(57)【要約】【課題】本発明の課題は、先端に円錐形状のノーズコーンを持ち高速で飛行する飛翔体、もしくは水中を航行する移動体に適応可能なものであって、従来の手法に比べ小型、軽量な駆動機構により作動可能な流体抵抗を利用した減速方法を提案することにある。【解決手段】本発明の高速移動体の減速方法は、先端に円錐形状の流線型形状を持った流体中を高速移動する概ね円筒形状の構造体において、通常は該構造体を囲むような位置にあるシュラウド（円筒状部材）を作動時には前記流線型形状を囲む位置に移動させて流体抵抗を上昇させるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に円錐形状の流線型形状を持った流体中を高速移動する概ね円筒形状の構造体において、通常は該構造体を囲むような位置にあるシュラウドを作動時には前記流線型形状を囲む位置に移動させて流体抵抗を上昇させる高速移動体の減速方法。
【請求項２】
先端に円錐形状の流線型形状を持った流体中を高速移動する概ね円筒形状の構造体において、該構造体外周面を囲む内径を備えたシュラウドと、該シュラウドを前記構造体外周面を囲む位置と前記流線型形状を囲む位置間を摺動させる駆動機構を備え、シュラウドを前記駆動機構により流線型形状を囲む位置に摺動させて流体抵抗を上昇させることにより流体抵抗を上昇させて減速させる機能を備えた高速移動体。
【請求項３】
流体中を高速移動する概ね円筒形状の構造体は、高速で飛行する航空機やロケットなどの飛翔体、地上を高速移動する車両、もしくは水中を航行する移動体のいずれかである請求項２に記載の高速移動体。
【請求項４】
無重力実験機である構造体を高層気球を用いて上空に運搬するステップと、上空において前記構造体を高層気球から切り離すステップと、自然落下中に無重力実験を実施するステップと、低空域に達したときシュラウドを移動させて請求項１に記載の減速方法を実施するステップと、十分に減速したときにパラシュートを開き回収するステップとを踏む無重力実験手法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は航空機、ロケットなどの飛翔体全般、地上を高速で移動する車両、および水中を高速で航行する移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速で飛行する飛翔体を急減速する手段として、逆噴射などの燃料を用いた方法や、パラシュートや飛行機に採用されているスポイラーなど、流体抵抗の増大を利用する方法がある。このうち逆噴射などの燃料を用いた方法では、減速のために余分な燃料を携帯しなければならず、重量が飛翔体の性能に大きく影響する航空分野では大きなデメリットとなる。また、パラシュートを用いた方法では、パラシュートの射出機構やパラシュートと飛翔体を連結するためのワイヤなどが必要となりこれも重量増加の要因となる。またパラシュートは構造的に弱いという弱点があり、特に飛翔体の速度が超音速の場合パラシュートを使用するのは難しい。一方、旅客機の主翼などに装備されている、翼の一部分を気流に対し、９０°に近い角度に立てることにより空気抵抗を増大させるスポイラーと呼ばれる装置では、増大する抵抗をすべて駆動機構で支えることになり、駆動機構の大型化を招き重量を増加させるという問題点がある。
【０００３】
非特許文献１はNASAにおいて宇宙機の減速用に考案されている、柔構造体を用いた流体抵抗利用の減速手段を紹介した文献である。非特許文献２には現在旅客機などで着陸時の減速に使用されているスポイラーに関する説明がある。特許文献１と２は空気抵抗を利用したブレーキの国内特許であり、特許文献１は航空機から発射される誘導飛翔体に関するもので、飛行中の航空機から分離され、この航空機の後方に向けて飛翔する誘導飛翔体において、航空機に搭載中の空気抵抗を減らすことと、その飛翔速度が機体後方から受ける時間を短くし、更に、その飛翔速度が機体後方から前方に変化する間、常に安定な飛翔を実現することを課題としたものである。この技術は前記飛翔体において、航空機搭載時は推進装置のノズルを覆って空気抵抗を小さくし、航空機から分離した後はエアーブレーキの役割を担う後方ドームと、この胴体の後方に設けられた安定翼の翼端に取付られ、気流によって回転する風車と、この風車により飛翔速度が後方から受けたことを感知して、急減速及び飛翔体の重心の前方に機軸に対して垂直に揚力を発生させるように展開するエアーブレーキ板を備えるようにしたものである。
