JP3740525B2 - 風擾乱予知システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、飛行中の航空機からその飛行経路前方の風擾乱および、その航空機の正確な対気速度を計測する手法並びにそのシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大気中を飛行する航空機は常に風の影響を受けており、風の急激な変化は、航空機事故の主要因のひとつとなっている。飛行経路前方のウインドシア、晴天乱流、ダウンバーストなどを操縦者が予め認識することにより、風擾乱を乗客に通知して注意を喚起したり、風擾乱を回避したり、激しい機体運動を低減させる操縦が可能となり、飛行安全に貢献することができる。計測した気流情報を、オートパイロットなどの制御システムに伝達して利用することも考えられる。一方、航空機の開発や改良の際には通常飛行実験を行うが、このときに基本特性データ取得のために、正確な対気速度を計測することが必須である。
【０００３】
風擾乱を検知したり、対気速度を計測する従来からの方法には次のようなものがある。
▲１▼ウインドシア警告装置
これは機体に取り付けた対気速度センサと慣性速度との比較から風を計算し、その変化量からウインドシアを推定する形態の装置、および電波を利用して前方の風擾乱を計測する形態の装置の２種類がある。
▲２▼地上観測装置
これは上空の風を観測するリモートセンサを地上に設置して、航空機の経路上の風を観測するもので、目的に応じて、音波を利用する方式、電波を利用する方式、光波を利用する方式があり、光波を利用する方式を風計測ライダと称する。▲３▼ピト一管
これは機体に搭載したピトー管により、空気の総圧及び静圧を測定して、その差の動圧から対気速度を求めるもので、このピト一管は、航空機の対気速度センサとしては最も普及している。
しかし、これら従来装置で測定される気流は進行方向のみである。従来のピト一管や電波で測定される気流は進行方向のみであるため、３次元的な風擾乱を計測することはできない。また、ウインドシア警告システムは認識しにくいという問題がある。すなわち、一部の大型航空機に搭載されているウインドシア警告装置は、予告なしに急に警告を発するため、認識が遅れるうえ信頼できる警告かどうかを確認することができない。また、どのような対処をするべきか判断する材料が少ない。そして、風計測ライダの光学系として一般的に使用されている円筒形のレンズは、航空機に搭載する際、突起が大きくなり空気力学的や構造的な影響が大きいため、搭載機や搭載箇所の制限が多いという問題もあった。更に、ピト一管には低速度域では使用できないという構造的な短所がある。すなわち、ピト一管で測定する動圧は、対気速度の２乗に比例するために、低速度域では測定誤差が大きくなる。したがって、ピトー管が利用できる速度は通常、20〜30ｍ／Ｓ以上である。さらに低速度であるとか、気流方向が機体軸線と大きく異なる場合には、測定自体が不可能となる。また、ピト一管などのように機体に直に取り付ける対気速度センサは、機体自身が気流を乱す影響で測定に誤差を生ずる。この誤差を位置誤差と称し、ピト一管にはこの位置誤差がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記したような従来装置がもつ様々な問題点を解決すること、すなわち、３次元的な風擾乱を計測することができ、従来のウインドシア警告システムのような予告なしの突然の警告ではなく、信頼できる警告かどうかを事前に確認することができ、どのような対処をするべきか判断しやすい形態で検知でき、そして、航空機に搭載する際、空気力学的や構造的な影響が少なく、更に、ピト一管では計測出来ない20〜30ｍ／Ｓ以下の速度、さらに気流方向が機体軸線と大きく異なる場合でも測定が可能で位置誤差を生じない計測システムを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の風擾乱予知システムは、ヘテロダイン受信器を内蔵したコヒーレント方式のレーザ風速計を航空機に搭載し、レーザ光を円錐状に走査しながら照射して、飛行中の機体前方の風擾乱領域からの散乱光を受光することにより、遠方の三次元的な気流の速度を計測する方式を採用した。また、計測した３次元の気流情報を上下風および前後風が機体に及ぼす影響を考慮して、上下風のみに換算して２次元に簡易化表示し、風擾乱について乱流強度および平均風に分解して表現するようにした。また、計測した気流情報を操縦者に伝達する際、擾乱の位置を距離ではなく、その擾乱に遭遇するまでの時間を基準として表示するようにし、風計測ライダの円筒状の光学系を一部切欠いて搭載性を向上させるようにした。
