第一工業大学研究報告第24号（2012）pp .9−14

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第一工業大学研究報告第23号(2011), pp. ??-???.
第一工業大学研究報告第23号(2011), pp. ??-???.

人力飛行機の胴体フェアリングの設計・製作

人力飛行機の胴体フェアリングの設計・製作
人力飛行機の胴体フェアリングの設計・製作
岩

1
2
洋・ ,酒井 謙二
謙 二2
岩崎平 洋平酒井
1, 2 酒井 謙二
岩崎 洋平
1
第一工業大学
学科学生 航空宇宙工学科

崎

1

21
第一工業大学

第一工業大学

教授
学科学生

航空工学科
航空宇宙工学科

2

第一工業大学鹿児島県霧島市国分中央1-10-2）
教授
航空工学科（〒899-4395
2
E-mail:k-sakai@daiichi-koudai.ac.jp（〒899-4395
鹿児島県霧島市国分中央1-10-2）2E-mail:k-sakai@daiichi-koudai.ac.jp

TheDesignand
theFABRICATIONFabrication ofBody
FairingTHE
DESIGNANDTHEOFtheTHE
BODY
FAIRING
POWERDAIRPLAINE
THE DESIGN FORANDTHEFABRICATION
OF THE BODY FAIRINGforTHE
the MANManPowerd Airplaine
FOR THE MAN POWERD AIRPLAINE
Daiichi Institute of Technology
12Youhei
IWASAKI, Technology
Kenji SAKAIDaiichi
Institute of1
2
Youhei IWASAKI , Kenji SAKAIThe body fairing has been designed and fabricated for the Daiichi Institute of Technology’s man
poweredairplane.
Thebeenbodydesigned
fairing forman powered
airplane Instituteis useful ofto Technology’s
keep safety forman
theThe bodyfairing hasandthefabricatedfor the Daiichi
pilot andairplane.
to reduce
airplanealso it must
be consideredkeep
the forinsidepoweredThethebody
fairing drag.
for the And
man powered
airplaneis useful to tokeep
safetythetemperaturelow,becausethecontest
willbeheldatsummerseason.
pilot and to reduce the airplane drag. And also it must be considered to keep the inside
By using low,
this bodyfairing,
the Daiichi
of Technology’s
temperature
becausethe contest
will beInstituteheld at summer
season. man powered airplane
fligtedatthedistanceof208m
attheBiwako
manpoweredairplane
contestJuly 31,airplane
2011.
By using this body fairing, the Daiichi Institute of Technology’sman atpowered
fligted at the distance of 208m at the Biwako man powered airplane contest at July 31, 2011.
Key Words: Man Powered Airplane, Body Fairing, Design and Fabrication

