JPS599399B2 - 航空機の運動制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、迎角又は横滑り角及びバンク角の変化なしに
フライトパスを変える航空機の運動制御装置に関する。

従来の航空機では、その運動中にフライトパスを変える
場合、第１図に示すように初期飛行方向Ａ／に対し機体
１′のフライトパスをたとえばＢ′の方向に変えようと
するときは、エレベータ２′（或は水平尾翼）で先ず頭
上げモーメントを作り機体１′をローテーションさせる
。

機体１′がローテーションするにつれて迎角が増加し、
その結果、揚力が増し、機体は上方に移動する。

しかしながら、このようなフライトパスの変更では次の
ような不具合が伴う。

（１）機体力釦一テーションするにつれて迎角が変化す
るので、急激なエレベータ操作を行なうと失速したりま
たは大きな負迎角に陥り危険である。

（２）機体をローテーションさせるためにエレベータ操
作の初期には意図する側とは反対方向に機体の力が生じ
フライトパスの変化が遅れる。

以上は、垂直面内の場合であるが、水平面内でも概ねこ
れらに対応した不具合が生じる。

本発明は、か５る不具合を解消した航空機の運動制御装
置を提供しようとするものであってその構成とするとこ
ろは、パイロット入力信号によって作動する第１の操舵
装置と第２の操舵装置とを具えた航空機の運動制御装置
において、航空機のフライパスを変更すべくパイロット
入力信号δｆｐによって操舵された第１の操舵装置によ
って発生する力を消去すべくδｆｐを受けて第２の操舵
装置の第１の作動信号δｅ１を出力する第１の手段と、
第１の操舵装置によって発生する姿勢角変化を消去すべ
くδｆｐを受けて第１の操舵装置の第１の作動信号をδ
ｆを出力する一次遅れ回路を付設した第２の手段と、第
２の操舵装置によって発生する姿勢角変化を消去すべく
δｆの一部を受けて第２の操舵装置の第２の作動信号δ
ｅ２を出力する第３の手段とを具え、第１の操舵装置へ
の作動信号δｆｐを第２の手段からの出力信号δｆによ
り修正するとともに第１の手段および第３の手段からの
出力信号δｅ１，δｅ２により第２の操舵装置への作動
信号δｅを合成するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、先ず、垂直系の運動制御装置のみを備
えた航空機にあっては垂直面内でのフライトパスを変え
る際、第１の操舵装置としてのフラップ（又は水平カナ
ード）にパイロット入力が伝達されると同時にこの入力
は所定の伝達関数を通して第２の操舵装置としてのエレ
ベータにも所要量伝達され、機体の無駄な迎角変化を打
消しながらフライトパスを変えるので、従来の航空機に
較べ過度状態及び定常状態ともに迎角変化なしのま５フ
ライトパスを変えることができるという利点を有する（
第３図参照）。

次に水平系の運動制御装置のみを備えた機体にあっては
水平面内でのフライトパスを変える際、第１の操舵装置
としての垂直カナードにパイロット入力が伝達されると
同時にこの入力は所定の伝達関数を通して第３の操舵装
置としてのエルロン又は他の横操縦装置及び第２の操舵
装置としてのラダーにも所要量伝達され、機体の無駄な
機軸まわりのモーメント及び横滑り角変化を打消しなが
らフライトパスを変えるので従来の航空機に較べ過度状
態及び定常状態ともに横滑り角変化、およびバンク変化
なしのま５フライトパスを変えることができるという利
点を有する。

