JP3472835B2

JP3472835B2 - 動的風洞試験装置

Info

Publication number: JP3472835B2
Application number: JP2001360075A
Authority: JP
Inventors: 和宏堀江; 裕美子山口; 敬太後藤
Original assignee: 防衛庁技術研究本部長
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2001-11-26
Publication date: 2003-12-02
Anticipated expiration: 2021-11-26
Also published as: JP2003161671A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、動的風洞試験装置
に関し、回転運動に伴う位置変位量が大きい場合におい
ても風試模型が風洞計測部から逸脱することがなく風試
模型の大規模運動模擬を可能とし、高精度な位置の保持
を可能として試験人員も少なくすることができるもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来の動的風試模型は、航空機の模型を
風洞の計測部内の空間にケーブル等で配置し、風洞から
発生する気流により空間に浮かせ、風洞内でフリーフラ
イト状態を作り出し、動的風試模型の６自由度運動を模
擬していた。図７は動的風試模型のフリーフライトの状
態を示す説明図であり、風試模型５０は気流６０により
風洞内の計測部の空間に浮いており、機体の重心５１を
中心としてピッチＰ、ヨーＹ、ロールＲ、前後方向Ｆ、
左右方向Ｌ、上下方向Ｕの６自由度の運動模擬を行い、
航空機の動的模擬試験がなされている。

【０００３】上記の６自由度運動模擬は航空機の機体の
各種の空力的性能試験が可能であるが、回転運動に伴う
位置変位が大きい場合には、狭い風洞計測部内の空間か
ら模型が逸脱してしまい、回転運動模擬範囲には制限が
ある。即ち、風洞の計測部の空間は、一例として３．３
ｍ×３．３ｍの空間であり、その中に飛行する模型は長
さが１ｍ〜１．６ｍ程度、幅も１ｍ程度の大きさ、重さ
は１７ｋｇ程度であり、その移動範囲もおのずと制限が
あり、大きな変位量には対応できず、模型の風洞構造部
への接触等により破損が生じてしまう。

【０００４】上記の６自由度運動模擬は航空機の機体の
各種の空力的性能試験が可能であるが、模型制御初期条
件（風速、推力等）設定までの間の模型の挙動を何らか
の方法で制御する必要があり、模型にケーブル、ひも等
を取付けて模型挙動を拘束する場合には、フリーフライ
ト移行時には、ケーブル、ひも等をゆるめる必要があ
り、この場合には大きな外乱が入る可能性が高い。ま
た、積極的に飛行を制御する場合には、別途離陸専用の
複雑な制御システムを検討しなければならず、簡略な方
法では不可能である。

【０００５】また、航空機の模型の動的風洞試験におい
ては、風洞内に模型を配置し、気流を流して各種、空力
試験を実施している。図５は米国で行われている動的風
洞試験設備の斜視図であり、風洞前部５２０と風洞後部
５２１との間の計測部には気流６０により揚力を受けて
航空機の風試模型５２２が自由飛行している。模型５２
２には制御用の電線やセンサからの信号線を伝送するケ
ーブル５２３の一端が接続され、ケーブル５２３の他端
はコンピュータ５２５へ接続されている。また、模型５
２２には安全ケーブル５２４が接続され、万一、模型５
２２の挙動が不安定となっても、風洞外へ飛び出さない
ようにしている。

【０００６】上記の風洞試験においては、試験時には、
安全ケーブルのオペレータ５３０、風洞オペレータ５３
１、ピッチ操作オペレータ５３２、推力操作オペレータ
５３３、ロール操作オペレータ５３４等の多くのオペレ
ータが試験を実施している。

【０００７】図６は従来の動的風洞試験設備の斜視図で
あり、主に国内で実施している例である。図において、
風洞５４０内には航空機の風試模型５４１がケーブルで
空間部に保持され、気流６０を受けるようになってい
る。模型５４１は前方ケーブル５４２の途中により前部
が取付けられ、前方ケーブル５４２は一端が風洞内の固
定部５４４に固定され、他端はプーリ５４３を介して基
礎へ固定されている。また、模型５４１の後部には後方
ケーブル５４５の一端が取付けられ、後方ケーブル５４
５の他端はプーリ５４６を介して基礎に弾性力を付与し
て固定されている。模型５４１の風洞側面には２台のＴ
Ｖカメラ５４８ａ，５４８ｂが装備され、カメラからの
信号は電線５４９で位置計測装置５５０へ接続されてい
る。模型５４１には、模型の姿勢制御用の電線やセンサ
へ接続される電線からなるケーブル５４７の一端が接続
され、ケーブル５４７の他端は制御用の計算機５５１へ
接続されている。この例では模型５４１をケーブル５４
２，５４５で支持して試験を行っているが、模型５４１
を上下位置保持装置で支持し、ピッチ姿勢の変化を可能
とした試験も行われている。

