JP2021187328A - 揚力可変機構 - Google Patents

Abstract

【課題】飛行機の可動翼片や回転翼機のロータのブレード等の大きな部材を動かすことなく、航空機の翼で生じる揚力を変化させることが可能な揚力可変機構を提供する。【解決手段】航空機の翼２で生じる揚力を変化させることが可能な揚力可変機構において、翼２に翼幅方向に延在するように形成され、翼２の下面２Ａ側と上面２Ｂ側にそれぞれ開口３Ａ、３Ｂを有し、翼２の下面２Ａ側を流れる気流αの一部を上面２Ｂ側に流通させることが可能なスリット３と、スリット３を開閉させるための開閉部材４と、を備え、開閉部材４は、スリット３を開放することで、翼２に生じる揚力を、スリット３を閉鎖した場合よりも減少させる。【選択図】図１

Description

本発明は、航空機の翼で生じる揚力を変化させることが可能な揚力可変機構に関する。

航空機では、翼で揚力を変化させるように構成される場合が一般的である。
すなわち、飛行機の場合には、例えば、主翼に可動翼片等からなるフラップ（高揚力装置）が設けられ、可動翼片を上下動させたり伸長させたりすることで揚力を変化させることができる（例えば特許文献１等参照）。
また、ヘリコプタ等の回転翼機の場合には、例えば、メインロータのブレードの迎角（ピッチ角）を変化させることで揚力を変化させるように構成されている場合が多い。

特開２０１９−１７７８６４号公報

しかしながら、このように可動翼片を動かしたりメインロータのブレードを回動（揺動）させて迎角を変えるように構成すると、比較的大きな部材（すなわち可動翼片やロータのブレード）を強い気流の中で動かさなければならず、それらを動かすための駆動装置等にかかる負担が大きくなる等の理由で、駆動装置等の耐久性や信頼性等に問題が生じ得る。

この点について本発明者が研究を重ねた結果、上記のように航空機の翼（飛行機の主翼や回転翼機のメインロータ等）で生じる揚力を変化させることが可能な揚力可変機構として、揚力を変えるために動かす部材をより小さくして、大きな部材を動かさなくても揚力を変化させることを可能とする新たな揚力可変機構を開発することができた。

本発明は、飛行機の可動翼片や回転翼機のロータのブレード等の大きな部材を動かすことなく、航空機の翼で生じる揚力を変化させることが可能な揚力可変機構を提供することを目的とする。

前記の問題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
航空機の翼で生じる揚力を変化させることが可能な揚力可変機構において、
前記翼に翼幅方向に延在するように形成され、前記翼の下面側と上面側にそれぞれ開口を有し、前記下面側を流れる気流の一部を前記上面側に流通させることが可能なスリットと、
前記スリットを開閉させるための開閉部材と、
を備え、
前記開閉部材は、前記スリットを開放することで、前記翼に生じる揚力を、前記スリットを閉鎖した場合よりも減少させることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の揚力可変機構において、前記スリットは、前記翼の下面側の開口が、前記翼の上面側の開口よりも前記翼の前縁寄りに設けられていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の揚力可変機構において、前記開閉部材は、棒状に形成されており、前記翼の内部に翼幅方向に延在するように挿通され前記スリットに平行に配置されており、自身の長手方向に延在する軸周りに回転又は回動することで前記スリットを開閉させることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の揚力可変機構において、前記開閉部材は、前記翼の内部で、前記スリットに向かう方向に移動して前記スリットを閉鎖し、前記スリットから離れる方向に移動して前記スリットを開放するように構成されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の揚力可変機構において、前記開閉部材は、蓋状の部材であり、前記スリットの、前記翼の下面側の開口及び前記上面側の開口のうちのいずれか一方又は両方に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、飛行機の可動翼片や回転翼機のロータのブレード等の大きな部材を動かすことなく、航空機の翼で生じる揚力を変化させることが可能となる。

第１の実施形態に係る揚力可変機構の構成を表す図である。 第１の実施形態に係る開閉部材の構成例を表す断面図である。 第１の実施形態に係る開閉部材がスリットを（ａ）閉鎖した状態、（ｂ）開放した状態を表す断面図である。 （ａ）、（ｂ）第１の実施形態に係る開閉部材の他の構成例を表す断面図である。 開閉部材でスリットを（ａ）閉鎖した際の気流の流れ、（ｂ）開放した際の気流の流れなどを表す図である。 揚力可変機構を（ａ）翼の翼端付近に設けた状態、（ｂ）翼の翼根付近に設けた状態を表す平面図である。 第２の実施形態に係る揚力可変機構の構成を表す断面図である。 第３の実施形態に係る揚力可変機構の構成を表す断面図である。 （ａ）、（ｂ）第４の実施形態に係る揚力可変機構の構成を表す断面図である。

