JP6592721B2 - 風洞模型支持装置における航空機模型の迎角設定方法およびその設定装置 - Google Patents

Description

この発明は、航空機模型の風洞試験において、模型の後方に、気流に平行に支持スティングを配置し、該スティング内に六分力計測器を装着した風洞模型支持装置における前記航空機模型の迎角設定方法およびその設定装置に関する。

航空機の研究開発において風洞試験は、機体の空力的な性能、及び特性を知る上で重要な役割を担っている。風洞試験においては、航空機模型に作用する６分力が計測され、航空機模型の迎角（ピッチ角）、ヨー角およびロール角を変えて試験が行われる。

風洞試験としては一般的に、ストラット上部に模型を取り付けたストラット支持方式の風洞試験と、スティング先端部に模型を取り付けたスティング支持方式の風洞試験とがある。前記ストラット支持方式の風洞試験の場合、ストラットカバーに当たる風の影響が模型に及び測定精度が問題となるので、この観点から、前記スティング支持方式の風洞試験が好ましい（特許文献１および２、非特許文献１および２等参照）。

図６は、従来技術におけるスティング支持による風洞模型支持装置の一例の概略構成を示す図であって、特許文献１の図９に相応する図であり、その詳細は特許文献２に記載されている。

図６に示す風洞模型支持装置は、模型１６が取り付けられた前部スティング１８と央部スティング２０とが一方の耳部を他方の２叉部に挿入して横ピンボルトで枢着してなる前部関節２２と、央部スティング２０と後部スティング２４とが一方の耳部を他方の２叉部に挿入して竪ピンボルトで枢着してなる後部関節２６と、前部関節２２、後部関節２６の角度をそれぞれ所望の角度に調節及び固定する角度調節及びロック手段とを備える。前記後部スティング２４は、空気流れ方向Ｆに対して直立したストラット２７に支持され、ストラット２７の断面は流れ抵抗を減らすべく空気流れ方向に対して流線型となっている（特許文献２参照）。ところで、図６に示す装置の場合、航空機模型の迎角（ピッチ角）、ヨー角およびロール角の変更はすべて通風試験前に人の作業により行われる。

図５は、改良された従来技術における風洞模型支持装置の一例の概略構成を示す図であって、特許文献１の図１に相応する図である。図５に示す装置の場合、航空機模型の迎角（ピッチ角）の変更は通風中にアクチュエータを用いて自動で行われる。

図５に示す風洞模型支持装置は、気流が流れる風洞中の計測部に風洞試験用の模型２８が配置され、この模型２８は、一端が固定部（図示略）に固定され他端に模型後端部を枢着した支持スティング３０によって支持されている。支持スティング３０は気流と平行に設置される。支持スティング３０の長手軸より若干上方の位置には並進駆動アクチュエータ３２が配置され、アクチュエータ３２の出力軸３４に可動スティング３６（アクチュエータが作用する部材）が枢着されて、パラレルリンク構成にて模型２８の迎角が変更できるようになっている。この場合、図示していないが、アクチュエータ３２には出力軸３４の位置を計測する位置センサが取り付けられている（特許文献１参照）。

前記図６および図５に示す風洞模型支持装置をさらに改良した方式として、スティング２４を支持する直立のストラット２７を、パイプ状であって、かつ水平に配置した長尺管状のストラットとし、この長尺管状のストラットにスティングを接続し、迎角の変更を前記長尺管状のストラットを回転させることにより自動変更する方式が考えられている（詳細は後述する）。この方式は、迎角の自動変更に関わる構成が容易であって、かつ流れ抵抗を軽減することが可能となる利点があり、本願発明において採用する基本構成である。この場合、前記長尺管状のストラットは、流れ抵抗をさらに低減すべく流線型の整流カバーで覆われる構成とすることが望まれる。その理由は下記のとおりである。

円柱物体が流体の一様流中に置かれると、円柱物体表面のある点で流れのはく離が生じ、その背後に渦の領域が形成され、流れは円柱物体前後で非対象となる。渦ができるとその部分の圧力が下がり円柱物体は流体から流れの方向に力（圧力抗力）を受ける。また、渦の発生により、円柱物体には振動が発生する。

