WO2026004656A1 - 飛行体 - Google Patents

飛行体

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WO2026004656A1
WO2026004656A1 PCT/JP2025/021538 JP2025021538W WO2026004656A1 WO 2026004656 A1 WO2026004656 A1 WO 2026004656A1 JP 2025021538 W JP2025021538 W JP 2025021538W WO 2026004656 A1 WO2026004656 A1 WO 2026004656A1
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propeller
drag
wing
flaps
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宏一 米澤
允 佐藤
浩 劉
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Central Research Institute of Electric Power Industry
Chiba University NUC
Kogakuin University
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Central Research Institute of Electric Power Industry
Chiba University NUC
Kogakuin University
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C11/00—Propellers, e.g. of ducted type; Features common to propellers and rotors for rotorcraft
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C9/00—Adjustable control surfaces or members, e.g. rudders
    • B64C9/14—Adjustable control surfaces or members, e.g. rudders forming slots
    • B64C9/16—Adjustable control surfaces or members, e.g. rudders forming slots at the rear of the wing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C9/00—Adjustable control surfaces or members, e.g. rudders
    • B64C9/38—Jet flaps

Definitions

  • the present invention relates to an aircraft having wings equipped with flaps.
  • the present invention was made in consideration of the above situation, and aims to provide an aircraft with wings equipped with flaps that can suppress air drag and increase the lift-to-drag ratio, which is the ratio of lift to drag.
  • the aircraft of the present invention comprises wings attached to a main body (fuselage), flaps attached to the wings for generating lift, and propellers attached to the wings for accelerating a fluid, the propellers being arranged to accelerate the flow of the fluid that generates lift based on the flaps.
  • the fluid that is straightened by the flap to generate lift and flows behind the wing combined with the fluid accelerated by the propeller (accelerated fluid moving away from the propeller), directly accelerates the flow of fluid that generates lift based on the flap, thereby reducing drag and increasing the lift-to-drag ratio compared to when only flaps are installed.
  • Flaps that can be applied include, for example, gurney flaps, split flaps, plain flaps, and slotted flaps.
  • the aircraft of the present invention according to claim 2 is the aircraft described in claim 1, characterized in that the propellers are arranged on both sides of the wing, and are arranged within a predetermined distance from the position of the flap.
  • propellers are arranged on both sides (top and bottom) of the wing, and the propellers are located close to the flaps.
  • the aircraft of the present invention according to claim 3 is characterized in that, in the aircraft described in claim 2, the predetermined distance is a value that is 3/10 or less of the diameter of the propeller.
  • the position at which the propeller is positioned (the distance from the flap) can be quantified based on the value of the propeller diameter relative to the position of the flap.
  • the aircraft of the present invention according to claim 4 is the aircraft described in claim 3, characterized in that the flap is a Gurney flap erected vertically on the trailing edge of the wing, and the height of the Gurney flap is set to 1% to 10% of the chord length of the wing.
  • the height of the Gurney flap is set to 1% to 10% (for example, approximately 2% to 7%, preferably approximately 5%) of the chord length of the wing, thereby suppressing a decrease in the lift-to-drag ratio (minimizing an increase in drag) and increasing lift.
  • the flying body of the present invention according to claim 5 is the flying body according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the wings are freely tiltable between a position where the propeller generates an accelerating fluid downward, and a position where the propeller generates an accelerating fluid rearward in the direction of travel.
  • the wings can be tilted to change the position of the propeller, enabling vertical navigation (hovering) and horizontal navigation.
  • the aircraft of the present invention which has wings equipped with flaps, is able to suppress aerodynamic drag and increase the lift-to-drag ratio, which is the ratio of drag to lift.
  • FIG. 1 is a side view of an aircraft according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a front view of an aircraft according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating the positional relationship between the blades and the propeller.
  • FIG. 1 is a side view of an aircraft traveling vertically.
  • 1 is a graph showing the relationship between the angle of attack of a wing and lift.