以下、本発明に係る揚力可変機構の実施の形態について、図面を参照して説明する。
なお、以下では、翼が飛行機の主翼である場合を想定して説明するが、例えば翼が回転翼機のロータのブレード等である場合でも同様に説明される。また、以下では、翼の上面側を上方とし、翼の下面側を下方とし、翼の前縁側を前方とし、翼の後縁側を後方として説明する。

本発明では、揚力可変機構は、航空機の翼に設けられたスリットと、スリットを開閉させるための開閉部材とを備えており、開閉部材によりスリットを開放することで、翼の揚力を、スリットを閉鎖した場合よりも減少させることができるように構成されている。そのため、開閉部材を開閉させることで、翼で生じる揚力を変化させることができるようになっている。
以下、いくつかの実施形態を挙げて説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る揚力可変機構の構成を表す図である。揚力可変機構１は、航空機の翼２に設けられたスリット３と、スリット３を開閉させるための開閉部材４とを備えている。
翼２は、飛行機の主翼や回転翼機のロータのブレード等であり、飛行機が飛行したりロータが回転する際に翼２に揚力が発生するように構成されている。

翼２には、その後縁２ｂ付近にスリット３が設けられている。
スリット３は、翼２に翼幅方向に延在するように形成されており、翼２の下面２Ａ側と上面２Ｂ側にそれぞれ開口３Ａ、３Ｂを有している。そして、翼２の下面２Ａ側を流れる気流の一部を翼２の上面２Ｂ側に流通させることができるようになっている。

本実施形態では、スリット３は、翼２の下面２Ａ側の開口３Ａが、翼２の上面２Ｂ側の開口３Ｂよりも翼２の前縁２ａ寄りに設けられており、翼２の後縁２ｂに近くなる翼２の下面２Ａ側から上面２Ｂ側に上がっていくように傾斜している。
そのため、スリット３が開放されている際には、翼２の下面２Ａ側を流れている気流の一部がスリット３を通ってスムーズに翼２の上面２Ｂ側に流通するようになっている（後述する図５（ｂ）参照）。

開閉部材４は、スリット３を開閉することができるように構成されている。
本実施形態では、開閉部材４は、棒状に形成されており、翼２の内部に翼幅方向に延在するように挿通され、スリット３に平行に配置されている。そして、自身の長手方向に延在する軸４ａ周りに回転又は回動できるようになっている。そして、開閉部材４は軸４ａからの径が一定ではなく、例えば図２の断面図に示すように、その側面が、大径（径Ｒ）の円筒面４Ａと、小径（径ｒ）の円筒面４Ｂと、各円筒面４Ａ、４Ｂの間の２つの略平面状の面４Ｃとをつなき合わせたような側面になるように形成されている。

そして、開閉部材４が回転又は回動して、図３（ａ）に示すように、径が長い部分（図２の例では大径の円筒面４Ａの部分）がスリット３の所に移動してくると、開閉部材４の側面（円筒面４Ａ）がスリット３の内壁面（内壁面の端部すなわちスリット３の開口３Ａのエッジ部分を含む。以下同じ。）に当接する。そのため、この場合は、開閉部材４はスリット３を閉鎖する。
また、開閉部材４が回転又は回動して、図３（ｂ）に示すように、径が短い部分（図２の例では小径の円筒面４Ｂや略平面状の面４Ｃの部分）がスリット３の所に移動してくると、開閉部材４の側面（円筒面４Ｂや面４Ｃ）とスリット３の内壁面との間に隙間が生じる。そのため、この場合は、開閉部材４はスリット３を開放する。

このようにして、本実施形態では、開閉部材４は、径が短い部分（図２の例では小径の円筒面４Ｂや略平面状の面４Ｃの部分）でスリット３を開放し、径が長い部分（図２の例では大径の円筒面４Ａの部分）で前記スリットを閉鎖するようになっている。