又、垂直系及び水平系の各運動制御装置を二つとも備え
た機体にあっては当然のことながら上記した利点を同時
に有することとなる。

即ち、本発明の装置の利点を従来の装置と比較すれば次
の通りである。

げ）迎角変化なしのま一フライトパスを変えることがで
きる。

（口）横滑角変化およびバンク角変化なしのま５フライ
トパスを変えることができる。

（ハ）更に、フィードバックを用いないので空力特性に
影響を及ぼさないという別の利点を有する。

次に、本発明の一実施例を図によって説明する。

第４図Ａ及び第４図Ｂにおいて、１は本実施例の装置を
備える航空機（機体）、２は機体１の尾部にあって機体
を昇降させるための第２の操舵装置としてのエレベータ
、３は機体１の尾部にあって機体の方向を変えるための
同じく第２の操舵装置としてのラダー、４は機体１の主
翼の後部にあつて機体に高揚力を発生させるための第１
の操舵装置としてのフラップ、５は機体１の主翼の前方
にあって機体前後のバランス及び昇降の補助をなす第１
の操舵装置としての水平カナード、６は機体１の前方下
部にあって機体の方向を変える際の補助をなす第１の操
舵装置としての垂直カナード、７はエレベータ２を作動
させるためエレベータ２の基部前方に設けられたエレベ
ータアクチュエータ、８はラダー３を作動させるため、
ラダー３の基部前方に設けられたラダーアクチュエータ
、９はフラップ４を作動させるためフラップ４の基部前
方に設けられたフラップアクチュエータ、１０は水平カ
ナード５を作動させるため水平カナード５の基部に設け
られた水平カナードアクチュエータ、１１は垂直カナー
ド６を作動させるため垂直カナード６の基部に設けられ
た垂直カナードアクチュエータ、１２は主翼後端の外側
にあって機体のローリングコントロールを行なうための
第３の操舵装置としてのエルロン、１３は同エルロン１
２の基部に設けられたエルロン１２作動用のエルロンア
クチュエータ、１４は機体１の前方の操縦室にあって上
記エレベータアクチュエータ７、ラダーアクチュエータ
８、フラップアクチュエータ９、水平カナードアクチュ
エータ１０及び垂直カナードアクチュエータ１１にパイ
ロット入力を入れるための、即ち操縦桿に相当する、コ
ントローラである。

なお、上記、エレベータアクチュエーク７、ラダーアク
チュエータ８、フラップアクチュエータ９、水平カナー
ドアクチュエータ１０及び垂直力ナードアクチュエータ
１１はそれらにビルトインされているサーボモータによ
ってコントロールされ、かつ、各サーボモータには図示
しない配線及び後述する如くパイロット入力を各伝達関
数に応じた電力値に按分するためのコンピュータ又はそ
の他の手段が所定の回路を形成して連結され、それらの
ゴ端はコントローラ１４に連結されている。

又、各操縦に必要な動力源も当然に備えられている。

次に、上記実施例の作用効果について説明する。

先ず操縦の概略を説明すると、パイロットが機体１のフ
ライトパスを変えるに必要な操作をコントローラ１４に
与えると、その操作はたとえば電気信号となって所定の
アクチュエータに入り、同時に回路に組込まれたコンピ
ュータ又はその他の手段を経て他のアクチュエータ及び
所定のアクチュ工一夕に入る。

コンピュータ又はその他の手段では予め記憶させられた
機体１の諸性能等の情報に基づいて、機体１が迎角、横
滑り角及びバンク角の変化なしにフライトパスを変える
ため、即ち、それらの変化を打ち消すためには、他のア
クチュ工一夕及び所定のアクチュエータがそれらの属す
る可動舵面を幾等の量動かさねばならないかを決定し、
その決定に応じた情報を他のアクチュエータ及び所定の
アクチュエータに伝達する。

次に、これらの詳細について垂直系の運動制御装置例か
ら説明する。

先ず、コンピュータ又はその他の手段で決定される所量
は以下の如くである。

一般に航空機の縦の（垂直面内での）運動方程式は次式
で近似できる。

（記号については後記参照） と表わせる。

エレベータ角変化δｅあるいはフラップ角変化δｆが生
じた際に迎角αが変化しないためにはα＝０，すなわち が必要かつ十分条件である。

後述するように、Ｍ’一Ｍδｅ・δｅ＋Ｍδｆ・δｆ ｚ’一ｚδｅ”δｅ ＋ Ｚδｆ−δｆ であり、これを（１）式に代入して計算すると、゛とな
る。

ここに飛行条件（マツハ数、迎角等）の変化による空力
係数の変化を無視すれば、Ｋ１およびＫ３は一定（ρ，
■によらない）、Ｋ２はρに反比例、そしてＴ１はρＶ
に反比例する。

