(57)【要約】【課題】翼弦長を基準長とするレイノルズ数が１０の５乗以下の領域を固定薄板翼により飛行する超小型飛行体の低抵抗飛行特性および大迎角飛行特性並びに操縦特性を向上する。【解決手段】翼弦長を基準長とするレイノルズ数が１０の５乗以下の領域を固定薄板翼により飛行する超小型飛行体において、当該固定薄板翼の前縁に近接して当該固定薄板翼の前縁の前下方４５度から後上方４５度までの範囲の位置に概ね滑らかな表面を有する円形断面の回転ロッドを当該固定薄板翼の前縁と当該回転ロッドの回転軸とが略平行となる位置関係において備え、当該回転ロッドを当該回転ロッドの周速度が一様流速度の２倍以上の速度となるよう当該固定薄板翼の翼循環方向と同一の回転方向に回転させることにより低抵抗飛行および大迎角飛行を実現する。また当該境界層制御手段を従来知られるスポイラー操縦装置と同様の効果を奏する要領において境界層制御操縦に利用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼弦長を基準長とするレイノルズ数が１０の５乗以下の領域を固定薄板翼により飛行する超小型飛行体において、前記固定薄板翼の前縁に近接して前記固定薄板翼の前縁の前下方４５度から後上方４５度までの範囲の位置に概ね滑らかな表面を有する円形断面の回転ロッドを前記固定薄板翼の前縁と前記回転ロッドの回転軸とが略平行となる位置関係において備え、前記回転ロッドを前記回転ロッドの周速度が一様流速度の２倍以上の速度となるよう前記固定薄板翼の翼循環方向と同一の回転方向に回転させることにより低抵抗飛行および大迎角飛行を実現することを特徴とする超小型飛行体。
【請求項２】
前記回転ロッドを左右一対かつ各独立に前記固定薄板翼の翼端部においてのみ設け、前記回転ロッドの回転数を左舷側および右舷側において各独立に変更制御することにより飛行制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の超小型飛行体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は超小型飛行体に関し、より詳細には翼弦長を基準長とするレイノルズ数が１０の５乗以下の領域を固定薄板翼により飛行する超小型飛行体に関する。本発明は遠隔無線操縦により無人で飛行する調査、探査活動用の超小型飛行体に好適である。
【背景技術】
【０００２】  近年、産業製品の小型化により超小型精密軽量部品を用いた超小型飛行体の研究開発が産業界において盛んに行われるようになっている。しかしながら、電子機械的には超小型飛行体を実現することが出来たとしても、当該飛行体の小型化に伴う流体力学的な諸問題を解決しない限り、期待される超小型飛行体の産業上の利用は困難であるものといえる。流体力学の分野においては、流体現象における慣性と粘性との対比によって定義されるレイノルズ数が支配的となるため、電子機械の分野においては取り立てて問題とされることのない当該飛行体の単純な小型化が流体力学の分野においてはレイノルズ数の低下による流体の粘性の影響の増大に起因する当該飛行体の飛行性能の決定的な低下をもたらすこととなる。例えば図７に示すように、レイノルズ数が３５００の流れにおける迎え角が５度に設けられた固定薄板翼２０の周りの流れには、粘性の影響により当該固定薄板翼２０の翼厚よりも厚い死水域２３が形成され、同時に粘性抵抗の著しい増加を招くこととなって当該固定薄板翼２０を用いた超小型飛行体の高速飛行の実現を阻害することとなるものといえる。【０００３】  一方、自然の風環境下における超小型飛行体の飛行を考える場合、当該超小型飛行体の飛行速度が大型機の場合に比較して桁違いに小さくなるにも関わらず、当該自然の風環境は航空機の大小に関わらないため、当該超小型飛行体においては、当該自然の風環境がもたらす迎え角の変化が相対的に大きいものとなって、図８に示す固定薄板翼２０周りの流れのように剥離域２４において境界層が当該翼から剥離することにより容易に固定薄板翼２０が失速することとなるために、当該超小型飛行体が強風、突風を含む自然の風環境下で安定して飛行を継続することは基本的に困難であるものということができる。さらに当該超小型飛行体においては、地表面形状の影響を受ける超低空の風環境下において、一段と激しく変化する当該風環境下を遠隔操縦等により飛行することが求められることから、超低空飛行を行う当該超小型飛行体の墜落事故を回避するためにも、通常の航空機と比較して超小型飛行体は格段に高い大迎角飛行特性および優れた操縦性能を求められることとなるものといえる。【０００４】  しかしながらこれらの諸問題を担う流体力学、航空工学の分野においては、従来、産業上の需要が集中する有人の大型航空機の研究開発が優先されてきたために、当該低レイノルズ数領域を飛行する無人の超小型飛行体の研究開発が取り残されてきたものということができる。