JP7265260B2

JP7265260B2 - 航空機

Info

Publication number: JP7265260B2
Application number: JP2019168186A
Authority: JP
Inventors: 正志原田
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2023-04-26
Anticipated expiration: 2039-09-17
Also published as: JP2021045996A

Description

本発明は、例えば電動で飛行する航空機に関する。

近年、バッテリー及び電力用半導体技術の発達により、電動で飛行する航空機の実用性が高まっている。動力が従来のレシプロエンジンから電動モーターに変わることで動力が発する騒音が著しく小さくなる。そのため電動航空機の騒音は小さいが、これまでに目立たなかったプロペラの音の全騒音に占める割合が大きくなっている。このプロペラの発する騒音を小さくすることが、電動航空機を社会に受け入れられやすい、より静かな航空機とするために重要である。

プロペラが発する騒音は大きく分けて衝撃波に起因する騒音、ブレードの境界層に起因する騒音、ブレードの厚みに起因する騒音、プロペラブレードが発生する揚力が周期的に変化することに起因する騒音がある。一般に高速になるほど衝撃波に起因する騒音が支配的になり、低速では揚力の周期的な変化に起因する騒音が支配的になる。この揚力が周期的に変化する現象は次のようにして生じる。

図６に水平飛行する航空機の機体１を示す。機体１は典型的には機体１内の床（図示を省略）と平行な基準線２より、飛行中の機体１が受ける相対風９の流れの向き（ここでは、水平線３）に対して迎え角８（以下、αとする）だけ傾けて飛行する。またプロペラ４は基準線２に対しプロペラ回転軸５をプロペラ取り付け角７（以下、ｉとする）だけ傾けて取り付けられる。このプロペラ回転軸５を基準線２より下向きに取り付けることを一般的にダウンスラストと呼ぶ。航空機は釣り合い水平飛行時からプロペラ推力を増して加速すると、揚力が増し上昇する。これを抑えるために、パイロットは操縦桿を操作して水平尾翼６に取り付けられた昇降舵を下げ、迎え角αを減らす必要がある。この昇降舵の操作を省くためにダウンスラストがつけられる。ダウンスラストをつけた場合、プロペラ４の後流が水平尾翼６に下からあたり、水平尾翼を持ち上げる力が働き、機首を下げるモーメントが働く。これにより、プロペラ推力を増して加速した際に、自動的に機首が下がり、機体１は上昇することなく水平飛行を続けることができる。

図７にプロペラ４を正面から見た図を示す。図８に図７のＡ－Ａ'断面矢視図、図９に図７のＢ－Ｂ'断面矢視図を示す。
図７において中心の円がスピナ１０であり、向かって右のブレードがブレード１１、向かって左のブレードがブレード１２である。このプロペラ４が向かって反時計方向に角速度Ωで回転している。

プロペラ４の回転中心から半径ｒの位置の右のブレード１１の翼素１３に着目する。図８に示すように、この翼素１３が受ける周方向の速度１６（以下、Ｕ_Ｔ１と表記する）は次式で与えられる。
Ｕ_Ｔ１=ｒΩ－Ｖｓｉｎ（α－ｉ）式（１）
前方から流入する速度はＶであるから、微小翼素１３への流入速度１７をＵ_１とすると、Ｕ_１は次式で与えられる。
Ｕ_１=（Ｖ^２＋Ｕ_Ｔ１ ^２）^１／２式（２）
また翼素１３への流入角度１８をφ_１とすると、φ_１は次式で与えられる。
φ_１＝ｔａｎ^－１（Ｖ／Ｕ_Ｔ１）式（３）
よって翼素１３の取り付け角をθ、迎え角１９をα_１とすると、α_１は次式で与えられる。
α_１＝θ－φ_１式（４）
同様に、プロペラ４の回転中心から半径ｒの位置の左のブレード１２の翼素１４に着目する。図９に示すように、ブレード１２の翼素１４が受ける周方向の速度２０（以下、Ｕ_Ｔ２と表記する）は次式で与えられる。
Ｕ_Ｔ２=ｒΩ＋Ｖｓｉｎ（α－ｉ）式（５）
前方から流入する速度はＶであるから、微小翼素１４への流入速度２１をＵ_２とすると、Ｕ_２は次式で与えられる。
Ｕ_２=（Ｖ^２＋Ｕ_Ｔ２ ^２）^１／２式（６）
また翼素１４への流入角度２２をφ_２とすると、φ_２は次式で与えられる。
φ_２＝ｔａｎ^－１（Ｖ／Ｕ_Ｔ２）式（７）
よって翼素１４の取り付け角をθ、迎え角２３をα_２とすると、α_２は次式で与えられる。
α_２＝θ－φ_２式（８）