但し−冫江：釣合いからの迎角変化、ｑ：ピツチレート
、δｅ：エレベータ舵角、δｆ：フラップ（又は水平カ
ナード）舵角、Ｚ：上下方向の空気力、Ｍ：空気力によ
るピッチングモーメント、ｍ：機体の質量、ｐｔｑｔｒ
：ＸｔＹｔＺ軸まわりの角速度、ｕ，ｖ，ｗ：Ｘ，Ｙ，
Ｚ軸方向の速度、Ｉｘ，Ｉｙ，Ｉｚ：Ｘ，Ｙ，Ｚ軸まわ
りの慣性モーメント、ρ：空気密度、■二機速、 ？＝ラプラス演算子 かくして垂直面内のフライトパス変化に際して、迎角α
を変化させないために取るべきフラップ舵角δｆ及びエ
レベータ舵角δｅが決定される。

即ち、パイロットがδｆｐなるフラップ舵角の入力を与
えると、この信号はフラップアクチュエータ９へ伝達さ
れると同時に他方、コンピュータを経て上記δｆの舵角
を生ずべき信号がフラップアクチュエータ９へ、δｅの
舵角を生ずべき信号がエレベータアクチュエーク７へそ
れぞれ伝達される。

この際、たとえば第３図に示すような機体１の頭上げの
フライトパスの変化においてもδｆが常にプラスとは限
らず、従ってδｆｐとδｆがプラスに重量されるとは限
らない。

次に上記実施例を第５図（ブ爾ツク図）によって説明す
る。

図においてパイロット人カーは信号δｆｐとなって図示
の如く第１の操舵装置としてのフラップ（又は水平カナ
ード）アクチュエータ６へ直接に伝達される。

他方、この人力δｆｐは分岐して上記した式中の信号Ｋ
２を定量する第２の手１ 段としての回路３及び信号を定量する １ ＋Ｔ１Ｓ 一次遅れ回路を経て信号δｆを定量し、一部はフラップ
（又は水平カナード）アクチュエータ６へ伝達される。

信号δｆの他の一部は上記式中の信号Ｋ３を定量する第
３の手段としての回路５を経て信号δｅ２を定量し第２
の操舵装置としてのエレベータのアクチュエータ７へ向
かう。

他方、パイ口ット入力１から分岐した入力δｆｐの一部
はそのま５、上記式中の信号Ｋ１を定量する第１の手段
としての回路２を経て信号δｅ１を定量し第２の操舵装
置としてのエレベータのアクチュエータ７へ向かう。

そして上記回路５によって定量された信号δｅ２と合成
されて信号δｅとなり、エレベータアクチュエータ７を
所要量作動させる。

以上は航空機の縦の運動に関する制御、即ち、垂直系の
姿勢制御装置の一実施例の制御例である。

次に、水平系の姿勢制御例について説明する。

先ず、これを概述すると基本的には上記垂直系の場合を
水平面内に置換えた場合に相当する。

但し、水平系の場合は第３の操舵装置としてのエルロン
制御回路が加えられるのでその分だけ複雑になる。

垂直系の場合と同様な方法で水平系の場合の各系数を整
理すると次の如くである。

Ｃａｌ ： Ｃａｊのｊを１としたケースＣａｒ：Ｃｊ
ｒのＪを１としたケース、以下同様上記系数等によって
パイロット人力１の信号が各舵面の操作のために適当に
配されてゆく過程を第６図（ブロック図）により説明す
る。

パイロットが第４図Ａに示したコントローラ１４を横方
向に操作して、機体のフライトパスを横方向に変えるた
めのパイロット人力１を運動制御装置に与えるとその信
号δｆｐは先ず第１の操舵装置としての垂直カナードア
クチュエータ８へ送られ垂直カナ一ドを所定方向へ操舵
する。