このため本願発明の発明者は、これら諸問題を解決する低レイノルズ数領域における航空工学を構築するために、流体力学の原点に立ち返り、低レイノルズ数流れの中に置かれる回転円柱周りの流れをその着手点として低レイノルズ数流れに関する航空工学分野を対象とする研究開発活動を推進するものとした。【０００５】  一方、従来知られる高レイノルズ数流れを対象とする回転円柱を用いた翼面上の流れの改善技術としては、特許文献１において開示される回転円柱を用いた送風機の回転翼の性能向上に関する発明が知られている（特許文献１参照。）。特許文献１において開示される送風機の回転翼は、当該回転翼の前縁部あるいは翼���上に円柱状の回転体を当該回転体の一部を部分的に翼面上に露出させた状態において埋没敷設し、当該部分的に翼面上に露出する当該円柱状回転体の上方流れにおいて生じる加速流により当該翼面上の境界層の剥離を防止して当該送風機における作動騒音の発生と送風効率の低下とを防ぐものとされている。しかしながら勿論、特許文献１において開示される当該送風機の回転翼の改善に関する発明は、高速回転する回転翼を対象とする、即ち高レイノルズ数流れを対象とする技術であって、かつ、当該円柱状回転体を当該回転翼内に埋没敷設し得る大型かつ厚翼の回転翼を対象とする発明であって、流体力学的に本願発明が課題とする固定薄板翼を用いた低レイノルズ数領域における超小型飛行体の翼性能の改善に寄与するものではない。
【特許文献１】特許第３５０３６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  このため本願発明の発明者は、当該流れが微細なために通常の観察手段によっては容易に観察することができない低レイノルズ数領域における流れの様子を肉眼により観察することを可能とするために、当該低レイノルズ数流れを相似則を以って拡大し、かつ可視化して再現することができる回流式可視化水槽を新規に開発し、当該低レイノルズ数領域における回転円柱周りの流れを対象とする数多くの詳細な観察をおこなうことに成功した。その結果、低レイノルズ数領域における回転円柱周りの流れの様子は高レイノルズ数領域における場合とは大きく異なるものであり、また一定の流れの条件下においては、当該回転円柱の後方流れにおいて当該流れの主流速度よりも格段に大きな速度を有する図３に示すようないわばジェット噴流２２を生じさせることができることを発見した。微細流れである低レイノルズ数流れにおいて、当該低レイノルズ数流れにおける大きな粘性の影響によりもたらされる当該回転円柱２１後方のジェット噴流２２は、高レイノルズ数流れにおける加速流に比べて格段に大規模かつ強力なものであるということができ、低レイノルズ数流れにおいて大きな支配力を有するものということができる。【０００７】  この新規な発見に基づき、本願発明は、翼弦長を基準長として定義するレイノルズ数が１０の５乗以下の低レイノルズ数流れの領域において、高速回転する回転円柱の後方流れにおいて発生する低レイノルズ数流れ特有の強力なジェット噴流を同じく低レイノルズ数領域において用いられる固定薄板翼における翼周りの流れに適切な位置関係において重ね合わせて利用することにより、超小型飛行体の翼性能および飛行性能を向上することを目的とする。【０００８】  具体的には、低レイノルズ数流れにおける粘性の影響により当該超小型飛行体が備える当該固定薄板翼周りの流れにおいて当該固定薄板翼よりも厚い領域をもって形成される図７に示す死水域２３と当該粘性の影響により増大する粘性抵抗とを低減することにより、特に低迎え角の条件において当該超小型飛行体の低抵抗飛行特性を向上し、当該超小型飛行体の飛行速度を格段に向上させることを目的とする。【０００９】  また、強風、突風を含む自然の風環境下において急激に変化することとなる当該超小型飛行体が備える当該固定薄板翼の大きな迎え角の変動によっても容易に図８に示す剥離域２４を生じてしまうことがなく、失速することのない優れた当該超小型飛行体における大迎角飛行特性を実現し、並びに当該自然の風環境下においても十分な操縦性能を発揮し得る強力な操縦特性を備える優れた超小型飛行体を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】  本発明は上記の課題を解決するために次の構成を備える。