JP7346347B2 - 翼及び航空機 - Google Patents

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Description

本開示は、翼及び航空機に関する。
近年、パワーエレクトロニクスの性能向上に伴って、航空機を電動化する開発が盛んに行われており、その開発のひとつにVTOL(Vertical Take Off & Landing:垂直離着陸)型の航空機がある。
電動のVTOL機は、巡航速度、巡航距離、ペイロード等の要求によって機体の形式が異なる。例えば、早い巡航速度や長い巡航距離が要求される場合、主翼を有したチルトウィング機やチルトロータ機が採用されることが多い。
一方で、主翼やロータをチルト(傾斜)させると飛行の安定した制御が難しくなるので、巡航速度が遅く巡行距離が短い場合、固定ロータ機が採用されることが多い。
近年、長距離輸送のニーズが高まっており、今後は電動化のメリットを活かして分散ファンによるチルトウィング機やチルトロータ機のニーズが高まると考えられる。
しかしながら、主翼やロータをチルトさせるための機構が機体の重量を増加させ、その結果、電力消費量の増加や飛行安定性の低下といった課題が懸念されている。このため、例えば特許文献1に開示されているようなリフト用ファン及び推力用ファンを別個に搭載するVTOL機(いわゆるコンパウンド型)の採用が考えられる。
米国特許出願公開第2019/0291860号明細書
リフト用ファン及び推力用ファンが別個に搭載されている場合、離着陸時ではない巡行飛行時には推力用ファンのみを使用するので、リフト用ファンは空気の流れを阻害する抵抗要素になってしまう。
また、特許文献1に開示されているVTOL機のように、主翼の後縁に推進用ファンが設けられ、主翼の内部にリフト用ファンが収容される構成であっても、リフト用ファンの収容空間が翼上面と翼下面とを連通させ空気の往来が可能となり、翼としての性能を低下させる可能性がある。これに対して、同じく特許文献1には、リフト用ファンの収容空間を覆うルーバが開示されているが、ルーバ及びルーバを開閉する機構が機体の重量を増加させ、結果として、電力消費量の増加や飛行安定性の低下といった課題が残される。
本開示は、このような事情に鑑みてなされてものであって、重量を増加させることなく翼上面と翼下面との間の空気の往来を回避させて翼本体の性能低下を抑制できる翼及び航空機を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示の翼及び航空機は以下の手段を採用する。
すなわち、本開示の一態様に係る翼は、前縁と後縁との間で翼厚方向に貫通した収容部が形成された翼本体と、前記収容部の内部に設けられ、前記翼厚方向に気流を発生させるリフトファンと、前記翼本体の前記前縁に設けられ、前記翼本体の翼上面及び翼下面において前記前縁から前記後縁に向かう気流を発生させるスラストファンと、を備えている。
また、本開示の一態様に係る航空機は、上記の翼を備えている。
本開示に係る翼及び航空機によれば、重量を増加させることなく翼上面と翼下面との間の空気の往来を回避させて翼本体の性能低下を抑制できる。
本開示の一実施形態に係る翼を備えている航空機の斜視図である。 図1に示す切断線II-IIにおける翼の断面図である。 図1に示す矢印Aから見た翼の平面図である。 翼上面及び翼下面に沿った空気の流れを示した図である。 上側前縁流路、下側前縁流路及び後縁流路における空気の流れを示した図である。 変形例に係る翼の切断線II-II(図1参照)における断面図である。
以下、本開示の一実施形態に係る翼及び航空機について図面を参照して説明する。
[翼の構成について]
翼10の構成の概要について、図1から図3を用いて説明する。
図1は、翼10を備えている航空機1の斜視図である。図2は、図1に示す切断線II-IIにおける翼10の断面図である。図3は、図1に示す矢印Aから見た翼10の平面図である。
図1に示すように、航空機1は、リフト用ファン及び推力用ファンを別個に搭載するVTOL機(いわゆるコンパウンド型)の機体とされている。翼10は、航空機1の翼構造に採用されて好適である。
以下、翼10の構成について詳細に説明するが、説明の簡単のためにまずはリフトファン40が片側の翼10に対して1つ備えられている場合を例にして説明する。ただし、実際は、図1に示すように翼弦方向に沿って複数のリフトファン40が備えられていてもよい。