【０００４】
特許文献２は車両用の空力ブレーキの可動力を低減するアイデアであるが、高速で走行する車両を減速するための車両用空力ブレーキを提供することを目的としたものである。前後の断面形状を対称形にした流線状の空力板３の前後方向の中心に横断して設けた回転軸、車両の両脇から突設され回転軸両端を支持する支柱、空力板を回転軸まわりに回動させる駆動装置、および空力板の走行風に対する迎角を任意に設定できる制御装置とからなるもので、これにより、ブレーキ作動状態にする駆動力が小さくなり、油圧に代り気圧による作動が可能となり、車両の増加を低減できる。また、突発的な荷重増加に対しては、制御装置により空力板の迎角を小さくすることにより、空力板および車体に過大なブレーキが掛ることがなく、車両の衝撃緩和、および走行状態のトラブルを未然に防止できるというものである。
これらの機構はエアーブレーキ板や空力ブレーキを作動状態にする場合に反作用として掛かる流体圧力のため大きな駆動力を必要とすると共に作動中の負荷が大きく掛かることになる。そのため、大がかりな駆動機構、支持機構とならざるを得ず機体の重量が大きなものとなってしまう問題がある。
【特許文献１】特開２０００−１９９７００号公報  「誘導飛翔体」平成１２年７月１８日公開
【特許文献２】特開平８−７２７１６号公報「車両用空力ブレーキ」  平成８年３月１９日公開
【非特許文献１】Richardson, E. H., Munk, M. M., James, B. F: Review of NASA In-Space Propulsion Technology Progra Inflatable Decelerator Investments, AIAA-2005-1603, 18th AIAA Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference and Seminar, Munich, Germany, May 23-26, 2005
【非特許文献２】Mccormick, B. W: Aerodynamics Aeronautics and Flight Mechanics, Second Edition, John Wiley and Son 1995, pp.522-524.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、先端に円錐形状のノーズコーンを持ち高速で飛行する飛翔体、もしくは水中を航行する移動体に適応可能なものであって、従来の手法に比べ小型、軽量な駆動機構により作動可能な流体抵抗を利用した減速方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の高速移動体の減速方法は、先端に円錐形状の流線型形状を持った流体中を高速移動する概ね円筒形状の構造体において、通常は該構造体を囲むような位置にあるシュラウド（円筒状部材）を作動時には前記流線型形状を囲む位置に移動させて流体抵抗を上昇させるようにした。
本発明の高速移動体は、先端に円錐形状の流線型形状を持った流体中を高速移動する概ね円筒形状の構造体であって、該構造体外周面を囲む内径を備えたシュラウドと、該シュラウドを前記構造体外周面を囲む位置と前記流線型形状を囲む位置間を摺動させる駆動機構を備え、シュラウドを前記駆動機構により流線型形状を囲む位置に摺動させて流体抵抗を上昇させることにより流体抵抗を上昇させて減速させる機能を備えるものとした。
