鳥人間コンテスト滑空機部門における 木構造高アスペクト比機の開発 鳥人間コンテスト滑空機部門における 木構造高アスペクト比機の開発 ○ 堀 琴乃、楠本 寛、佐多宏太、渡部雅晃、吉川俊明 (アクティブギャルズ・ファミリー) Development of the wooden glider of the high aspect ratio for the glider class of the Japan International Birdman Rally KoToNo Hori, Hiroshi Kusumoto, Kota Sata, Masaki Watanabe and Toshiaki Yoshikawa Key Word ： Japan International Birdman rally, aspect ratio, full depth torsion box Abstract This paper introduces an outline of the CHicK-700 project and the development of the wooden glider of the high aspect ratio for the glider class of the Japan International Birdman Rally. 1．はじめに 昨年の鳥人間コンテストの滑空機部門で、“みたか + も ばらアドベンチャーグループ”が 500ｍ の壁を破った。私 達はその瞬間を目の当たりにし、驚嘆の一言であった。第 7 回大会以来 30 年に渡って滑空機部門に注がれ、受け継が れた彼らの熱い情熱に感動すると共に、地道で直向きに積 み上げられた挑戦者の歴史と姿勢に心から敬意を表した。 500m 越えを期に、私達は再挑戦を決意した。チーム結成 時のメンバーに加えて、世代交代やパイロットが男性に代 わったことからチーム名を“アクティブギャルズ･ファミリ ー” に改め、“ファミリー” の総力を結集して CHicK-700 プロジェクトを立ち上げた。目標は、大会記録更新である。 以下に、当プロジェクトの概要と滑空機部門における木構 造高アスペクト比機の開発について報告する。 2．“ アクティブギャルズ・ファミリー” の紹介 “アクティブギャルズ”は、1988 年に第 13 回鳥人間コ ンテストのレディース部門を目指して結成した社会人チー ムである。パイロットに女性を起用し、人力プロペラ機部 門を含めて 6 年連続出場したが、18 回大会を最後に FAI 記録を目指して同コンテストから遠ざかっていた。 今回 19 年振りに CHicK-700 プロジェクトとして蘇っ た。初出場以来培ってきた幅広い世代を超えた強力な人材 が“ファミリー”として全国から結集した。 2.1 ファミリーの構成 メンバーは、鳥人間コンテストの参加経験を持つ社会人で、 年齢は 20 歳代から 60 歳代まで幅広く分布する。職業は OL をはじめ、機械・電気・制御等の設計技術者や研究員、 一級建築士、精密機械製作等々、多種多様な分野に渡る専 門家で構成されている。日常生活は全国各地に分散してお り、主要な活動は週末である。（図-1 参照） 2.2 活動に当たっての問題 コンテスト参加に当たって、 日本航空宇宙学会 第19 回 スカイスポーツシンポジウム 全国各地から ① 活動資金 ② 設計・製作、試験飛行等の 作業時間 製作場所 ③ 製作場所 ④ 試験飛行の場所 飛行練習場 ⑤ メンバー構成（経験や日常 生活の地域分布） 等様々な問題があるが、中でも 我がチームにおいては、製作場 所の確保とメンバーの生活圏の 分散にあった。今年度の活動が 図-1 ファミリー構成 確保できても継続が不明な状況から、1 年限りとの期間を 定め、現状と目標との妥協点を見出しながらの活動とした。 2.3 設計のコンセプト コンテストの性格上、短期間で機体を設計・製作し、試験 飛行を終えてコンテストに臨まなければならない。保管場 所等の問題から、飛行後に機体処分の可能性すらある。1 回 限りの飛行と、『操縦の難しい機体が、コンテストで良い 成績を収められるはずがない』との観点から、所望の空力 性能を確保しつつ、高製作精度により扱い易い高滑空性能 機を低コストで開発する必要がある。 『飛び』の狙いをCHicK （ひよこ） シリーズ共通の『美しい滑空』に拘った。 限られた設計期間や 10 年ぶりの製作、パイロットが初出 場等の現実を踏まえて、 圧倒的なアスペクト比 （以下、 AR と 略す） 43.4 で 28ｍ 超の長大片持ち翼の開発を基本として 滑空性能の向上を図ることとした。 