Key Words: Man Powered Airplane, Body Fairing, Design and Fabrication
ら胴体の抗力係数値は 0.2 以下に抑えるべきとのデ
１． はじめにータがあるため、この数値を目標値とする。
航空設計研究部は５年前に再開してから、毎年琵
１． はじめにら胴体の抗力係数値は 0.2 以下に抑えるべきとのデ琶湖で開催される鳥人間コンテストを目指してきたが、航空設計研究部は５年前に再開してから、毎年琵ータがあるため、この数値を目標値とする。
２．２ 軽量性
昨年度、久々に出場できる機会を得た。これまで、胴琶湖で開催される鳥人間コンテストを目指してきたが、重力に逆らい飛行するため軽さは絶対条件である。
体フェアリングの設計・製作は試験飛行にはなくても昨年度、久々に出場できる機会を得た。これまで、胴２．２
軽量性
しかし軽さを求めるあまり、他の要件を満たせないよう特段困らなかったため、後回しにされていた。
体フェアリングの設計・製作は試験飛行にはなくても重力に逆らい飛行するため軽さは絶対条件である。
では、そのフェアリングは無いほうがマシと言える。航しかし、出場に際しては、パイロットの安全性の観点特段困らなかったため、後回しにされていた。
しかし軽さを求めるあまり、他の要件を満たせないよう
空機設計研究部ではこれまでフェアリングを製作してや空気抵抗低減の観点から製作は必要と判断されしかし、出場に際しては、パイロットの安全性の観点
では、そのフェアリングは無いほうがマシと言える。航こなかった。他チームのデータからフェアリング重量た。
や空気抵抗低減の観点から製作は必要と判断され
空機設計研究部ではこれまでフェアリングを製作して昨年度の部員には、胴体フェアリングの製作の経は1～2kg が妥当とし、この数値を目標とする。
た。
こなかった。他チームのデータからフェアリング重量験がなかったため。先行している崇城大学の人力飛昨年度の部員には、胴体フェアリングの製作の経は 1～2kg が妥当とし、この数値を目標とする。
行機の製作過程の見学を参考にしながら、短時間で２．３ 居住性
験がなかったため。先行している崇城大学の人力飛製作できる方法を開発し、半年はかかる言われたフ
ここで言う居住性とは、パイロットの動きを妨げない行機の製作過程の見学を参考にしながら、短時間で２．３居住性ェアリングを２ヶ月程度で製作することができた。その事、パイロットのコンディション低下させない事の2点製作できる方法を開発し、半年はかかる言われたフ
ここで言う居住性とは、パイロットの動きを妨げない概要を報告する。
を指す。
ェアリングを２ヶ月程度で製作することができた。その事、パイロットのコンディション低下させない事の 2 点
飛行中のパイロットは常にペダリングと操舵、目視概要を報告する。
を指す。
２．フェアリングに求められる条件の動作を行う。これらの動作をフェアリングが妨げる飛行中のパイロットは常にペダリングと操舵、目視
２．１
空力性能事があってはならない。そのためフェアリングには十２．フェアリングに求められる条件の動作を行う。これらの動作をフェアリングが妨げる
飛行機である以上、空気抵抗は最低限に抑える必
分な大きさが必要となるが、前面投影面積が大きなフ２．１
空力性能事があってはならない。そのためフェアリングには十要がある。プロペラを脚力で回す人力飛行機なら尚ェアリングは空気抵抗を増大させてしまう。そのため飛行機である以上、空気抵抗は最低限に抑える必分な大きさが必要となるが、前面投影面積が大きなフ更である。今回のつばめでは、必要プロペラ推力か上述の動作を妨げずに且つ必要最低限の前面投影要がある。プロペラを脚力で回す人力飛行機なら尚ェアリングは空気抵抗を増大させてしまう。そのため更である。今回のつばめでは、必要プロペラ推力か上述の動作を妨げずに且つ必要最低限の前面投影

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第一工業大学研究報告10第24号（2012）

この可動範囲を確保しなければならない。
この可動範囲を確保しなければならない。
面積とすることを目標とする。
面積とすることを目標とする。
フェアリングのなかでも最も幅を要する箇所である。こ温室効果やパイロット自身の激しい運動で上昇す温室効果やパイロット自身の激しい運動で上昇す フェアリングのなかでも最も幅を要する箇所である。これもパイロット搭乗による実寸を計測する。
る内部温度は、パイロットのコンディションを著しく低る内部温度は、パイロットのコンディションを著しく低 れもパイロット搭乗による実寸を計測する。
下させる。そのためフェアリングには空気のインテー下させる。そのためフェアリングには空気のインテー
３．１．４
パイロット頭部周辺
パイロット頭部周辺
クとアウトレットを設けるが、冷却効果を高めるべくそクとアウトレットを設けるが、冷却効果を高めるべくそ ３．１．４
パイロットは頭部を守るためにヘルメットを着用し、れらを大きくすると抗力を生んでしまう。更に、最適なれらを大きくすると抗力を生んでしまう。更に、最適な パイロットは頭部を守るためにヘルメットを着用し、また視界確保のため首振り運動を行う。よって頭部周位置に配置しなければ冷却効果を得られない。この位置に配置しなければ冷却効果を得られない。この また視界確保のため首振り運動を行う。よって頭部周辺もある程度の余裕がなくてはならない。ただし、フェ点に関しては具体的な数値や結果を得るにも実機サ点に関しては具体的な数値や結果を得るにも実機サ 辺もある程度の余裕がなくてはならない。ただし、フェアリング上辺と胴体フレームとのクリアランスが少ない
アリング上辺と胴体フレームとのクリアランスが少ない
イズで膨大な試行錯誤が必要となる。
イズで膨大な試行錯誤が必要となる。
ため余裕をため余裕を150mm
150mmとし、クリアランスはとし、クリアランスは186mm
186mmとする。とする。
２．４２．４
安全性
安全性
３．１．５
パイロット肩部・腰部・上腕部周辺パイロット肩部・腰部・上腕部周辺パイロットの命を預けて飛行する以上、安全に関しパイロットの命を預けて飛行する以上、安全に関し ３．１．５
頭部周辺と操縦桿周辺との間に距離があり、そのては十二分に留意しなければならない。フェアリングては十二分に留意しなければならない。フェアリング 頭部周辺と操縦桿周辺との間に距離があり、その間に肩や肘の幅を要する部分を納めるスペースが必に関して言えば、非常時の脱出を妨げない事と万がに関して言えば、非常時の脱出を妨げない事と万が 間に肩や肘の幅を要する部分を納めるスペースが必要となる。これもパイロット搭乗による実寸を計測する。
一の怪我防止が挙げられる。脱出に関しては弱い力一の怪我防止が挙げられる。脱出に関しては弱い力 要となる。これもパイロット搭乗による実寸を計測する。
で破砕できる脱出口を作成することを目標とする。怪で破砕できる脱出口を作成することを目標とする。怪各数値の計測
各数値の計測我防止に関してはパイロット前面や顔近傍にはバル我防止に関してはパイロット前面や顔近傍にはバル ３．２３．２
フェアリングは3 次元部品のため計測も3 次元部品のため計測も3 次元で3 次元でサ材など先鋭形状にならないものを使用し、また金属サ材など先鋭形状にならないものを使用し、また金属 フェアリングはの計測を行わなくてはならない。そのため、ある
1 点1 点を用いる場合は面取りと防護カバーを施すことで対を用いる場合は面取りと防護カバーを施すことで対 の計測を行わなくてはならない。そのため、あるを基準点とし3 軸での数値を計測する。今回は胴体3 軸での数値を計測する。今回は胴体処する。着水時に破砕した際、救助ダイバーの安全処する。着水時に破砕した際、救助ダイバーの安全 を基準点としフレーム先端中心部を基準点の座標(x=0,y=0,z=0)とと琵琶湖の環境を鑑みて破片飛散を防止する必要もと琵琶湖の環境を鑑みて破片飛散を防止する必要も フレーム先端中心部を基準点の座標(x=0,y=0,z=0)とした。
した。
ある。
ある。
３．フェアリングの設計
３．フェアリングの設計
３．１各数値の決定
３．１各数値の決定
３．１．１胴体フレーム
３．１．１胴体フレーム
フレームを構成するフレームを構成する
CFRP
CFRP
パイプの配置、直径など
パイプの配置、直径などの構造は担当者により既に設計されているので、これの構造は担当者により既に設計されているので、これに合わせる。に合わせる。