図2に示すように、翼10は、翼本体20と、リフトファン40と、スラストファン50と、を備えている。
翼本体20は、前縁22aから後縁22bに向かって翼厚が変化する既知の翼型とされている。翼本体20には、前縁22aと後縁22bとの間に収容部21が形成されている。
収容部21は、翼上面23aと翼下面23bとを翼厚方向に貫通する空間である。図3に示すように、収容部21は、円柱状の空間とされている。図2及び図3に示すように、収容部21には、リフトファン40が収容されている。
図2に示すように、リフトファン40は、軸線XL周りに回転するファンであって、翼厚方向に気流を発生させる。リフトファン40は、主として航空機1の離着陸(上昇/下降)に使用される。リフトファン40は、例えば、電動モータによって駆動される。
リフトファン40の軸線XLの方向は、翼本体20の翼厚方向(すなわち収容部21の貫通方向)に略一致している。
リフトファン40は、収容部21に完全に収容されており、翼上面23a及び翼下面23bから突出していない。
図2及び図3に示すように、スラストファン50は、翼本体20の前縁22aに設けられるとともに軸線XT周りに回転するファンであって、翼本体20に沿った気流を発生させる。スラストファン50は、主として航空機1の巡航(推進)に使用される。スラストファン50は、例えば、電動モータによって駆動される。
スラストファン50の軸線XTの方向は、翼本体20の翼弦方向(すなわち前縁22aから後縁22bに向かう方向)に略一致している。スラストファン50は、ダクト51を備えたいわゆるダクテッドファンとされている。図2に示すように、スラストファン50の直径は、翼本体20の最大翼厚と同程度とされることが好ましい。これによって、スラストファン50による気流を無駄なく翼本体20側に流すことができる。
図3に示すように、スラストファン50は、翼幅方向において複数設けられていてもよい。これによって、翼幅方向の広い範囲にスラストファン50による気流を発生させることができる。
図2に示すように、翼本体20の内部には、上側前縁流路31、下側前縁流路32及び後縁流路33が形成されている。
上側前縁流路31は、スラストファン50が設置されている翼本体20の前縁22aと収容部21とを連通させる流路であって、前縁22a側の開口が吸込み口31a、収容部21側の開口が吹出し口31bとされている。
吸込み口31aは、翼厚方向において軸線XTよりも翼上面23a側にある。また、吹出し口31bは、翼厚方向においてリフトファン40よりも翼上面23a側にある。これによって、吸込み口31aから導入された空気はリフトファン40よりも翼上面23a側に導かれることになる。
下側前縁流路32は、スラストファン50が設置されている翼本体20の前縁22aと収容部21とを連通させる流路であって、前縁22a側の開口が吸込み口32a、収容部21側の開口が吹出し口32bとされている。
吸込み口32aは、翼厚方向において軸線XTよりも翼下面23b側にある。また、吹出し口32bは、翼厚方向においてリフトファン40よりも翼下面23b側にある。これによって、吸込み口32aから導入された空気はリフトファン40よりも翼下面23b側に導かれることになる。
後縁流路33は、収容部21と収容部21よりも後縁22b側にある翼上面23aとを連通させる流路であって、収容部21側の開口が吸込み口33a、翼上面23a側の開口が吹出し口33bとされている。
吸込み口33aは、翼厚方向においてリフトファン40よりも翼上面23a側及び翼下面23b側に2つある。一方、吹出し口33bは翼上面23a側にのみ設けられている。これによって、各吸込み口33aから導入された空気は後縁流路33で合流された後に、収容部21よりも後縁22b側にある翼上面23aに導かれることになる。
図3に示すように、上側前縁流路31、下側前縁流路32及び後縁流路33は、翼幅方向に幅広く形成されている。
このとき、上側前縁流路31及び下側前縁流路32は、吸込み口31a,32aから吹出し口31b,32bに向かう方向に漸次縮幅している。これによって、吸込み口31a,32aから吹出し口31b,32bに向かう空気の流速を大きくすることができる。
また、後縁流路33は、吸込み口33aから吹出し口33bに向かう方向に漸次拡幅している。これによって、翼幅方向の広い範囲に空気を吹き出すことができ、後述する剥離抑制の効果を翼幅方向の広い範囲で実現できることになる。