【０００８】上記に説明した従来の動的風洞試験におい
ては、図５の例では試験人員が多数必要であり、操縦に
熟練が必要となる。また、人の反応速度は遅く、模型、
風洞が大規模になり、試験の再現性や試験効率も悪い。
また、図６の例では、ケーブルで模型を支持しているの
で、前後、左右の移動に対応できず、高い迎角の試験も
難しくなる等の問題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述のように従来の航
空機の動的風試模型による風洞試験では回転運動に伴う
位置変位量が大きいと、狭い風洞計測部から模型が逸脱
してしまい、その位置変位量が大きい回転運動には模擬
範囲が制限されてしまい大規模な運動模擬ができなかっ
た。また、計測部から模型が逸脱すると高価な模型が風
洞の構造部へ接触して破損することもあり模型の取り換
えが生じてしまい、効率的な風洞試験の障害となってし
まう。

【００１０】また、前述のように従来の航空機の模型に
よる動的風試フリーフライトへの移行は、ケーブルやひ
も等により模型を拘束しておき、フリーフライト移行時
にケーブルやひもをゆるめて模型のフリーフライトへの
制御を開始しているが、このような方式では、ケーブル
やひもをゆるめる際に模型の挙動に大きな外乱が加わっ
てしまう可能性があり、模型制御初期における正確な試
験結果が得られない、という課題があった。

【００１１】また、前述のように、従来の動的風洞試験
においては、自由飛行をさせる図５の例では試験に多く
の人員を必要とし、人員の熟練度も必要となる。また、
ケーブルで模型を支持する図６に示すような試験設備で
は、模型の動きに自由度がなく、前後、左右の動きに対
応できず、高迎角の姿勢の保持ができず、試験の適用範
囲が制限されてしまう。

【００１２】そこで本発明は、風試模型を３軸で回転可
能なジンバル機構を用いて支持する構成とし、模型の位
置を拘束することにより模型の逸脱を回避し、回転運動
模擬範囲の制限を大幅に緩和することができる動的風洞
試験装置を提供することを課題としてなされたものであ
る。

【００１３】本発明のその他の目的や新規な特徴は後述
の実施の形態において明らかにする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の課題を解
決するために次の（１）〜（２）の手段を提供する。

【００１５】（１）風洞の計測部空間に配置した風試模
型の重心に取付けられ直交する３軸を中心として回転可
能なジンバル機構と、前記計測部空間の下方基礎部から
立設し前記ジンバル機構を支持する支持棒と、該支持棒
に設けられ該支持棒に加わる上下、前後及び左右方向の
力を計測する力計測センサとを備えてなることを特徴と
する動的風洞試験装置。

【００１６】（２）風洞の計測部空間に配置した風試模
型の重心に取付けられ直交する３軸を中心として回転可
能なジンバル機構と、前記計測部空間の上方固定部から
懸吊し前記ジンバル機構を支持する支持棒と、該支持棒
に設けられ当該支持棒に加わる上下、前後及び左右方向
の力を計測する力計測センサとを備えてなることを特徴
とする動的風洞試験装置。

【００１７】本発明の（１）においては、風試模型の重
心にはジンバル機構が取付けられており、ジンバル機構
は支持棒で支持されているので、模型は直交する３軸を
中心として３自由度の回転が可能である。従って、風試
模型はピッチ、ロール、ヨー方向に自由に回転し、飛行
条件に応じて任意の姿勢が可能となる。風試模型は、そ
の位置が支持棒により拘束され移動しないので、回転運
動に伴う位置変位量が大きくなっても計測部から逸脱す
ることが防止され回転運動模擬範囲の制限が大幅に緩和
される。また、支持棒に加わる上下、前後及び左右の力
は力計測センサで計測され制御部へ送られるので、制御
部において模型に加わる力が推定され機体の並進運動も
推定でき、従来のように風洞内のフリーフライトでは模
型が風洞計測部から逸脱して大規模な運動模擬が不可能
であるような場合でも、本発明の（１）ではこのような
大規模な運動模擬が可能となる。