なお、開閉部材４は、必ずしも図２に示したような形状でなくてもよく、例えば、断面形状が、楕円や偏心した円形等でもよく、図４（ａ）に示すような円の一部が直線状に切り欠かれたような形状でもよい。
また、開閉部材４は、断面形状が図４（ｂ）に示すような多角形状であってもよく、以下で説明する作用効果を有効に発揮し得る形状であれば、どのような断面形状であってもよい。

また、開閉部材４がスリット３を開放する際に、開閉部材４の側面とスリット３の内壁面との距離が離れ過ぎると、スリット３を流れる気流の流量が多くなり過ぎて乱流が発生する等の問題が生じ得る。
そのため、そのような問題が生じないように、スリット開放時に開閉部材４の側面とスリット３の内壁面との距離が適切な距離になるように開閉部材４の形状を調整することが望ましい。

さらに、前述したように、開閉部材４を自身の軸４ａ周りに回動させるように構成することが可能である。
この場合、例えば、図３（ａ）の閉鎖状態の開閉部材４を図中で時計回りに回動させて図３（ｂ）に示したようにスリット３を開放させ、スリット３を閉鎖する際は開閉部材４をその状態から反転させて（すなわち反時計回りに回動させて）閉鎖するように構成することが可能である。

また、前述したように、開閉部材４を自身の軸４ａ周りに回転させるように構成することも可能である。
この場合、例えば、図３（ａ）の閉鎖状態の開閉部材４を反時計回り（又は時計回り）に回転させて図３（ｂ）に示したようにスリット３を開放させ、スリット３を閉鎖する際は開閉部材４をその状態からさらに反時計回り（又は時計回り）に回転させて閉鎖するように構成することが可能である。

また、このように開閉部材４を自身の軸４ａ周りに回転させる際、連続的に回転させれば（すなわち回転を止めずに回転させ続ければ）、開閉部材４でスリット３を周期的に開閉させることが可能となる。
そして、開閉部材４を高速で回転させれば、スリット３を短い周期で（高い周波数で）開閉させることが可能となる。

なお、開閉部材４を構成する材料には特に限定はなく、スリット３の内壁面と当接してスリット３を有効に閉鎖することができるものであれば金属や樹脂、エラストマー等やそれらを組み合わせたものなどを適宜用いることが可能である。
また、図示を省略するが、開閉部材４を自身の軸４ａ周りに回転又は回動させるためのモータ等の駆動装置は、翼２の内部に設けてもよく、飛行機の胴体の内部などに配置してもよい。

次に、本実施形態に係る揚力可変機構１の作用について説明する。
開閉部材４で翼２のスリット３を閉鎖した状態で飛行機が飛行すると（あるいは回転翼機のロータが回転すると）、図５（ａ）に示すように、翼２の下面２Ａに沿って気流αが流れ、上面２Ｂに沿って気流βが流れる。そのため、翼２に所定の揚力が発生する。
この場合、スリット３内には気流が流れず、翼２の下面２Ａ側と上面２Ｂ側でのみ気流α、βが流れるため、図５（ａ）に示した状態は、スリット３が設けられていない翼２で揚力が発生する状態と同じ状態である。

一方、その状態から開閉部材４が回転又は回動して翼２のスリット３を開放すると、図５（ｂ）に示すように、翼２の下面２Ａに沿って流れていた気流αの一部α１がスリット３内を流通し、スリット３を通り抜けて翼２の上面２Ｂ側に抜ける。
そのため、この場合も翼２に揚力が発生するが、翼２の下面２Ａに沿って流れスリット３内を通過する気流α１（気流αの一部）は、翼２のうちスリット３より前側の部分（スリット３の後縁２ｂを含む部分を仮想的に除去した場合の残りの部分）に作用して揚力を発生させる状態になる。

すなわち、翼２の下面２Ａに沿って流れスリット３内を通過する気流α１は、いわば翼２全体よりも小さく、翼断面形状が対象翼（翼弦線に対して上下対称な断面を持つ翼）に近似した翼に対して揚力を発生させる状態になる。
そのため、発生する揚力は、翼２の下面２Ａに沿って流れ続ける気流α（すなわちスリット３を通らない気流α。図５（ａ）参照）が発生させる揚力よりも小さくなる。

このように、本実施形態に係る揚力可変機構１では、開閉部材４によりスリット３を閉鎖すると（図５（ａ）参照）、翼２の下面２Ａに沿って流れる気流αがスリット３を通らずに翼２の下面２Ａに沿って流れ続けて翼２の後縁２ｂまで流れる。
そのため、翼２の下面２Ａに沿って流れる気流αにより翼２に所定の揚力が発生する。