図８及び図９からも分かるように、α_２はα_１より大きく、Ｕ_２はＵ_１より大きい。したがって翼素１４が発生する揚力は翼素１３が発生する揚力よりも大きい。このようにαとｉが等しくない時、左右でブレード１１、１２が発生する揚力の大きさは異なる。この揚力の不均衡はブレード枚数をＢ、１秒あたりの回転数をｎとするとｎＢの倍数の騒音の原因となる。

前進時のヘリコプタでは、前進側および後退側のロータブレードに当たる流速が異なるため、前進側と後退側で上述と同様な揚力の不均衡が生じる。この揚力の不均衡は機体のピッチ角を増すモーメントを発生し、釣り合い飛行を妨げるため、ブレードの付け根にフラッピングヒンジを設けてブレードを上下に自由に運動させるとともに、スワッシュプレートによりブレード取り付け角を周期的に変化させている。だが、このフラッピングヒンジとスワッシュプレートは釣り合い飛行を実現するために設けられているものであり、騒音低減を目的としたものではない。

特許文献１では尾部の推進式のプロペラのマウントをジンバルとし、推力の方向を自由に変えられるようになっている。これは尾部のプロペラで機体姿勢を制御するための考案であり、騒音低減を目的としたものではない。

特許文献２では、プロペラの直径を極めて小さくし、回転数ｎを大きくすることで、ｎＢに比例する騒音の周波数を極めて高くし、空気減衰させる方法が提案されている。

米国特許第２４７８８４７号公報特許第３８４５７２６号公報

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、プロペラブレードの揚力の不均衡に起因する雑音を低減することができる航空機を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、動力装置によりプロペラを回転させて推進する航空機であって、前記航空機の迎え角を検出する検出装置と、前記プロペラ及び前記動力装置を一体として傾きを変える可変装置とを具備し、前記検出装置により検出された迎え角に応じて、前記航空機が受ける相対風の流れの向きに前記プロペラの回転面を正対させるように、前記可変装置によって前記プロペラ及び前記動力装置を傾ける。
本発明では、航空機が受ける相対風の流れの向きにプロペラの回転面を正対させるように、可変装置によってプロペラ及び動力装置を傾けているので、プロペラブレードの揚力の不均衡に起因する雑音を低減することができる。典型的には、プロペラブレードに当たる接線方向の流れの速度成分が０になり、プロペラブレードが発生する揚力が一定となり、周期的な揚力の変動に起因する騒音は発生しない。

本発明に係る航空機では、前記検出装置は、アルファーベーンであることが好ましい。検出装置としてアルファーベーンを採用することで、簡単な構成で航空機の迎え角を検出できる。本発明に係る航空機では、前記動力装置が電動モーターであれば、本発明に係る騒音低減の効果をより享受できる。

本発明に係る航空機では、ローパスフィルタを更に具備し、前記ローパスフィルタを介して前記検出装置により検出された信号を前記可変装置に送ることが好ましい。大気の擾乱による周波数の高い雑音を除去し、大気の擾乱に対して緩やかに追従することが可能となる。

