JP6030167B2 - 航空機翼の水滴離脱性試験方法、及び、航空機翼の水滴離脱性試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、航空機の翼表面の水滴離脱性を評価する航空機翼の水滴離脱性試験方法及びその装置に関する。

航空機においては、雲中の過冷却水滴が衝突することで翼表面に氷層が形成される場合があり、この翼表面への着氷が飛行性能の悪化等の問題を引き起こすことが知られている。
着氷を防ぐ対策としてはブリードエアを用いた方法が現状主流であるが、より省燃費性に優れるものとして、翼前縁部を電熱ヒーターで加熱して氷を融解させる方法の採用が広がりつつある。しかし、この方法では、加熱されて融解した水滴が、翼表面上を伝って翼前縁部（加熱領域）を過ぎた後に、再び凝固して翼表面に付着してしまう場合がある。

そこで、特許文献１に記載の技術では、翼前縁部の表面を非撥水性領域としつつ電熱ヒーターで内部から加熱し、それ以外の表面領域を超撥水性領域としている。これにより、翼前縁部で加熱されて融解した水滴が、翼表面上を伝って超撥水性領域に至った後に、風圧によって翼表面上から飛ばされる（離脱する）ようにしている。

特開２０１０−２３４９８９号公報

ところで、航空機の翼の断面形状は、機体の種類によっては勿論、翼の部位によっても異なっている。
そのため、上記特許文献１に記載の技術による着氷防止効果（すなわち、翼表面の水滴離脱性）を評価するためには、対象とする機体毎に、その翼を正確に模した翼構造体を作製して風洞試験を実施しなければならず、準備も含めて大掛かりな試験が必要となってしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、航空機の翼表面の水滴離脱性を簡便に評価できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、航空機の翼表面の水滴離脱性を評価する航空機翼の水滴離脱性試験方法であって、
前記翼を模したものとして、水に対する表面特性が所定の境界位置を介して周方向で異なる円筒部材を用い、
前記円筒部材の表面に対し、当該円筒部材の軸方向と直交する方向から風を送る工程と、
前記円筒部材の表面のうち前記風の流れに対する前縁側部分に水滴を供給する工程と、
前記風によって前記境界位置を跨いで前記円筒部材の表面上を移動する水滴を撮影する工程と、
を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の航空機翼の水滴離脱性試験方法において、
前記円筒部材の表面のうち、前記境界位置よりも前縁側が非撥水領域であり、後縁側が撥水領域であることを特徴とする

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の航空機翼の水滴離脱性試験方法において、
前記円筒部材は、
所定の境界位置を介した前縁側と後縁側とで水に対する表面特性が異なる航空機の翼を模しており、
前記翼の境界位置での曲率半径と略同一の半径に形成されるとともに、当該円筒部材の前記境界位置を通る線と前記風の送風方向とのなす中心角が、前記翼において境界位置での垂線と風向きとのなす角度と略同一となるように形成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の航空機翼の水滴離脱性試験方法において、
前記円筒部材の雰囲気温度が常温であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、航空機の翼表面の水滴離脱性を評価する航空機翼の水滴離脱性試験装置であって、
前記翼を模したものであって、水に対する表面特性が所定の境界位置を介して周方向で異なる円筒部材と、
前記円筒部材の表面に対し、当該円筒部材の軸方向と直交する方向から風を送る送風手段と、
前記円筒部材の表面のうち前記風の流れに対する前縁側部分に水滴を供給する水滴供給手段と、
前記風によって前記境界位置を跨いで前記円筒部材の表面上を移動する水滴を撮影する撮影手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、水に対する表面特性が所定の境界位置を介して周方向で異なる円筒部材の表面に対し、その軸方向と直交する方向から風が送られ、円筒部材の表面の前縁側部分に水滴が供給される。そして、風によって境界位置を跨いで円筒部材の表面上を移動する水滴が撮影される。
これにより、航空機の翼を模した円筒部材の表面上のうち、例えば撥水性などの表面特性が異なる領域に亘って水滴を移動させて、この水滴が表面上から離脱するときの挙動を観察することができ、ひいては当該表面上からの水滴の離脱しやすさを評価することができる。
したがって、航空機の翼を正確に模した翼構造体を作製する必要なく、単純な形状の円筒部材などの簡便な試験器具を用いて、航空機の翼表面の水滴離脱性を簡便に評価することができる。