[空気の流れについて]
翼10における空気の流れについて図4及び図5を用いて説明する。
図4は、翼上面23a及び翼下面23bに沿った空気の流れを示した図である。図5は、上側前縁流路31、下側前縁流路32及び後縁流路33における空気の流れを示した図である。
図4に示すように、スラストファン50によって発生した高速の気流は、翼本体20の前縁22aから翼上面23a及び翼下面23bを沿って後縁22bに向かって流れる。このとき、スラストファン50はダクト51を有しているので、気流が円滑に翼上面23a及び翼下面23bに導かれる。これによって、スラストファン50の気流(排気)を利用して翼本体20で発生する揚力を向上させることができる。したがって、スラストファン50によって航空機1を推進させつつ揚力の増大を図ることができる。
翼上面23aを流れる気流は、収容部21の翼上面23a側の開口をカバーするように流れる。また、翼下面23bを流れる気流は、収容部21の翼下面23b側の開口をカバーするように流れる。これによって、構造的なカバーを設けずに収容部21の上下面をカバーすることになる。したがって、収容部21を介した翼上面23aと翼下面23bとの間の空気の往来を回避させることができる。
図5に示すように、スラストファン50によって発生した高速の気流は、翼上面23a及び翼下面23bの他に、上側前縁流路31及び下側前縁流路32に導かれる。
上側前縁流路31の吸込み口31aから流入した空気は、上側前縁流路31を通過したのち吹出し口31bから吹き出される。このとき、上側前縁流路31の流路幅の変化(図3参照)によって、吸込み口31aから流入した空気は増速する。吹出し口31bは翼厚方向においてリフトファン40よりも翼上面23a側にあるので、吹出し口31bから吹き出された空気は収容部21においてリフトファン40の翼上面23a側をカバーするように流れる。
下側前縁流路32の吸込み口32aから流入した空気は、下側前縁流路32を通過したのち吹出し口32bから吹き出される。このとき、上側前縁流路31の流路幅の変化(図3参照)によって、吸込み口31aから流入した空気は増速する。吹出し口32bは翼厚方向においてリフトファン40よりも翼下面23b側にあるので、吹出し口32bから吹き出された空気は収容部21においてリフトファン40の翼下面23b側をカバーするように流れる。
これによって、構造的なカバー(例えば、ルーバのような機構)を設けずにリフトファン40の上下をカバーすることになる。したがって、収容部21を介した翼上面23aと翼下面23bとの間の空気の往来を更に回避させることができる。
上側前縁流路31及び下側前縁流路32から収容部21に導かれてリフトファン40の上下をカバーした空気は、2つの吸込み口33aから後縁流路33に導かれる。
2つの吸込み口33aから流入した空気は後縁流路33にて合流された後に、翼上面23aに形成された吹出し口33bから吹き出される。吹出し口32bから吹き出された空気は翼上面23aに沿って流れる。これによって、翼本体20の後縁22b側(吹出し口32bよりも後縁22b側)における翼上面23aでの剥離を抑制できる。このとき、後縁流路33の流路幅の変化(図3参照)によって、空気を翼幅方向の広い範囲に吹き出すことができ、剥離抑制の効果を翼幅方向の広い範囲で実現できる。
本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
前縁22aと後縁22bとの間で翼厚方向に貫通した収容部21が形成された翼本体20と、収容部21の内部に設けられ、翼厚方向に気流を発生させるリフトファン40と、翼本体20の前縁22aに設けられ、翼本体20の翼上面23a及び翼下面23bにおいて前縁22aから後縁22bに向かう気流を発生させるスラストファン50と、を備えているので、翼上面23a及び翼下面23bに沿ったスラストファン50による高速の気流が収容部21の上下面をカバーすることになる。このため、構造的なカバーを設けずに収容部21の上下面をカバーすることになり、重量を増加させることなく収容部21を介した翼上面23aと翼下面23bとの間の空気の往来を回避させることができる。これによって、翼本体20の性能低下を抑制できる。
また、スラストファン50による高速の気流が翼上面23a及び翼下面23bを通過することでより大きな揚力を得ることができる。
