JP5476707B2 - 剥離検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、航空機に搭載される剥離検知装置に関するものである。

従来の剥離検知装置としては、例えば特許文献１に記載されているような迎角状態表示装置を利用したものが考えられる。特許文献１に記載の装置は、迎角計測器により機体の迎角を計測し、その計測値を迎角シンボルとしてディスプレイに表示させるというものである。
特開２００２−３０８１９６号公報

機体の迎角が大きくなると、機体の翼面上に空気層の剥離が生じ、機体の失速につながる。従って、機体の迎角を計測することで、機体の翼面に沿って流れる空気層の剥離を検知することができる。しかし、従来の迎角計測器では、気流方向を検出して迎角値を出すため、空気層の剥離の検知に遅れが生じてしまう。

本発明の目的は、機体の翼面上に生じる空気層の剥離を適時に検知することができる剥離検知装置を提供することである。

本発明は、航空機の機体の表面に沿って流れる空気層の剥離を検知する剥離検知装置において、飛行中の機体の翼面上における空気層の流れを可視化するためのトレース手段と、トレース手段によって翼面上に形成される空気層の流れの可視化状態を撮像する撮像手段と、撮像手段により取得された撮像画像に基づいて空気層の剥離を失速回復制御の基準として飛行中に検出する剥離検出手段とを備えることを特徴とするものである。

このような本発明の剥離検知装置においては、機体の翼面上における空気層の流れを可視化するためのトレース手段を設けることにより、機体の翼面上には空気層の流れの可視化状態が形成されるようになる。そして、空気層の流れの可視化状態を撮像し、その撮像画像に基づいて、機体の翼面上に生じる空気層の剥離を検出する。この場合には、通常の迎角計を使用して空気層の剥離を検出する場合と異なり、空気層の剥離の検出遅れが生じることは殆ど無い。これにより、空気層の剥離を適時に検知することができる。

好ましくは、トレース手段は、翼面上に貼り付けられた気流糸であり、撮像手段は、空気層の流れの可視化状態として気流糸を撮像し、剥離検出手段は、撮像手段により取得された気流糸の撮像画像に基づいて空気層の剥離を検出する。この場合には、機体の翼面上に生じる空気層の剥離が大きくなると、気流糸のバタツキが大きくなる。従って、機体の翼面上に貼り付けられた気流糸を撮像し、この気流糸の撮像画像を取得することにより、空気層の剥離を確実に検知することができる。

また、トレース手段は、翼面上に可視微粒子を発生させる手段であり、撮像手段は、空気層の流れの可視化状態として可視微粒子を撮像し、剥離検出手段は、撮像手段により取得された可視微粒子の撮像画像に基づいて空気層の剥離を検出する構成であっても良い。この場合には、機体の翼面上に生じる空気層の剥離が大きくなると、可視微粒子の拡散が大きくなる。従って、機体の翼面上に発生した可視微粒子を撮像し、この可視微粒子の撮像画像を取得することにより、空気層の剥離を確実に検知することができる。

本発明によれば、機体の翼面上に生じる空気層の剥離を適時に検知することができる。これにより、機体の失速予測を迅速に行うことができるので、機体の失速回復操作の遅れを防止することが可能となる。

以下、本発明に係わる剥離検知装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる剥離検知装置の一実施形態を備えた航空機を示す概略斜視図である。同図において、航空機１の機体２は、コックピット及びキャビンを含む胴体３と、胴体３に取り付けられ、機体２の揚力を発生させる左右１対の主翼４と、胴体３の後端部に取り付けられ、機体２の安定を保つための左右１対の水平尾翼５及び垂直尾翼６とを有している。

各主翼４の後部には、機体２をロール運動させる補助翼であるエルロン７が設けられている。各水平尾翼５の後部には、機体２をピッチング運動させる補助翼であるエレベータ８が設けられている。垂直尾翼６の後部には、機体２をヨーイング運動させる補助翼であるラダー９が設けられている。

本実施形態の剥離検知装置１０は、上記の航空機１に搭載され、機体２の表面に沿って流れる空気層の剥離を検知する装置である。剥離検知装置１０は、各主翼４の翼面に取付シート１１を介して貼り付けられ、主翼４の翼面に沿った空気層の流れの様子を観察（可視化）するための複数の気流糸１２を備えている。

具体的には、取付シート１１には、複数の気流糸１２をマトリクス状に配列させた状態で各気流糸１２の前端部が貼り付けられている。そして、各気流糸１２が機体２の前後方向に対してほぼ真っ直ぐ延びるように、取付シート１１が各主翼４の翼面に固定されている。気流糸１２としては、画像で捉えやすくするために、例えば蛍光塗料を含む自発光ファイバグラス等が用いられる。

