JP4820878B2 - 民間航空機用方向舵 - Google Patents

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Description

本出願は2005年12月13日出願のドイツ特許出願第10・2005・059・370号の優先権を主張し、その開示内容は援用によって本出願の内容の一部となる。
本発明は民間航空機用の方向舵に関する。
一般的に知られているように、航空機の方向舵は、その垂直軸回りに航空機を制御するために機能する。現在の民間航空機は、着陸へのアプローチ、および着陸の間、空気抵抗を増加させるため、制動フラップを必要とする。この観点における1つの公知の解決策として、着陸フラップと後部翼桁との間の翼の上側に配置され、通常スポイラーと呼ばれるフラップがある。このようなフラップは、回転制御、および揚力低減のためにも用いることができる。余り一般的でない公知の解決策としては、制動フラップが、胴体、通常その後部に配置される。両方の例において、フラップは特に航空機を取り囲む流れに抗して配設される単純な板からなる。
着陸アプローチにおけるノイズを低減するため、その発生源(エンジン及び機体)におけるノイズを減少すること、あるいは急勾配のアプローチ軌跡により地上に対する距離を増加することができる。制動フラップ又はスポイラーによって空気抵抗が増加すると、航空機は急勾配の着陸アプローチにて飛行することができ、その結果、特に、アプローチ経路におけるノイズを低減することができる。しかしながら、このように解決されたノイズ低減は、制動フラップ自体によって発生するノイズによって部分的に相殺される。制動フラップは、着陸動作の間の、減速にも使用される。
しかしながら、揚力、空気抵抗、推進力、及び重量の間における均衡を、飛行の定常状態に維持する必要があるため、正常な揚力/空気抵抗比(揚力/空気抵抗、A/Wの間の比率)により、経路角gは物理的に制限される。
(T−W)/G=tan g(1)
を用いると
G=A(2)
その結果、
T/G−1/(A/W)=tan g(3)
となる。
上式において、Tは推進力(thrust)、Wは空気抵抗(drag)、Gは重量(weight)、Aは揚力(lift)、gは経路角(path angle)である。
式(3)から、一旦推進力がアイドルに達すると、経路角は、空気の抗力を増加させることによってのみ、さらに減少させることができることがわかる。これに対する従来の解決策が、上記の、主翼の上側の着陸フラップと後部翼桁(スポイラー)との間のフラップである。この解決策の不利な点は、より高速のアプローチ速度vで補償されるべき揚力係数CAが、同時に減少することである。
A=1/2・rAir・ ・S・CA(4)
上式において、rAirは空気密度(air density)、v はアプローチ速度の2乗(square of air speed)、Sは平面図領域(planform area)、CA(lift coefficient)は揚力係数である。
しかしながら、アプローチ速度が増加すると、ノイズの点で不利な効果がある。
制動フラップ上でノイズが増大する点に関する本質的なメカニズムは、単一で非常に強い渦がそのフラップの縁で形成されることにある。制動フラップは、通常、一方の側で航空機に保持され、縁渦流は、その保持側に対向する自由縁に主に形成される。
拡張方向舵は、例えば、スペースシャトル又はモデル航空機において公知であるが、そのような方向舵は、民間航空機の着陸アプローチには用いられておらず、特に、空気力学的に発生したノイズを減少することを可能にする変形体においては用いられていない。
本発明の目的は、民間航空機の着陸アプローチにおいて、空気抗力を増加させるための改良された装置を開発することにある。
この目的は、請求項1の特徴を有する方向舵で達成される。
本発明の方向舵に係る好適な実施形態及び更なる開発物は、従属請求項に開示されている。
民間航空機用のための本発明の方向舵は、方向舵がその長手方向に沿って少なくとも1つの領域において分割されていて、航空機を減速するために、アクチュエータによって方向舵の部分を、航空機を取り巻く空気流に抗して拡張することができることを特徴としている。
本発明の方向舵の顕著な利点は、揚力を減少させることなく、空気抗力を増加できることである。本発明の方向舵のその他の利点は、地上における空気力学的に発生したノイズの減少が、民間航空機の着陸アプローチにおいて実現できることである。
本発明の好適な実施形態によれば、方向舵は、対称平面において、長手方向に沿って分割されている。
本発明の他の好適な実施形態によれば、方向舵の部分を、アクチュエータによって、対称平面に対して広げることができる。
本発明の他の好適な実施形態によれば、方向舵は、航空機に関節結合によって支持されると共に航空機の横方向制御のために機能するアクチュエータによって向きを変えることができる結合ベースを有しており、これによって、航空機を減速するために、拡張アクチュエータによって方向舵の部分の少なくとも1つを、航空機を取り巻く空気流に抗して拡張することができる。