  • 1 is a graph showing the relationship between the angle of attack of a wing and the lift-to-drag ratio.
  • Fig. 1 shows a side view of the aircraft configuration according to one embodiment of the present invention
  • Fig. 2 shows a front view of the aircraft
  • Fig. 3 shows a conceptual diagram for explaining the positional relationship between the wings and propeller
  • Fig. 4 shows a side view of the aircraft flying vertically (hovering).
  • Fig. 5 shows a graph showing the relationship between the wing angle of elevation and lift
  • Fig. 6 shows a graph showing the relationship between the wing angle of elevation and lift-to-drag ratio.
  • wings 3 are provided on the left and right sides of the fuselage 2, which is the main body of the aircraft 1.
  • a flap (a Gurney flap erected perpendicular to the trailing edge) 4 is provided on the trailing edge (right edge in Figure 1) of the wing 3 to generate lift.
  • a propeller 5 that accelerates the fluid is provided on the wing 3 via an arm member 6, and the propeller 5 is arranged to accelerate the flow of fluid that generates lift based on the Gurney flap 4.
  • the propeller 5 is arranged via the arm member 6 at an angle ⁇ (for example, 20 degrees) in the clockwise direction in the figure, and the propellers 5 are arranged above and below the wing 3 (on both sides of the wing 3).
  • the propellers 5 are also arranged within a predetermined distance from the position of the Gurney flap 4 (the trailing edge of the wing 3).
  • the propeller 5 may be composed of, for example, four, eight, or twelve blades.
  • the height of the Gurney flap 4 is set to 1% to 10% (for example, approximately 2% to 7%, preferably approximately 5%) of the chord length of the wing 3 (the length in the left-right direction in Figure 1). This makes it possible to increase lift while suppressing a decrease in the lift-to-drag ratio (minimizing the increase in drag).
  • the predetermined distance r is set to a value of three-tenths or less of the diameter D (diameter value) of the propeller 5 (for example, 1/10: 0.1D). Therefore, the position at which the propeller 5 is positioned (the distance from the Gurney flap 4) is quantified based on the diameter D of the propeller 5, and the propeller 5 is positioned close to the Gurney flap 4 (the trailing edge of the wing 3).
  • the propellers 5 are positioned close to both sides (above and below) of the Gurney flaps 4 (the trailing edges of the wings 3), so the fluid flowing behind the wings 3 (fluid straightened by the Gurney flaps 4) is accelerated, reducing drag.
  • Flaps can be split flaps, plain flaps, or slotted flaps.
  • the predetermined distance r can be set to any value within the range of 3/10 or less of the diameter D (diameter value) of the propeller 5.
  • the wings 3 of the aircraft 1 can be tilted between a position (as shown) in which the propeller 5 generates an accelerating fluid downward, and a position (as shown in Figure 1) in which the propeller generates an accelerating fluid rearward in the direction of travel.
  • the fluid that is straightened by the Gurney flaps 4 and flows behind the wings 3 in order to generate lift combined with the fluid accelerated by the propeller 5 (accelerated fluid moving away from the propeller), directly accelerates the flow of fluid that generates lift based on the Gurney flaps 4, thereby reducing drag and increasing the lift-to-drag ratio compared to when only the Gurney flaps 4 are provided.
  • the lift-to-drag ratio when the Gurney flaps 4 and propeller 5 are equipped is higher by an increase of S than the lift-to-drag ratio when only the propeller 5 is equipped, as shown by the dashed line in Figure 6. Furthermore, it was confirmed that the lift-to-drag ratio when the Gurney flaps 4 and propeller 5 are equipped is significantly higher than the lift-to-drag ratio when only the Gurney flaps 4 are equipped, as shown by the dotted line in Figure 6, or when the Gurney flaps 4 and propeller 5 are not equipped.
  • the propellers 5 close to both sides (above and below) of the Gurney flaps 4 (the trailing edges of the wings 3) (at 0.1D, 1/10 of the diameter D of the propeller 5), the fluid flowing behind the wings 3 (fluid straightened by the Gurney flaps 4) is accelerated, reducing drag, and it has been confirmed that the provision of the Gurney flaps 4 and propellers 5 makes it possible to increase the lift-to-drag ratio.
  • the above-described aircraft 1, which has wings 3 equipped with Gurney flaps 4, can suppress air drag and increase the lift-to-drag ratio, which is the ratio of lift to drag, making it possible to reduce fuel consumption (improve fuel efficiency).
  • the present invention can be used in the industrial field of aircraft that have wings equipped with flaps.
  • Aircraft Fuselage 3. Wing 4. Flap (Gurney flap) 5 Propeller 6 Arm member