水滴離脱性試験装置の概略図である。 円筒部材の表面状態を説明するための図である。 円筒部材が模擬する航空機の翼の前縁部周辺の側面図である。 円筒部材から離脱する水滴の挙動例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

まず、本実施形態における航空機翼の水滴離脱性試験装置（以下、単に「水滴離脱性試験装置」という）１の構成について説明する。
図１は、水滴離脱性試験装置１の概略図であり、図２は、水滴離脱性試験装置１が備える後述の円筒部材２の表面状態を説明するための図であり、図３は、円筒部材２が模擬する航空機の翼Ｗの前縁部周辺の側面図である。

水滴離脱性試験装置１は、航空機の翼表面の水滴離脱性（水滴の離脱しやすさ）を評価するためのものであり、本実施形態では、特に翼表面の撥水性による水滴離脱性を評価するために用いられる。
具体的には、図１に示すように、水滴離脱性試験装置１は、航空機の翼Ｗ（本実施形態では主翼：図３参照）を簡易的に模した円筒部材２のほか、送風機３と、給水シリンダー４と、撮影カメラ５とを備えて構成されている。

このうち、送風機３は、飛行中の航空機の翼Ｗに当たる風を模擬するためのものであり、円筒部材２の表面に対し、その中心軸Ａｘに沿った方向（以下、「軸方向」という）と略直交する方向（以下、「送風方向」という）Ｄから送風可能なように設けられている。
なお、本実施形態における水滴離脱性試験は風洞設備内で実施されることが好ましく、送風機３は風洞設備に備え付けの機器であることが好ましい。

給水シリンダー４は、円筒部材２の表面に水（水滴）を供給するためのものであり、チューブ４１を介して給水可能なように円筒部材２に接続されている。具体的には、給水シリンダー４の開口端にチューブ４１の一端が接続されるとともに、このチューブ４１の他端が、円筒部材２の表面のうち送風方向Ｄにおけるよどみ点Ｐ（図２参照）の近傍位置に、円筒部材２の内側から接続されている。
チューブ４１の他端が接続された円筒部材２の表面内の位置（すなわち給水位置２ａ）は、後述の境界位置２ｂよりも送風方向Ｄに対する前縁側であれば特に限定はされない。但し、円筒部材２のうちの略半円筒部のみで水滴離脱性を評価できるように、この給水位置２ａは、よどみ点Ｐよりも周方向のいずれか一方側に位置していることが好ましく、本実施形態ではよどみ点Ｐよりもやや上側に位置している（図２参照）。

撮影カメラ５は、円筒部材２の表面を移動する水（水滴）を撮影するためのものであり、本実施形態では、軸方向に略沿った向きで円筒部材２の表面を撮影可能なように配置されている。この撮影カメラ５は、送風機３からの風を受けながら円筒部材２の表面上を移動する水（水滴）の挙動を、静止画または動画で捕捉可能な高速カメラである。
なお、撮影カメラ５は、円筒部材２の表面を移動する水（水滴）を撮影可能であれば、その向きや配置位置は特に限定されない。

円筒部材２は、上述の通り航空機の翼Ｗを簡易的に模したものであり、翼Ｗの母材と同材料のアルミニウム合金または複合材で形成され、中心軸Ａｘを略水平にした状態に配置されている。また、円筒部材２は、特に限定はされないが、送風方向Ｄに対向する側とは反対側（図２の左側）部分が、内側へのチューブ４１の挿入部として切り欠かれている。