また、翼本体の内部には、上側前縁流路31と、下側前縁流路32と、が形成されているので、上側前縁流路31を介してリフトファン40の翼上面23a側にスラストファン50からの空気を導くことができる。これにより、構造的なカバーを設けずにスラストファン50からの高速の気流によってリフトファン40の翼上面23a側をカバーできるので、重量を増加させることなく収容部21を介した翼上面23aと翼下面23bとの間の空気の往来を更に回避させることができる。同様に、下側前縁流路32を介してリフトファン40の翼下面23b側にスラストファン50からの空気を導くことができる。これにより、構造的なカバーを設けずにスラストファン50からの高速の気流によってリフトファン40の翼下面23b側をカバーできるので、重量を増加させることなく翼上面23aと翼下面23bとの間の空気の往来を更に回避させることができる。
また、翼本体20の内部には、後縁流路33が形成されているので、収容部21から収容部21よりも後縁22b側の翼上面23aに空気を導くことができる。これによって、収容部21に導かれた空気を効率的に引き込むことができ、収容部21においてリフトファン40の上下面に発生する空気の流れを滑らかにすることができる。また、翼上面23aに空気を導くことで、翼本体20の後縁22b側での剥離を抑制できる。
[変形例]
上記の説明では、簡単のためにリフトファン40が片側の翼10に対して1つ備えられている場合を例にして説明したが、リフトファン40は翼弦方向に沿って複数備えられていてもよい。
図6に示すように、翼本体20には、前縁22aと後縁22bとの間に複数の収容部21が翼弦方向に沿って形成されている。各収容部21には、それぞれリフトファン40が収容されている。
翼上面23a及び翼下面23b、並びに、上側前縁流路31、下側前縁流路32及び後縁流路33における空気の流れは上記の説明の通りである。
翼本体20の内部には、上側中間流路34、下側中間流路35が形成されている。
上側中間流路34は、一の収容部21と他の収容部21とを連通させる流路であって、一の収容部21側の開口が吸込み口34a、他の収容部21側の開口が吹出し口34bとされている。
吸込み口34a及び吹出し口34bは、翼厚方向においてリフトファン40よりも翼上面23a側にある。
下側中間流路35は、一の収容部21と他の収容部21とを連通させる流路であって、一の収容部21側の開口が吸込み口35a、他の収容部21側の開口が吹出し口35bとされている。
なお、ここで言う一の収容部21とは、翼弦方向において前縁22a側に位置する収容部21であって、他の収容部21とは、翼弦方向において後縁22b側に位置する収容部21である。すなわち、スラストファン50による気流の流れ方向において、上流側が一の収容部21であり、下流側が他の収容部21である。
吸込み口34a及び吹出し口34bは、翼厚方向においてリフトファン40よりも翼下面23b側にある。
上側中間流路34の吸込み口34aから流入した空気は、上側中間流路34を通過したのち吹出し口34bから吹き出される。吹出し口34bは翼厚方向においてリフトファン40よりも翼上面23a側にあるので、吹出し口34bから吹き出された空気は他の収容部21においてリフトファン40の翼上面23a側をカバーするように流れる。
下側中間流路35の吸込み口35aから流入した空気は、下側中間流路35を通過したのち吹出し口35bから吹き出される。吹出し口35bは翼厚方向においてリフトファン40よりも翼下面23b側にあるので、吹出し口35bから吹き出された空気は収容部21においてリフトファン40の翼下面23b側をカバーするように流れる。
これによって、構造的なカバーを設けずに他の収容部21に収容されたリフトファン40の上下をカバーすることになる。したがって、その収容部21を介した翼上面23aと翼下面23bとの間の空気の往来を更に回避させることができる。
以上の通り説明した一実施形態に係る翼及び航空機は、例えば、以下のように把握される。
すなわち、本開示の一態様に係る翼は、前縁(22a)と後縁(22b)との間で翼厚方向に貫通した収容部(21)が形成された翼本体(20)と、前記収容部(21)の内部に設けられ、前記翼厚方向に気流を発生させるリフトファン(40)と、前記翼本体(20)の前記前縁(22a)に設けられ、前記翼本体(20)の翼上面(23a)及び翼下面(23b)において前記前縁(22a)から前記後縁(22b)に向かう気流を発生させるスラストファン(50)と、を備えている。