本発明によれば、プロペラブレードの揚力の不均衡に起因する雑音を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る電動航空機を示す側面図である。図１に示した電動航空機の平面図である図１において符号Ａの領域の内部を示す拡大図である。図１に示した電動航空機の制御系の構成を示すブロック図である。本発明に係る制御系の他の構成例を示すブロック図である。水平飛行する航空機の側面図である。航空機のプロペラを正面から見た図である。図７のＡ－Ａ'断面矢視図である。図７のＢ－Ｂ'断面矢視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る電動航空機を示す側面図、図２はその電動航空機の平面図、図３は図１において符号Ａの領域の内部を示す拡大図である。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではない。

電動航空機１００は、機体１内の床（図示を省略）と平行な基準線２より、飛行中の機体１が受ける相対風９の流れの向き（ここでは、水平線３とする）に対して迎え角８だけ機体１を傾けて飛行する。

機体１は、機首に配置されたプロペラ４と、中央部に配置された主翼２５と、後尾に配置され、昇降舵を有する水平尾翼６とを有する。図面には、操縦室や垂直尾翼などが示されているが、説明は省略する。

主翼２５の前縁には、検出装置としてのアルファーベーン２４が取り付けられている。アルファーベーン２４は、例えば機首側に回転軸を設けて、それを支点にして回転する可動式のベーン(羽）を有する。機首が振られるとベーンが動き、それによって支点の回転軸が動く。アルファーベーン２４は、回転軸の回転角度を迎角の変化として検出する。なお、アルファーベーン２４の取り付け位置は一例を示しただけで本発明はこの取り付け位置に限定されるものではない。また、本発明の検出装置は上記のアルファーベーンの構成には限定されず、他の構成のアルファーベーンであってもよく、更に本発明の検出装置はアルファーベーンには限定されず、迎え角を検出できる機能を有すればよい。

図３に示すように、機首の内部には、プロペラ４を回転駆動する動力装置としての電動モーター２６と、プロペラ４及び動力装置としての電動モーター２６を一体として傾きを変える可変装置２９としてのマウント２７及びアクチュエータ２８とが配置されている。マウント２７は、プロペラ４及び電動モーター２６からなる推進装置３０を一体として回転可能に保持する。アクチュエータ２８は、この推進装置３０を駆動する。

図４に推進装置３０の傾きを変える制御系の一例を示す。
アルファーベーン２４により検出された信号は、ローパスフィルタ３１を介してアクチュエータ２８に送られ、入力される。ボリューム３２から出力される調整用の信号は、加算器３３を介して、アクチュエータ２８に入力されるアルファーベーン２４からの信号に重畳される。

ローパスフィルタ３１は、アルファーベーン２４により検出された迎え角の高周波成分を除去する。アルファーベーン２４で検知した迎え角８は大気の擾乱により、周波数の高い雑音を含んでいる。ローパスフィルタ３１は、この雑音を除去し、大気の擾乱に対して緩やかに追従することが可能となる。ローパスフィルタ３１は、典型的には、０．１Ｈｚ以上の周波数をカットする。ただし、本発明は、ローパスフィルタがカットする周波数はこれに限定されない。アルファーベーンの情報に忠実にプロペラ取り付け角度を対応させる場合、すなわちローパスフィルタ後の信号に高周波数成分を多く含む場合、騒音低減効果は大きいが、プロペラ角度制御の消費エネルギーは増大する傾向にある。また、アルファーベーンの情報のうち、迎角の時間変化に相当する周波数近傍以外をカットした場合、すなわちローパスフィルタ後の信号に低周波数成分を多く含む場合、プロペラ角度制御の消費エネルギーは低減できるものの、騒音低減効果が限定的となる傾向にある。言い換えれば、騒音低減と消費エネルギー低減はトレードオフの関係にある。ローパスフィルタの周波数は、求める騒音低減効果と求めるエネルギー消費量に応じて、適宜設定することができる。

