JP3942570B2

JP3942570B2 - 長期間滞空機とその飛行制御システムならびにその通信および観測システム

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Publication number: JP3942570B2
Application number: JP2003316722A
Authority: JP
Inventors: 浜木井之口; 公雄浅香; 嘉仁平野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: JP2005082018A

Description

本発明は、航空機の飛行システムおよびその飛行システムを搭載した航空機ならびにこのような航空機を利用した通信および観測システムに関するものであり、特に本発明の航空機の飛行システムは長期間滞空する無人長期間滞空機に適したシステムに関するものである。本明細書で通信システムとは陸上、海上、航空間相互の通信の中継機能を備えたものを意図している。また、観測システムとは上空大気の成分観測および上空からの宇宙、地上（海上）観測、監視を意図している。

現在上空からの観測や上空での通信中継には人工衛星を用いることが一般的であるが、通信あるいは観測用の人工衛星は、ロケットで打ち上げ、宇宙空間の軌道を周回させるものである。地球の自転と同じ早さで赤道上を公転し、地球から見て常に同じ方向に見える衛星を特に静止衛星と呼び、広く利用されているが、静止衛星は高度約３万６０００ｋｍの赤道上軌道となるため、地上との通信に利用する場合、伝搬距離が長くなるため電波の減衰が大きい。距離を短くしようと低軌道にするとその人工衛星は地球から見て静止状態とはならないので、安定した通信のためには多数の衛星が必要となる。また、希薄ながらも大気が存在しその抵抗により速度が低下して落下するため寿命が短いという問題もある。さらに、これら人工衛星は再利用ができず、打ち上げも含めると莫大な資金が必要となることが問題となっている。

これに対して成層圏に飛行船ないし航空機を滞空させる成層圏プラットホームは、飛行高度が２０ｋｍ程度であるため上記通信上の欠点はなく、高分解能な観測も可能であることから、上空における通信中継基地或いは観測基地として有利な条件を備えている。また、離着陸が可能であることから再利用が可能であり、人工衛星に比べて格段に経済的である。以上の理由から、成層圏プラットホームに用いる飛行船や太陽電池をエネルギー源とした無人航空機の開発が今注目され、非特許文献１や非特許文献２において紹介されているところである。
三浦龍、鈴木幹雄、西祐一郎；「成層圏滞空無人ソーラプレーンを使った通信・放送実験」、独立行政法人通信総合研究所第１０３回研究発表会講演予稿集、2002年12月江口邦久、横幕良生、森幹彦；" Overview of Stratospheric Platform Airship R&D Program of Japan", 14th AIAA Lighter-than-Air Technical Committee Convention & Exhibition, 2002年7月

しかし、飛行船を用いて成層圏プラットホームを実現する場合は、各種機器を搭載するためには重量が増加するので極めて巨大な飛行船を必要とし、風の影響を強く受けるために定点に滞空させるためには大きなエネルギーを必要とするだけでなく、離着陸も困難である。同様に太陽電池をエネルギー源とした無人航空機の場合も、機体重量に対して必要な揚力を確保するには広い主翼面積を備えなければならず機体が極めて大型となるため、限られた飛行場でしかも限られた気象条件の時しか離着陸ができないと言う欠点がある。

上記したように飛行船や航空機で成層圏プラットホームを実現しようとすると、離着陸の条件が限られることに加え、通信システムや観測システムに用いるという用途上の要請から、一度離陸したら、長期間一定の空域内に滞空し続けることが求められる。したがって、特に太陽電池をエネルギー源とした無人航空機においては、滞空するために費やすエネルギー量と通信や観測機器に用いるエネルギー量の和が滞空中に得られるエネルギー量と同等かそれ以下である必要がある。もし、消費量の方が大きい場合には、エネルギー補給のため頻繁に離着陸が必要となるか、もしくはエネルギーの蓄積の間通信機器や観測機器を停止する必要がある。したがって、滞空するために費やすエネルギー量をどれだけ節約できるかが成層圏プラットホームによる通信中継基地あるいは観察基地を実現させるための重要なキーとなる。