これに関して、好適な実施形態によれば、方向舵の両部分は、結合ベースに対して関節結合によって支持されると共に、航空機を減速するため、拡張アクチュエータによって結合ベースに対称的に、航空機を取り巻く空気流に抗して拡張することができる。
本発明の好適な実施形態によれば、方向舵の1つの部分は関節結合によって結合ベースに支持され、航空機を減速するため拡張アクチュエータによって航空機を取り巻く空気流に抗して拡張される。そして、方向舵の1つの部分は結合ベースに剛結合によって連結され、これによって、方向舵の拡張の間、両部分を対称的な軌跡で動かすため、関節結合によって支持された方向舵の部分が、方向舵を拡張するためのアクチュエータによって結合ベースに対して方向を変え、結合ベースに剛結合によって連結された方向舵の部分が、航空機の横方向制御のためのアクチュエータによって結合ベースとともに反対側に向かって回転する。
本発明の好適な追加開発によれば、縁渦流を多数の部分的な渦に細分化する多数の個別エッジ部は、方向舵の拡張の間、航空機を取り巻く空気流において縁渦流を発生する自由縁上に設けられる。
本発明の好適な実施形態によれば、縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための多数の個別エッジ部は、自由縁の波状構造により達成される。
本発明の好適な実施形態によれば、縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための多数の個別エッジ部は、自由縁のジグザク形状構造により達成される。
本発明の他の好適な実施形態によれば、縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための多数の個別エッジ部は、方向舵の部分の自由縁の近くに設けられた穴又は凹部により達成される。
本発明の好適な実施形態によれば、これらの穴又は凹部は、方向舵の部分を貫いて延びる穿孔の形態で達成される。
本発明の好適な実施形態によれば、方向舵の部分に設けられたこれらの穴又は凹部は、方向舵の部分の外側に配列され、方向舵の部分を貫通しない凹部の形態で達成される。
本発明の他の好適な実施形態によれば、縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための多数の個別エッジ部は、方向舵の部分の自由縁の近くの表面に配列された延長部又は突起部により達成される。
本発明の好適な実施形態によれば、縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための多数の個別エッジ部は、方向舵の後部自由縁上に配置される。
代替的に、または付加的に、縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための多数の個別エッジ部は、方向舵の上部自由縁上に配置してもよい。
方向舵の部分に設けられた穴又は凹部は、方向舵が拡張していない状態で、閉じることもできる。
さらに、縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための多数の個別エッジ部を、方向舵の部分の自由縁の近くの表面に配列された延長部又は突起部により達成する場合、個別エッジ部は、方向舵が拡張していない状態で後退させてもよい。
本発明の特に好適な実施形態によれば、方向舵は、昇降舵ユニットと組み合わせて航空機に配置されており、方向舵は、拡張状態で方向舵によって生じる空気力学的ノイズが、昇降舵ユニットによって地上に向かい減衰されるように、昇降舵ユニット(HTP(horizontal tail plane)+VTP(vertical tail plane))の上に配置される。
本発明の実施形態について、図面を参照して以下に説明する。
図1及び図2は、本発明の一実施形態による拡張方向舵100、200の、収縮状態(図1a、図2a)及び拡張状態(図1b,図2b)をそれぞれ示す水平断面図である。方向舵100、200は、その長手方向に沿って分割され、方向舵100、200の部分100a、100b、200a、200bを、航空機を減速するために、アクチュエータ103、203によって、航空機を取り巻く空気流に抗して拡張できる。両実施形態において、方向舵100、200は、対称平面においてその長手方向に沿って分割され、方向舵100、200の部分100a、100b、200a、200bを、アクチュエータ103、203によって対称平面に対して拡張可能である。方向舵100、200の拡張は、揚力に独立して空気抗力を増加するために機能する。
方向舵100、200は、航空機に関節結合によって支持された結合ベース101、201を有し、航空機の横方向制御を実現するためのアクチュエータ102、202によって方向を変化できる。方向舵100、200の部分100a、100b、200a、200bの少なくとも1つは、航空機を減速するため、アクチュエータ103、203によって、航空機を取り巻く空気流に抗して拡張できる。