【０００６】
【発明の実施の形態】
現在、一部の大型航空機には、電波を利用したウインドシア警告装置が搭載されているものの、この装置で計測できるのは前後方向の気流成分だけで、上下風や横風を知ることができない。そのため本発明ではレーザ光を利用した風計測リモートセンサ(風計測ライダ)を応用して、該装置を航空機に装備し、レーザ光を円錐状に走査させながら照射すると共に大気中のエアロゾルに反射して返ってくる散乱光を受光することにより、３次元の気流成分を計測するようにした。また、従来のウインドシア計測システムは、異常時のみ警告を発する方式のため、警告が唐突で信頼性を確認する余裕がない。このため常時気流状況を表示して、警告を発する前に予測が出来るようにする。このときに気流を３次元で表現すると画面表示が複雑になり操縦者の負担が増加するため、上下風および前後風が機体に及ぼす影響を考慮して、上下風のみに換算して表示する。風擾乱の程度は、乱流強度および平均風を分離して、より多くの情報を操縦者に提供する。風計測ライダを航空機に搭載する場合、一般的な光学機器で使用される円筒形の光学部は、機体からの突起が大きくなるために搭載性の点で不利である。円形のレンズを半分に切って半月型にすれば、計測性能に大きな影響を及ぼすこと無く搭載性が向上し実用的である。
また、一般の航空機は、対気速度センサとしてピト一管を搭載しているが、このピトー管は対気速度の二乗に比例する動圧を測定するものであるため、低速域での対気速度は、測定誤差が大きいか、あるいは測定が出来ない。機体への取り付け位置に基く位置誤差も生ずる。これに対し風計測ライダの場合、低速側の制限はなく、負の速度の測定も可能である。遠方の気流を測定するために、位置誤差の影響も無いので、風計測ライダを、航空機に搭載することにより、前項の問題点を解決することが出来ると考えた。
【０００７】
以下に、小型航空機に風計測ライダを搭載して、前方の気流を計測する場合を例として、本発明の風擾乱予知装置について詳述する。一般的な小型航空機の巡航速度は100ｍ／Ｓ程度であるため、３ｋｍ遠方の気流が測定できた場合、30秒後にその気流に遭遇することが予想される。
図１は、ヘテロダイン方式の風計測ライダの原理を示す図である。ヘテロダイン方式では、図１に示すようにレーザ発振器１で発振されたレーザ光を送受信光学系２からレーザ光を放射して、その大気散乱光（以下信号光という。）を受信する。大気散乱光は、風速に応じたドップラーシフトにより波長が変化するために、装置内部の発振光と受信した信号光との間には波長のずれが生ずる。レーザ発振器１からの光はハーフミラー５と全反射ミラー６を介して一部が光検出器３に導かれ、送受信光学系２で受光した信号光と該光検出器３内でミキシングされる。発振光と信号光は波長が若干ずれているためビート信号を発生する。この波長のずれによるビート信号を制御処理部４で信号処理をして風速を求めることができる。すなわち、本発明はレーザドップラー速度計の原理的に基くものでレーザの照射を受ける被測定対象はエアロゾルすなわち大気中に浮遊する塵や水滴といった微粒子である。この微粒子は大気の流れと共に動くので該微粒子によって散乱された光を観測することで大気の流れを検知することが出来るのである。
【０００８】
図２は、レーザ光を航空機から機体軸前方方向へ円錐状に走査させることにより、気流成分を３次元方向に分解する手法を示す図である。ヘテロダイン方式の風計測ライダでは、レーザ光の放射方向の気流成分を計測するので、機体軸前後方向、横方向、上下方向に分解するためにレーザ光を円錐状に走査させる。レーザ光源からの照射レーザ光が該レーザ光源の位置を通る機体軸若しくはそれに平行な軸となす角（レーザ光の偏向角）をθ、レーザ光のバンク角（機体横軸となす角）をφとしたとき、該角θが充分に小さいか、気流の殆どが前後方向成分であるとすると、気流の前後方向成分は以下の式で求めることができる。
Ｕ＋ｕ＝(ΣＲ/Ｎ)cosθ （１）
横方向成分は、図３に示す通り以下の式で表される。
Ｖ＋ｖ＝｛Ｕ＋ｕ−Ｒcos(θcosφ)｝/tan(θcosφ) （２）
同様に上下方向成分は以下の式の通りである。
Ｗ＋ｗ＝｛Ｕ＋ｕ−Ｒcos(θsinφ)｝/tan(θsinφ) （３）
ただし、
Ｕ:対気速度の前後方向成分（図３において上下方向）
Ｖ:対気速度の横方向成分（図３において左右方向）
Ｗ:対気速度の上下方向成分（図３において紙面表裏方向）
ｕ:風擾乱の前後方向成分
ｖ:風擾乱の横方向成分
ｗ:風擾乱の上下方向成分