これに対し、物体の形が流線型になれば、はく離点は物体の後方に移り、渦の発生が抑制され圧力抗力が小さくなり、また、振動の発生も抑制される。ところで、上記のような長尺管状のストラットを流線型の整流カバーで覆う構成とした風洞模型支持装置であっても、下記のような問題点がある。

迎角ゼロの際に空気流の流れ方向と整流カバーの中心軸線方向が一致していても、風洞試験において前記迎角の変更を長尺管状のストラットを回転させることにより自動変更させた場合、長尺管状のストラットを覆う流線型の整流カバーが長尺管状のストラットと共に回転する場合、整流カバーの中心軸線方向が空気流の流れ方向とずれて、整流カバー自体が流れの抵抗となる問題があった。

特開２００４−１０１４５６号公報 特開平５−１８７９６１号公報

西脇 英彦、外２名、"小型高性能機の大迎角風洞試験について"、１９８２年５月、日本航空宇宙学会誌、第３０巻、第３４０号、第６０〜６６頁 橋本 敦、外３名、"遷音速風洞の丸ごと解析"、宇宙航空研究開発機構（JAXA）、ahashi@chofu.jaxa.jp

この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、スティング内に六分力計測器を装着した風洞模型支持装置において、流れ抵抗が軽減可能で、かつ迎角の自動変更が容易であり、さらに模型の迎角を自動変更した場合においても、整流カバー自体が流れの抵抗となる問題が解消され、流れ抵抗の軽減が維持できる模型の迎角設定方法およびその設定装置を提供することにある。

前述の課題を解決するために、この発明の迎角設定方法は下記のようなものとする。即ち、航空機模型の風洞試験において、風洞中に設置される航空機の模型を支持するとともに、前記模型の迎角を変更可能とした風洞模型支持装置であって、前記模型の後端部に６分力検出器を内装したスティングを枢着し、前記スティングをその気流後方端部において、前記気流の幅方向に中心軸を有する長尺管状のストラットの軸方向中央部に接続してなり、前記ストラットは前記気流方向に対して流線型の外形形状を有する整流カバーを備えてなる風洞模型支持装置における前記模型の迎角設定方法において、前記整流カバーは前記ストラットに対して遊嵌してなるものとし、かつ前記整流カバーを、ピン結合を介して平行リンク機構を備えた整流カバーの迎角固定用アームに接続した上で、前記ストラットを迎角設定用アームにより回転することにより、スティングに接続された前記模型の迎角を設定することを特徴とする。

さらに、前記発明を実施するための装置としては、下記の構成が好ましい。即ち、前記スティングと、前記スティングを接続可能とした前記ストラットと、前記ストラットの軸方向に前記スティングを挟んで両側に分割配置した前記整流カバーと、前記平行リンク機構を備えた各整流カバーの迎角固定用アームと、前記ストラットの軸方向両端部にそれぞれ設けた前記迎角設定用アームとを備え、前記平行リンク機構は、平行に間隔を空けて対向配置した二つの前記整流カバーの迎角固定用アームの各一端を第１のピン結合を介して第１繋ぎ板と接続し、各他端を第２のピン結合を介して第２繋ぎ板と接続してなり、また、前記ストラットを各迎角設定用アームにより回転するための回転駆動装置を有する迎角調整機構を備え、前記各迎角設定用アームは前記ストラットの軸方向端部においてストラットに接続してなり、さらに、前記各整流カバーはその軸方向端部において前記第２繋ぎ板と接続してなることを特徴とする。

上記模型の迎角設定方法およびその設定装置の発明によれば、詳細は後述するが、前記整流カバーを、ピン結合を介して平行リンク機構を備えた整流カバーの迎角固定用アームに接続した上で、前記ストラットを迎角設定用アームにより回転することにより、スティングに接続された前記模型の迎角を設定するので、スティングに接続された前記模型の迎角が、例えば角度ゼロの水平状態位置から、平行リンク機構により所望の角度に設定された際に、スティングに接続された模型は前記所望の角度となるように回動するが、前記整流カバーは、平行リンクの動作原理に基づき回動することなく水平状態の角度ゼロ状態に維持される。従って、従来の問題点であった整流カバー自体が流れの抵抗となる問題が解消される。そして、上記発明によれば、模型の迎角の自動変更も容易である。