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

空気抗力を抑制して、抗力値に対する揚力値の割合である揚抗比を高くすることができ、燃費を向上させる。 胴体２に備えられる翼３と、翼３に設けられ揚力を得るためのガーニーフラップ４と、翼３に設けられ流体を加速するプロペラ５とを有し、プロペラ５を、ガーニーフラップ４に基づいて揚力を得る流体の流れを加速するように配し、ガーニーフラップ４に基づいて揚力を得る流体の流れを直接加速させ、抗力を低く抑えて揚抗比を高くする。

Description

飛行体
　本発明は、フラップを備えた翼を有する飛行体に関する。
　飛行体が空気中を飛行する際には、空気抗力により多大のエネルギーが失われるので、抗力に対する揚力の割合である揚抗比がエネルギー効率に直接比例することが知られている。このため、揚力を発生させる役割を果たす翼を有する飛行体では、翼にフラップを設けて揚力を高める技術が従来から種々提案されている（例えば、特許文献１）。翼にフラップを設けることにより、飛行体の揚力が高くなり、燃料消費量の低減を図ることが期待できる。
　しかし、翼にフラップを設けた場合、揚力を高めることができる一方で、フラップの重量がかさむと共に、空気抗力が増加することになり、揚力に対する抵抗の割合である揚抵比が高くならないのが現状であり、燃料消費量の抑制には限界があるのが実情であった。
特開２００１－１０５９３号公報
　本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、フラップを備えた翼を有する飛行体において、空気抗力を抑制して、抗力値に対する揚力値の割合である揚抗比を高くすることができる飛行体を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の飛行体は、本体（胴体）に備えられる翼と、前記翼に設けられ揚力を得るためのフラップと、前記翼に設けられ流体を加速するプロペラとを有し、前記プロペラは、前記フラップに基づいて揚力を得る流体の流れを加速するように配されていることを特徴とする。
　請求項１に係る本発明では、フラップにより揚力を得るために整流されて翼の後ろ側に流れる流体と、プロペラにより加速された流体（プロペラから離れる加速された流体）とが相まって、フラップに基づいて揚力を得る流体の流れが直接加速され、フラップだけを設けた場合に比べて抗力を低く抑え、揚抗比を高くすることができる。
　フラップとしては、例えば、ガーニーフラップ、スプリットフラップ、プレーンフラップ、スロッテッドフラップを適用することができる。
　したがって、フラップを備えた翼を有する飛行体において、空気抗力を抑制して、抗力値に対する揚力値の割合である揚抗比を高くすることができ、燃料の消費量を少なくする（燃費を向上させる）ことが可能になる。
　そして、請求項２に係る本発明の飛行体は、請求項１に記載の飛行体において、前記プロペラは、前記翼を挟んで両側に配され、前記フラップの位置に対して所定の距離の範囲に配されていることを特徴とする。
　請求項２に係る本発明では、翼を挟んで両側（上下）にプロペラが配され、プロペラはフラップに近接している状態とされる。
　また、請求項３に係る本発明の飛行体は、請求項２に記載の飛行体において、前記所定の距離は、前記プロペラの直径の値に対して１０分の３以下の値であることを特徴とする。
　請求項３に係る本発明では、プロペラが配される位置（フラップに対する距離）を、フラップの位置に対してプロペラの直径の値を基準にして定量化することができる。
　また、請求項４に係る本発明の飛行体は、請求項３に記載の飛行体において、前記フラップは、前記翼の後縁に垂直に立てられたガーニーフラップであり、前記ガーニーフラップの高さは、前記翼の翼弦長の１％から１０％に設定されていることを特徴とする。
　請求項４に係る本発明では、ガーニーフラップの高さを、翼の翼弦長の１％から１０％（例えば、２％から７％程度、好ましくは、５％程度）に設定したので、揚抗比の低下を抑制して（抗力の増加を最小限に抑えて）揚力を増加させることができる。
　また、請求項５に係る本発明の飛行体は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の飛行体において、前記翼は、前記プロペラによる加速流体を下向きに発生させる位置と、前記プロペラによる加速流体を航行方向の後ろ側に発生させる位置との間で傾動自在とされていることを特徴とする。
　請求項５に係る本発明では、垂直方向の航行（ホバリング）、及び、水平方向への航行ができるように、翼を傾動させてプロペラの位置を変化させることができる。
　本発明の飛行体は、フラップを備えた翼を有する飛行体において、空気抗力を抑制して、揚力に対する抗力の割合である揚抗比を高くすることが可能になる。
本発明の一実施例に係る飛行体の側面図である。 本発明の一実施例に係る飛行体の正面図である。 翼とプロペラの位置関係を説明する概念図である。 鉛直方向に航行する状態の飛行体の側面図である。 翼の仰角と揚力との関係を表すグラフである。 翼の仰角と揚抗比との関係を表すグラフである。
　図１から図６に基づいて本発明の飛行体の構成を説明する。
　図１には本発明の一実施例に係る飛行体の構成を説明する側面視の状態、図２には飛行体の正面視の状態、図３には翼とプロペラの位置関係を説明するための概念状態、図４には鉛直方向に航行（ホバリング）する状態の飛行体の側面視の状態を示してある。また、図５には翼の仰角と揚力との関係を表すグラフ、図６には翼の仰角と揚抗比との関係を表すグラフを示してある。