即ち、本発明による超小型飛行体は、翼弦長を基準長とするレイノルズ数が１０の５乗以下の領域を固定薄板翼により飛行する超小型飛行体において、当該固定薄板翼の前縁に近接して当該固定薄板翼の前縁の前下方４５度から後上方４５度までの範囲の位置に概ね滑らかな表面を有する円形断面の回転ロッドを当該固定薄板翼の前縁と当該回転ロッドの回転軸とが略平行となる位置関係において備え、当該回転ロッドを当該回転ロッドの周速度が一様流速度の２倍以上の速度となるよう当該固定薄板翼の翼循環方向と同一の回転方向に回転させることにより低抵抗飛行および大迎角飛行を実現することを特徴とする。【００１１】  また本発明による超小型飛行体は、当該回転ロッドを左右一対かつ各独立に当該固定薄板翼の翼端部においてのみ設け、当該回転ロッドの回転数を左舷側および右舷側において各独立に変更制御することにより飛行制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】  本発明によれば、翼弦長を基準長として定義するレイノルズ数が１０の５乗以下の低レイノルズ数流れの領域において、当該低レイノルズ数流れにおける粘性の影響により当該超小型飛行体が備える当該固定薄板翼周りの流れにおいて当該固定薄板翼よりも厚い領域をもって形成される図７に示す死水域２３と当該粘性の影響により増大する粘性抵抗とを当該固定薄板翼の前縁に近接して当該固定薄板翼の前縁の前下方４５度から後上方４５度までの範囲の位置に当該固定薄板翼の前縁と当該回転ロッドの回転軸とが略平行となる位置関係において設けられた一様流速度の２倍以上の周速度において当該固定薄板翼の翼循環方向と同一の回転方向に高速回転する概ね滑らかな表面を有する円形断面の当該回転ロッドの後方流れにおいて発生する低レイノルズ数流れ特有の強力なジェット噴流を用いて低減することにより、当該固定薄板翼周りの流れを図４に示す理想的な流れに改善することができるため、特に低迎え角の条件において当該超小型飛行体の低抵抗飛行特性を向上し、当該超小型飛行体の飛行速度を格段に向上させることができる。【００１３】  また本発明によれば、強風、突風を含む自然の風環境下において急激に変化することとなる当該超小型飛行体が備える当該固定薄板翼の大きな迎え角の変動によっても当該回転ロッドの後方流れにおいて発生する低レイノルズ数流れ特有の強力なジェット噴流の効果により当該固定薄板翼上面において境界層が剥離して図８に示す剥離域２４が生じてしまうことがないよう制御することができるため、大迎角の条件においても当該固定薄板翼が失速することなく、当該固定薄板翼周りの流れを理想的な流れに改善して高揚力を創出し得る優れた大迎角飛行特性を備えた超小型飛行体を実現することができる。ここで図５は本発明の発明者による回流式可視化水槽を用いた実験の結果を示すものである。図５に示す回流式可視化水槽を用いた実験においては、翼弦長を基準長とするレイノルズ数が約３５００の条件において、一様流に対して３０度の大迎角を有する固定薄板翼２０の前縁に当該直径が当該翼弦長の丁度１０％となる回転円柱２１を近接して設け、当該回転円柱２１の回転における周速度を当該一様流の速度の５倍となる周速度、即ち周速比５となる駆動状態において当該回転円柱２１を回転駆動させたところ、当該大迎角の条件においても流れの剥離を生じない理想的な流れを実現できることが確認された。なおこの結果については、当該翼型の差異の影響を大きく受けないことが同じく本発明の発明者による回流式可視化水槽を用いた実験により確認されている。【００１４】  また本発明によれば、当該回転ロッドを左右一対かつ各独立に当該固定薄板翼の翼端部においてのみ設け、当該回転ロッドの回転数を左舷側および右舷側において各独立に変更制御することにより、当該固定薄板翼上面における境界層の剥離の抑制および発生を左舷側および右舷側において各独立かつ自在に制御することができることから、本発明における超小型飛行体において従来知られる航空機操縦用のスポイラー操縦装置を備えるのと同様の当該自然の風環境下においても十分な操縦性能を発揮し得る強力な操縦特性を備える優れた超小型飛行体を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】  以下、本発明の実施の形態について詳述する。図１は、本実施例において示す超小型飛行体を左翼後上方より見る説明図であり、図２は、同じく本実施例において示す超小型飛行体を左翼前下方より見る説明図である。図１および図２に示す本実施例の超小型飛行体は全幅（全スパン長）２５０ｍｍ、全長２８０ｍｍ、翼弦長３５ｍｍ、質量約２５ｇ、飛行速度毎秒約６ｍを基本諸元とし、近接タンデム翼配置によるＣＦＲＰ製の前翼１および後翼２を備え、ＥＰＰ（Ｅｘｐａｎｄｅｄ  Ｐｏｌｙ  Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）製の衝撃吸収材３、およびＥＰＰシートに覆われたリチウム・イオンバッテリーと無線通信制御装置とにより構成される制御部４、および木製の胴体５、同じく木製の重心位置等調整用のマス・バラスト６、並びに推進用モータ７およびプロペラ８より構成されるプロペラ推進装置９を備える。