また、前記発明の装置としては、前記ストラットを各迎角設定用アームにより回転駆動するための各迎角調整機構は、それぞれ、同期して回転駆動するための同期駆動制御装置を備えることが好ましい。

整流カバーは、ストラットの軸方向にスティングを挟んで両側に分割配置したので、整流カバー自体が流れの抵抗とならないようにするためには、同期して回転駆動する必要があることは当然である。

さらに、前記発明の装置としては、前記整流カバーは前記ストラットに対して、前記整流カバーの各端部に接続して設けた遊嵌用リングを介して遊嵌してなるものとし、前記各迎角調整機構および前記各第１繋ぎ板は、装置取付架台に装置を支持するための支持フレーム上に配設支持されることが好ましい。

また、前記支持フレームと装置取付架台との間に、前記模型のヨー角を設定するためのヨー角調整機構を備えること、さらに、前記スティングと前記ストラットとの間に、前記模型のロール角を設定するためのロール角調整機構を備えることが好ましい。ここで、ヨー角とは機体の上下軸まわりの回転角であり、ロール角とは機体の中心軸の回転運動成分の回転角である。なお前記の迎角とはピッチング角ともいわれ、機体の左右の軸まわりの回転角である。

さらに、上記発明の装置において、前記ストラットの軸方向に前記スティングを挟んで両側に分割配置した前記整流カバーは、前記分割配置した整流カバーの間の隙間に気流が流れることを抑制するための隙間流れ防止装置を備えることが好ましい。
また、前記迎角調整機構は、迎角調整機構に接続された前記迎角設定用アームのアーム軸線上であって前記迎角設定用アームとは反対側に、バランス錘用アームを備えることが好ましい。

この発明によれば、ストラットに接続されたスティング内に六分力計測器を装着した風洞模型支持装置において、ストラットに接続された整流カバーを、ピン結合を介して平行リンク機構を備えた整流カバーの迎角固定用アームに接続した上で、ストラットを迎角設定用アームにより回転することにより、流れ抵抗が軽減可能で、かつ迎角の自動変更が容易であり、さらに模型の迎角を自動変更した場合においても、整流カバー自体が流れの抵抗となる問題を解消することが可能な模型の迎角設定方法および装置を提供することができる。

本発明に係る風洞模型支持装置の実施例であって、（ａ）は装置を上方から見た平面図、（ｂ）は装置を空気の流入方向から見た側面図。 本発明の迎角設定方法に係る平行リンクの構成を示す図。 本発明に係る迎角の変動を示す図。 本発明に係る迎角変動機構を説明する模式的構成図。 従来の風洞模型支持装置の一例を示す図。 図５とは異なる従来の風洞模型支持装置の一例を示す図。

図１〜図４に基づき、本発明の模型の迎角設定方法およびその設定装置の実施の形態について以下に述べる。なお、図１〜図４において、同一機能を有する部材には同一符号を付して、重複説明を省略する。

図１は、本発明に係る風洞模型支持装置の実施例であって、図１（ａ）は装置を上方から見た平面図、図１（ｂ）は装置を空気の流入方向から見た側面図を示し、（ａ）および（ｂ）共に、支持フレーム１０における支持フレームセンター軸線１７の左側は迎角０度、右側は迎角６０度の場合を示す（図３参照）。なお、図１（ｂ）の支持フレームセンター軸線１７上の上部には、空気の吹出し口１９が示されている。

図１には、スティング（１）と、前記スティングを接続可能としたストラット（２）と、前記ストラットの軸方向に前記スティングを挟んで両側に分割配置した整流カバー（３）と、後述する平行リンク機構を備えた整流カバーの迎角固定用アーム（４）と、前記ストラット（２）の軸方向両端部にそれぞれ設けた迎角設定用アーム（１３）とが示されている。なお、前記分割配置した前記整流カバー（３）は、この分割配置された整流カバーの間の隙間に気流が流れることを抑制するための図示しない隙間流れ防止装置を備える。