電動航空機１００は、離陸滑走時には加速度を最大とする迎え角をとる。この際、アルファーベーン２４で検知した迎え角８と取り付け角７が等しくなるように、アクチュエータ２８を駆動して電動モーター２６およびこれに接続されたプロペラ４の取り付け角７を変化させる。
電動航空機１００は、上昇時には与えられた出力で上昇率を最大とする迎え角をとる。この際もまた、アルファーベーン２４で検知した迎え角８と取り付け角７が等しくなるように、アクチュエータ２８を駆動して電動モーター２６およびこれに接続されたプロペラ４の取り付け角７を変化させる。
電動航空機１００は、巡航時には航続距離を最大とする迎え角をとる。この際もまた、アルファーベーン２４で検知した迎え角８と取り付け角７が等しくなるように、アクチュエータ２８を駆動して電動モーター２６およびこれに接続されたプロペラ４の取り付け角７を変化させる。

このように本実施形態に係る電動航空機１００は、アルファーベーン２４により検出された迎え角８に応じて、迎え角８と取り付け角７が等しくなるように、つまり電動航空機１００が受ける相対風９の流れの向きにプロペラ４の回転面を正対させるように、アクチュエータ２８を駆動して電動モーター２６およびこれに接続されたプロペラ４からなる推進装置３０の傾きを変える。ここで、迎え角８と取り付け角７が等しく（αとｉが等しく）なると、図６～図９、式（１）～（８）で説明したα_２とα_１が等しくなり、またＵ_２とＵ_１が等しくなる。したがって翼素１３が発生する揚力と翼素１４が発生する揚力が等しくなり、揚力の不均衡によって生じる騒音を抑制することができる。
よって、本実施形態に係る電動航空機１００では、離陸滑走時、上昇時、巡行時の異なる迎え角において、いずれの状態でもプロペラブレードが定常に揚力を発生させることで、発生する騒音を低減することができる。

本発明は、上記の実施形態には限定されず、本発明の技術思想の範囲内で様々な変形や応用をした実施が可能であり、その実施の範囲も本発明の技術的範囲に属する。
例えば、上記の実施形態では、プロペラ４及び電動モーター２６からなる推進装置３０は機首に配置されていたが、推進装置３０が主翼や胴体の後方などに配置されていてもよい。また、推進装置３０は２基以上であってもよい。
また、本発明は、電動航空機に限らず、プロペラ機にも採用することが可能である。
更に、上記の実施形態の制御系では、アルファーベーン２４により検出された信号を、ローパスフィルタ３１を介してアクチュエータ２８に入力したが、図５に示すように、制御部３４を介してアクチュエータ２８に入力してもよい。この場合、例えば、制御部３４は、アルファーベーン２４により検出された信号を所定の時間間隔で平均化する処理を行って迎え角を算出し、その結果に基づき迎え角と取り付け角が等しくなるように、アクチュエータ２８を駆動し、電動モーター２６およびこれに接続されたプロペラ４からなる推進装置３０の傾きを変えることが可能である。なお、制御部３４の前段にローパスフィルタを介挿してもよく、この場合には平均化処理は不要となる。

１：機体
２：基準線
３：水平線
４：プロペラ
５：プロペラ回転軸
６：水平尾翼
７：取り付け角
８：迎え角
９：相対風
１０：スピナ
１１：ブレード
１２：ブレード
２４：アルファーベーン
２５：主翼
２６：電動モーター
２７：マウント
２８：アクチュエータ
２９：可変装置
３０：推進装置
３１：ローパスフィルタ
３２：ボリューム
３３：加算器
３４：制御部
１００：電動航空機

Claims

動力装置によりプロペラを回転させて推進する航空機であって、
前記航空機の迎え角を検出する検出装置と、
前記プロペラ及び前記動力装置を一体として傾きを変える可変装置とを具備し、
前記検出装置により検出された迎え角に応じて、前記航空機が受ける相対風の流れの向きに前記プロペラの回転面を正対させるように、前記可変装置によって前記プロペラ及び前記動力装置を傾ける
航空機。
前記検出装置は、アルファーベーンである
請求項１に記載の航空機。
前記動力装置は、電動モーターである
請求項１又は２に記載の航空機。
ローパスフィルタを更に具備し、
前記ローパスフィルタを介して前記検出装置により検出された信号を前記可変装置に送る
請求項１又は２、３に記載の航空機。