また、本発明の無重力実験手法は、無重力実験機である構造体を高層気球を用いて上空に運搬するステップと、上空において前記構造体を高層気球から切り離すステップと、自然落下中に無重力実験を実施するステップと、低空域に達したときシュラウドを移動させて請求項１に記載の減速方法を実施するステップと、十分に減速したときにパラシュートを開き回収するステップとを踏むものとした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の高速移動体の減速方法は、通常は該構造体を囲むような位置にあるシュラウドを作動時には前記流線型形状を囲む位置に移動させて流体抵抗を上昇させるものであり、シュラウドの移動に際してはシュラウドの面が流れ方向と平行な関係にあるため、厚みを極力小さくすれば流体圧の抵抗を受けることがほとんどなくその駆動には大きな力を必要としない。また、本減速方法を実施する本発明装置は、流体抵抗を上昇させる反作用としてシュラウド本体に掛かる力は円筒外向き方向の力のみ(流体の粘性を無視した場合)となるため、応力集中はなくシュラウド自体の構造上最も対抗力が発揮される引張り強さで吸収できる。従って、可動機構に必要な動力はきわめて小さなものとなり、シュラウドの厚さも厚くする必要がない。その結果、簡便かつ軽量な機構で高速移動体の減速が可能となる。また航行中に移動体に作用する流体抗力を任意に調整することが可能なため、急旋回などの飛行航路変更の際に利用することができる。本機構は流れが亜音速の場合に限らず超音速の場合にも有効である。また円錐のように軸対称の物体のみならず翼型のような２次元形状にも応用可能であるが、軸対称物体の場合シュラウドを外方向の力に強い円筒形状にすることができるため構造強度的にも有利となる。
さらに、本発明の減速方法を無重力実験手法に適用すると、大気圧の掛かる低空域において効果的な減速が実現でき、パラシュートという簡便な手段で実験機を安全確実に回収することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１に、本発明に係る円筒状構造体の減速方法を実現する基本構造を示す。１は円筒体1aの先端部にノーズコーン1bが形成された高速移動体であり、２はシュラウドであって、前記高速移動体１を部分的に囲むように配置されている。通常航行時には図１の上に示すように、シュラウド２は高速移動体１の円筒体1aの外周面を覆うような位置に設置されており、この形態ではノーズコーン1bの先端から発生する流れを妨げることのない位置にシュラウド２があるのでシュラウド２の存在が流体に及ぼす影響はほとんどない。減速時には図１の下に示すように、シュラウド２を流れに逆らいノーズコーン1bの先端方向ヘスライドさせシュラウド２をノーズコーン1bの周囲に位置させる。この移動に際して流体から受ける力はシュラウド２が円筒形状であるため、流れに当接する面積が厚み分の端面となって抵抗が極めて少なくて済む。このことはシュラウド２を駆動させる機構が大がかりなものでなくて良いことを意味し、この点が従来技術から見て軽量化につながる本発明の一つの大きな技術的意義である。この形態を採ったときは、ノーズコーン1bの先端から発生する流れはシュラウド２の内周面に当たり円筒体1aに沿って流れることができず、ノーズコーン1b外周面とそれを囲っているシュラウド２の内周面間で逆流させられ対流を生じることになる。この現象はノーズコーン1b部分の流体抵抗が急上昇し流れ後方への力を発生させるものとなる。その際、重要な点はその反作用がシュラウド２の内周面に掛かることにあり、円筒体において機械的強度が一番高い引張り強さで外側に広がろうとする力に耐えることができる。ということはシュラウドを無闇に頑丈な構造にする必要がないということであり、薄い厚み構造で済むことを意味する。これが従来技術から見て軽量化につながる本発明のもう一つの大きな技術的意義である。
【０００９】
本発明に関して実施した超音速風洞における実証試験結果について述べる。宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部の0.6×0.6ｍ超音速風洞において、円錐の直径40ｍｍ、円筒状シュラウドの直径46ｍｍの風洞模型を使用して提案する機構の実証試験を実施した。その結果、マッハ数範囲1.5〜4.0の範囲で本機構が有効に作用することを確認することができた。