また、図１の装置は、前記ストラット（２）を各迎角設定用アーム（１３）により回転するための回転駆動装置を有する迎角調整機構（１４）を左右それぞれに備え、前記迎角調整機構（１４）は、迎角調整機構（１４）に接続された前記迎角設定用アーム（１３）のアーム軸線上であって前記迎角設定用アーム（１３）とは反対側に、バランス錘用アーム（１５）を備える。なお、ストラット（２）を各迎角設定用アーム（１３）により回転駆動するための前記各迎角調整機構（１４）は、それぞれ、同期して回転駆動するための図示しない同期駆動制御装置を備える。

さらに、前記支持フレーム（１０）と装置取付架台（２０）との間には、前記模型のヨー角を設定するためのヨー角調整機構（１１）を備える。

次に、図２〜４について説明する。図２は迎角設定方法に係る平行リンクの構成を示す図、図３は迎角の変動を示す図、図４は本発明に係る迎角変動機構の実施例を説明する模式的構成図である。なお、図４は、実際には、ストラット（２）の軸方向の支持フレームセンター軸線（１７）との交差部に、スティング（１）が接続されているが、説明の便宜上、これを省略し、整流カバー（３）が分割配置されていない図を示している。

図２および４は、平行リンク機構を備えた前記整流カバーの迎角固定用アーム（４）を示し、前記平行リンク機構は、平行に間隔を空けて対向配置した二つの前記整流カバーの迎角固定用アーム（４）の各一端を第１のピン結合（８）を介して第１繋ぎ板（５）と接続し、他端を第２のピン結合（７）を介して第２繋ぎ板（６）と接続してなる。なお、図２は、回転センターＯを中心としてスティング（１）と共にストラット（２）が水平線Ｘから２０度回転し、その際、前記平行リンク機構に基づき、整流カバー（３）は水平状態を維持している状況が示されている。

また、図４から明らかなように、前記整流カバー（３）はストラット（２）に対して、整流カバー（３）の端部に接続して設けた遊嵌用リング（９）を介して遊嵌してなり、迎角調整機構（１４）および第１繋ぎ板（５）は、装置取付架台（２０）に装置を支持するための支持フレーム（１０）上に配設支持されている。

図３に、迎角の変動状況が示され、回転センターＯを中心としてスティング（１）と共にストラット（２）が回転し、その際、図２と同様に、前記平行リンク機構に基づき、整流カバー（３）は水平状態を維持している状況が示されている。変動する迎角としては、代表的に、０度、−２０度、＋６０度の三段階が示されている。また、図３には、スティング（１）とストラット（２）との間に、模型のロール角を設定するためのロール角調整機構（１２）を備えることが、略示的に示されている。

ところで、前記迎角（ピッチ角）は通常−２０度〜＋６０度、ヨー角は−２０度〜＋２０度、ロール角は−１５度〜＋１５度の範囲で調整される。なお、ロール角は通常、手動で調整され、ヨー角は手動または自動で調整される。

前記装置によれば、ストラットに接続された整流カバーを、ピン結合を介して平行リンク機構を備えた整流カバーの迎角固定用アームに接続した上で、ストラットを迎角設定用アームにより回転することにより、流れ抵抗が軽減可能で、かつ迎角の自動変更が容易であり、さらに模型の迎角を自動変更した場合においても、整流カバー自体が流れの抵抗となる問題を解消することができる。

１：スティング、２：ストラット、３：整流カバー、４：整流カバーの迎角固定用アーム、５：第１繋ぎ板、６：第２繋ぎ板、７：第２のピン結合、８：第１のピン結合、９：遊嵌用リング、１０：支持フレーム、１１：ヨー角調整機構、１２：ロール角調整機構、１３：迎角設定用アーム、１４：迎角調整機構、１５：バランス錘用アーム、１７：支持フレームセンター軸線、１９：吹出し口、２０：装置取付架台、Ｆ：空気流方向、Ｏ：回転センター、Ｘ：水平線。

