JPH04262997A - 簡易対気速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はヘリコプタの航法、自動
操縦、射撃管制等のための対気速度及び風向／風速デー
タを提供する簡易対気速度検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のヘリコプタはピトー管を用いた対
気速度計を有しているが、これは機首方向の対気速度し
か計測できないし、対気速度が約３０〜４０ｋｔ以下に
なるとヘリコプタの前進及び風によって生ずる対気速度
とロータ・ブレードの吹き下ろし速度が同程度となって
しまうため非常に不正確となる。このため通常対気速度
計では約３０〜４０ｋｔ以下は表示しないようになって
いる。

【０００３】そこで、航法、自動操縦、射撃管制等の目
的のためホバリング中の対気速度や風向／風速を知る必
要のある特別のヘリコプタでは、ピトー管をユニバーサ
ル・ジョイントを用いて取付けたり、ロータ・ヘッドの
上に特別な対気速度計測システムを装備している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ヘリコプタの航法、自
動操縦、射撃管制等の目的で特に非常に低速度（０〜３
３ｋｔ）での前後、左右方向の対気速度及び風向／風速
を知ろうとする場合、第１の方法はピトー管をユニバー
サル・ジョイントを用いて機体に装着する方法で、ピト
ー等の左右の回転角によって前後／左右方向の対気速度
成分を知り、且つピトー管の上下方向の回転角やコレク
ティブ・ピッチ・レバーの操作量を基にメイン・ロータ
の吹き下ろし速度を計算し補正するものである。この方
法は比較的装置は簡単であるが、メイン・ロータの吹き
下ろし推定が難しいため精度が不十分である。

【０００５】もう一つの方法は、水平面内で回転するレ
バーの両端に一対のピトー管を取付け、両者の検出する
圧力が最大となる回転位置によってヘリコプタの相対風
の方向を知るとともに、その時の差圧の絶対値により相
対風速を知るものである。この装置はメイン・ロータ・
ヘッドの上部に取付けられるため吹き下ろしの影響を受
けず、正確な計測が可能であるが、メイン・ロータ・シ
ャフトの内部に支持ポールを通す必要があり、装備コス
トが大きい。本発明は軽量安価で低速飛行時のヘリコプ
タの相対風向／風速を正確に知ることができる簡易対気
速度検出装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】（第１の手段）

【０００
７】本発明に係る簡易対気速度検出装置は、空気密度を
検出する手段５１と、機体の姿勢角を検出する手段５２
と、メイン・ロータおよびテル・ロータの操舵角を検出
する手段１，２，３，４と簡易対気速度コンピュータ５
と表示器６からなり、前記簡易対気速度コンピュータ５
は、機体の姿勢角検出手段５２からの出力と、操舵角を
検出する手段１，２，３，４からの出力を入力し、メイ
ン・ロータの推力ベクトルの空間的な傾き角（αＴＰＰ
　，α´ＴＰＰ　）を計算し、該傾き角と、空気密度を
検出する手段５１から検出した空気密度（ρ）とから低
速飛行時のヘリコプタの縦方向及び横方向の対気速度（
Ｕ，Ｖ）を算出し、表示器６に出力することを特徴とす
る。

【０００８】（第２の手段）本発明に係る簡易対気速度
検出装置は、第１の手段においてドップラー航法装置５
３を具備し、簡易対気速度コンピュータ５はメイン・ロ
ータの推力ベクトルの空間的な傾き角（αＴＰＰ　，α
´ＴＰＰ　）及び空気密度からヘリコプタの縦方向及び
横方向の対気速度（Ｕ，Ｖ）を算出しするとともに、該
対気速度と前記ドップラー航法装置５３から入力した対
地速度とのベクトル和により、風向及び風速を算出し、
表示器６に出力することを特徴とする。

【０００９】

【作用】ヘリコプタのメイン・ロータには図５に示すよ
うな力が働く。図５において、Ｔはメイン・ロータ・ブ
レードに働く揚力（コントロ−ル軸に平行な力）の合力
（以下メイン・ロータの推力という）、Ｈはメイン・ロ
ータ・ブレードに働く空気抵抗のＸ軸（メイン・ロ−タ
・のコントロ−ル軸に垂直で、後方向を指す軸）方向成
分の合力（以下Ｈフォースという）、Ｙはメイン・ロー
タ・ブレードに働く空気抵抗のＹ軸（メイン・ロータの
コントロ−ル軸に垂直で、Ｘ軸に垂直な軸）方向成分の
合力（以下Ｙフォースという）、Ｒはメイン・ロータに
働く力Ｔ，Ｈ，およびＹの合力である。メイン・ロータ
の推力Ｔは、メイン・ロータ回転面にほぼ垂直に働く。