一方、開閉部材４によりスリット３を開放すると（図５（ｂ）参照）、翼２の下面２Ａに沿って流れる気流αの一部がスリット３を通り、残りの気流α２はスリット３を通らずに翼２の下面２Ａに沿って流れ続けて翼２の後縁２ｂまで流れる。
そして、翼２の下面２Ａに沿って流れスリット３を通る気流α１が発生させる揚力は、スリット３を通らずに翼２の下面２Ａに沿って流れ続ける気流α２が発生させる揚力より小さい。

そのため、スリット３を開放した場合は、スリット３を通る気流α１が発生させる揚力がスリット３を通らない気流α２が発生させる揚力よりも小さくなる分、スリット３を閉鎖した場合（すなわち全ての気流αがスリット３を通らない場合）に比べて翼２に生じる揚力が小さくなる。
本実施形態に係る揚力可変機構１では、このように、開閉部材４によりスリット３を開放することで、翼２に生じる揚力を、スリット３を閉鎖した場合よりも減少させることが可能となり、スリット３の開閉により翼２に生じる揚力を変化させることが可能となる。

そして、後述する各実施形態においても同様であるが、本実施形態では、上記のようにスリット３を開放した際に翼２に生じる揚力が所定の揚力（スリット３を閉鎖した際の揚力）より小さくなるように変化させることで翼２に生じる揚力を変化させるように構成されている点に特徴がある。
また、スリット３の開閉により翼２における気流αの流れを変えることで翼２に生じる揚力を変化させるように構成されている点にも特徴がある。

以上のように、本実施形態に係る揚力可変機構１によれば、翼２の下面２Ａ側を流れる気流αの一部を上面側に流通させることが可能なスリット３を開閉部材４で開閉させることで翼２に生じる揚力を変化させることが可能となる。
そして、開閉部材４によるスリット３の開閉は、例えば本実施形態に示したように、棒状の開閉部材４を翼２の内部で自身の軸４ａ周りに回転又は回動させることで実現することができる。

このように、本実施形態に係る揚力可変機構１では、翼２の揚力を変化させる際に、従来のように飛行機の主翼の可動翼片（フラップ）を動かしたりヘリコプタのメインロータのブレードを回動（揺動）させるなど、比較的大きな部材を強い気流の中で動かす必要はなく、翼２の内部で棒状の開閉部材４を回転又は回動させるだけである。
そのため、本実施形態では、大きな部材を動かすことなく、航空機の翼で生じる揚力を変化させることが可能となる。

そして、従来のように大きな部材を強い気流の中で動かすと、それらを動かすためのアクチュエータや駆動源等に大きな負荷がかかりそれらの故障等の原因になり得るが、本実施形態では、翼２の内部で棒状の開閉部材４を回転又は回動させるだけであるため、故障等が生じにくい。
そのため、本実施形態に係る揚力可変機構１は、耐久性や信頼性に優れたものとなる。

なお、後述する各実施形態においても同様であるが、スリット３や開閉部材４（すなわち揚力可変機構１）を翼２の翼幅方向の全幅にわたって設けたり、翼端付近（図６（ａ）参照）や翼根付近（図６（ｂ）参照）にのみ設けるように構成することが可能である。
揚力可変機構１を設ける翼２の位置は適宜決められる。

また、例えば揚力可変機構１を飛行機の左右の主翼にそれぞれ設けた場合、左右の揚力可変機構１で開閉部材４によるスリット３の開閉を同時に行わせることで、左右の主翼の揚力を全体的に増減させることができる（フラップとしての機能）。
また、着陸時に左右のスリット３を同時に開放して揚力を減少させることも可能である（スポイラとしての機能）。

また、左右の揚力可変機構１で開閉部材４によるスリット３の開閉を別々に（あるいは逆位相で）行わせることで、飛行機にロール運動をさせることも可能である（補助翼（エルロン）としての機能）。
なお、飛行機に揚力可変機構１を設けるとともに、フラップ（可動翼片）やスポイラ、補助翼等を設けるように構成することも可能である。

以下の各実施形態は、スリット３を開閉する開閉部材４の構成が第１の実施形態と異なるだけであり、作用効果は第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