【００１８】本発明の（２）では、風試模型は上方から
懸吊されているが、その他の構成は（１）の発明と同じ
構成である。従って、風試模型はジンバル機構によって
３自由度の回転が可能であり、その位置も支持棒で拘束
されているので、（１）の発明と同様に回転運動に伴う
位置変位量が大きい場合にも模型が計測部から逸脱する
ことがなく、回転運動模擬運動範囲の制限が大幅に緩和
される。また、力計測センサが支持棒に加わる力を計測
するので、機体の並進運動も推定でき、従来のフリーフ
ライトでは模型が逸脱して大規模な運動模擬が不可能な
場合にも、大規模な運動模擬が可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に基づいて具体的に説明する。

【００２０】図１は本発明の第１の実施の形態であっ
て、動的風洞試験装置における３自由度運動模擬機構の
構成図である。図において、５０は風試模型であり、従
来と同じく航空機の縮小模型である。風試模型５０は風
洞前部７０と風洞後部７２との間の計測部７１内へ配設
されている。風試模型の寸法の一例としては計測部７１
の空間部が３．３ｍ×３．３ｍ、模型５０の長さが１．
６ｍ、幅が１．０ｍ、重さが１７ｋｇ程度の大きさであ
る。

【００２１】１はジンバル機構であり、後述するよう
に、互いに直交する３軸を中心として３自由度の回転が
可能な構造であり、風試模型５０の重心５１に３軸の中
心が一致するように取り付け配置されている。２は支持
棒で、風試模型５０をジンバル機構１を介して支持する
棒であり、支持棒２は下方支持装置４により基礎６１に
支持され、垂直に立設している。３は力計測センサ（天
秤）であり、支持棒２の途中に取付けられ、支持棒２に
加わる上下方向、前後方向及び左右方向の力をそれぞれ
計測する。

【００２２】上記構成の動的風洞試験装置の３自由度運
動模擬機構において、風洞前部７０からの気流６０は計
測部７１へ向かって流れており風試模型５０は、その気
流により受ける揚力と共に、図示省略の模型の主翼、尾
翼の舵面操作により、それぞれジンバル機構１を中心と
してロールＲ、ピッチＰ、ヨーＹの回転を行い動的風洞
試験がなされる。この場合には風試模型５０は、支持棒
２により下方支持装置４を介して基礎６１に固定されて
いるので、移動することなくジンバル機構１を中心とし
て３軸方向にのみ回転することになる。

【００２３】また、支持棒２には力計測センサ３が取付
けられており、この力計測センサ３は風試模型５０が３
軸で回転した時に支持棒２が受ける上下方向、前後方向
及び左右方向の力をそれぞれ計測し、図示していない制
御装置へ送り、その時の模型が受ける力を推定すること
ができる。なお、支持棒基部を固定支持する下方支持装
置４は風洞前部７０と風洞後部７２とで形成される気流
６０の流路よりも下方に設け気流の邪魔にならないよう
な配置としている。

【００２４】図２は第１の実施の形態に係る動的風洞試
験装置の３自由度運動模擬機構を用いた全体のシステム
構成図である。図において、風試模型５０は図１に示し
たように計測部７１に配置され、支持棒２で下方支持装
置４を介して基礎６１に支持されている。計測部７１の
前後両側には基礎６１から柱を立設した架台４０が配設
され、架台４０の上部にはコネクタ４２が設けられた配
線・配管用支持台４１が取付けられている。コネクタ４
２には風試模型５０への配線・配管からなるアンビリカ
ルケーブル４３が接続されている。４４，４５，４６は
拘束索であり、万一風試模型５０が支持棒２から外れた
時の安全用の索で、通常はたるんでいる。４７はカメラ
であり風試模型５０の位置を２台のカメラで測定してい
る。

【００２５】また、コネクタ４２へはアンビリカルケー
ブル４３へ接続する空気供給管３０が接続され、空気供
給管３０は制御バルブ３１、遮断弁３２、空気供給管３
３を通して高圧空気源３４へ接続されている。また、コ
ネクタ４２には、後述するようにアンビリカルケーブル
４３へ接続される制御装置２１からの配線が接続されて
いる。空気供給管３０からの空気は風試模型５０後部よ
り噴出され、推力を得るものであり、また、制御装置２
１からの電気信号は風試模型５０内のモータやアクチュ
エータを制御するものである。