図1a、図1bに示す実施形態において、方向舵100の両部分100a、100bは、結合ベース101に対して関節結合によって支持されると共に、航空機を減速するため、アクチュエータ103によって、結合ベース101に対して対称的に、航空機を取り巻く空気流に抗して拡張できる。その結果、ピボット機能は拡張機能から分離されて残る。
図2a及び図2bに示す実施形態において、方向舵200の1つの部分200aは、結合ベース201に対して関節結合によって支持され、航空機を減速するため、アクチュエータ203によって、航空機を取り巻く空気流に抗して拡張できる。方向舵200の1つの部分200bは、結合ベース201に剛結合によって連結されている。方向舵200を拡張する間、両部分200a、200bを対称的な軌跡で動かすため、関節結合によって支持された方向舵200の部分200aは、方向舵200を拡張するためのアクチュエータ203によって結合ベース201に対して方向を変えられ、結合ベース201に剛結合によって連結された方向舵200の部分200bは、航空機の横方向制御のためのアクチュエータ202によって結合ベース201とともに、反対側に向かって回転される。
また、方向舵の形状は、方向舵の拡張によって生成されるノイズを低減するため、変えられる。航空機の方向舵100、200は、継ぎ目の背後で対称平面において分割され、アクチュエータ103、203によって拡張される。図1に示す構造において、方向舵の両方の半分の部分100a、100bは回転可能である。両方の半分の部分100a、100bは、対称的な軌跡に従う。図2に示す構造において、1つの半分の部分200aのみが回転可能である。対称的な軌跡を達成するため、方向舵は、結合ベース201において同時に回転される必要がある。方向舵に平行に位置するアクチュエータ103、203の代わりに、垂直に延びるアクチュエータで解決を実現することもできる。方向舵100、200の拡張によって、空気抗力を増加できるが、揚力は低減されないので、速度を増加させる必要はない。胴体への方向舵ユニットの配置及び通常の昇降舵ユニットの利用により、ノイズを発生する拡張フラップ100a、100b、200a、200bを覆うことができる。
図3は本発明の一実施形態による拡張方向舵100、200を有する航空機の側面図であり、本発明の一実施形態に応じてノイズのさらなる低減を実現できるように、方向舵100、200の後部自由縁21は、個別のジグザグ形状のエッジ部22に分割される。以下、さらに詳細を説明する。
図4は、従来技術に基づく制動フラップ10の部分を示す斜視図である。制動フラップは自由縁11を有し、この自由縁11は、制動フラップ10が航空機を取り巻く空気流に抗してセットされ、そこに縁渦流が発生するので、航空機の表面から所定の距離をおいている。この縁渦流は、空気流に抗して制動フラップがセットされた際に発生するノイズの顕著な源であり、着陸アプローチにおける不快の源である。このような縁渦流は、上記の方向舵100、200の拡張の期間においても生じるものと考えられる。
図5は、本発明の一実施形態による航空機の方向舵100、200の後部自由縁を示す斜視図であり、この方向舵は、図1及び図2を用いて説明したように、航空機を減速するために、航空機を取り巻く空気流に抗して拡張することができる。方向舵100、200は、自由縁21を有し、この自由縁21は、方向舵100、200の部分100a、100b、200a、200bが拡張されたときに、航空機を取り巻く空気流において縁渦流を発生する。本発明によれば、自由縁21は多数の個別のエッジ部22を有し、これらのエッジ部22は縁渦流を多数の部分的な渦に細分化する。上記の図3の実施形態と同様に設計された図5の実施形態において、個別のエッジ部22は自由縁21のジグザグ形状の構造により構成されている。
図6aは、図4で示した従来技術に基づく航空機用の制動フラップ10の部分を示す斜視図である。図6b乃至図6eは、それぞれ本発明の幾つかの好ましい実施形態に基づく航空機の方向舵100、200の部分を示す斜視図であり、縁渦流を多数の部分的な渦に細分化する多数の個別のエッジ部22、32、42、52が自由縁21、31、41、51に配置されている。
図6bに示す実施形態において、縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための個別のエッジ部32は、自由縁31の波状の構造によって構成されている。
図6cは、個別のエッジ部22が自由縁21のジグザク形状の構造で構成される図5に示す実施形態を再度示すものである。
図6dに示す実施形態において、縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための個別のエッジ部は、自由縁41の近くで方向舵100、200の部分100a、100b、200a、200bに配置された穴又は凹部42で構成される。これらの穴又は凹部42は、図6dの実施形態のように、方向舵100、200の部分100a、100b、200a、200bを貫通して延びる穿孔の形態でもよく、方向舵100、200の部分100a、100b、200a、200bの外側に配置されるが、これらの部分を貫通しない凹部の形態でもよい。