【００１０】まず機首方向（前後方向）の対気速度を検
出する原理を図２を用いて説明する。垂直平面内でのヘ
リコプタの縦の運動方程式は図２に示した変数を用い次
の方程式で表現できる。 　　　　Ｔｃｏｓ　（αＴＰＰ　）＝Ｗ＋ＬＨ　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　…（１）　　　　Ｔｓｉｎ　（αＴＰＰ　）＝
Ｈｃｏｓ　（αＴＰＰ　）＋Ｄ１　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　…（２）　　　　Ｄ１　×ｌＤ　ｃ
ｏｓ　θ＝Ｗ×ｌＧ　ｓｉｎ　θ−ｅｃｏｓ　θ）＋Ｌ
Ｈ　×ｌＨ　　　…（３）ここでＤ１　は胴体の抵抗、
Ｗはヘリコプタの重量である。

【００１１】通常の飛行状態では機体のピッチ姿勢角θ
は小さいのでメイン・ロータの回転面の水平面からの前
後方向の傾き角αＴＰＰ　も小さく、ｃｏｓ　αＴＰＰ
　＝１，ｓｉｎ　αＴＰＰ　＝αＴＰＰ　の簡略化が可
能であり、又、水平安定板の揚力ＬＨ　及びメイン・ロ
ータのＨフォース（Ｈ）はメイン・ロータの推力Ｔに較
べて非常に小さく無視できるので、上記の（１）〜（３
）式は以下の様に簡略化できる。 　　　　Ｔ＝Ｗ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　…（４）　　　　ＴαＴＰＰ　＝Ｄ
１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（５）
　　　　Ｄ１　ｌＤ　＝Ｗ×（ｌＧ　・θ−ｅ）＋ＬＨ
　×ｌＨ　　　　　　　　　　　　　　　　　…（６）

【００１２】（４）〜（５）式の物理的意味を記すと、
（４）式はメイン・ロータの推力Ｔと機体の重量Ｗの釣
合いを、（５）式はメイン・ロータ推力ベクトルの水平
成分と胴体の空気抵抗の釣合いを、（６）式はメイン・
ロータ・ハブ（ロータ回転中心）まわりのモーメントの
釣合いを示している。胴体の空気抵抗Ｄ１　は次式で表
わされる様に機首方向の対気速度Ｕの二乗に比例する。 　　　　Ｄ１　＝１／２ρＵ２　ＳＦ　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　…（７）

【００１３】ここに、ρは空気密度、
ＳＦ　は胴体の機種方向の等価円盤面積を示している。 つまり（６）式は胴体の空気抵抗Ｄ１　を通じて対気速
度と機体のピッチ角（ピッチ角）θとの関係を示してい
るが、この式には重心位置ｅが含まれているので複雑で
ある。これに反し（５）式には重心位置が含まれていな
い。（７）式を（５）式に代入すると次のような簡単な
式になり、機主方向の対気速度を計算することができる
。

【００１４】

【数１】

【００１５】本発明は、この式に基づいて対気速度を検
出しようとするものである。（８）式中のρは空気密度
を計測する手段、例えば気圧高度計より得ることができ
る。ＳＦ　は機体に固有な定数であり機種によって決ま
っているる。メイン・ロータ推力Ｔはコレクティブ・ピ
ッチ角θＣ　を計測すれば低速度域では次の式で計算で
きる。 　　　　Ｔ＝１／２ａσρ（ＲＭ　Ω）２　×（πＲＭ
　２　）（θＣ　／３＋１／２λ）　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　…（９）

【００１６】ここにａはメイン・ロータ
・ブレードの揚力傾斜、σはメイン・ロータのソリディ
ティー比、ＲＭ　はメイン・ロータ半径、Ωはメイン・
ロータの回転角速度、λはメイン・ロータの流入比を示
す。

【００１７】（９）式中ρ，θＣ　，λ以外は定数であ
り、λはＴの簡単な関数として近似できるので空気密度
ρとコレクティブ・ピッチ角θＣ　の値を知ればメイン
・ロータの推力Ｔを計算できる。