Claims (8)

1. 航空機模型の風洞試験において、風洞中に設置される航空機の模型を支持するとともに、前記模型の迎角を変更可能とした風洞模型支持装置であって、前記模型の後端部に６分力検出器を内装したスティング（１）を枢着し、前記スティング（１）をその気流後方端部において、前記気流の幅方向に中心軸を有する長尺管状のストラット（２）の軸方向中央部に接続してなり、前記ストラット（２）は前記気流方向に対して流線型の外形形状を有する整流カバー（３）を備えてなる風洞模型支持装置における前記模型の迎角設定方法において、
   前記整流カバー（３）は前記ストラット（２）に対して遊嵌してなるものとし、かつ前記整流カバー（３）を、ピン結合（７，８）を介して平行リンク機構を備えた整流カバーの迎角固定用アーム（４）に接続した上で、前記ストラット（２）を迎角設定用アーム（１３）により回転することにより、スティング（１）に接続された前記模型の迎角を設定することを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の迎角設定方法を実施するための装置であって、前記スティング（１）と、前記スティングを接続可能とした前記ストラット（２）と、前記ストラットの軸方向に前記スティングを挟んで両側に分割配置した前記整流カバー（３）と、前記平行リンク機構を備えた各整流カバーの迎角固定用アーム（４）と、前記ストラット（２）の軸方向両端部にそれぞれ設けた前記迎角設定用アーム（１３）とを備え、前記平行リンク機構は、平行に間隔を空けて対向配置した二つの前記整流カバーの迎角固定用アーム（４）の各一端を第１のピン結合（８）を介して第１繋ぎ板（５）と接続し、各他端を第２のピン結合（７）を介して第２繋ぎ板（６）と接続してなり、また、前記ストラット（２）を各迎角設定用アーム（１３）により回転するための回転駆動装置を有する迎角調整機構（１４）を備え、前記各迎角設定用アーム（１３）は前記ストラット（２）の軸方向端部においてストラット（２）に接続してなり、さらに、前記各整流カバー（３）はその軸方向端部において前記第２繋ぎ板（６）と接続してなることを特徴とする装置。
3. 請求項２に記載の装置において、前記ストラット（２）を各迎角設定用アーム（１３）により回転駆動するための各迎角調整機構（１４）は、それぞれ、同期して回転駆動するための同期駆動制御装置を備えたことを特徴とする装置。
4. 請求項２または３に記載の装置において、前記整流カバー（３）は前記ストラット（２）に対して、前記整流カバー（３）の各端部に接続して設けた遊嵌用リング（９）を介して遊嵌してなるものとし、前記各迎角調整機構（１４）および前記各第１繋ぎ板（５）は、装置取付架台（２０）に装置を支持するための支持フレーム（１０）上に配設支持されたことを特徴とする装置。
5. 請求項４に記載の装置において、前記支持フレーム（１０）と装置取付架台（２０）との間に、前記模型のヨー角を設定するためのヨー角調整機構（１１）を備えたことを特徴とする装置。
6. 請求項２ないし５のいずれか１項に記載の装置において、前記スティング（１）と前記ストラット（２）との間に、前記模型のロール角を設定するためのロール角調整機構（１２）を備えたことを特徴とする装置。
7. 請求項２ないし６のいずれか１項に記載の装置において、前記ストラットの軸方向に前記スティングを挟んで両側に分割配置した前記整流カバー（３）は、前記分割配置した整流カバーの間の隙間に気流が流れることを抑制するための隙間流れ防止装置を備えたことを特徴とする装置。
8. 請求項２ないし７のいずれか１項に記載の装置において、前記迎角調整機構（１４）は、迎角調整機構（１４）に接続された前記迎角設定用アーム（１３）のアーム軸線上であって前記迎角設定用アーム（１３）とは反対側に、バランス錘用アーム（１５）を備えたことを特徴とする装置。