記録更新に当たって、目標滑空距離は、機体設計と飛行経 路の同時最適化 1) により求めた 700ｍ とし、機体の主要構 造は、製作の簡易化と工期短縮、製作費の低減に、スプル ースとシナベニヤ、バルサからなる木構造とした。 ｢多くをこれまでの経験の基に判断して、早々に製作に着 手し、とにかく作り続けなければ間に合わない｣と言う現実 に迫られた、社会人経験者チームとしての回答例である。 1 鳥人間コンテスト滑空機部門における 木構造高アスペクト比機の開発 2.4 主要な活動状況 機体（KOTA Liner）は、全体設計を兵庫（伊丹）で行い、 宮城・栃木・静岡・名古屋・奈良・大阪・広島の各支部で パーツを設計・製作、それを伊丹に集結して組立て、更に 尼崎(兵庫)に転送して最終組み立てと調整を行った。 製作は、設計者が毎日自宅の伊丹で組立てることを中心 に、週末毎に各地のメンバーが伊丹や尼崎に集結した。 パイロットは静岡在住で、操縦訓練のうちフライトシミ ュレーターは自宅、グライダーを岐阜、ラジコングライダ ーを兵庫で行い、それ以外の週末は機体製作に当たった。 3．機体の設計・開発・製作 ～ 試験飛行 機体は、我がチームが誇るストレススキン翼の人力飛行機 （以下、HPA と略す） CHicK-2000 2） を基本とした。9.5 ヶ 月の短期間でコンテストに臨むに当たり、完成精度をどこ まで確保することが可能か？ 換言すると、設計と製作を 徹 底 的 に 簡 易 化 す る CHicK-700 を 、 凝 り に 凝 っ た CHicK-2000 にどれだけ近づけられるか？ に絞り込んだ。 3.1 設計 CHicK-2000（スパン 26.6ｍ、主翼面積 16.2ｍ2、AR = 43.7、 L / Dmax = 48.0 機体重量 31.0 kg、全備重量 75.0 kg、巡航 速度 8.0m/s、飛行張線有り、青森県三沢航空科学館に保存・ 展示）の経験を基に、それと同等の AR を確保しつつ、飛 行張線を無くした片持ち翼機の実現に当たっての最大の問 題は、主翼の主要構造を木構造としたことである。 過去に試みた 2 機の木構造滑空機の経験（CHicK-235： 13 回大会総合優勝 と SUPER-CHicK：15 回大会入賞）か ら片持ち翼では、翼長：25ｍ、アスペクト比：30 程度まで なら重量と剛性の両立が図れるが、それを超えると曲げ剛 性の点で極めて厳しいことを把握していた。今回は、主翼 の撓み量と主桁の重量の妥協点が設計ポイントとなった。 検討の結果、主桁をフルデプスのトーションボックス（以 下、TB と略す）構造として、捻り剛性を確保しながら重量 の許す範囲で撓み量を抑制することとした。（図-2 参照） 3.1.1 主翼翼型の選択とその変形防止 翼型は、Team‘F’ が FAI I-C クラスの速度部門の世界 記録更新に向けて開発した fxdae21 139-65 3) を適用した。 13.9％ の厚翼ながら、低迎角時の抗力が DAE-21 と同等に 小さく、滑空速度の速い片持ち翼の滑空機にも最適である。 その核をなす TB は、効率的な範囲で断面を大きくして ストレススキンに近づけ、翼型精度を確保した。前後方向 の剛性は上下方向の 50 倍を確保し、滑空中の速度変化に 伴う主翼の前後方向の振動を防止した。また、水面効果を 利用した滑空中の風圧中心の近傍に TB の図芯を配置し、 出発降下時はその後退により主翼に僅かな捻り下げが生じ るようにした（風圧中心の移動範囲を、 充実した TB とした場合の断面の核 内に誘導して、ダイバージェンスの防 止対策とした）。TB 前端を 18％ 翼 弦長、そこから前部のリブを 125mm ピッチとして前縁精度を確保し、後端 は 54％ 翼弦長、60% 翼弦長までプ ランク、後部のリブを 250mm ピッチ とした。（図-2 参照） 日本航空宇宙学会 第19 回 スカイスポーツシンポジウム プランク材の軽量化 （＝ 薄肉化）を目的に ストリンガーを配置す 図-3 ストリンガーによる変形 ると、被覆フイルムの収縮時にその張力によってプランク 材が変形し、ストリンガーの角が飛び出した（＝周囲が凹 んだ）断面に変形し易い（図-3 参照）。この防止と正確な 翼型保持のために、軸方向材は主桁と前・後縁のみとし、 ストリンガーを配置しない構造 4）（= 広幅 TB）とした。 プランク材には厚さ 3mm のデプロン（FLOOR HEATING SYSTEMS LTD / UK 商品名：デプロン・エアロ） を適用し、 常温曲げ加工により TB の軸に直行方向のみを接着した。 