本態様に係る翼は、前縁(22a)と後縁(22b)との間で翼厚方向に貫通した収容部(21)が形成された翼本体(20)と、収容部(21)の内部に設けられ、翼厚方向に気流を発生させるリフトファン(40)と、翼本体(20)の前縁(22a)に設けられ、翼本体(20)の翼上面(23a)及び翼下面(23b)において前縁(22a)から後縁(22b)に向かう気流を発生させるスラストファン(50)と、を備えているので、翼上面(23a)及び翼下面(23b)に沿ったスラストファン(50)による高速の気流が収容部(21)の上下面(翼上面(23a)及び翼下面(23b))をカバーすることになる。このため、構造的なカバーを設けずに収容部(21)の上下面をカバーすることになり、重量を増加させることなく収容部(21)を介した翼上面(23a)と翼下面(23b)との間の空気の往来を回避させることができる。これによって、翼本体(20)の性能低下を抑制できる。
また、スラストファン(50)による高速の気流が翼面を通過することでより大きな揚力を得ることができる。
なお、スラストファン(50)及びリフトファン(40)の駆動としては、電動モータが好適に用いられる。
また、本開示の一態様に係る翼において、前記翼本体(20)の内部には、前記スラストファン(50)が設けられた前記前縁(22a)と前記収容部(21)とを連通させ、前記リフトファン(40)の前記翼上面(23a)側に空気を導く上側前縁流路(31)と、前記スラストファン(50)が設けられた前記前縁(22a)と前記収容部(21)とを連通させ、前記リフトファン(40)の前記翼下面(23b)側に空気を導く下側前縁流路(32)と、が形成されている。
本態様に係る翼において、翼本体(20)の内部には、スラストファン(50)が設けられた前縁(22a)と収容部(21)とを連通させ、リフトファン(40)の翼上面(23a)側に空気を導く上側前縁流路(31)と、スラストファン(50)が設けられた前縁(22a)と収容部(21)とを連通させ、リフトファン(40)の翼下面(23b)側に空気を導く下側前縁流路(32)と、が形成されているので、上側前縁流路(31)を介してリフトファン(40)の翼上面(23a)側にスラストファン(50)からの空気を導くことができる。これにより、構造的なカバーを設けずにスラストファン(50)からの高速の気流によってリフトファン(40)の翼上面(23a)側をカバーできるので、重量を増加させることなく収容部(21)を介した翼上面(23a)と翼下面(23b)との間の空気の往来を回避させることができる。同様に、下側前縁流路(32)を介してリフトファン(40)の翼下面(23b)側にスラストファン(50)からの空気を導くことができる。これにより、構造的なカバーを設けずにスラストファン(50)からの高速の気流によってリフトファン(40)の翼下面(23b)側をカバーできるので、重量を増加させることなく翼上面(23a)と翼下面(23b)との間の空気の往来を回避させることができる。
また、本開示の一態様に係る翼において、前記翼本体(20)の内部には、前記収容部(21)と該収容部(21)よりも前記後縁(22b)側の前記翼上面(23a)を連通させる後縁流路(33)が形成されている。
本態様に係る翼において、翼本体(20)の内部には、収容部(21)と収容部(21)よりも後縁(22b)側の翼上面(23a)を連通させる後縁流路(33)が形成されているので、収容部(21)から収容部(21)よりも後縁(22b)側の翼上面(23a)に空気を導くことができる。これによって、収容部(21)に導かれた空気を効率的に引き込むことができ、収容部(21)においてリフトファン(40)の上下面に発生する空気の流れを滑らかにすることができる。また、翼上面(23a)に空気を導くことで、翼本体(20)の後縁(22b)側での剥離を抑制できる。
また、本開示の一態様に係る翼において、前記収容部(21)は、翼弦方向に沿って複数個所に形成され、前記リフトファン(40)は、それぞれの前記収容部(21)に設けられている。
本態様に係る翼において、収容部(21)は、翼弦方向に沿って複数個所に形成され、リフトファン(40)は、それぞれの収容部(21)に設けられているので、リフトファン(40)による離着陸時の推力を全体として増加させることができる。