本実施例に示す超小型飛行体において近接タンデム翼配置により備えられる前翼１および後翼２は共にアスペクト比の高い平面形状を有するために誘導抵抗を軽減し、高い揚抗比を実現することができる。なお、後翼２の後縁部には当該近接タンデム翼配置による本実施例に示す超小型飛行体においてピッチング方向のトリムを得るための逆キャンバーが設けられている。また、本実施例において示す超小型飛行体の飛行レイノルズ数は約２×１０の４乗である。【００１６】  以上の構成の他に、図１および図２に示す本実施例の超小型飛行体が備える前翼１の左右各翼端部には、直径３ｍｍの円柱形状によりなる回転ロッド１０および当該回転ロッド１０を毎分最大約６万回転において当該前翼１周りの流れにおける翼循環方向と同一方向の回転方向に直結回転駆動するための回転ロッド駆動用モータ１１が設けられている。本実施例に示す回転ロッド１０は本実施例の超小型飛行体が備える前翼１の翼端部においてのみ取り付けられ、また、当該回転ロッド１０の長さは当該前翼１の片翼スパン長の丁度半分の長さとして設けられているが、これは本発明の発明者が行った数多くの水槽実験および飛行実験により、当該前翼１における片翼スパン長の全幅に亘って回転ロッド１０を設けなくとも、本発明の目的とする効果を十分に得られることが確認されている事実による。勿論、当該前翼１における片翼スパン長の全幅に亘り当該回転ロッド１０を設けるものとしてもよいし、また、前翼１にのみならず後翼２においても同様に回転ロッド１０および回転ロッド駆動用モータ１１を設けるものとしてもよい。【００１７】  しかしながら本実施例に示す超小型飛行体において当該回転ロッド１０の長さが当該前翼１の片翼スパン長の丁度半分の長さとして設けられているのは、当該前翼１における左右各翼端部のみにおいて一対に設けられた回転ロッド１０および回転ロッド駆動用モータ１１並びにこれらに付属する駆動用の配線、制御部品等の合計重量が５ｇ以下に収められているためである。一般に、超小型飛行体の総重量を構造系と推進駆動系とに分けると、小型機となる程、構造系に割り当てることができる重量は少なくなるものということができるが、小鳥サイズまでの総重量２０ｇの超小型飛行体の場合には、構造系に割り当てることができる重量は総重量の約５０％強（約１０ｇ強）を占めることとなるのが通例である。このような場合において、さらに低抵抗飛行装置あるいは大迎角飛行装置並びに操縦制御装置および付属装置等を追加搭載することができるとしても、当該構造系の総重量の５０％増し（約５ｇ増し）程度が限界といえるであろう。このような重量的制約によれば、大型機に装備されるような複雑なメカニズムを有する精緻な低抵抗飛行装置あるいは大迎角飛行装置並びに操縦制御装置を超小型飛行体において搭載することは現在の技術においては不可能であるものといえるところ、本発明によれば、低レイノルズ数領域における流体力学的特性を利用することにより、最小の重量増加によって当該飛行性能改善装置の搭載を実現することができるものといえる。【００１８】  なお本実施例に示す超小型飛行体においては、回転ロッド１０は前翼１における前縁の後上方４５度の位置に当該回転ロッド１０の回転中心軸が位置するように配置されて設けられている。これは本発明の発明者による回流式可視化水槽を用いた実験により、当該低レイノルズ数流れにおける当該回転円柱の後方流れにおいて生ずる強力なジェット噴流と当該回転円柱に近接して配置される当該固定薄板翼との配置関係において、本発明における超小型飛行体の飛行性能の改善の効果を得ることができる位置関係の範囲が、図６に示すように翼弦長を基準長とするレイノルズ数が１０の５乗以下の領域を固定薄板翼２０により飛行する超小型飛行体の場合においては、当該固定薄板翼２０の前縁の前下方４５度から後上方４５度までの範囲の位置に当該回転円柱２１（実施例においては回転ロッド１０に相当する。）の回転中心軸が位置するように配置する範囲に相当することが明らかにされていることに基づく。【００１９】  なお参考のために、本実施例に示す超小型飛行体において用いられる当該円形断面の回転ロッド１０に代えて、従来、高レイノルズ数の領域において、マグナス効果を利用したマグナス風車等の流体機械において有効であるものと考えられ、研究開発が推進されている歯車形の凹凸断面形状によりなる回転ロッドを同様に本実施例に示す超小型飛行体における回転ロッドとして用いるものとする場合の回流式可視化水槽を用いた流れの可視化実験をおこなったところ、当該歯車形の断面形状を有する回転ロッドの回転によって当該回転ロッドに近接する当該固定薄板翼周りの流れが大きく乱されてしまい、本実施例に示す円柱形状の回転ロッド１０を用いた場合の後方流れにおいて生じた図３に示す強力なジェット噴流２２の発生が当該歯車形の凹凸断面形状によりなる回転ロッドを用いた場合においては全く生じることが無いことが確認された。