【００２６】上記構成の機構において、飛行制御装置２
０は風試模型５０の各種飛行条件の指令を制御装置２１
へ送る。制御装置２１は飛行制御装置２０からの指令に
基づいてバルブ制御装置２３へ信号を送り、バルブ制御
装置２３は遮断弁３２の開閉、制御バルブ３１の弁開度
を制御して設定された飛行条件において空気の流量を制
御し、また、制御装置２１はコネクタ４２を介して制御
信号を送り、模型内部のモータやアクチュエータを制御
し、これら空気と電気信号により風試模型５０の主翼、
尾翼の可動翼（つまり舵面）を動かし、風試模型５０の
ロールＲ、ピッチＰ、ヨーＹの各回転を飛行条件に応じ
て制御する。また、制御装置２１は２台のカメラ４７が
取り込んだ風試模型５０の位置信号を位置計測装置２２
から受け、これを飛行制御装置２０へ送る。更に、制御
装置２１は前述のように、力計測センサ３からの信号を
取込み、この信号は支持棒２に加わる上下、前後及び左
右方向の力の信号であり、これら信号を飛行制御装置２
０へ送る。

【００２７】図３は上記の風試模型５０に用いるジンバ
ル機構１の一例を示す詳細図であり、（ａ）は側面図、
（ｂ）は正面図である。両図において、１１はピッチ軸
であり、１２はロール軸、１３はヨー軸である。１４は
ブラケットであり、下面にヨー軸１３が固定され、ヨー
軸１３は軸受１６内でヨー方向に回転自在に支持されて
いる。１５は軸支持部であり、ロール軸１２を回転自在
に保持し、ロール軸１２をロール方向Ｒに回転自在に支
持すると共に、ブラケット１４内にピッチ軸１１を中心
にピッチ方向Ｐへ回転自在に支持されている。支持棒２
の先端は軸受１６に固定されヨー軸１３を介してジンバ
ル機構１全体を支持している。前記ロール軸１２に模型
５０が取り付けられる。

【００２８】上記構成のジンバル機構１を風試模型５０
の重心５１へ組み込んでピッチ軸１１とロール軸１２の
中心に前記重心５１を一致させ、支持棒２で風試模型５
０を支持し、動的風洞試験を行うと、風試模型５０は計
測部７１内へ３自由度運動を可能にして固定、支持する
ので、風試模型５０の位置が拘束され、風試模型５０の
計測部７１からの逸脱が防止され回転運動模擬範囲の制
限の大幅な緩和がなされる。

【００２９】以上説明の第１の実施の形態によれば、風
試模型５０をジンバル機構１と支持棒２で支持すること
により、風試模型５０の計測部７１からの逸脱が防止さ
れて回転運動模擬範囲の制限が大幅に緩和される。ま
た、力計測センサ３により風試模型５０に加わる上下方
向、前後方向及び左右方向の力が測定されるので、これ
を飛行制御部２０（図２参照）に取込み、従来の風洞内
フリーフライトでは風洞計測部７１からの模型の逸脱の
ため不可能であった大規模運動模擬が可能となる。

【００３０】図４は本発明の第２の実施の形態に係る動
的風洞試験装置の３自由度運動模擬機構を示す構成図で
あり、第１の実施の形態では風試模型を下から支持した
構成から第２の実施の形態では風試模型を上方より吊り
下げて支持する方式としたものである。

【００３１】即ち、図４において、風試模型５０の重心
５１には、ジンバル機構１が組み込まれており、ジンバ
ル機構１は、支持棒８２により支持棒支持部８４を介し
て計測部空間の上方固定部としての架台４０に取付けら
れている。つまり、風試模型５０は架台４０上部から支
持棒８２により垂直に懸吊される構成である。その他の
構成は前述の第１の実施の形態と同様であり、同一又は
相当部分に同一符号を付して説明を省略する。この第２
の実施の形態においても、第１の実施の形態のものと同
様の作用効果が得られるものである。

【００３２】なお、上記の第２の実施の形態において
は、図３に示すジンバル機構１を用いる場合には、ジン
バル機構１を介して支持棒２から風試模型５０が懸吊す
るため、図３に示す軸受１６とヨー軸１３とは脱落防止
のための係止部が必要となり、例えば、ヨー軸先端に軸
径よりも大径となるフランジを設け、軸受１６の溝内
に、拡大溝部を設けて、ヨー軸が回転自在に軸受と係合
するようにすれば良い。

【００３３】また、上記に説明の図３に示すジンバル機
構１は、この構造に限定するものではなく、直交する３
軸でそれぞれ回転可能とする構造であれば、どのような
構造の機構でも良いものである。

【００３４】以上、本発明の実施の形態について説明し
てきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の
記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは
当業者には自明であろう。

【００３５】

【発明の効果】本発明の（１）に係る動的風洞試験装置
は、風洞の計測部空間に配置した風試模型の重心に取付
けられ直交する３軸を中心として回転可能なジンバル機
構と、前記計測部空間の下方基礎部から立設し前記ジン
バル機構を支持する支持棒と、該支持棒に設けられ該支
持棒に加わる上下、前後及び左右方向の力を計測する力
計測センサとを備えてなることを特徴としている。