以上の工夫により、ストレススキン並みの工作精度と滑空 中の翼型の変形防止を達成した。 3.1.2 主翼の平面形状と捻り下げの分布 肩翼機は、コクピットの影響でその両側下面流の増速によ り局所的に揚力が減少する。この補正と翼根部の翼厚の有 効厚さの確保に、翼根近傍でテーパー比を変化させた 2 段 テーパー翼（テーパー比：0.11）を採用した。 一般にテーパー翼では、翼型の変化や適当な捻り下げ分布 により、揚力分布を楕円形状化して翼効率の改善を図る。 これは HPA のように迎角の使用範囲を限定した場合に有 効である。滑空機では、適当な向かい風で出発する場合の 迎角は 2°前後で、着水直前には 10°に達し、その使用範 囲が極めて広い。加えて、最後の粘りの着水直前の失速角 付近の大迎角では、翼端失速の防止対策も重要である。 しかし、AR が 40 を超えるテーパー翼で、所望のレイノ ルズ数（以下、Re 数と略す）の確保と同時に揚力の楕円形 状化を図る と、必要な 揚力係数の 確保に外翼 部分の迎角 α＞10° が大きくな 図-4 着水寸前の CHicK-700 の滑空 り、翼端失 速防止に必要な捻下げ角を確保できないことが多い。また、 ① 翼端側の揚力増により、翼根の曲げモーメントが増大 ② テーパー比を小さくして、翼端部の捻り下げにより揚 力分布を楕円形状化すると、例えば翼端で CL を 0.9 程度に抑制すると翼根付近では 1.3 を越え、迎角の使 用範囲が 1.5 ～ 6°に拡大する 等の問題も発生し、製作上の困難を招く。 CHicK-2000 の場合は、巡航速度 8m/s で Re 数が 30 万 を下回る部分が多かったことに加えて使用迎角が定まって いたので、揚力分布の楕円形状化 5) が効果的であった。し かしそれに当たって、翼型と迎角のそれぞれを変化させる no scale 図-2 翼型断面と構造図 2 鳥人間コンテスト滑空機部門における 木構造高アスペクト比機の開発 作面における問題は解決し易いが、ストレススキンや今回 のような TB 構造では、高水準な設計・製作技術と膨大な 製作時間が必要 1 となり、当プロ ジェクトには不 0.9 適当である。 加えて AR が 0.8 2 4 6 8 10 43.4 に達する超 15 20 25 30 35 40 45 50 高 AR 機では、 0.7 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 その効果を有効 Taper Ratio に発現するため 図-6 fxdae21 139-65 の翼効率 に、主翼表面や 0.30 0.25 機体各部の工作 0.20 0.15 精度の向上によ 0.10 る空気抵抗の低 0.05 0.00 減が極めて重要 0 2 4 6 8 10 12 14 16 スパン(m) 6) な要素 となる。 図-7 CHicK-700 の揚力分布 以上から揚力 分布は、外側翼以外の迎角を一定として楕円形状化を図ら ず、ほぼ三角形に近い形状とし、翼端失速の防止対策には、 外側翼部分と翼端部分に、リブ 1 枚当たり0.1deg/＠250 の 捻り下げを分布した。当機の揚力分布と適用した翼型の翼 効率を 図-6・7 に示す。ちなみに AR=43.4 、テーパー比 0.4 の翼効率は DAE-11 5) と同等で 96％ に達する。 3.1.3 操縦性の確保 コンテストで良い結果を収めるには、機体が 『操縦し易 い』の一言に尽きる。一度操舵すると正確に反応し、ペコ （＝操舵後の僅かな当て舵の不備等による小さなピッチン グ）なしに瞬時に定常状態に移行可能な静安定と動安定に 両立した安定性に秀でた優れた制御性能が必要である。 適切な設計点を見出すには、 蓄積した経験やフライトプラ ンを基に、計算や経験に基づくテールモーメントアーム長 や尾翼容積、動ファクター比の検討の他、多様な分野の様々 な機体の『飛び』に学び、コンテスト独特の出発条件と低 速度滑空、速度変化に最適なバランスを把握することが重 要である。更に、極めて高い工作精度の確保も必要である。 鳥人間コンテストや我が国の HPA では AR が 40 超の 機体は、我々の CHicK-2000 と CHicK-700 をおいて見られ ず、そこに至るには幾つかの壁がある。中でも左右の主翼 のバランスの取れた捻り剛性の確保が重要で、幅広い使用 迎角や滑空速度、気象条件への対応と、無動力でパイロッ トと 3 名のランナーの支援で出発する滑空機では、翼型の 選定と並んで重要な要素である。