Ｒ:レーザ光照射方向の計測速度
θ：レーザ光の偏向角
φ：レーザ光のバンク角（機体横軸となす角）
Ｎ:計測回数
【０００９】
３次元の気流情報のままでは機体への影響について把握し難いため、本発明では前後風が揚力に及ぼす影響を同様な影響を引き起こす上下風に換算して報知する。すなわち、３次元の気流情報を２次元に簡易化するのである。
対気速度をＵとし、空気密度をρ、揚力係数をＣ_Ｌとし、主翼の面積をＳとすれば一般に揚力(Ｌ)は、以下の式で求められる。
Ｌ＝(1/2)ρＵ^２Ｃ_ＬＳ （４）
この状態で前後風(ｕ)を受けた場合の揚力(Ｌ')は、以下の式で求められる。
Ｌ'＝(1/2)ρ(Ｕ＋ｕ)^２Ｃ_ＬＳ （５）
同じく上下風(ｗ)を受けた場合の揚力(Ｌ")は、以下の通りである。
Ｌ"＝(1/2)ρ^２Ｃ_Ｌα(α＋ｄα)Ｓ （６）
ただし、Ｃ_Ｌαは揚力傾斜であり、迎角変化ｄαは＝tan^−１(ｗ/Ｕ)である。以上の揚力変化が同一であるとし、揚力傾斜Ｃ_Ｌαを各航空機毎に固有の定数で近似すると、以下の式で前後風を上下風に換算することができる。
ｗ＝tan[{(1＋(ｕ/Ｕ)^２)/Ｃ_Ｌα}−α]Ｕ （７）
このとき、主翼迎角(α)を以下のように対気速度(ｖ)の関数として表すことにより、主翼迎角を計測する必要がなくなる。
α＝２Ｆ/ρｖ^２Ｃ_ＬαＳ （８）
ただし、ここでＦは機体重量である。
【００１０】
次に、風擾乱を乱流強度および平均風に分解して表現する方式について説明する。
まず、乱流強度(Ｇ)を以下の式で定義する。
Ｇ＝(δｕ^２＋δｖ^２＋δｗ^２)^１／２ （９）
ただし、ここでδは一定時間内の変動量を表す。
乱流強度は、一例としてシートベルトを装着していなければ、事故が生ずる可能性がある乱流強度に対して赤、機体が激しく揺れるが、揺れが直接事故につながる可能性のない乱流強度は黄、上記以外の乱流強度は緑とするというような基準でレベル分けし色表示して利用すると分かり易い。
平均風は、風擾乱の前後方向成分平均値をｍｕ、風擾乱の横方向成分平均値を
ｍｖ、風擾乱の上下方向成分平均値をｍｗと表して以下の式で定義する。
ｍｕ＝Σｕ/Ｎ （10）
ｍｖ＝Σｖ/Ｎ （11）
ｍｗ＝Σｗ/Ｎ （12）
Ｎは計測回数で、ウインドシアを認識するためには１秒程度の平均を取るようなＮを設定する必要があると予想され、最終的には実験により決定されるべき数値である。
計測した気流情報を操縦者に伝達する際、風擾乱の位置を距離で表現した場合には、自機の飛行速度から遭遇時間を計算する必要があるため、操縦者の負担が大きい。したがって、その風擾乱に遭遇するまでの時間を基準として表示するのが有利である。測定した風擾乱に遭遇するまでの時間(t)は、測定した風擾乱までの距離をｄとし、対気速度の前後方向成分をＵとすれば以下の式で表される。
ｔ＝ｄ/Ｕ （13）
また、本発明ではライダ光学部の搭載性を向上させるために、レンズを半月型に切断して光学系を構成する。円形レンズと比較すると同じ面積の半月レンズは、搭載の際の出っ張りが約７０％となる。このため、光学部の存在による気流の乱れは少なく、空気力学的、構造的な搭載条件が緩やかになる利点がある一方で、有効面積が同じであれば集光率が同じとなるために計測器としての性能に大差はない。しかもレーザ光は波長が単一であるため色収差は生じない。
【００１１】
【実施例１】
図４は、小型航空機に本発明の風計測ライダを搭載した状態を示す。光学部の搭載位置は本実施例では図のような機首側面としたが、これに限らず、胴体下面や主翼下面なども考えられ、個々の機体によって搭載しやすい場所に搭載することが可能である。光学部以外の制御部やデータ処理部は、別途機内に搭載する。風計測ライダには、低速域の計測制限がないので、ヘリコプタなどの低速航空機でも使用することができる。レーザは気象状態の影響を受け難く網膜に対する安全性の高い赤外線帯域のものがよく、この例では1.5μｍ帯のレーザを使用している。レーザビームの走査方法は偏向角θを一定としバンク角φを一定速度値で回転させる方式を採用した。エアロゾルによって散乱され、戻ってきた信号光と発振光とをミキシングするのであるが、測定領域は数ｋｍまでと設定され、受光する信号光には機体直前から設定ｋｍまでの距離間で散乱された光が重畳されている。その間に擾乱領域が無ければ信号光は対気速度に対応したドップラーシフト分だけ発振光に対して周波数がずれている。ところが、ある時から周波数に変化が生じたとするとそれは設定ｋｍ先の領域に擾乱領域があるということになる。そしてその領域は対気速度に応じて接近してくることになり、その後の信号光はその擾乱領域情報にその先の領域の気流状況が順次重畳されて受信されることになる。この種のデータ処理についてはドップラー式レーダの技術が適用でき、所望の気流成分が抽出できる。