［第２の実施の形態］
上記の第１の実施形態では、開閉部材４を、翼２のうちスリット３より前側の部分に設ける場合について説明したが、図７に示すように、翼２のうちスリット３より後側の部分（スリット３の前縁２ａ（図１や図５（ｂ）参照）を含む部分を仮想的に除去した場合の残りの部分）に設けるように構成することも可能である。
このように構成しても、棒状の開閉部材４を回転又は回動させることでスリット３を開閉させることができ、上記の第１の実施形態と全く同様の有益な作用効果を奏することが可能となる。

［第３の実施の形態］
また、開閉部材４を、上記のように回転又は回動する部材とする代わりに、例えば図８に示すように、開閉部材４が、翼２の内部で、スリット３に向かう方向に移動してスリット３を閉鎖し、スリット３から離れる方向に移動してスリット３を開放するように構成することも可能である。
この場合、例えば、翼２の内部に棒状の開閉部材４を翼幅方向に延在するように配置し、かつ、スリット３に平行に配置し、開閉部材４をスリット３の方向に往復移動させるようにしてスリット３を開閉するように構成することができる。

なお、開閉部材４を直線状に往復移動させる代わりに、例えば円弧状等の軌道上を往復させるように構成することも可能である。
そして、この第３の実施形態のように構成しても、開閉部材４でスリット３を的確に開閉させることが可能となり、上記の第１の実施形態等と全く同様の有益な作用効果を奏することが可能となる。

［第４の実施の形態］
また、例えば図９（ａ）、（ｂ）に示すように、開閉部材４を蓋状の部材とし、スリット３の、翼２の下面２Ａ側の開口３Ａ及び上面２Ｂ側の開口３Ｂのうちのいずれか一方又は両方に設けるように構成することも可能である。
この場合、例えば、開閉部材４は平板状に形成され、スリット３の開口３Ａや開口３ＢでヒンジＨを介して揺動するようにしてスリット３を開閉するように構成することができる。

なお、ヒンジＨを介して開閉部材４を揺動させてスリット３を開閉する代わりに、例えば開閉部材４を翼２の下面２Ａや上面２Ｂに沿ってスライドさせるなどしてスリット３を開閉するように構成することも可能である。
そして、この第４の実施形態のように構成しても、開閉部材４でスリット３を的確に開閉させることが可能となり、上記の第１の実施形態等と全く同様の有益な作用効果を奏することが可能となる。

以上の各実施形態を組み合わせても構成することも可能である。
また、以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明が、上記の各実施形態等に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜変更可能であることは言うまでもない。

１ 揚力可変機構
２ 翼
２Ａ 下面
２ａ 翼の前縁
２Ｂ 上面
３ スリット
３Ａ 翼の下面側の開口
３Ｂ 翼の上面側の開口
４ 開閉部材
４Ａ 円筒面（径が長い部分）
４ａ 軸
４Ｂ 円筒面（径が短い部分）
４Ｃ 略平面状の面（径が短い部分）
Ｒ、ｒ 径
α 下面側を流れる気流
α１ 気流の一部

Claims (5)

1. 航空機の翼で生じる揚力を変化させることが可能な揚力可変機構において、
   前記翼に翼幅方向に延在するように形成され、前記翼の下面側と上面側にそれぞれ開口を有し、前記下面側を流れる気流の一部を前記上面側に流通させることが可能なスリットと、
   前記スリットを開閉させるための開閉部材と、
   を備え、
   前記開閉部材は、前記スリットを開放することで、前記翼に生じる揚力を、前記スリットを閉鎖した場合よりも減少させることを特徴とする揚力可変機構。
2. 前記スリットは、前記翼の下面側の開口が、前記翼の上面側の開口よりも前記翼の前縁寄りに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の揚力可変機構。
3. 前記開閉部材は、棒状に形成されており、前記翼の内部に翼幅方向に延在するように挿通され前記スリットに平行に配置されており、自身の長手方向に延在する軸周りに回転又は回動することで前記スリットを開閉させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の揚力可変機構。
4. 前記開閉部材は、前記翼の内部で、前記スリットに向かう方向に移動して前記スリットを閉鎖し、前記スリットから離れる方向に移動して前記スリットを開放するように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の揚力可変機構。
5. 前記開閉部材は、蓋状の部材であり、前記スリットの、前記翼の下面側の開口及び前記上面側の開口のうちのいずれか一方又は両方に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の揚力可変機構。

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