本発明が解決しようとする課題は、上記の問題点を解決するもので、すなわち２０ｋｍ程度の高度で滞空でき、滞空するために費やすエネルギー量を小さくして長期間上空に滞空させることができる長期間滞空機を提供すること、さらに離着陸条件の緩い長期間滞空機を提供すること、並びにその航空機を利用した通信、観測システムを提供することにある。

本発明に係る長期間滞空機は、推力用のプロペラの駆動源である電気モータと、電源充電用の風力発電手段と、滞空状態を維持できる条件を判断する手段を備えると共に、前記推力用のプロペラにはピッチ角調整機能を有したものであって、余裕を持って滞空状態を維持できる条件であると判断したときに前記風力発電手段を稼働させるようにした。
また、本発明の異なる長期間滞空機は、上記構成に加え、風力発電手段の回転翼は推力用のプロペラを使用するものであって、余裕を持って滞空状態を維持できる条件であると判断したときに前記推力用のプロペラを前記風力発電手段の回転翼に切り換えて風力発電手段を稼働させるようにした。

本発明の飛行制御システムは、気流あるいは風速分布を遠隔計測する計測手段と、当該遠隔計測手段の計測結果から上昇気流や下降気流や乱気流の位置を推定する気流推定手段と、当該気流推定手段によって検出した上昇気流や下降気流や乱気流情報を総合し、下降気流や乱気流領域中を避けると共に上昇気流領域中を飛行するように航空機を運行制御する制御手段とを備え、これを請求項１又は２に記載の長期間滞空機に搭載した備えるようにした。
また、本発明の他の飛行制御システムは、上記構成に加え、気流あるいは風速分布を遠隔計測する計測手段が光波、電波あるいは音波のいずれか１つ以上を大気中に放射し、大気中からのその散乱成分を受信することにより気流あるいは風速分布を遠隔計測する方式のものとした。

本発明に係る長期間滞空機編隊飛行システムは、複数の航空機と、当該複数の航空機の全てが統制された編隊飛行を行うように各航空機の飛行状態を総合して制御する編隊飛行制御手段と、編隊中の各航空機間で情報を共有する通信手段と、当該通信手段からの各航空機間の残存エネルギー量の情報をもとに各航空機の編隊における位置を入れ替えるように制御する位置制御手段とを備える。
本発明の異なる長期間滞空機編隊飛行システムは、複数の航空機の内少なくとも１機は請求項１乃至５のいずれかに記載の飛行システムを搭載したものである。

本発明に係る通信あるいは観測システムは、長期間滞空機編隊を構成する複数の航空機に通信中継機能あるいは観測機能を分散して搭載し、長期間滞空機編隊が上空に滞在するときに前記通信中継機能あるいは観測機能を備えた各航空機が通信中継局や観測局として使用されるものである。

本発明の長期間滞空機における飛行制御システムは、気流あるいは風速分布を遠隔計測する計測手段と、当該遠隔計測手段の計測結果から上昇気流や下降気流や乱気流の位置を推定する気流推定手段と、当該気流推定手段によって検出した上昇気流や下降気流や乱気流情報を総合し、下降気流や乱気流領域中を避けると共に上昇気流領域中を飛行するように航空機を運行制御する制御手段とを請求項１又は２に記載の長期間滞空機に搭載したものであるから、エネルギーをより多く消費する下降気流や乱気流領域中を避けることができると共に、浮遊力を得ることができる上昇気流を効果的に利用して、滞空するために費やすエネルギー量を総合的に小さくして長期間上空に滞空させることができる。
また、本発明の長期間滞空機における飛行制御システムは、気流あるいは風速分布を遠隔計測する計測手段として光波、電波あるいは音波のいずれか１つ以上を大気中に放射し、大気中からのその散乱成分を受信することにより気流あるいは風速分布を遠隔計測する方式を採用することにより、正確に手軽に気流あるいは風速分布を遠隔計測することができる。