図6eに示す実施形態において、縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための個別のエッジ部は、延長部、窪み、突出部、又は突起部52で構成され、自由縁51の近くで方向舵100、200の部分100a、100b、200a、200bの表面に配置される。図示の実施形態を変えて、方向舵100、200の部分100a、100b、200a、200bの自由縁に設置され、縁渦流を多数の部分的な渦に細分化する、これらのエッジ部は、別の形態で構成してもよく、ここで、図4に示すような単一のノイズ発生縁渦流でなく多数のより小さな縁渦流が発生することが重要であり、多数のより小さい縁渦流は、より小さいノイズを発生し、適用可能であれば、ノイズの発生に関して互いに抑制又はキャンセルすることができる。この状況において、「エッジ部」は、縁の近くに配置されると理解されるべきであるが、図6b及び図6cなどに示す実施形態のように、必ずしも方向舵100、200の部分100a、100b、200a、200b自体の縁によって形成する必要はなく、図6d及び図6eに示す実施形態のように、縁の近くに配置してもよい。
縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための個別のエッジ部22、32,42,52は、図3に示すように方向舵100、200の自由縁21,31,41,51の近くに設けられ、また、個別のエッジ部は、代替的に又は付加的に、方向舵100、200の上縁に設けてもよい。
図6dに示す実施形態において、方向舵100、200の部分100a、100b、200a、200bを貫通する穿孔の形態の穴又は凹部42は、方向舵100、200の部分100a、100b、200a、200bが拡張していない状態で閉じることができる。これは、それに対応して設計されたシャッター又は閉塞要素で実現可能である。
図6eに示す実施形態において、自由縁51付近で方向舵100、200の部分100a、100b、200a、200bの表面に設けられた、縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための延長部又は突起部52で構成された個別のエッジ部は、方向舵100、200の部分100a、100b、200a、200bが拡張していない状態で、後退させてもよい。これは、それに対応して設計された機構で実現可能である。
方向舵は、図1及び図2に示すように完全に分割してもよく、一部領域のみを分割してもよく、言い換えれば、方向舵及び上述した機能を有する拡張部分として通常に機能する一体部分であればよい。拡張部分に関して、図1に示す構成又は対称的に作動する部分100a、100bを有する同様の構成を利用することが好ましい。
また、「含む」は、他の要素又は工程を除くものではなく、「一」又は「1つ」は複数のものを除くものでない。さらに、上記の具体的な実施形態の一つを参照して記述された構成又は工程は、上記の他の具体的な実施形態の構成又は工程と組み合わせて使用できる。また、請求項における参照符号は、限定として理解されない。
収縮状態(図1a)及び拡張状態(図1b)における本発明の一実施形態に基づく拡張方向舵の水平断面図である。 図2は、収縮状態(図2a)及び拡張状態(図2b)における本発明の他の実施形態に基づく拡張方向舵の水平断面図である。 本発明の一実施形態に基づく拡張方向舵を有する航空機の側面図である。 航空機を減速するため、航空機を取り巻く空気流に抗して配置可能な従来技術に基づく航空機用制動フラップの部分を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に基づく航空機の方向舵の後部自由縁の部分を示す斜視図である。 図6a乃至図6eは、それぞれ、従来技術に基づく航空機の方向舵の後部自由縁の部分(図6a)、本発明の幾つかの好ましい実施形態に基づく方向舵の後部自由縁の部分(図6bから図6e)を示す斜視図であり、これらの図において、方向舵は航空機を減速するため、航空機を取り巻く空気流に抗して拡張することができる。ここで、図6cは既に図5に示される実施形態を示している。
符号の説明
10 制動フラップ
100、200 方向舵
101、201 結合ベース
102、202 アクチュエータ
103、203 アクチュエータ
111、21、31、41、51 自由縁
12、22、32、42、52 エッジ部

Claims (15)

  1. 民間航空機用方向舵であって、方向舵(200)は、少なくとも一部の領域においてその長手方向に沿って分割されており、前記方向舵(200)の第1および第2の部分(200a,200b)は、航空機を減速するための第1のアクチュエータ(203)によって前記航空機を取り巻く空気流に抗して拡張可能であり、前記方向舵(200)は、前記航空機に連結された結合ベース(201)を有し、前記航空機の横方向制御のための第2のアクチュエータ(202)によって回動可能であり、
    前記方向舵(200)の第1の部分(200a)は、前記結合ベース(201)に対して連結され、前記航空機を減速するため前記第1のアクチュエータ(203)によって前記航空機を取り巻く前記空気流に抗して拡張可能であり、前記方向舵(200)の第2の部分(200b)は、前記結合ベース(201)に固定され、