図 3.1
図 3.1
胴体フレーム側面図
胴体フレーム側面図

３．１．２
３．１．２
クランク周辺クランク周辺クランク軸を中心としてペダルとパイロットのつま先
クランク軸を中心としてペダルとパイロットのつま先や膝が回転するが、回転運動を妨げない大きさが必や膝が回転するが、回転運動を妨げない大きさが必要となる。クランク周りの必要スペースは、パイロットに要となる。クランク周りの必要スペースは、パイロットに搭乗させて計測し実寸を採る。実寸ぎりぎりではなく搭乗させて計測し実寸を採る。実寸ぎりぎりではなく回転直径に回転直径に200mm、幅に左右各200mm、幅に左右各200mm200mmの余裕を持の余裕を持たせる数値とする。
たせる数値とする。

計測箇所
計測箇所

xxyyzz頭 頭20102010 -510-510

00目 目

20302030 -610-610

40 40

肩 肩21002100 -800-800 225 225

腰 腰18301830-1090-1090 160 160

膝 膝15001500 -810-810 150 150

踵 踵

10501050-1250-1250 150 150

クランク
クランク

10001000 -975-975

水平水平0°拳
0°拳

18501850-1130-1130 320 320

水平水平0°肘0°肘22002200-1100-1100 300 300

水平水平
0°操縦桿
0°操縦桿

22002200-1250-1250 300 300

水平+10°拳
水平+10°拳

19401940-1010-1010 340 340

水平+10°肘水平+10°肘

22502250-1070-1070 320 320

水平-10°拳
水平-10°拳

18001800-1250-1250 340 340

水平-10°肘水平-10°肘

21202120-1100-1100 275 275

垂直垂直10°拳
10°拳

19001900-1160-1160 380 380

× ×

垂直垂直10°肘10°肘22302230-1070-1070 200 200

垂直垂直10°操縦桿(前)10°操縦桿(前)21602160-1250-1250 300 300

垂直垂直10°操縦桿(後)10°操縦桿(後)23002300-1250-1250 300 300

表 3.1
表 3.1
実寸計測値
実寸計測値

３．１．３
３．１．３
操縦桿周辺
操縦桿周辺
操縦桿はパイロットの腰下に配置されている。尾翼
操縦桿はパイロットの腰下に配置されている。尾翼
動作時に操縦桿の上下・左右運動が必要となるため、動作時に操縦桿の上下・左右運動が必要となるため、This document is provided by JAXA