本発明の長期間滞空機は、推力用のプロペラの駆動源である電気モータと、電源充電用の風力発電手段と、滞空状態を維持できる条件を判断する手段を備えると共に、前記推力用のプロペラにはピッチ角調整機能を有したものであって、余裕を持って滞空状態を維持できる条件であると判断したときに前記風力発電手段を稼働させるものであるから、滞空状態を維持した状態で風力発電を実行することができ、必要なエネルギーの補充を行うことができる。また、推力を得るのに最適なピッチ角に調整することができると共に、風力発電手段の回転翼に切り換え使用に際しても最適なピッチ角に調整することができる。
また、本発明の長期間滞空機は、風力発電手段の回転翼は推力用のプロペラを使用するものであって、余裕を持って滞空状態を維持できる条件であると判断したときに前記推力用のプロペラを前記風力発電手段の回転翼に切り換えて風力発電手段を稼働させるものであるから、風力発電手段の回転翼として特別のものを搭載する必要が無く、休止状態の推力用のプロペラを利用することによって風力発電を稼働させることができる。

本発明の長期間滞空機編隊飛行システムは、複数の航空機と、当該複数の航空機の全てが統制された編隊飛行を行うように各航空機の飛行状態を総合して制御する編隊飛行制御手段と、編隊中の各航空機間で情報を共有する通信手段と、当該通信手段からの各航空機間の残存エネルギー量の情報をもとに各航空機の編隊における位置を入れ換えるように制御する位置制御手段とを備えたものであるから、残存エネルギー状態の厳しい航空機には滞空に必要なエネルギーが少ない場所を他機に換えて融通することにより、効果的な航行を実現できるだけでなく、複数の航空機に必要な機能を分散することができ、個々の航空機は小さくてもよく離着陸時の負担を軽くすることができる。
また、本発明の長期間滞空機編隊飛行システムは、複数の航空機の内少なくとも１機は請求項１乃至５のいずれかに記載の飛行システムを搭載したものとすることにより、個々の航空機だけでなく編隊全体としてエネルギーをより多く消費する下降気流や乱気流領域中を避けることができると共に、浮遊力を得ることができる上昇気流を効果的に利用して、滞空するために費やすエネルギー量を総合的に小さくして長期間上空に滞空させることができる。

本発明の通信あるいは観測システムは、長期間滞空機編隊を構成する複数の航空機に通信中継機能あるいは観測機能を分散して搭載し、長期間滞空機編隊が上空に滞在するときに前記通信中継機能あるいは観測機能を備えた各航空機が通信中継局や観測局として使用されるものであるから、人工衛星を用いたものと比べ、通信距離が短くなるため、電波の減衰は小さくＳ／Ｎ比のよい通信システムが構築できるだけでなく、打ち上げ費用や定常的な維持費用を格段に低廉とすることができる。

本発明に係る長期間滞空機とその通信および観測システムについて説明する。本発明は人工衛星を用いた通信あるいは観測システムの問題点を解決するため、成層圏プラットホームによって通信あるいは観測システムを構築することに想到したものである。図１は成層圏において長期間滞空を維持することができるために開発された本発明の長期間滞空機が備える基本構成図である。１は航空機の機体、２は気流あるいは風速分布を遠隔計測する気流計測手段、３は気流計測手段２の測定結果をもとに飛行空域の気流状態を推定する気流推定手段、４は航空機の飛行を制御する制御手段である。気流あるいは風速分布を遠隔計測する気流計測手段２によって、滞空領域内の大気の状態を検出し、気流推定手段３は気流計測手段２の測定結果をもとに飛行空域の気流状態を解析して推定する。そして、その解析結果から滞空エネルギーが少なくてすむ上昇気流領域、滞空エネルギーをより必要とする下降気流や乱気流領域を割り出し、その情報に基づいて航空機の飛行を制御する制御手段４がエネルギー消費を最も少なくできる飛行コースを選択制御することによって、最大の課題である滞空エネルギーを節約しようというものである。

