無次元化されたバースト周波数Ｆ１、Ｆ２又はバースト周期を決定することができる。また、空気の主流速度Ｕで無次元化すれば、空気の主流速度Ｕに依らず、共通の無次元化されたバースト周波数Ｆ１、Ｆ２又はバースト周期を決定することができる。

そして、制御装置３０は、フラップ４が展開されてスロット５が形成された場合には、自動的にプラズマアクチュエータ２０を作動させるように構成することができる。すなわち、展開機構に備えられるアクチュエータ６の駆動によるフラップ４の展開とプラズマアクチュエータ２０の作動を制御装置３０による制御下において連動させることができる。また、プラズマアクチュエータ２０を作動させる際には、バースト波等の適切な波形を有する交流電圧がプラズマアクチュエータ２０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ように制御装置３０から交流電源２４に制御信号を出力することができる。もちろん、プラズマアクチュエータ２０のＯＮ状態とＯＦＦ状態との間における切換えを航空機２の操縦者が手動で行えるようにしてもよい。

以上のような翼構造体１、翼構造体１の制御方法及び航空機２は、静翼３との間に空気の流路としてスロット５が形成されるように展開可能な構造を有するフラップ４が展開している状態において、静翼３の下面側からスロット５を経由してフラップ４の上面側に流れた空気の、フラップ４の上面側における剥離を抑制又は低減するための空気の流れを少なくとも１つのプラズマアクチュエータ２０を用いて誘起するようにしたものである。

（効果）
このため、翼構造体１、翼構造体１の制御方法及び航空機２によれば、フラップ４の迎角を大きくした場合であってもフラップ４の後縁における空気の剥離を抑制し、より高い揚力を得ることができる。その結果、フラップ４自体の小型化やより低速での航空機２の離着陸が可能となる。低速での航空機２の離着陸が可能となれば、航空機２の離着陸に必要となる滑走路の長さを短くすることも可能となる。

また、プラズマアクチュエータ２０を静翼３に取付ければ、プラズマアクチュエータ２０の駆動に必要な交流電源２４等の重量物を、片持ち構造であるフラップ４よりも剛性が高い静翼３側に収納することが可能となる。

（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 翼構造体
２ 航空機
３ 静翼
４ フラップ
５ スロット
６ アクチュエータ
１０ 従来のスロッテッドフラップ
１１ 主翼
１２ スロット
２０ プラズマアクチュエータ
２１ 第１の電極
２２ 第２の電極
２３ 誘電体
２４ 交流電源
３０ 制御装置

Claims (8)

1. 航空機用の翼構造体であって、
   静翼と、
   前記静翼との間に空気の流路が形成されるように展開可能なフラップと、
   前記フラップが展開している状態において前記静翼の下面側から前記流路を経由して前記フラップの上面側に流れた空気を含む空気の、前記フラップの上面側における剥離を抑制又は低減するための空気の流れを誘起する少なくとも１つのプラズマアクチュエータと、
   を備える翼構造体。
2. 前記プラズマアクチュエータは、前記剥離を抑制又は低減するための空気の渦を生成するように構成される請求項１記載の翼構造体。
3. 前記プラズマアクチュエータは、前記静翼の後端において生じる空気のせん断流に擾乱を与えることによって前記空気の渦を生成するように構成される請求項２記載の翼構造体。
4. 少なくとも前記静翼の上面側における後端部に前記プラズマアクチュエータを配置し、前記静翼の上面側から前記フラップの上面側に流れる空気の流れを制御するための空気の流れを誘起するようにした請求項１乃至３のいずれか１項に記載の翼構造体。
5. 少なくとも前記静翼の下面側における後端部に前記プラズマアクチュエータを配置し、前記静翼の下面側から前記流路を経由して前記フラップの上面側に流れる空気の流れを制御するための空気の流れを誘起するようにした請求項１乃至４のいずれか１項に記載の翼構造体。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の翼構造体を備えた航空機。
7. 静翼と、前記静翼との間に空気の流路が形成されるように展開可能なフラップとを有する航空機用の翼構造体の制御方法であって、
   前記フラップが展開している状態において前記静翼の下面側から前記流路を経由して前記フラップの上面側に流れた空気を含む空気の、前記フラップの上面側における剥離を抑制又は低減するための空気の流れを少なくとも１つのプラズマアクチュエータを用いて誘起する翼構造体の制御方法。
8. 前記フラップの舵面長又は前記翼構造体の翼弦長で無次元化したバースト周波数又はバースト周期のバースト波形として前記プラズマアクチュエータの電極間に印加すべき交流電圧の波形を決定する請求項７記載の翼構造体の制御方法。

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