Nextz
第33回鳥人間コンテスト選手権大会出場時
全長:7.935m
全幅:21.5m
機体重量:25kg
全備重量:85kg
胴体中心高さ:1.529m
機速:9.5~11m/s
出力:270~350W
主翼 翼幅:21.5m 主翼面積:14.3m アスペクト比:32 空力平均翼弦長:0.695m 主翼翼型:オリジナル翼厚13,9~10.5%(FX76MP140とDAE21から合成) 翼面荷重:5.96kg/m
水平尾翼 翼型:オリジナル(DAE51を改修。-1%キャンバー。) 翼幅:2.7m モーメントアーム長:4.52m 面積:1.235m 桁位置:28% 水平尾翼容積:0.53 操舵角:-10~+20°
垂直尾翼 翼型:NACA009 翼幅:2.5m モーメントアーム長:5.17m 面積:1.28m 桁位置:25% 垂直尾翼容積:0.022 操舵角:±20°
プロペラ 翼型;DAE51改 翼厚12% 回転半径:1350mm 回転数:180~220rpm 推力;23N(機速10.5m/s、200rpm時)
シャフトドライブ方式は95%以上と見積もられる高い駆動効率と前方視界の確保および空気抵抗の観点から採用され、クランク側と胴体パイプ内の2つのギアボックスを両端にユニバーサルジョイントを設けた内径30mmのCFRP製ドライブシャフトで連結し、胴体パイプ内のギアボックスに接続しているプロペラシャフトに駆動力を伝達している。クランクとクランク側のギアボックス軸とは自転車のボトムブラケットに用いられるISIS規格が採用され、FSA社のカーボンクランクが直結された。ギアボックスのギア比は部品の入手性と軽量化の観点から2倍増速とされ、パイロットの特性に合わせ設定されたクランクの回転数は300W出力時に毎分95~100回転となった。
フェアリングは先頭部、底部、天井部が発泡ポリスチレンを削りだし、前部は透明な板材から、中央部から後ろは骨組みにフィルム張りで作られた。断面は最大翼厚25%の流線型断面となっており、飛行時の高度把握のため底部に下方窓が設けられた。また換気のために空気取り入れ口と排気口が設けられ、空気取り入れ口はフェアリング前方のよどみ点位置に、排気口はパイロットの肩口付近に配置された。
コクピットは胴体パイプの下に位置し、径の異なる複数のCFRPパイプを組み合わせたフレームと、その周りを抵抗低減のために覆うフェアリングで構成される。パイロットはフレーム内で下半身を前に伸ばし、上半身が起きたリカンベント型の姿勢となる。上半身を起こすことで視界を確保し、下半身を寝かせることで前面投影面積を低減を図った。座面は主翼のほぼ真下に設置され、また低重心化のために可能な限り低くなるように配置された。低重心化は地上での安定性に寄与した。座面および背もたれは押出し発泡ポリスチレンを心材とし、表面をCFRPで被覆したもので、パイロットのペダリング中の反力を意識した剛性を重視した構造となっていた。また、パイロットが手放し状態で全力ペダリングが可能なように腰周りの形状が工夫された。
コクピット前部にはパイロットが漕ぐクランクが設置されており、プロペラを回転させる駆動力の基点となっている。
主翼は翼幅21.5mで、アスペクト比32の多段先細翼となった。桁を中心に迎角を変化させる全可動式補助翼は主翼の翼端から約2mずつ設けられた。横滑りなしで半径120mの定常旋回が可能となるように、補助翼の操舵角は±4°に設定された。
翼の性能に大きな影響を及ぼす翼型は、Nextzのために作成された独自の翼型が採用された。必要な剛性を確保するための大きな翼厚と、低迎角時の低抵抗の両立を目指した翼型である。人力飛行機用に設計された低レイノルズ数向け層流翼型であるFX76MP140及びDAE21を基に翼型が作成された。翼型の作成、解析にはダイダロスの翼型開発者であるマサチューセッツ工科大学のマーク・ドレラがダイダロスの翼型開発のために開発を始めた翼型設計解析ソフトであるXFOILが使用された。Nextzの主翼に採用された翼型はFX76MP140と同程度となる13.9%の翼厚を持ち、レイノルズ数Re=5.0×10において特に低迎角でDAE21と同等の空力性能を持つに至った。この翼型により中央翼には内径100mmのパイプ桁を収めることを可能にした。翼型は翼端に向かって、桁径にあわせて翼厚が減るように設計された。さらに翼端部では、旋回時の補助翼の効果と直線飛行時の誘導抗力の低減のための楕円揚力揚力分布の両立を狙い、翼根側と比較してキャンバーを減らし、翼弦長を伸ばした翼型が作成された。
Nextzは人力飛行機による速度記録樹立を目指すTeam'F'の初号機であり、速度競技用人力飛行機として構想された。想定された競技は鳥人間コンテストタイムトライアル部門及びFAI I-C級 閉回路飛行速度記録で、いずれも旋回を含む規定のコースを飛行し、飛行時間または平均速度を競うものである。まず利用可能なパイロット出力が見積もられた。最大競技時間を5分間と想定し、操縦に必要な余裕を持たせるため、パイロットの10分間持続可能な出力が調査された。複数の人力飛行機パイロット経験者からの聞き取り調査を実施し、訓練後のパイロットの持続可能出力は10分間で300Wと推測された。また、FAI規定に基づく閉回路飛行速度世界記録をもつマスキュレアー2の研究から300Wのパイロット出力による実現可能な飛行速度は10m/s以上と概算された。Nextzの仕様は300Wのパイロット出力により機速10m/s以上を達成できる機体と決定された。
より具体的な仕様を決定するため、過去の速度記録用人力飛行機の仕様、飛行距離競技用機体の製作実績、背風時の発進成立性が考慮された。その結果、低抵抗化のための単葉片持ちの主翼および目標重量25kg、駆動系には高効率なシャフトドライブ方式の採用、追い風2m/sに対応可能な翼面荷重制限(6kg/m以下) 、旋回性能向上のための補助翼(エルロン)の装備 、機体運用の利便性からリカンベント形式のコクピットと牽引式プロペラという機体仕様が決定された。
主翼の構造は、荷重を受け持つCFRP製の桁の長手方向に翼型を維持する押出し発泡ポリスチレン製のリブが間隔を開けて設置され、主に前縁上面側を中心に押出し発泡ポリスチレン製の外皮が張られた構造である。最後にフィルムが翼の全表面を覆うことで翼面が形成され、外皮が省かれた箇所についてフィルムとリブのみで翼型を再現する構造とされた。
主翼の桁にはCFRP製の丸パイプが用いられた。主翼は7分割され、桁内径は中央翼から翼端に向けて100mm、80mm、60mm、38mmである。パイプは長手方向に対して炭素繊維の繊維方向が0°、±45°、90°となる層を積層して作られた。0°層は揚力による曲げにより生じる応力を受け持ち、±45°層はねじりを受け持つ。90°層はパイプの最内層と最外層に配され、0°層と±45°層を挟み込み、ダブルリング構造を構成している。抗力と比較すると非常に大きい揚力によって生じる応力に耐え、十分な剛性を持たせた積層構成としたため、中央翼では上下面で最大22層積層されたのに対し前後面は最内、最外の90°層と一対の45°層の4層のみとなった。主翼前後方向に対する桁の剛性は4層の積層ながら上下方向の1/3程度確保できたため、ダイダロスなどに見られる後桁は省かれた。ねじり剛性についても十分な剛性が確保された。これらは前述の通り、翼型を桁径に合わせて設計したことにより、部品点数を減らし、軽量で高剛性な桁を実現した。