図１乃至図５にもとづいて本発明の１実施例を説明する。気流計測手段２はレーザ光（光波）や電波あるいは音波といった波動を大気中に照射し、その大気からの散乱成分を受信する。受信した散乱成分の周波数、位相あるいは強度と言った物理量の変化を解析することにより、気流あるいは風速分布を測定することができる。気流計測手段２により飛行想定エリア内の気流あるいは風速分布を遠隔測定する。この飛行想定エリアとはこの成層圏プラットホームが存在することが求められている領域を意味する。気流推定手段３は気流計測手段２の測定結果をもとに飛行想定エリア内の気流状態をマッピングし、上昇流域および下降流域、また強い乱流域などを推定し抽出する。飛行制御手段４は気流推定手段３が抽出した気流情報をもとに、上昇気流中を飛行するあるいは飛行し続けるように、かつ下降気流域や強い乱気流域を通過しないように自機の航路を選択し、選択した航路に従って飛行するように自機を飛行制御する。これにより、滞空するために費やすエネルギー量を小さくすることが可能となる。

通信中継システムや観測システムに用いる無人長期間滞空機に本発明を適用し、気流計測手段２にレーザ光を用いたコヒーレントパルスライダ装置を用いた例を示し、より詳細な説明を行う。図２は気流計測手段２にレーザ光を用いたコヒーレントパルスライダ装置を用いた長期間滞空機の実施例であり、図３はその構成図である。５は光アンテナ、６はレーザ送受信機、７は信号処理装置、８は気流推定装置、９は最適航路算出装置、１０は飛行制御装置である。コヒーレントパルスライダ装置は光アンテナ５、レーザ送受信機６および信号処理装置７より構成される。また、自動操縦装置は最適航路算出装置９および飛行制御装置１０により構成される。

太陽電池を主翼に貼付した航空機は、機体重量に対して十分な揚力を得るのに、さらに必要な電力を得るのに主翼面積を大きく取る必要があるため、図２に示すような無尾翼機が望ましい。無尾翼機の特徴としては以下の点が上げられる。動力として電動モータによってプロペラを回転させ推力を得る。推進器として電動モータを使用することは、推力増減のレスポンスが早い、空気が薄くても性能が低下しないという利点がある。プロペラの回転方向は翼端渦の発生方向と逆にして、誘導抵抗の低減を図るようにする。そのため左右のプロペラは逆方向に回転させている。離陸はグライダーと同様に牽引によって行い、離陸距離を短くするとともに耐横風能力を高める。

以上のような無尾翼機をエルロンによって旋回させる場合、主翼のねじれ剛性を高める必要があるために機体重量が増加してしまう。しかもエルロン操舵時の空気抵抗変化により旋回方向と逆の偏揺れモーメントが発生するという欠点がある。この問題を解決するためにスポイラーを利用する方法があるが、その場合旋回時の揚力が低減し抗力が増大するために、エネルギーの損失が大きくなってしまう。この問題の解決のため推進器を機体の左右に配置して、推力を左右独立して制御することにより旋回を行うようにした。つまり、片方の推力を他方に対して増加させると、まず推力が増加した側と反対方向に偏揺れモーメントが生じ機体の方位角が変化する。同時に推力が増加した側の揚力が増加するために、横揺れモーメントが発生して旋回に至ることができる。

図３にもとづき説明する。レーザ送受信機６からの送信レーザ光は光アンテナ５を介して、大気中に照射される。光アンテナ５は上下方向の風速成分を測定するため、垂直面方向において少なくても２方向に送信レーザ光の照射方向を切り替えることができる仰角走査機構を有する。送信レーザ光の大気からの散乱光は光アンテナ５により受光され、レーザ送受信機６に送られる。このとき、受信光の周波数は散乱点における風速のビーム照射方向の成分（風速ラジアル成分）に応じたドップラーシフトを受けている。レーザ送受信機６において、受信光は送信光と周波数が一定の差を持つ関係にあるローカル光と光ヘテロダイン検波され、そのビート周波数が受信信号として信号処理装置７に送られる。信号処理装置７において、受信信号の得られた時間および周波数シフト量から、送信レーザ光の照射方向に対する風速ラジアル成分の距離分布を得ることができる。