【００１８】次にメイン・ロータ推力ベクトルの縦方向
の傾きαＴＰＰ　は図２に示したょうに機体のピッチ姿
勢角θ、サイクリック・スティックの縦操舵量Ｂ１Ｓ及
び縦フラッピング角ａ１　を用いて次式の様に表わされ
る。 　　　　αＴＰＰ　＝θ＋Ｂ１Ｓ−ａ１　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　…（１０）ただし低速域ではメイン・ロータの縦
フラッピング角ａ１　は非常に小さいので 　　　　αＴＰＰ　＝θ＋Ｂ１Ｓ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　…（１１）と簡略化できる。

【００１９】つまり気圧高度計などのエアデータ・シス
テムから空気密度ρ、垂直ジャイロ等の姿勢検出器から
機体のピッチ姿勢角θ、操縦系統リンケージ中に装着し
たポテンショ・メータまたはストローク・センサーから
縦サイクリック縦操舵量Ｂ１Ｓ及びコレクティブ操舵量
θＣ　を得れば機種方向の対気速度Ｕを検出できる。

【００２０】次に左右方向の対気速度を検出する原理を
図３を用いて説明する。縦の運動方程式の場合と同様の
簡略化を行なうと左右方向の運動方程式は次の方程式で
表現できる。 　　　　Ｔ＝Ｗ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　…（１２）　　　　Ｔ・α´ＴＰＰ　＝
ＴＴＲ＋Ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　…（１３）　　　　Ｗｌ
Ｇ　・φ＝ＴＴＲ・ｌＴ　＋Ｄ・ｌＤ　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　…（１４）

【００
２１】機主方向の対気速度の場合と同様に横方向の対気
速度を求める場合についても本発明はメイン・ロータ推
力ベクトルの横方向の傾きα´ＴＰＰに着目し、（１３
）式より、

【００２２】

【数２】 を導き、この式に基づいて横方向の対気速度を検出しよ
うとするのものである。（１５）式中Ｔはメイン・ロー
タ推力で前出の（９）式で計算される。α´ＴＰＰ　は
メイン・ロータ推力ベクトルの横方向の傾き角で低速域
では　　　　α´ＴＰＰ　＝φ−Ａ１Ｓ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　…（１６）により機体のバンク姿勢角
（ロール角）φ及び横サイクリック操舵角Ａ１Ｓを用い
て計算できる。又、テール・ロータ推力ＴＴＲは次式で
計算できる。 ＴＴＲ＝１／２ａｔ　σｔ　ρ（ＲＴ　ΩＴ　）２　（
πＲＴ　２　）（θｔ　／３＋１／２λｔ　）　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　…（１７）

【００２３】ここにａｔ　はテ
ール・ロータ・ブレードの揚力傾斜、σｔ　はテール・
ロータのソリディティ比、ＲＴ　はテール・ロータの半
径、ΩＴ　はテール・ロータの回転角速度、λＴ　はテ
ール・ロータの流入比を示す。（１７）式中ρ，θＴ　
，λ以外は定数であり、λＴ　はＴＴＲの簡単な関数と
して近似できるので空気密度ρとテール・ロータ・ピッ
チ角すなわちペダル操舵量θＴ　の値を知ればテール・
ロータ推力ＴＴＲを計算できる。

【００２４】つまり気圧高度計等のエアデータ・システ
ムから空気密度ρ、垂直ジャイロ等の姿勢検出器から機
体のバンク姿勢角（ロール角）φ、操縦系統リンケージ
中に装着したポテンショ・メータ又はストローク・セン
サーから横サイクリック操舵角Ａ１Ｓ及びコレクティブ
操舵角θＣ　を得れば横方向の対気速度Ｖを計算できる
。

【００２５】

【実施例】図１に本発明の実施例を示す。本発明装置は
縦サイクリック角等の４つの操舵量検出センサー（ポテ
ンショ・メータ）１、２、３、４と、簡易対気速度コン
ピュータ５と、表示器６から成る。簡易対気速度コンピ
ュータ５は気圧高度計５１、垂直ジャイロ及び水平ジャ
イロ５２及びドプラー航法装置５３のインターフェイス
を有している。

【００２６】簡易対気速度コンピュータ５は前述の計算
式（８）（９）（１１）（１５）（１６）（１７）を用
い、気圧高度計５１から空気密度（ρ）、垂直ジャイロ
及び水平ジャイロ５２からの機体ピッチ姿勢角（θ）／
ロール姿勢角（φ）、縦サイクリック操舵角（Ｂ１Ｓ）
、横サイクリック操舵角（Ａ１Ｓ）、コレクティブ操舵
角θＣ　及びペダル操舵角（θｔ　）の値から対気速度
の機首方向成分（Ｕ）と、横方向成分（Ｖ）の値を実時
間で計算し、表示器６に表示する。