図２に本実証試験で使用した風洞模型を示す。半頂角16°の円錐形状ノーズコーンをもつ飛翔体模型の外側に、厚さ３ｍｍの円筒状のシュラウドが配置されている。このとき飛翔体模型の直径が40ｍｍであるため、ノーズコーン部分の長さは約70ｍｍとなる。図中左側が通常航行時の形態、右側が本機構を作動させた場合の形態を示しており、この図ではシュラウド２を前方に40ｍｍ移動させている。この模型はシュラウドの流体抵抗を低く抑えるため、シュラウドの前方端面の形状を外側にテーパーが切られたものとした。このことにより、通常航行時の後退位置にあるときはノーズコーンの円錐形状の延長形態となって、流れを乱すことがない。上記の模型を前記した超音速風洞に設置して風洞実験を実施した。図３には、左側に機構を作動させない場合と、右側に作動させた場合(図２と同じく40ｍｍ伸張)の流れ場の変化をシュリーレン写真で示す。この写真は主流のマッハ数は双方とも1.5のときのものである。左側の写真から分かるようにシュラウドを機構を作動させない場合は通常のノーズコーンを持った飛翔体の場合と変わりのない衝撃波が観測できる。これに対し右側の本発明に掛かる機構を作動させた時の写真からは、円錐前方に強い弓状衝撃波が発生している様子が窺える。このような激しい気流の変化をもたらすことにより大きな流体抵抗が飛翔体の先端部に掛かるのである。図４には、主流マッハ数を1.5、2.5、4.0にした場合におけるシュラウド位置と抗力係数(Cd)の関係を示す。シュラウド位置０ｍｍは通常運航時の後退位置にあるときを示し、10ｍｍ，25ｍｍ，40ｍｍ，55ｍｍ，70ｍｍとシュラウドの位置を前進させてデータをとった。約70ｍｍの長さのノーズコーンに対し、シュラウドの被り具合が10ｍｍ，25ｍｍ，40ｍｍと進むにつれて大きく抗力係数が上昇しているが、それを越えるとさほどの上昇がないことが分かる。総合的には、シュラウドを前方に伸張することにより、模型にかかる抗力をマッハ数が1.5の場合で約3.5倍、マッハ数4.0の場合で約８倍となり、マッハ数が高いほど流体抵抗を強く受けることがわかる。
【実施例】
【００１０】
高層気球から投下される無重力実験に本特許に係るシュラウドを装備したロケット機体を用いた例を図５に示す。本発明で提案する円筒状シュラウド２を装備した無重力実験機３は(Ａ)に図示するようにヘリウムを充填した高層気球４により上空40km付近まで上昇させたのち、無重力実験機３を高層気球４から切り離す。無重力実験機３は無重力落下をしながら実験を行うが、この際機体の空気抵抗は極力小さい方が無重力実験時間を長く取れるという点で望ましい。従ってこのときは(Ｂ)に図示するように円筒状シュラウドをノーズコーン後方に引いた状態で試験を行う。高度40kmからの投下実験では重力による加速で実験機は超音速に達し、ノーズコーンには衝撃波が形成される。落下により高度が減少すると空気抵抗により必要とされる無重力条件が得られなくなる。以後機体は回収のための減速を行うが、このとき円筒状のシュラウド２をバネ機構やエアーシリンダーといったアクチュエータなどの機構で前方に押しだし、機体前方に強い弓状衝撃波を作り出し空気抵抗を増大させる。このとき形態が(Ｃ)に図示されている。機体が十分に減速した後パラシュートを開き機体を回収する。
【産業上の利用可能性】
【００１１】
航空機、ロケット、無重力実験装置など、空気中を高速で飛行する飛翔体全般に適用が可能である。また、新幹線のような地上を高速走行する車両、水中を航行する移動体についても同じメカニズムによる減速が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の減速方法の原理を説明する図である。
【図２】本発明の実証試験用の風洞模型を示す図である。
【図３】風洞実験における流れ場の様子を写したシュリーレン写真である。
【図４】シュラウド位置と抗力係数Ｃｄの関係データを示すグラフである。
【図５】本発明を無重力実験機に適用した実施例を説明する図である。
【符号の説明】
【００１３】
１  高速移動体                        1a  円筒体
1b  ノーズコーン                      ２  シュラウド
３  無重力実験機                      ４  高層気球
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図３】
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