上述の仰角走査機構により、ある方位に対し２仰角以上の測定を行えば、その方位方向における風速垂直成分の分布を推定することができる。仰角の最大値と最小値の差（θ）は風速測定精度と空間分解能の観点から、通常１０〜３０度の範囲が取られる。複数仰角の測定を行いながら、航空機が周回運動をするか、あるいは光アンテナ５に方位角の走査機能を付加することにより、飛行エリア全体の測定を行うことができる。気流推定装置８では、このように得られた飛行エリア全体の測定値から、上昇流や下降流または乱気流といった飛行エリアの気流状態を推定し、マッピングすることができる。

通信中継システムや観測システムに用いる長期間滞空機では、飛行空域や飛行高度が指定された飛行エリアを滞空することになる。最適航路算出装置９では指定された飛行エリア内を滞空するために費やすエネルギー量を小さくするように、最適な航路を選択する。その判断基準は上記気流推定装置８により得られた飛行エリアの気流マップから、第１に上昇気流域に機体を移動し、さらに上昇気流域に飛行し続けることにより消費エネルギーが最小と成るような条件で旋回等の飛行パターンを選択する。次ぎに、飛行するために消費するエネルギーが大きくなる下降気流域および強い乱気流域などを避ける飛行経路を選択することである。

図４に上昇気流の中を飛行する航空機の状態を示す。弱い上昇気流の場合でも、少ない推力で水平飛行ができるため、エネルギーの消費量を低減させることができる。水平定常飛行に必要な推力（Ｔ）は、以下の通りである。
上昇気流がない場合、水平定常飛行に必要な推力（Ｔ）は、
Ｔ＝ (１／２)ρＶ^２・Ｃ_Ｄ・Ｓ ‥‥‥‥‥‥ （１）
上昇気流（Ｗ）がある場合、重力の進行方向成分（Ｇ・Ｗ／Ｖ'）が生ずるため、
Ｔ'＋Ｇ・Ｗ／Ｖ' ＝ (１／２)ρＶ'^２・Ｃ_Ｄ・Ｓ ‥‥‥‥‥‥ （２）
水平定常飛行に必要な揚力（Ｌ'）得るための対気速度（Ｖ'）は、
Ｖ' ＝ (２Ｌ'cosγ／ρＣ_ＬＳ)^１／２ ‥‥‥‥‥‥ （３）
であるから、水平定常飛行に必要な推力（Ｔ'）は、
Ｔ' ＝ (Ｃ_Ｄ／Ｃ_Ｌ)・Ｌcosγ−Ｇ・Ｗ／Ｖ' ‥‥‥‥‥‥ （４）
となり、常に一定の揚抗比で飛行すると考えると、
Ｔ' ＝Ｔ・cosγ−Ｇ・Ｗ／Ｖ' ‥‥‥‥‥‥ （５）
である。ただし、
Ｇ：機体重量， ρ：空気密度，Ｃ_Ｄ：抗力係数，Ｃ_Ｌ：揚力係数，Ｓ：代表面積
Ｖ：上昇気流がない場合の対気速度，Ｔ：上昇気流がない場合の推力，Ｗ：上昇気流
γ：気流角，Ｖ'：上昇気流がある場合の対気速度，Ｔ'：上昇気流がある場合の推力

したがって、上昇気流（Ｗ）がある場合には推力（Ｔ）からcosγ分およびＧ・Ｗ／Ｖ'を差し引くことができ、その推力に応じたエネルギーの消費量を節約することができる。また、下降気流中を飛行する場合はＷの値が負になることから、必要な推力が大きくなり、エネルギーの消費量が増大することは明白である。