【００２７】又、簡易対気速度コンピュータ５はドプラ
ー航法装置５３から機首方向及び横方向の対地速度を入
力し、対気速度の機首方向及び横方向成分から引算して
風の機首方向及び横方向成分を得る。

【００２８】そして通常のベクトル計算により風速の絶
対値及び機体に対する相対風向を得る。更に水平ジャイ
ロ又はＡＨＲＳ（Ａｔｔｉｔｕｄｅ　ａｎｄ　Ｈｅａｄ
ｉｎｇ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｓｙｓｔｅｍ，姿勢・機
首基準システム）からの機首方位角（Ψ）と加算するこ
とにより絶対風向を得ることができる。風向／風速デー
タも表示器に表示される。

【００２９】上記実施例では対気速度及び風向／風速計
算のための専用コンピュータ及び専用表示器を用いたが
、前述の計算手順を既存のＣＰＵ内蔵機器（例えばＡＨ
ＲＳ）の内に含ませることも可能である。表示器につい
てもＥＨＳＩ（Ｅｌｅｃｔｏｒｉｃ　Ｈｏｒｉｚｏｎｔ
ａｌ　Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ，電子
式水平儀）等の総合表示システムにしかるべき信号フォ
ーマットで出力して表示することで専用表示器を用いな
い構成も可能である。更に縦サイクリック操舵角センサ
ー等も専用センサーではなく、ＡＦＣＳ（Ａｕｔｏｍａ
ｔｉｃ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ
　，自動飛行制御システム）等他システムのセンサーを
流用することも可能である。

【００３０】

【発明の効果】本発明は前述のように構成されているの
で、以下に記載するような効果を奏する。 （１）本発明により低コストでヘリコプタの低飛行中の
対気速度、風向／風速を検出することが可能になる。 （２）そのため、低速時でのヘリコプタの航法能力、自
動操縦能力、射撃管制能力を高めることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成図。

【図２】ヘリコプタの縦方向の釣合いを示す図。

【図３】ヘリコプタの横方向の釣合いを示す図。

【図４】ヘリコプタ（機体）のピッチ姿勢角と対気速度
の関係を示す図。

【図５】メイン・ロータに働く力を示す図。

【符号の説明】

１…縦サイクリック操舵角センサ、２…横サイクリック
操舵角センサ、３…コレクティブピッチ操舵角センサー
、４…ペダル操舵角センサ、５…簡易対気速度コンピュ
ータ、６…表示器、５１…気圧高度計、５２…垂直ジャ
イロ及び水平ジャイロ、５３…ドプラー航法装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　空気密度を検出する手段（５１）と、
   機体の姿勢角を検出する手段（５２）と、メイン・ロー
   タおよびテール・ロータの操舵角を検出する手段（１，
   ２，３，４）と簡易対気速度コンピュータ（５）と表示
   器（６）からなり、前記簡易対気速度コンピュータ（５
   ）は、機体の姿勢角検出手段（５２）からの出力と、操
   舵角を検出する手段（１，２，３，４）からの出力を入
   力し、メイン・ロータの推力ベクトルの空間的な傾き角
   （αＴＰＰ　，α´ＴＰＰ　）を計算し、該傾き角と、
   空気密度を検出する手段（５１）から検出した空気密度
   （ρ）とから低速飛行時のヘリコプタの縦方向及び横方
   向の対気速度（Ｕ，Ｖ）を算出し、表示器（６）に出力
   することを特徴とするヘリコプタの簡易対気速度検出装
   置。
2. 【請求項２】　　ドップラー航法装置（５３）を具備し
   、簡易対気速度コンピュータ（５）はメイン・ロータの
   推力ベクトルの空間的な傾き角（αＴＰＰ　，α´ＴＰ
   Ｐ　）及び空気密度からヘリコプタの縦方向及び横方向
   の対気速度（Ｕ，Ｖ）を算出しするとともに、該対気速
   度と前記ドップラー航法装置（５３）から入力した対地
   速度とのベクトル和により、風向及び風速を算出し、表
   示器（６）に出力することを特徴とする請求項１記載の
   ヘリコプタの簡易対気速度検出装置。