また、本開示の一態様に係る翼において、前記翼本体(20)には、一の前記収容部(21)と他の前記収容部(21)とを連通させ、前記一の収容部(21)から前記他の収容部(21)に収容された前記リフトファン(40)の前記翼上面(23a)側に空気を導く上側中間流路(34)と、一の前記収容部(21)と他の前記収容部(21)とを連通させ、前記一の収容部(21)から前記他の収容部(21)に収容された前記リフトファン(40)の前記翼下面(23b)側に空気を導く下側中間流路(35)と、が形成されている。
本態様に係る翼において、翼本体(20)には、一の収容部(21)と他の収容部(21)とを連通させ、一の収容部(21)から他の収容部(21)に収容されたリフトファン(40)の翼上面(23a)側に空気を導く上側中間流路(34)と、一の収容部(21)と他の収容部(21)とを連通させ、一の収容部(21)から他の収容部(21)に収容されたリフトファン(40)の翼下面(23b)側に空気を導く下側中間流路(35)と、が形成されているので、上側中間流路(34)を介してリフトファン(40)の翼上面(23a)側に一の収容部(21)からの空気を導くことができる。これにより、構造的なカバーを設けずにリフトファン(40)の翼上面(23a)側をカバーできるので、重量を増加させることなく収容部(21)を介した翼上面(23a)と翼下面(23b)との間の空気の往来を回避させることができる。同様に、下側中間流路(35)を介してリフトファン(40)の翼下面(23b)側に一の収容部(21)からの空気を導くことができる。これにより、構造的なカバーを設けずにリフトファン(40)の翼下面(23b)側をカバーできるので、重量を増加させることなく翼上面(23a)と翼下面(23b)との間の空気の往来を回避させることができる。
また、本開示の一態様に係る翼において、前記スラストファン(50)は、ダクテッドファンとされている。
本態様に係る翼において、スラストファン(50)は、ダクテッドファンとされているので、スラストファン(50)の下流側により高速の気流を発生させることができる。
また、本開示の一態様に係る航空機は、上記の翼(10)を備えている。
1 航空機
10 翼
20 翼本体
21 収容部
22a 前縁
22b 後縁
23a 翼上面
23b 翼下面
31 上側前縁流路
31a 吸込み口
31b 吹出し口
32 下側前縁流路
32a 吸込み口
32b 吹出し口
33 後縁流路
33a 吸込み口
33b 吹出し口
34 上側中間流路
34a 吸込み口
34b 吹出し口
35 下側中間流路
35a 吸込み口
35b 吹出し口
40 リフトファン
50 スラストファン
51 ダクト

Claims (6)

  1. 前縁と後縁との間で翼厚方向に貫通した収容部が形成された翼本体と、
    前記収容部の内部に設けられ、前記翼厚方向に気流を発生させるリフトファンと、
    前記翼本体の前記前縁に設けられ、前記翼本体の翼上面及び翼下面において前記前縁から前記後縁に向かう気流を発生させるスラストファンと、
    を備え
    前記翼本体の内部には、
    前記スラストファンが設けられた前記前縁と前記収容部とを連通させ、前記リフトファンの前記翼上面側に空気を導く上側前縁流路と、
    前記スラストファンが設けられた前記前縁と前記収容部とを連通させ、前記リフトファンの前記翼下面側に空気を導く下側前縁流路と、
    の少なくともいずれか一方が形成されている翼。
  2. 前記翼本体の内部には、前記収容部と該収容部よりも前記後縁側の前記翼上面を連通させる後縁流路が形成されている請求項に記載の翼。
  3. 前記収容部は、翼弦方向に沿って複数個所に形成され、
    前記リフトファンは、それぞれの前記収容部に設けられている請求項1又は2に記載の翼。
  4. 前記翼本体には、
    一の前記収容部と他の前記収容部とを連通させ、前記一の収容部から前記他の収容部に収容された前記リフトファンの前記翼上面側に空気を導く上側中間流路と、
    一の前記収容部と他の前記収容部とを連通させ、前記一の収容部から前記他の収容部に収容された前記リフトファンの前記翼下面側に空気を導く下側中間流路と、
    が形成れている請求項に記載の翼。
  5. 前記スラストファンは、ダクテッドファンとされている請求項1からのいずれかに記載の翼。
  6. 請求項1からのいずれかに記載の翼を備えている航空機。
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