図５は本発明の第１の発明における長期間滞空機の飛行経路を従来方式と比較して示すものである。従来は上昇気流、下降気流および乱気流域をリモートで測定する手段を備えていなかったため、気流状態に関わりなく、飛行エリア内を滞空していた。このため、下降気流域や乱気流域内を飛行することにより、滞空するために必要なエネルギーの増大を招いていた。一方、本発明方式においては、飛行エリア内の気流状態を、リモートセンサの測定結果より、推定することができる。この気流推定結果をもとに、上昇気流域に機体を移動し、さらに上昇気流域に飛行し続けるように、加えて下降気流域や乱気流域内を避けるように航路設定を行い、その航路に従って滞空するようにした。これにより、滞空するのに必要なエネルギーを従来方式よりも少なくする効果があり、より長期間の滞空を可能としている。

図６は本発明に係る第２の実施例である。１１は推力を発生させるための電動モータ、１２は電動モータ１１の動作を制御する電力制御部、１３は蓄電池、１４aおよび１４bはプロペラのピッチ角度調整機構である。電動モータ１１は電力制御部１２から電力を与えられることにより、プロペラを回転させ、航空機に推力を与えるものであるが、電力制御部１２からの制御によりプロペラの回転力から電力を発生する発電機として動作する機能を持つ。

図６を参照しながら動作を説明する。上述の数式（１）で示した水平定常飛行に必要な推力（Ｔ）が正である間は、電動モータ１１は電力制御部１２を介して必要な電力を蓄電池１３から得る。これにより、プロペラを回転し、後方へ空気を押し出すことにより、必要な推力（Ｔ）を得ている。このとき、ピッチ角度調整機構１４aおよび１４bはその推力を発生するのに最適なピッチ角度となるように制御されている。

航空機が滑空状態にある場合、例えば強い上昇気流中を飛行し、水平定常飛行に必要な推力が０となると、電動モータ１１を停止させて電力消費を０とすることができる。さらに、十分に上昇気流が大きいなど機体の抗力を増加させて滑空ができる場合には、その余裕のエネルギー内においてプロペラを用いて風力発電を行うことが可能となる。飛行制御部１０により、風力発電が可能な飛行条件であると判断した場合、電力制御部１２は電動モータ１１への電力供給を遮断し、ピッチ角度調整機構１４aおよび１４bはプロペラのピッチ角度を推力発生時から反転させることによりプロペラのキャンバーを反転させ、プロペラが前方から風を受けた時に回転力を得るのに効率の良いピッチ角となるように調整する。滑空状態において、プロペラは前方から風を受け回転する。この回転力により、電動モータ１１には起電力が発生し、発電機として機能させることができる。電力制御部１２は電動モータ１１で発生した電力を蓄電池１３に送り充電し、主エネルギー源である太陽発電の補助エネルギーとして蓄積する。

例えば十分に強い上昇気流のもとでは、機体は高度を低下させることなく風力発電を行うことができる。本発明によると、滞空期間において可能な時に風力発電を行い、電力を補うことができるので、積算時間で総合すると滞空するのに必要な消費エネルギーを小さくすることが可能となる。また、プロペラのピッチ角度調整機構を設けたことにより、推力発生時および風力発電時それぞれの駆動条件において、最適なピッチ角度を設定できるので、推力の発生効率および発電効率を最大にすることが可能である。この機能も、滞空するのに必要な消費エネルギーを小さくすることに貢献する。さらに、本発明の気流条件のよい領域を選択航行する基本機能と組み合わせて用いれば、上昇気流中を飛行し、風力発電を行う確率を高くすることができるので、より一層滞空するのに必要な消費エネルギーを小さくする効果が得られることになる。
なお、本実施例においては、推力発生用の電動モータとプロペラを風力発電時の発電機と風を受けて回転するプロペラとして使用した例を示しているが、発電機と風を受けて回転するプロペラは各々別個に独立して持つことも可能であり、効果も同等に得ることができる。本実施例で示した例においては推力発生用の電動モータとプロペラと共用することにより、小型化と軽量化が図れるという更なる効果が得られている。