この操舵によって機体は横にフライトパスを変え始める
が、同時に横力、横滑り角変化及びローリングモーメン
トを生じる。

そこで上記垂直カナードアクチュエータ８に送られる信
号δｆｐの一部は途中で分岐して、上記横力を打消すに
必要な信号Ｋ４を定量する第１の手段としての回路２に
送られ、そこを経て第２の操舵装置としてのラダーアク
チュエーク１０に至り、ラダーを操舵する。

他方、上記垂直カナードアクチュエータ８に送られる信
号δｆｐの一部は更に途中で分岐して、上記ローリング
モーメントを打消すに必要な信号Ｋ，を定量する第４の
手段としての回路３に送られ、そこに経て第３の操舵装
置としてのエルロンアクチュエータ９に至り、エルロン
を操舵する。

更に、上記垂直カナードアクチュエータ８に送られる信
号δｆｐの一部は分岐して上記横滑り角変化を打消すに
必要な信号の前段として先ず信号Ｋ６を定量する第２の
手段としての回路４に入り、続いて一次遅れの回路５に
入って１／１＋Ｔ２Ｓとして定量され、垂直カナードア
クチュエータ８へ送られる。

この信号によって垂直カナードが操舵される際に発生す
る新たな横力及びローリングモーメントを打消すため、
１／１＋Ｔ２Ｓとして定量された信号は分岐して、上記
新たなローリングモーメントを打消すに必要な信号Ｋ７
に定量される第５の手段としての回路６へ送られ、そこ
を経てエルロンアクチュエータ９へ至り、又、一方上記
新たな横力を打消すに必要な信号Ｋ８に定量される第３
の手段としての回路７へも送られ、そこを経て第２の操
舵装置としてのラダーアクチュエータ１０へ至る。

かようにしてフライトパスを変えるに際して不要なロー
リングモーメント、及び横滑り角の変化はすべて取除か
れ、機体は純粋に横滑変化及びバンク角の変化なしにフ
ライトパスを変えることが可能となる。

上記説明の中でたとえば『信号Ｋ２』とか『信号Ｋ６Ｊ
］というのは回路３又は回路６にセットされた、上記し
たところの数式によって定まるＫ２又はＫ６によって定
量された信号という意味であり、それを定量する手段は
たとえばコンピュータであってもよく、或は上記した如
く機体の諸特性値によって定まる値なのでＫ２，Ｋ６の
系数を冠して入力信号をモジュレートするモジュレータ
であってもよい。

又、信号伝達の手段は電気信号、油圧信号、或は機械的
信号等どんな手段が用いられてもよく、それら必要に応
じて組合わせられても勿論よい。

サーボモータを使用した上記実施例のほかにたとえば一
例として次のようなものであってもよい。

即ち、エレベータの場合についてみると、一般に舵面を
動かすに必要なパワーは大きいのでそれに適した油圧を
用いることメし、エレベータヒンジを作動させる機構と
し油圧アクチュエータを使用する。

この油圧アクチュエータにはシリンダへの圧油の出入り
をコントロールする電磁バルブが備えられており、この
電磁バルブの電磁コイルが第５図に示すブロック図の回
路に連結されている。

パイロット入力信号の一部は回路２に送られて、フラッ
プ又は水平カナードの操舵によって生じた機体の上下力
を打消すため、エレベータに与えられるべき適正値をＫ
，によって定量し、これを上記電磁コイルに送り、エレ
ベータが必要量操舵される。

この例は信号が電気と油圧の両方にわたる場合であるが
、たとえばエレベータの操舵を油圧アクチュエー夕に拠
らず、エレベータヒンジ部に直結したサーボモータによ
ることメすれば、すべてを電気的に処理することができ
る。

たとえば上記では油圧は油圧アクチュエータ部でのみ用
いたがすでに説明したように圧力又は油量を検知し、か
つ、コントロールするようにして、全系統を油圧システ
ムのみで制御することも可能である。