【００３６】上記の構成により、風試模型はピッチ、ロ
ール、ヨー方向に自由に回転し、飛行条件に応じて任意
の姿勢が可能となる。風試模型は、その位置が支持棒に
より拘束され移動しないので、回転運動に伴う位置変位
量が大きくなっても計測部から逸脱することが防止され
回転運動模擬範囲の制限が大幅に緩和される。また、支
持棒に加わる上下、前後、左右の力は力計測センサで計
測され制御部へ送られるので、制御部において模型に加
わる力が推定され機体の並進運動も推定でき、従来のよ
うに風洞内のフリーフライトでは模型が風洞計測部から
逸脱して大規模な運動模擬が不可能であるような場合で
も、本発明の（１）ではこのような大規模な運動模擬が
可能となる。

【００３７】本発明の（２）の動的風洞試験装置は、風
洞の計測部空間に配置した風試模型の重心に取付けられ
直交する３軸を中心として回転可能なジンバル機構と、
前記計測部空間の上方固定部から懸吊し前記ジンバル機
構を支持する支持棒と、該支持棒に設けられ該支持棒に
加わる上下、前後及び左右方向の力を計測し制御部へ送
る力計測センサとを備えてなることを特徴としている。

【００３８】上記の構成により、風試模型はジンバル機
構によって３自由度の回転が可能であり、その位置も支
持棒で拘束されているので、（１）の発明と同様に回転
運動に伴う位置変位量が大きい場合にも模型が計測部か
ら逸脱することがなく、回転運動模擬運動範囲の制限が
大幅に緩和される。また、力計測センサが支持棒に加わ
る力を計測するので、機体の並進運動も推定でき、従来
のフリーフライトでは模型が逸脱して大規模な運動模擬
が不可能な場合にも、大規模な運動模擬が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る動的風洞試験
装置であって、模擬機構の構成図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係る模擬機構を用
いた風洞試験の全体のシステム構成図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態に係る模擬機構に適
用されるジンバル機構を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）
は正面図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係る動的風洞試験
装置の構成図である。

【図５】従来の風洞試験設備の一例を示す斜視図であ
る。

【図６】従来の風洞試験設備の他の例を示す斜視図であ
る。

【図７】航空機の動的風試模型の６自由度運動模擬の一
般的な説明図である。

【符号の説明】

１ジンバル機構２，８２支持棒３力計測センサ４下方支持装置１１ピッチ軸１２ロール軸１３ヨー軸１４ブラケット１５軸支持部１６軸受２０飛行制御装置２１制御装置２２位置計測装置２３バルブ制御装置３０，３３空気供給管３１制御バルブ３２遮断弁３４高圧空気源４０架台４１配線・配管用支持台４２コネクタ４３アンビリカルケーブル４４，４５，４６拘束索４７カメラ５０風試模型５１重心６０気流６１基礎７０，５２０風洞前部７１計測部７２，５２１風洞後部８４支持棒支持部５２３ケーブル５２４安全ケーブル５２５コンピュータ５３０安全ケーブルのオペレータ５３１風洞オペレータ５３２ピッチ操作オペレータ５３３推力操作オペレータ５３４ロール操作オペレータ５４０風洞５４２前方ケーブル５４３，５４６プーリ５４４風洞内の固定部５４５後方ケーブル５４７ケーブル５４８ａ，５４８ｂＴＶカメラ５４９電線５５０位置計測装置５５１計算機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平９−72822（ＪＰ，Ａ) 特開平３−137537（ＪＰ，Ａ) 特開平４−70535（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01M 9/08 G01L 5/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】風洞の計測部空間に配置した風試模型の
重心に取付けられ直交する３軸を中心として回転可能な
ジンバル機構と、前記計測部空間の下方基礎部から立設
し前記ジンバル機構を支持する支持棒と、該支持棒に設
けられ当該支持棒に加わる上下、前後及び左右方向の力
を計測する力計測センサとを備えてなることを特徴とす
る動的風洞試験装置。
【請求項２】風洞の計測部空間に配置した風試模型の
重心に取付けられ直交する３軸を中心として回転可能な
ジンバル機構と、前記計測部空間の上方固定部から懸吊
し前記ジンバル機構を支持する支持棒と、該支持棒に設
けられ当該支持棒に加わる上下、前後及び左右方向の力
を計測する力計測センサとを備えてなることを特徴とす
る動的風洞試験装置。