図７に示したものは本発明に係る第３の実施例である。１５は編隊を形成する第１の無人無尾翼機、１６は第２の無人無尾翼機、１７は第３の無人無尾翼機である。また、図８に示したものはこの実施例に係る第１の無人無尾翼機のブロック図である。少なくとも編隊を構成する１機の航空機はこの構成を備えていることが必要である。１８は編隊飛行制御装置、１９は編隊の僚機間で情報のやり取りを行う僚機間通信装置である。
気流計測リモートセンサや通信、観測機器を単独の機体に全て搭載した場合、重量が大きくなるために機体自体を非常に大きくしなければならない。しかし機体を大型にすると地上での取り回しが困難になり、離着陸時の条件も制限される。各機器を分散させて複数の機体に搭載すると、１機当たりの重量を小さくできるため、機体の大型化を防止することができる。これにより、地上での取り回し、離着陸時の条件を緩和することができる。複数の機体は編隊飛行することにより、一つのシステムとして機能する。また、編隊飛行することにより誘導抵抗を低減させることができるため、飛行に必要なエネルギー消費量はそれぞれが単独で飛行する時に比べて少なくて済む。

図８は複数の無人無尾翼機で構築される飛行システムを示している。第１の無人無尾翼機１５は本発明の第１の発明における気流計測手段、気流推定手段および飛行制御手段を有している。編隊飛行を行うために、それぞれの無人無尾翼機は各々の位置、飛行経路および残存エネルギー量といった飛行に関する情報を共有するための僚機間通信装置１９と編隊の隊形と各々機の編隊における位置を制御する編隊飛行制御装置を有する。第１の無人無尾翼機１５に搭載された気流計測手段、気流推定手段および飛行制御手段は実施例１で示した動作により、飛行エリア内での編隊に飛行経路設定する。設定した飛行経路は編隊飛行制御装置１８により編隊飛行を行うための処理がなされた上で、僚機間通信装置１９により各機体に送信される。各機体はこの情報を元にそれぞれの機体の飛行制御を行う。以上のような構成をとることにより、先の実施例と同様に編隊全体が下降気流や乱気流を避け、かつ上昇気流中を飛行するようになるので、滞空に必要なエネルギー消費量を少なくすることができる。

さらに、エネルギーの消費量は、編隊飛行の中の位置によって異なる。図７においては、露払いの役をとる先頭の位置にある第１の無人無尾翼機１５のエネルギー消費量が高くなる。したがって、各機体の残存エネルギー量を常時監視して、残存エネルギー量が最大の機体と最少の機体とがお互いの位置を入れ替えることにより、各機体の残存エネルギー量をほぼ一定にすることができる。このように編隊間の調整機能により、エネルギー消費の大きな航空機の負担を軽くし編隊全体としての長時間滞空性能を向上させることができる。

図９は上記のような航空機群によって、成層圏プラットホームを実現し、地上施設あるいは海上の船舶、航空機や更には宇宙施設相互の間で、編隊を構成している各航空機を中継機としての通信システム、宇宙観測システムとして機能させるイメージ図である。上記のような航空機群を上空の一定の空域に滞空させることにより、通信、観測システムを構築することができる。
なお、図７及び図９に示した編隊数は３機であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、システムの規模により適宜の数の編隊で構成することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明は、通信中継機能や観測機能を備えた人工衛星に代わり、地上との通信では電波の減衰も少なくしかも低廉な費用で構築できる長期間滞空機を用いた成層圏プラットホームによる通信中継システムや観測システムを実現するものであるから、航空宇宙産業に貢献するだけでなく、陸上、海上、航空間相互の通信の中継機能や上空からの観察機能が充実され、それらを利用する関連産業にも大きな貢献を及ぼすことになろう。