    前記方向舵(200)を拡張する間、前記結合ベース(201)に対して連結された前記方向舵(200)の前記第1の部分(200a)は、前記方向舵(200)を拡張するための前記第1のアクチュエータ(203)によって前記結合ベース(201)に対して回動され、前記結合ベース(201)に固定された前記方向舵(200)の前記第2の部分(200b)は、前記第1および第2の部分(200a,200b)が対称的に偏位するため、前記航空機の横方向制御のための前記第2のアクチュエータ(202)によって前記結合ベース(201)とともに反対側に向かって回動される、民間航空機用方向舵。
  2. 前記方向舵(200)は、対称な面においてその長手方向に沿って分割されている、請求項1に記載の民間航空機用方向舵。
  3. 前記方向舵(200)の前記第1および第2の部分(200a,200b)は、前記第1のアクチュエータ(203)によって前記対称な面に関して拡張可能である、請求項2に記載の民間航空機用方向舵。
  4. 前記方向舵(200)は、当該方向舵(200)を拡張する間、前記航空機を取り巻く前記空気流において縁渦流を発生する自由縁(21,31,41,51)を有し、前記自由縁(21,31,41,51)上には、前記縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための多数の個別のエッジ部(22,32,42,52)が構成されている、請求項1〜3のいずれかに1項に記載の民間航空機用方向舵。
  5. 前記縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための前記個別のエッジ部(32)は、前記自由縁(31)の波状構造で構成される、請求項4に記載の民間航空機用方向舵。
  6. 前記縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための前記個別のエッジ部(22)は、前記自由縁(21)のジグザグ形状構造で構成される、請求項4に記載の民間航空機用方向舵。
  7. 前記縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための前記個別のエッジ部は、前記自由縁(41)付近で前記方向舵(200)に含まれるフラップに配置された凹部(42)で構成される、請求項4〜6のいずれか1項に記載の民間航空機用方向舵。
  8. 記フラップに備えられた前記凹部(42)は、前記フラップを貫通して延びる穿孔の形態である、請求項7に記載の民間航空機用方向舵。
  9. 記フラップに備えられた前記凹部(42)は、前記フラップの外側に配置されて、前記フラップを貫通しない凹部の形態である、請求項7に記載の民間航空機用方向舵。
  10. 前記縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための前記個別のエッジ部は、前記自由縁(51)付近で前記方向舵(200)の前記第1および第2の部分(200a,200b)の表面に配置された延長部または部(52)の少なくとも1つである、請求項4〜8のいずれか1項に記載の民間航空機用方向舵。
  11. 前記縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための前記個別のエッジ部(22,32,42,52)は、前記方向舵(200)の後部自由縁(21,31,41,51)に配置されている、請求項4〜10のいずれか1項に記載の民間航空機用方向舵。
  12. 前記縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための前記個別のエッジ部(22,32,42,52)は、前記方向舵(200)の上部自由縁(21,31,41,51)に配置されている、請求項4〜11のいずれか1項に記載の民間航空機用方向舵。
  13. 前記方向舵(200)の前記第1および第2の部分(200a,200b)を貫通して延びる穿孔の形態で構成される前記凹部(42)は、前記方向舵(200)が拡張されていない状態では閉じられる、請求項8に記載の民間航空機用方向舵。
  14. 前記自由縁(51)付近で前記方向舵(200)の前記第1および第2の部分(200a,200b)の前記表面に配置され、前記縁渦流を多数の部分的な渦に細分化するための前記延長部または突出部(52)は、前記方向舵(200)が拡張されていない状態では格納される、請求項10に記載の民間航空機用方向舵。
  15. 前記方向舵(200)は、昇降舵ユニットと組み合わせて前記航空機に備えられ、前記方向舵(200)は、前記昇降舵ユニットの上側に配置されており、これによって、拡張された状態で前記方向舵(200)によって生じる空気力学的ノイズが前記昇降舵ユニットによって地上に向かって減衰される、請求項1〜14のいずれか1項に記載の民間航空機用方向舵。
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