図５は、この実施例で用いた操縦者に風擾乱を認識させるためのモニタ表示であって、数字は機体が気流の該計測領域に達するまでの秒数（距離／速度）を示し、本例では計測領域を５分割して表示している。縞状の部分は風速強度と風向とを示すようにしてあり、平均風に比例した速度で縞が移動し、下からの風の場合横縞が上に移動し、右からの風の場合は縦縞が左に移動する。前後風は前述した方法により、上下風に換算して重畳表示する。縞の色は乱流強度の程度を表し、赤は危険、黄は注意、緑は安定状態を示すものとなっている。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の風擾乱予知システムは、ドップラー効果を利用したレーザ風速計を航空機に搭載し、レーザ光を円錐状に走査しながら照射して、飛行中の機体前方の風擾乱領域からの散乱光を受光することにより、遠方の３次元的な気流の速度を計測するものであるから、航空機の操縦者は飛行中に前方の風擾乱を予知することが出来、その風擾乱を回避したり、着陸進入を断念したり、乗員乗客に注意を喚起する目的で使用することにより、飛行安全に貢献することができる。その上ピトー管のような位置誤差がなく、低速域でも精度劣化がないセンサとして使用できる。
また、３次元の気流情報の内、前後風が揚力として機体に及ぼす影響を考慮してこれを上下風の影響に換算し、該換算値を上下風情報に重畳することで２次元に簡易化表示する風擾乱予知システムであるから、操縦者に負担が少ない。そして、風擾乱を乱流強度および平均風に分解して表現するようにすることで、より多くの情報を提供することが可能となる。そして、乱流強度を色別表示とし平均風情報のうち風向きを縞模様の移動方向で風速を移動速度で表示する形態を採用すれば、風擾乱情報を一目瞭然に把握することができる。
【００１３】
本発明の航空機用風擾乱予知システムは、計測した気流情報から擾乱の位置を距離ではなく、航空機がその擾乱に遭遇するまでの時間を基準として表示するようにしたので、乗客への注意などその対応が容易となる。そして、表示領域を遭遇時間領域毎に区分し、各表示領域には遭遇時間領域の乱流強度および平均風情報を表示する形態とすることにより、より状況の把握が容易となる。
更に、本発明の風擾乱予知システムでは風計測ライダの円筒状の光学系を一部切欠いた形態で装備すれば、計測性能に大きな影響を与えること無く搭載性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なヘテロダイン方式風計測ライダの原理を説明する図である。
【図２】本発明による気流の３次元成分算出方式の形態を示す概念図である。
【図３】本発明による気流の３次元成分算出方式の計算式を説明する図である。
【図４】本発明による非円筒形状の風計測ライダ光学部を機首側壁に搭載した例を示す図である。
【図５】本発明の実施例で採用した風擾乱状態の表示形態を示した図である。
【符号の説明】
１ レーザ発振器 Ｒ レーザ光照射方向の計測速度
２ 送受信光学系 θ レーザ光の偏向角
21 風計測ライダ光学部 φ レーザ光のバンク角
３ 光検出器 Ｕ 対気速度の前後方向成分
４ 制御処理部 Ｖ 対気速度の横方向成分
５ ハーフミラー ｕ 風擾乱の前後方向成分
６ 全反射ミラー ｖ 風擾乱の横方向成分
10 航空機機体
11 機体軸

Claims (4)

1. ヘテロダイン受信器を内蔵したコヒーレント方式のレーザ風速計を航空機に搭載し、レーザ光を円錐状に走査しながら照射して、飛行中の機体前方の風擾乱領域からの散乱光を受光することにより、遠方の３次元的な気流の速度を計測するものであって、３次元の気流情報の内、前後風が揚力として機体に及ぼす影響を考慮してこれを上下風の影響に換算し、該換算値を上下風情報に重畳することで２次元に簡易化表示することを特徴とする航空機用風擾乱予知システム。
2. 風擾乱を乱流強度および平均風に分解し、乱流強度を色別表示とし平均風情報のうち風向きを縞模様の移動方向で風速を移動速度で表示する請求項１に記載の航空機用風擾乱予知システム。
3. 計測した気流情報から擾乱の位置を距離ではなく、航空機がその擾乱に遭遇するまでの時間を基準として表示する請求項１または２に記載の航空機用風擾乱予知システム。
4. 表示領域を遭遇時間領域毎に区分し、各表示領域には遭遇時間領域の乱流強度および平均風情報を表示するものである請求項３に記載の航空機用風擾乱予知システム。

Images