岩崎・酒井：人力飛行機の胴体フェアリングの設計・製作

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図 3.2 実寸計測値を 3 次元 CAD に打ち込み
図 3.4 フェアリング正面図

３．３ フェアリング形状の設計
上述の各数値条件を満たす外形を設計する。流麗な形状で設計すると、曲面を多用した立体を考えなければならない。使用ソフトである AutoCAD はミッドレンジ CAD と呼ばれ、必要寸法や通る点を出す事は出来るが、立体となると能力不足が目立つ。美しい流線型を求めるとすれば、考えられない時間と労力が必要となるだろう。そのため出来るだけシンプル且つ製作が容易となる形状を目指す。
CATIA や UNIGRAPHICS などのハイエンドソフトを導入することが出来れば、より流麗で滑らかな形状での設計が可能になるだろう。
３．３．１ 全体図
全体図を便宜上 3 つの部位に分ける。先頭部と中間部と終端部とする。出来るだけシンプルな形状となるようインテークからはじまり先頭部から中間部に向かい、断面積を増やし、終端部でパイロットを格納する。全体の形状は崇城大学エアロスペースのフェアリングを参考にした。

図 3.3 崇城大学エアロスペースのフェアリング

図 3.5 フェアリング側面図

３．３．２脱出口
脱出口はフェアリング右側に設ける。またこれはパイロットの搭乗窓も兼ねるものとする。窓のような形状で製作し、パイロットが搭乗後に外から嵌めこみ、PPテープで目張りすることで固定する構造とする。

図 3.6 フェアリング左斜め前側面図

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第一工業大学研究報告

12３．３．３ インテーク
インテークについてはフェアリング最先端部に設ける。圧力分布の解析シミュレーションソフトなどがないため、インテークをどこに設ければ良いのかデータが全くない。上述の崇城大学のフェアリングを参考にした。

第24号（2012）組み合わせる。現物合わせではなく、各部品にあらかじめ切り欠けを作っておく。図 4.1 における一番小
さい輪状パーツの穴はそのままインレットとなる。

図 4.1 先頭部分のエスレン骨組

図 3.7 インテーク

ウッドパネルだけでは強度を保てないので、バルサ材による補強を行う。

３．３．４ アウトレット
アウトレットについてはフェアリング最終端部に設ける。圧力分布の解析シミュレーションソフトなどがないため、インテークをどこに設ければ良いのかデータが全くない。上述の崇城大学のフェアリングを参考にした。
全体形状は終端部が窄まる形状ではなく、開放した形状とし、これをアウトレットとした。

図 4.2 先頭部分組み上げ後

またバルサ材は折れると先鋭部が生じ、パイロットを傷つける恐れがある。そのためバルサ材を生で使用するのは大変危険があるので、パイロットの安全・飛散防止のためバルサ材には PP テープを巻いておく。骨組が完成した後、外皮を貼る。

図 3.8 アウトレット

４． 「つばめ」フェアリングの製作
４．１ 先頭部分
材料はエスレンウッドパネルとバルサ材を用いる。ウ
ッドパネルを輪状とそれを繋げる骨組状に切り出し、

４．２ 舟艇部分
フェアリング本体の下半分を舟艇部分と便宜上呼ぶ。この舟艇部分は発泡スチロールにより製作する。
CNC フライスを使用出来ない大きい部品となるので、人力による削りだしを行う。削りだしは大型の発泡ブ
ロック 1 個からの削りだしではなく、発砲スチロール板から同じ形状を切りだして貼り合わせる工法を採用した。
４．３ パイロット格納部の骨組
パイロット格納部の骨組もエスレンウッドパネルで製作する。これも部品に切り欠けを作り、各々を組み合わせる。