　図１、図２に示すように、飛行体１の本体である胴体２の左右には、翼３がそれぞれ設けられている。翼３の後縁（図１中右縁）には、揚力を得るためのフラップ（後縁に垂直に立てられたガーニーフラップ）４が設けられている。また、翼３には、流体を加速するプロペラ５がアーム部材６を介して備えられ、プロペラ５は、ガーニーフラップ４に基づいて揚力を得る流体の流れを加速するように配されている。
　つまり、プロペラ５は、アーム部材６を介して図中時計回り方向に角度θ（例えば、２０度）傾けられた状態で配され、プロペラ５は、翼３の上下（翼３を挟んで両側）に配されている。そして、プロペラ５はガーニーフラップ４の位置（翼３の後縁）に対して所定の距離の範囲に配されている。尚、プロペラ５は、例えば、４枚の羽根、８枚の羽根、１２枚の羽根で構成される。
　そして、ガーニーフラップ４の高さは、翼３の翼弦長（図１中左右方向の長さ）の１％から１０％（例えば、２％から７％程度、好ましくは、５％程度）に設定されている。このため、揚抗比の低下を抑制して（抗力の増加を最小限に抑えて）揚力を増加させることができる。
　図３に示すように、所定の距離ｒは、プロペラ５の直径Ｄ（直径の値）に対して１０分の３以下の値（例えば、１０分の１：０.１Ｄ）に設定されている。したがって、プロペラ５が配される位置（ガーニーフラップ４に対する距離）が、プロペラ５の直径Ｄを基準にして定量化され、プロペラ５がガーニーフラップ４（翼３の後縁）に近接して配された状態にされている。
　プロペラ５がガーニーフラップ４（翼３の後縁）の両側（上下）に近接して配された状態にされているので、翼３の後側に流れる流体（ガーニーフラップ４で整流される流体）が加速されて抗力を減らすことができる。
　尚、フラップとしては、スプリットフラップ、プレーンフラップ、スロッテッドフラップを適用することができる。また、所定の距離ｒは、プロペラ５の直径Ｄ（直径の値）に対して１０分の３以下の範囲で任意の値に設定される。
　図４に示すように、飛行体１の翼３は、プロペラ５による加速流体を下向きに発生させる位置（図示の位置）と、プロペラによる加速流体を航行方向の後ろ側に発生させる位置（図１に示した位置）との間で傾動自在とされている。
　つまり、図中矢印の方向に傾動自在に構成され、垂直方向の航行（ホバリング）、及び、水平方向への航行ができるように、翼を傾動させてプロペラの位置を変化させることが可能になっている。
　上記構成の飛行体１では、ガーニーフラップ４により揚力を得るために整流されて翼３の後ろ側に流れる流体と、プロペラ５により加速された流体（プロペラから離れる加速された流体）とが相まって、ガーニーフラップ４に基づいて揚力を得る流体の流れが直接加速され、ガーニーフラップ４だけを設けた場合に比べて抗力を低く抑え、揚抗比を高くすることができる。
　つまり、抗力に対する揚力を高くすることができるようになり、即ち、少ない抗力で所望の揚力を維持することができるようになり、ガーニーフラップ４を備えた翼３を有する飛行体１において、空気抗力を抑制して、抗力値に対する揚力値の割合である揚抗比を高くすることができ、燃料の消費量を少なくして（燃費を向上させて）飛行効率の向上を図ることが可能になる。
　図５に基づいて揚力の確認結果を説明する。
　図５に太実線で示すように、ガーニーフラップ４、及び、プロペラ５を備えた飛行体１では、翼３の仰角が大きくなるにしたがい、揚力が高くなることが確認された。
　そして、ガーニーフラップ４、及び、プロペラ５を備えた場合の揚力は、図５に一点鎖線で示したプロペラ５だけを備えた場合の揚力よりも、高くなっていることが確認された。更に、ガーニーフラップ４、及び、プロペラ５を備えた場合の揚力は、図５に点線で示したガーニーフラップ４だけを備えた場合の揚力よりも、大幅に高くなっていることが確認された。
　このため、ガーニーフラップ４、及び、プロペラ５を備えることにより、揚力を高くすることが可能になることが確認できる。
　図６に基づいて揚抗比の確認結果を説明する。
　図６に太実線で示すように、ガーニーフラップ４、及び、プロペラ５を備えた飛行体１では、翼３の仰角が所定の角度αに至るまで、揚抗比が高くなり、その後、仰角が所定の角度になった状態で、揚抗比の値が維持されることが確認された。
　そして、ガーニーフラップ４、及び、プロペラ５を備えた場合の揚抗比は、図６に一点鎖線で示したプロペラ５だけを備えた場合の揚抗比よりも、増加量Ｓで高くなっていることが確認された。更に、ガーニーフラップ４、及び、プロペラ５を備えた場合の揚抗比は、図６に点線で示したガーニーフラップ４だけを備えた場合、もしくは、ガーニーフラップ４、及び、プロペラ５を備えない場合の揚抗比よりも、大幅に高くなっていることが確認された。
　このため、ガーニーフラップ４、及び、プロペラ５を備えることにより、揚抗比を高くすることが可能になることが確認できる。
　したがって、プロペラ５がガーニーフラップ４（翼３の後縁）の両側（上下）に近接して配された状態（プロペラ５の直径Ｄに対して１０分の１：０.１Ｄ）にしたことで、翼３の後側に流れる流体（ガーニーフラップ４で整流される流体）が加速されて抗力を減らすことができ、ガーニーフラップ４、及び、プロペラ５を備えることにより、揚抗比を高くすることが可能になることが確認された。
　上述した飛行体１は、ガーニーフラップ４を備えた翼３を有する飛行体１において、空気抗力を抑制して、抗力値に対する揚力値の割合である揚抗比を高くすることができ、燃料の消費量を少なくする（燃費を向上させる）ことが可能になる。
　本発明は、フラップを備えた翼を有する飛行体の産業分野で利用することができる。
　　１　飛行体
　　２　胴体
　　３　翼
　　４　フラップ（ガーニーフラップ）
　　５　プロペラ
　　６　アーム部材