この円筒部材２が模擬する翼Ｗでは、図２及び図３に示すように、その表面のうち、境界位置Ｗｂよりも前縁側が非撥水領域、後縁側が撥水領域となっており、当該円筒部材２は、特に、この翼Ｗの表面状態を模したものとなっている。
具体的に、円筒部材２では、所定の境界位置２ｂを境に、送風方向Ｄに対する前縁側が非撥水領域Ｅ１、後縁側が撥水領域Ｅ２となっており、この境界位置２ｂが、翼Ｗにおける境界位置Ｗｂに対応した位置となっている。つまり、円筒部材２は、翼Ｗの境界位置Ｗｂでの曲率半径と略同一の半径（外半径）Ｒに形成されるとともに、境界位置２ｂを通る線と送風方向Ｄとのなす中心角が、翼Ｗにおいて境界位置Ｗｂでの垂線と風向きとのなす角度と略同一の角度αとなっている。

円筒部材２の表面のうち、前縁側の非撥水領域Ｅ１は、非撥水性の母材地肌のまま（または非撥水性塗料が塗布された面）とされており、後縁側の撥水領域Ｅ２は、所定の軸方向長さに亘って撥水性塗料が塗布された面となっている。また、非撥水領域Ｅ１内には、給水位置２ａが含まれている。
なお、本実施形態では、円筒部材２のうちの上半部（上側の略半円筒部）のみで水滴離脱性を評価するため、当該上半部のみに非撥水領域Ｅ１及び撥水領域Ｅ２が形成されている。

続いて、本実施形態における水滴離脱性試験の試験方法について説明する。
なお、本実施形態では、試験実施者が水滴離脱性試験装置１の各部を操作することで本試験が進行するものとする。

本実施形態における水滴離脱性試験では、実際の翼Ｗの表面における非撥水領域の温度がヒーターによって０℃以上に保たれると仮定して、円筒部材２の雰囲気温度を常温とする。つまり、温度操作は行わない。但し、この雰囲気温度は、実際の翼Ｗにおいて、着氷環境下でヒーターによって保たれる非撥水領域の表面温度の範囲内であればよく、常温でなくともよい。

次に、図２に示すように、送風機３を動作させ、円筒部材２の表面に対して送風方向Ｄから風を送る。このときの送風機３の出力は、翼Ｗが実際の飛行状態で受ける風圧を再現したものとする。

次に、給水シリンダー４を操作して、円筒部材２の給水位置２ａから水（水滴）を出す。
すると、よどみ点Ｐよりもやや上側の給水位置２ａから円筒部材２の表面上に出された水滴は、送風方向Ｄの風によって、当該表面上を非撥水領域Ｅ１から撥水領域Ｅ２まで境界位置２ｂを跨いで上側へ移動していく。
こうして、実際の翼Ｗの表面上を非撥水領域から撥水領域まで移動する水滴の動きが再現される。

次に、撮影カメラ５を操作して、円筒部材２の表面上を非撥水領域Ｅ１から撥水領域Ｅ２まで移動する水滴の動きを連続撮影する。
これにより、例えば図４に示すように、円筒部材２の表面上を非撥水領域Ｅ１から撥水領域Ｅ２に到った後に、当該表面上から後縁方向へ離脱する水滴の挙動を観察することができる。
その結果、円筒部材２で模した翼Ｗの表面の水滴離脱性を評価することができる。つまり、翼Ｗにおいて境界位置Ｗｂ近傍での水滴の飛散・除去が可能か否かを判定して、当該翼Ｗの撥水構造による水滴除去効果を確認することができる。

また、翼Ｗの表面状態や飛行条件を変えたときの水滴離脱性を評価したい場合には、円筒部材２の境界位置２ｂの位置や、撥水領域Ｅ２での接触角（つまり撥水塗料の種類）、風速などを適宜変更し、同様に試験を行えばよい。