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岩崎・酒井：人力飛行機の胴体フェアリングの設計・製作

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図図 図

図 4.6
図 4.6
図
PP4.6
PP
フィルム製外フィルム製外PP フィルム製外

図 4.3
図 4.3
図
パイロット格納部の骨組
4.3
パイロット格納部の骨組
パイロット格納部の骨組

図 4.7
図 4.7
図
射光フィルム製外皮
4.7
射光フィルム製外皮
射光フィルム製外皮

４．５
４．５４．５
完成
完成
完成
図 4.4
図 4.4
図
フェアリングの骨格完成後
4.4
フェアリングの骨格完成後
フェアリングの骨格完成後

４．４
４．４４．４
外皮
外皮
外皮
骨格が出来上がったら、外皮を貼りつける。外皮は骨格が出来上がったら、外皮を貼りつける。外皮は骨格が出来上がったら、外皮を貼りつける。外皮は3 種類の材料を使用する。強度が必要な部分はエス3 種類の材料を使用する。強度が必要な部分はエス3 種類の材料を使用する。強度が必要な部分はエスレンシートを選んだ。また強度が必要でない部分、まレンシートを選んだ。また強度が必要でない部分、まレンシートを選んだ。また強度が必要でない部分、またパイロットの目線部分はたパイロットの目線部分はたパイロットの目線部分はPPPPフィルムを選んだ。そしPPフィルムを選んだ。そしフィルムを選んだ。そして日差しを遮る必要がある部分は遮光フィルムを選て日差しを遮る必要がある部分は遮光フィルムを選て日差しを遮る必要がある部分は遮光フィルムを選んだ。遮光フィルムについては業者が取り扱うようなんだ。遮光フィルムについては業者が取り扱うようなんだ。遮光フィルムについては業者が取り扱うようなものではなく、DIYものではなく、DIYものではなく、DIY量販店で取り扱っている家庭窓用量販店で取り扱っている家庭窓用量販店で取り扱っている家庭窓用の市販遮光フィルムである。の市販遮光フィルムである。の市販遮光フィルムである。

図 4.5
図 4.5
図
エスレンシート製外皮
4.5
エスレンシート製外皮
エスレンシート製外皮

図 4.8
図 4.8
図
フェアリング完成図(左翼から)
4.8
フェアリング完成図(左翼から)フェアリング完成図(左翼から)

図 4.9
図 4.9
図
フェアリング完成図(右翼から)
4.9
フェアリング完成図(右翼から)
フェアリング完成図(右翼から)This document is provided by JAXA

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第一工業大学研究報告第24号（2012）

５「つばめ」フェアリングの評価
５．１ 重量フェアリングの全重量は 2.5kg であった。当初の目標であった 1～2kg を超えてしまった。これは発砲スチロール製の舟艇が重量の大半を占めている。厚さを 50mm で設計し製作したが、これは手による削り出しで部品の製作をした為である。CNC フライスで完全に機械式にすれば厚さを更に薄く出来て、計量化が図れると考えられる。また初めて製作であまり薄くすると強度的に不安ということもあった。

図 5.1 水平定常飛行中の機体

５．２ 居住性
飛行後にパイロットからの聞き取りを行った。パイロット内部は風の流入が激しく、居住性は快適であったとのことだ。しかし風の流入が多かったということで、流入量を減らしても良いかもしれない。インテークを小さくするか、設ける場所を先頭部から変更するか改良の余地が生まれた。
５．３ 安全性
機体が着水後、機体は沈まずに湖面に浮いたままであった。これは舟艇を発泡スチロールで製作したため浮力が生まれ飛行艇のような構造になったと考えられる。パイロットが溺死する危険性を排除できたということで安全性については良好であった。また部品の飛散も確認出来なかった。しかしこれは機体が後部の着陸脚からゆっくり湖面に着水したからだと考えられる。湖面に機首から飛び込んだ場合は違った結果が出るかもしれない。
５．４ 空力特性
機体にデータロガー等を搭載していないため、実際の飛行時の動画から飛行速度等を計算した。
その結果、平均飛行速度は４．６ｍ／ｓ である。
この結果は、設計速度 ７ｍ／ｓ より低い値である。
この原因として、「プロペラの推力不足」「翼後縁の捩れ」「パイロットの出力不足」も考えられるが、胴体フェアリング抵抗係数が、設計値 ０．２より大きくなっていることも考えられる。 今後の改良としては、操舵方式を現状の横に振る方式から縦に振る方式の採用によって改良して、フェアリング幅を狭くすることが考えられる。 正面面積の削減が次世代機へ反映する改善点であると考えられる。

図 5.2 着水後も沈まない機体

６．おわりに今回の卒業研究を通して、人力飛行機製作において今まで手付かずであった胴体フェアリングの設計・制作方法のたたき台を作ることができた。本研究を元に、後輩たちが更に人力飛行機の活動を盛り上げてくれれば幸いである。
また、計画、実行、評価、改善という「ものづくり」のサイクルを経験できたことは、エンジニアとして働く上で、非常に有意義であった。
７. 参考文献・井門義明 '人力飛行機の胴体フェアリングの空力設計‘ 平成２１年度 卒業研究This document is provided by JAXA