このため、本発明において用いる回転ロッド１０の断面形状は凹凸の無い概ね円形断面の円滑な断面形状であるべきものといえる。こうした実験結果についての比較からも、高レイノルズ数領域における回転円柱周りの流れと低レイノルズ数領域における回転円柱周りの流れとの非類似性を窺い知ることができる。【００２０】  本実施例に示す超小型飛行体は以上の構成を備えることにより優れた低抵抗飛行特性および大迎角飛行特性を実現することができるため、従来の超小型飛行体と比較して、最大水平飛行速度において２倍以上の高速度による水平飛行をおこなうことが可能であり、また、強風、突風等を含む自然の風環境下においても瞬間的な大迎角飛行を許容することにより失速等を生じてしまうことがなく、かつ、穏天の屋外においては迎え角３０度を超える大迎角においても安定して水平飛行を行うことが可能であることが本発明の発明者による飛行試験により確認されている。【００２１】  また、当該回転ロッド１０および回転ロッド駆動用モータ１１は当該前翼１の左右各翼端部のみにおいて左右一対かつ各独立に設けられていることから、当該回転ロッド１０の回転数を左舷側および右舷側において各独立に変更制御することにより当該固定薄板翼上面における境界層の剥離の抑制および発生を左舷側および右舷側において各独立かつ自在に制御することができるため、本実施例における超小型飛行体において、従来知られる航空機操縦用のスポイラー操縦装置を備えるのと同様の当該強風、突風等を含む自然の風環境下においても十分な操縦性能を発揮し得る強力な操縦特性を備える優れた超小型飛行体を実現することができる。【００２２】  以上、本発明に係わる具体的な実施の形態について詳述したが、本発明の技術的適用範囲は当該実施例として開示された具体的実施の形態により限定されるものではなく、例えば、本実施例において円形断面として開示された回転ロッドの断面形状を殆ど円形断面とみなすことができる極緩やかな楕円断面形状あるいは極めて微小な凹凸が設けられた歯車形断面形状等とする場合にも当然に本発明の開示の範囲に均等するものであるということができる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】  本願発明によれば、無線操縦による無人の超小型飛行体を自然の風環境下における屋外において運用することを可能とすることができるため、従来における航空機の運用条件の範囲内においては存在し得なかった未開の産業上の利用可能性を有する。また本願発明は、複雑な操縦駆動機構等を一切必要としない超小型飛行体を安価に製作、運用することを可能とするため、従来においては航空機を用いることが当該運用コストに照らして困難とされてきた領域における未開の産業上の利用可能性を有する。具体的には、気象および空環境のきめ細かい調査、狭隘な危険地帯の無人機による探索や観測、科学調査および各種活動支援、ホビー用途等々が挙げられる。また、当該大気のレイノルズ数が地球上より一桁低くなる火星環境における外乱に対して耐性のある惑星探査機として、本願発明による超小型飛行体は最適な候補であるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による超小型飛行体を左翼後上方より見て示す説明図である。
【図２】本発明による超小型飛行体を左翼前下方より見て示す説明図である。
【図３】低レイノルズ数領域における回転円柱周りの流れを示す説明図である。
【図４】本発明による超小型飛行体の翼周りの流れを示す説明図である。
【図５】本発明による超小型飛行体の翼周りの流れを示す説明図である。
【図６】本発明の効果を得るための回転ロッドの配置位置を示す説明図である。
【図７】低レイノルズ数領域における平板翼周りの流れを示す説明図である。
【図８】低レイノルズ数領域における平板翼周りの流れを示す説明図である。
【符号の説明】
【００２５】１：前翼
２：後翼
３：衝撃吸収材
４：制御部
５：胴体
６：マス・バラスト
７：推進用モータ
８：プロペラ
９：プロペラ推進装置
１０：回転ロッド
１１：回転ロッド駆動用モータ
２０：固定薄板翼
２１：回転円柱
２２：ジェット噴流
２３：死水域
２４：剥離域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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