Claims (5)

  1. 　本体に備えられる翼と、
    　前記翼に設けられ揚力を得るためのフラップと、
    　前記翼に設けられ流体を加速するプロペラとを有し、
    　前記プロペラは、前記フラップに基づいて揚力を得る流体の流れを加速するように配されている
    　ことを特徴とする飛行体。
  2. 　請求項１に記載の飛行体において、
    　前記プロペラは、
    　前記翼を挟んで両側に配され、前記フラップに対して所定の距離の範囲に配されている
    　ことを特徴とする飛行体。
  3. 　請求項２に記載の飛行体において、
    　前記所定の距離は、前記プロペラの直径の値に対して１０分の３以下の値である
    　ことを特徴とする飛行体。
  4. 　請求項３に記載の飛行体において、
    　前記フラップは、
    　前記翼の後縁に垂直に立てられたガーニーフラップであり、
    　前記ガーニーフラップの高さは、
    　前記翼の翼弦長の１％から１０％に設定されている
    　ことを特徴とする飛行体。
  5. 　請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の飛行体において、
    　前記翼は、
    　前記プロペラによる加速流体を下向きに発生させる位置と、前記プロペラによる加速流体を航行方向の後ろ側に発生させる位置との間で傾動自在とされている
    　ことを特徴とする飛行体。
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Title
嶋英志 ほか, 翼に近接するプロペラを持つ有翼eVTOLにおけるガーニーフラップの効果について, In: 第61回飛行機シンポジウム講演集, 第61回飛行機シンポジウム, 16 November 2023, 2023, pp. 1-10 (SHIMA, Eiji et al., The effect of Gurney flaps in winged eVTOLs with propellers in close proximity to the wings), non-official translation (In: Proceedings of the 61st Aircraft Symposium, The 61st Aircraft Symposium) abstract, columns "1.Introduction", 2nd paragraph, "5. Conclusions and future prospects", last paragraph, fig. 1-3, tables 1-2 *

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