因みに上記実施例の水平系の運動制御装置を用いた場合
の横方向のフライトパス変更の実際を従来の装置で行な
う場合と比較的に示すと第２図及び第７図の通りであっ
て、従来の場合、フライトパスをα′からβ′に変える
にはローリングモーメント及び横滑り発生を防ぐため、
第２図に示すように機体１ｌを予め横倒しにしてフライ
トパスを変えていたが、本実施例の装置による場合は第
７図に示すようにフライトパスをαからβに変える場合
、機体１は水平面内で横倒しにする必要なくなめらかに
回ることができる。

本発明は実施例について具体的に上に説明したように、
垂直系の運動制御装置のみを備えた航空機にあっては垂
直面でのフライトパスを変える際、フラップ（又は水平
カナード）にパイロット入力が伝達されると同時にこの
入力は所定の伝達関数を通してエレベータにも所要量伝
達され、機体の無駄な迎角変化を打消しながら、フライ
トパスを変えるので、従来の航空機に較べ過渡状態及び
定常状態ともに迎角変化なしのま５フライトパスを変え
ることができるという利点を有する。

次に水平系の運動制御装置のみを備えた機体にあっては
水平面内でのフライトパスを変える際、垂直カナードに
パイロット入力が伝達されると同時にこの入力は所定の
伝達関数を通してエルロン又は他の横操縦装置及びラダ
ーにも所要量伝達され、機体の無駄な機軸まわりのモー
メント及び横滑り角変化を打消しながらフライトパスを
変えるので従来の航空機に較べ、過渡状態及び定常状態
ともに横滑角変化およびバンク変化なしのま５フライト
パスを変えることができるという利点を有する。

又、垂直系及び水平系の各運動制御装置を二つとも備え
た機体にあっては上記した利点を同時に有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の運動制御装置を備えた航空機が垂直面内
でのフライトパス変更を行なっているところの側面図、
第２図は同じく水平面内でのフライトパス変更を行なっ
ているところの平面図、第３図は本発明の一実施例を備
えた航空機が垂直面内でのフライトパスの変更を行なっ
ているところの側面図、第４図Ａは本発明の一実施例を
備えた航空機を側面から見た説明図、第４図Ｂは同じく
平面に見た説明図、第５図は本発明の一実施例の垂直系
の運動制御装置のブロック図、第６図は同じく水平系の
運動制御装置のブ爾ツク図、第１図は本発明の一実施例
を備えた航空機が水平面でのフライトパス変更を行なっ
ているところの平面図である。 １・・・・・・機体、２・・・・・・第２の操舵装置と
してのエレベータ、３・・・・・・第２の操舵装置とし
てのラダー、４・・・・・・第１の操舵装置としてのフ
ラップ、５・・・・・・第１の操舵装置としての水平カ
ナード、６・・・・・・第１の操舵装置としての垂直カ
ナード、７・・・・・・エレベータアクチュエータ、８
・・・・・・ラダーアクチュエー夕、９・・・・・・フ
ラップアクチュエータ、１０・・・・・・水平カナード
アクチュエーク、１１・・・・・・垂直カナードアクチ
ュエータ、１２・・・・・・エルロン、１３・・・・・
・エルロンアクチュエータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ パイロット入力信号によって作動する第１の操舵装
   置と第２の操舵装置とを具えた航空機の運動制御装置に
   おいて、航空機のフライパスを変更すべくパイロット入
   力信号δｆｐによって操舵された第１の操舵装置によっ
   て発生する力を消去すべく、δｆｐを受けて第２の操舵
   装置の第１の作動信号δｅ１を出力する第１の手段と、
   第１の操舵装置によって発生する姿勢角変化を消去すべ
   くδｌ’ｐを受けて第１の操舵装置の第１の作動信号δ
   ｆを出力する一次遅れ回路を付設した第２の手段と、第
   ２の操舵装置によって発生する姿勢角変化を消去すべく
   δｆの一部を受けて第２の操舵装置の第２の作動信号δ
   ｅ２を出力する第３の手段とを具え、第１の操舵装置へ
   の作動信号δｆｐを第２の手段からの出力信号δｆによ
   り修正するとともに第１の手段および第３の手段からの
   出力信号δｅ１，δｅ２により第２の操舵装置への作動
   信号δｅを合成するようにしたことを特徴とする航空機
   の運動制御装置。