図２は、本実施形態の剥離検知装置１０を含む機体制御装置の概略構成を示すブロック図である。同図において、機体制御装置１３は、撮像カメラ１４と、コントローラ１５と、操舵アクチュエータ１６とを有している。

撮像カメラ１４は、各主翼４の翼面上に貼り付けられた複数の気流糸１２を撮像し、各気流糸１２の撮像画像を取得する。撮像カメラ１４は、胴体３の左右上端部または垂直尾翼６の上端部に取り付けられている。撮像カメラ１４としては、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ及び赤外線カメラ等が用いられる。

コントローラ１５は、画像処理部１７と、剥離検出部１８と、失速回復制御部１９とを有している。画像処理部１７は、撮像カメラ１４により取得された各気流糸１２の撮像画像を入力し、その撮像画像に対して二値化等の画像処理を施し、各気流糸１２の画像データを生成する。

剥離検出部１８は、画像処理部１７により得られた各気流糸１２の画像データに基づいて、主翼４の翼面上に沿って流れる空気層の剥離状態を検出する。

ここで、図３（ａ）に示すように空気層の剥離が小さいときは、図４（ａ）に示すように気流糸１２のバタツキ（乱れ）は殆ど無い。一方、図３（ｂ）に示すように空気層の剥離が大きいときは、図４（ｂ）に示すように気流糸１２のバタツキが大きくなる。従って、画像データ上における気流糸１２のバタツキ状態から、空気層の剥離状態を容易に検出することができる。また、主翼４の後側に行くほど気流糸１２が乱れやすくなるが、その時の気流糸１２の広がり具合から空気層の剥離の進行速度を検知することもできる。

このとき、剥離検出部１８は、図５に示すように、画像データを気流糸１２毎に升目で区切り、各エリアＲを「０」、「１」のデータで認識して捉えるようにする。具体的には、気流糸１２の広がり量が所定値以上のときに、当該気流糸１２に対応するエリアＲを「１」とする（図中の斜線部分参照）。この「１」のエリアＲが増える向き及び面積等から、空気層の剥離による主翼４の揚力低下と剥離の進行速度とを推定することができる。

失速回復制御部１９は、剥離検出部１８により検出された空気層の剥離状態に基づいて、機体２の失速を回復するように操舵アクチュエータ１６を制御する。ここで、操舵アクチュエータ１６は、水平尾翼５の後部に設けられたエレベータ８を動かす駆動モータである。失速回復制御部１９は、例えば画像データにおいて「１」となるエリアＲの割合が所定値以上となったときに、機体２の機首を下げるように操舵アクチュエータ１６を制御する。これにより、機体２の失速が抑制され、主翼４の翼面上に生じる空気層の剥離が低減されるようになる。

なお、剥離検知装置１０は、図２に示すように、上記の気流糸１２、撮像カメラ１４、コントローラ１５の画像処理部１７及び剥離検出部１８から構成されている。

以上のように本実施形態にあっては、空気層の流れを可視化（トレース）するための複数の気流糸１２を主翼４の翼面上に貼り付け、撮像カメラ１４により各気流糸１２の動きを撮像し、各気流糸１２の撮像画像に基づいて空気層の剥離状態を検出するようにしたので、空気層の剥離をタイムリーに且つ精度良く検知することができる。これにより、機体２の失速回復操作の遅れを防止し、機体２の失速を回避することが可能となる。

また、各気流糸１２の撮像画像データをモニタに画面表示させても良く、この場合には、操縦者が空気層の剥離状態をイメージとして理解しやすくなる。

図６は、本発明に係わる剥離検知装置の他の実施形態を備えた航空機を示す概略斜視図であり、図７は、その剥離検知装置を含む機体制御装置の概略構成を示すブロック図である。図中、上述した実施形態と同一または同等の要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。

各図において、本実施形態の剥離検知装置２０は、上述した実施形態の気流糸１２に代えて、主翼４の翼面に沿った空気層の流れの様子を可視化するためのスモーク（煙）Ｓを発生させるスモーク発生器２１を有している。スモーク発生器２１は、各主翼４の内部に収容されている。各主翼４の前部には、スモーク発生器２１で発生したスモークＳを翼面上に噴射させるための噴射口２２が設けられている。スモーク発生器２１で発生したスモークＳは、負圧で噴射口２２から吸い出される。

機体制御装置２３は、上記の撮像カメラ１４と、迎角計２４と、コントローラ２５と、上記の操舵アクチュエータ１６とを有している。撮像カメラ１４は、各主翼４の翼面上を流れるスモークＳを撮像し、スモークＳの撮像画像を取得する。迎角計２４は、空気層の流れに対する機体２の傾き角（迎角）を計測する計測器である。