本発明の長期間滞空機が備える飛行システムの基本構成図である。気流計測手段としてコヒーレントパルスライダ装置を用いた長期間滞空機の１実施例を説明する図である。仰角走査機構を有する本発明の飛行システムの詳細構成図である。上昇気流の中を飛行する航空機の状態を説明する図である。本発明における長期間滞空機の飛行経路と従来システムとの比較説明図である。ピッチ角度調整機能を備えた本発明の実施例説明図である。複数航空機で編隊構成をとる本発明の説明図である。複数航空機で編隊構成をとる本発明において少なくとも１つの航空機が備えるべき飛行システム構成図である。編隊を構成している各航空機が中継機としての通信システム、宇宙観測システムとして機能するイメージ図である。

符号の説明

１航空機の機体
２気流あるいは風速分布を遠隔計測する気流計測手段
３飛行空域の気流状態を推定する気流推定手段
４航空機の飛行を制御する制御手段
５光アンテナ
６レーザ送受信機
７信号処理装置
８気流推定装置
９最適航路算出装置
１０飛行制御装置
１１推力を発生させるための電動モータ
１２電動モータ１１の動作を制御する電力制御部
１３蓄電池
１４a、１４b プロペラのピッチ角度調整機構
１５編隊を形成する第１の無人無尾翼機
１６第２の無人無尾翼機
１７第３の無神武尾翼機
１８編隊飛行制御装置
１９編隊の僚機間で情報のやり取りを行う僚機間通信装置
Ｇ機体重量
ρ 空気密度
CD 抗力係数
CL 揚力係数
Ｓ代表面積
Ｖ上昇気流がない場合の対気速度
Ｔ上昇気流がない場合の推力
Ｗ上昇気流
γ 気流角
Ｖ' 上昇気流がある場合の対気速度
Ｔ' 上昇気流がある場合の推力

Claims

推力用のプロペラの駆動源である電気モータと、電源充電用の風力発電手段と、滞空状態を維持できる条件を判断する手段を備えると共に、前記推力用のプロペラにはピッチ角調整機能を有したものであって、余裕を持って滞空状態を維持できる条件であると判断したときに前記風力発電手段を稼働させることを特徴とする長期間滞空機。
風力発電手段の回転翼は推力用のプロペラを使用するものであって、余裕を持って滞空状態を維持できる条件であると判断したときに前記推力用のプロペラを前記風力発電手段の回転翼に切り換えて風力発電手段を稼働させることを特徴とする請求項１に記載の長期間滞空機。
気流あるいは風速分布を遠隔計測する計測手段と、当該遠隔計測手段の計測結果から上昇気流や下降気流や乱気流の位置を推定する気流推定手段と、当該気流推定手段によって検出した上昇気流や下降気流や乱気流情報を総合し、下降気流や乱気流領域中を避けると共に上昇気流領域中を飛行するように航空機を運行制御する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の長期間滞空機に搭載した飛行制御システム。
気流あるいは風速分布を遠隔計測する計測手段が光波、電波あるいは音波のいずれか１つ以上を大気中に放射し、大気中からのその散乱成分を受信することにより気流あるいは風速分布を遠隔計測する方式のものであることを特徴とする請求項３に記載の飛行制御システム。
請求項１又は２に記載の航空機と、当該複数の航空機の全てが統制された編隊飛行を行うように各航空機の飛行状態を総合して制御する編隊飛行制御手段と、編隊中の各航空機間で情報を共有する通信手段と、当該通信手段からの各航空機間の残存エネルギー量の情報をもとに各航空機の編隊における位置を入れ替えるように制御する位置制御手段とを備えたことを特徴とする長期間滞空機編隊飛行システム。
複数の航空機の内少なくとも１機は請求項３又は４に記載の飛行システムを搭載したものである請求項５に記載の長期間滞空機編隊飛行システム。
長期間滞空機編隊を構成する請求項１又は２に記載された複数の航空機に、通信中継機能あるいは観測機能を分散して搭載し、長期間滞空機編隊が上空に滞在するときに前記通信中継機能あるいは観測機能を備えた各航空機が通信中継局や観測局として使用されるものである通信あるいは観測システム。