以上のように、本実施形態によれば、境界位置２ｂを介して周方向で撥水性が異なる円筒部材２の表面に対し、その軸方向と直交する送風方向Ｄから風が送られ、円筒部材２の表面の前縁側部分に水滴が供給される。そして、風によって境界位置２ｂを跨いで円筒部材２の表面上を移動する水滴が撮影される。
これにより、航空機の翼Ｗを模した円筒部材２の表面上のうち、撥水性が異なる非撥水領域Ｅ１と撥水領域Ｅ２に亘って水滴を移動させて、この水滴が表面上から離脱するときの挙動を観察することができ、ひいては当該表面上からの水滴の離脱しやすさを評価することができる。
したがって、航空機の翼を正確に模した翼構造体などを作製する必要なく、単純な形状の円筒部材２などの簡便な試験器具を用いて、航空機の翼Ｗ表面の水滴離脱性を簡便に評価することができる。

また、円筒部材２の雰囲気温度を常温として試験を実施できるので、ヒーターなどの温度調節機器を必要とすることなく、より簡便に航空機の翼Ｗ表面の水滴離脱性を評価することができる。

なお、本発明を適用可能な実施形態は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、円筒部材２（翼Ｗ）表面の撥水性による水滴離脱性を評価することとしたが、本発明は、撥水性に限らず、水に対する表面特性全般の評価に適用することができ、例えば滑水性の評価などにも用いることができる。

また、円筒部材２は、水滴が移動する部分だけがあれば足りるため、例えば上半部だけの略半円筒状であってもよい。

また、試験実施者が水滴離脱性試験装置１の各部を操作することとしたが、水滴離脱性試験装置１の各部と接続された制御部を設け、当該制御部によって各部を中央制御することとしてもよい。

１ 水滴離脱性試験装置
２ 円筒部材
２ａ 給水位置
２ｂ 境界位置
Ａｘ 中心軸
Ｒ 半径
Ｅ１ 非撥水領域
Ｅ２ 撥水領域
α 角度
３ 送風機（送風手段）
Ｄ 送風方向
４ 給水シリンダー（水滴供給手段）
５ 撮影カメラ（撮影手段）
Ｗ 翼
Ｗｂ 境界位置

Claims (5)

1. 航空機の翼表面の水滴離脱性を評価する航空機翼の水滴離脱性試験方法であって、
   前記翼を模したものとして、水に対する表面特性が所定の境界位置を介して周方向で異なる円筒部材を用い、
   前記円筒部材の表面に対し、当該円筒部材の軸方向と直交する方向から風を送る工程と、
   前記円筒部材の表面のうち前記風の流れに対する前縁側部分に水滴を供給する工程と、
   前記風によって前記境界位置を跨いで前記円筒部材の表面上を移動する水滴を撮影する工程と、
   を備えることを特徴とする航空機翼の水滴離脱性試験方法。
2. 前記円筒部材の表面のうち、前記境界位置よりも前縁側が非撥水領域であり、後縁側が撥水領域であることを特徴とする請求項１に記載の航空機翼の水滴離脱性試験方法。
3. 前記円筒部材は、
   所定の境界位置を介した前縁側と後縁側とで水に対する表面特性が異なる航空機の翼を模しており、
   前記翼の境界位置での曲率半径と略同一の半径に形成されるとともに、当該円筒部材の前記境界位置を通る線と前記風の送風方向とのなす中心角が、前記翼において境界位置での垂線と風向きとのなす角度と略同一となるように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の航空機翼の水滴離脱性試験方法。
4. 前記円筒部材の雰囲気温度が常温であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の航空機翼の水滴離脱性試験方法。
5. 航空機の翼表面の水滴離脱性を評価する航空機翼の水滴離脱性試験装置であって、
   前記翼を模したものであって、水に対する表面特性が所定の境界位置を介して周方向で異なる円筒部材と、
   前記円筒部材の表面に対し、当該円筒部材の軸方向と直交する方向から風を送る送風手段と、
   前記円筒部材の表面のうち前記風の流れに対する前縁側部分に水滴を供給する水滴供給手段と、
   前記風によって前記境界位置を跨いで前記円筒部材の表面上を移動する水滴を撮影する撮影手段と、
   を備えることを特徴とする航空機翼の水滴離脱性試験装置。

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