コントローラ２５は、スモーク発生制御部２６と、上記の画像処理部１７、剥離検出部１８及び失速回復制御部１９とを有している。

スモーク発生制御部２６は、迎角計２４の計測値に基づいてスモーク発生器２１を制御する。具体的には、スモーク発生制御部２６は、迎角計２４で計測された機体２の傾き角が閾値以上となったときに、スモーク発生器２１からスモークＳを発生させるように制御する。この時の閾値としては、機体２の失速に対してある程度の余裕をもった角度（例えば１０度）とする。これにより、スモーク発生器２１からスモークＳを常時発生させなくて済むため、省電力化を図ることができる。

画像処理部１７は、撮像カメラ１４により取得されたスモークＳの撮像画像に対して画像処理を行い、スモークＳの画像データを生成する。剥離検出部１８は、画像処理部１７により得られたスモークＳの画像データに基づいて、主翼４の翼面上に沿って流れる空気層の剥離状態を検出する。

ここで、図３（ａ）に示すように空気層の剥離が小さいときは、図８（ａ）に示すようにスモークＳの拡散は殆ど無く、スモークＳは略直線状に流れるようになる。一方、図３（ｂ）に示すように空気層の剥離が大きいときは、図８（ｂ）に示すようにスモークＳの拡散が大きくなる。従って、画像データ上におけるスモークＳの拡散状態から、空気層の剥離状態を容易に検出することができる。

なお、剥離検知装置２０は、図７に示すように、スモーク発生器２１、撮像カメラ１４、迎角計２４、コントローラ２５のスモーク発生制御部２６、画像処理部１７及び剥離検出部１８から構成されている。

以上のように本実施形態においては、空気層の流れを可視化（トレース）するためのスモークＳを主翼４の翼面上に吹き出すスモーク発生器２１を設け、撮像カメラ１４によりスモークＳの動きを撮像し、スモークＳの撮像画像に基づいて空気層の剥離状態を検出するようにしたので、空気層の剥離をタイムリーに且つ精度良く検知することができる。

なお、本実施形態では、主翼４の翼面上にスモーク（煙）を噴出させるようにしたが、スモーク以外のトレース微粒子（可視微粒子）、例えば染料やアルミ粉等を主翼４の翼面上に噴出させても良い。

本発明に係わる剥離検知装置の一実施形態を備えた航空機を示す概略斜視図である。 本発明に係わる剥離検知装置の一実施形態を含む機体制御装置の概略構成を示すブロック図である。 主翼の翼面上において空気層が剥離していない状態と空気層が剥離している状態とを示す比較図である。 空気層が剥離していない時の気流糸の状態と空気層が剥離している時の気流糸の状態とを示す比較図である。 空気層の剥離の進行状態を検知する方法の一例を示す図である。 本発明に係わる剥離検知装置の他の実施形態を備えた航空機を示す概略斜視図である。 本発明に係わる剥離検知装置の他の実施形態を含む機体制御装置の概略構成を示すブロック図である。 空気層が剥離していない時のスモークの状態と空気層が剥離している時のスモークの状態とを示す比較図である。

符号の説明

１…航空機、２…機体、４…主翼、１０…剥離検知装置、１２…気流糸（トレース手段）、１４…撮像カメラ（撮像手段）、１５…コントローラ、１７…画像処理部（剥離検出手段）、１８…剥離検出部（剥離検出手段）、２０…剥離検知装置、２１…スモーク発生器（トレース手段）、２５…コントローラ、２６…スモーク発生制御部（トレース手段）、Ｓ…スモーク（可視微粒子）。

Claims (3)

1. 航空機の機体の表面に沿って流れる空気層の剥離を検知する剥離検知装置において、
   飛行中の前記機体の翼面上における前記空気層の流れを可視化するためのトレース手段と、
   前記トレース手段によって前記翼面上に形成される前記空気層の流れの可視化状態を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段により取得された撮像画像に基づいて前記空気層の剥離を失速回復制御の基準として飛行中に検出する剥離検出手段とを備えることを特徴とする剥離検知装置。
2. 前記トレース手段は、前記翼面上に貼り付けられた気流糸であり、
   前記撮像手段は、前記空気層の流れの可視化状態として前記気流糸を撮像し、
   前記剥離検出手段は、前記撮像手段により取得された前記気流糸の撮像画像に基づいて前記空気層の剥離を検出することを特徴とする請求項１記載の剥離検知装置。
3. 前記トレース手段は、前記翼面上に可視微粒子を発生させる手段であり、
   前記撮像手段は、前記空気層の流れの可視化状態として前記可視微粒子を撮像し、
   前記剥離検出手段は、前記撮像手段により取得された前記可視微粒子の撮像画像に基づいて前記空気層の剥離を検出することを特徴とする請求項１記載の剥離検知装置。

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