つまり、滑空中の主翼に 左右の有効迎角が変化したときの捩じれ角のバランスが重 要で、結果的に今回の TB 構造では、広幅で分厚い極めて 捻り剛性の高い主桁が必要となった。（図-2 参照） 姿勢制御は、 エレベーターとラダーとも絶妙の操作が可能 な空力舵面とし、水面効果の変化等に関わらず、飛行中に 自在にトリム調整可能なフルフライング型とした。 仕上げ図 軸組み図 2 揚力（kg/m ） 1/(1+δ) 必要が有ったため、設計が複雑になると共に製作面におい て難易度の高い技術が要求された。主桁が単管の場合は製 主要諸元 翼幅 28.17 m 全長 6.19 m 全高 2.14 m 主翼面積 18.3 m2 ｱｽﾍﾟｸﾄ比 43.4 主翼翼型 fxdae21 139-65 空力平均翼弦 0.73 m 水平尾翼面積 1.46 m2 垂直尾翼面積 1.26 m2 機体重量 49.8 kg 飛行重量 106.9 kg 翼面荷重 5.8 kg/m2 翼幅荷重 3.8 kg/m 滑空速度 9.3 m/sec 失速速度 7.9 m/sec 最良滑空比 47.3 最小沈下率 0.17 m/sec 図-5 CHicK-700 三面図 日本航空宇宙学会 第19 回 スカイスポーツシンポジウム 3.2 ナビゲーターシステムの開発 引き起こし後の極めて浅い 1/50 以下の滑空に当たり、操 縦支援システムを開発した。計測した姿勢情報等をパイロ ットに的確に伝達するため、炎天下においても視認性の良 3 鳥人間コンテスト滑空機部門における 木構造高アスペクト比機の開発 い高輝度・大画面を用い て直観的に理解し易い図 示表示とした。表示する 情報は最小限に絞り込み、 ピッチと対気速度とした。 これらを最小限のハー ド・ソフト開発で実現す 図-8 ナビゲーターの画面 るために、Google のタブ レット Nexus 7 を用いた。ピッチは、Nexus 7 に搭載の加 速度計と磁気計を用いて重力加速度と地磁気の方向を検知 して求めた。対気速度は、事前に風速を入力して加速度の 積分または GPS により機体の移動速度を演算し、両者から 算出する簡易方式とした。計測値はピッチ計および速度計 の図として描画し、OpenGL ES を用いて高速描画した。 3.3 製作 ストレススキン翼に比べて主翼の製作手順を徹底して簡 易化したことから、高工作精度の確保により設計性能を達 成しなければならない。製作精度の観点で妥協が許されな いことから、手作業を極力省力化した機械化の推進により、 高精度な加工と高品質な組立て精度を確保すると共に、高 能率で組立て易い構造とした。チームの構成上、部品製作 が全国に分散していることから、工作図の作成や材料手配 の地域性、部品の輸送方法等にも配慮した。週末に集まる 作業メンバーの人数や技量の変動を極力排除し、作業内容 に応じて組立て精度の確保が可能なように、プラモデルを 組み立てるイメージで製作が進捗する手法を考案した。 4．コンテスト当日 曇天、向かい風 0.3m/s の中、爆発的な 加速による出発に続く 降下と増速、ペコなし の滑らかな引き起こし 後、コクピットのハッ チが閉じない中、極め て安定した滑空により 図-10 CHicK-700 の美しい滑空 当初の狙いの『美しい滑空』を達成すると共に、滞空時間： 33 秒、滑空距離：341.44ｍ で 3 位に入賞した。 『美しい滑空』の成功に必要な操縦訓練法は別講参照。 5．考察 主要構造を木構造とした結果、滑空性能は CHicK-2000 並みを確保できたが、機体の自重が 49.8kg に達した。これ は出発時の加速の妨げによる速度低下（＝運動エネルギー の獲得減少）や過大な主翼の撓み量による高度（＝位置エ ネルギー）損失に繋がる。重量級の機体では、空力性能以 外の側面における滑空距離の減少の抑制に、パイロットと 3 名のランナーの支援による出発方法の検討を盛込んだ一 連の設計が、更なる滑空距離の飛躍に繋がるものと考える。 6．おわりに 今回、1 回限りの飛行として機体を設計、製作期間と費 用、構造と重量・剛性等、様々な観点から我々なりのバラ ンスを取りながらの活動により、コンテスト入賞を果した。 目標達成に至らなかったが、短工期と低コスト、高工作 精度による操縦し易い高 AR 高性能木構造滑空機を開発で きたことから、今後とも木構造滑空機の可能性を探りたい。 謝辞 この場をお借りして、この度の活動にご協力・ご支援頂き ました多数の皆様方とアクティブギャルズ・ファミリーの 家族に、心から感謝の意を表すと共にお礼申し上げます。 TB 組立て用冶具 TB 組立て状況 1) 2) 図-9 NC 切削によるリブ 前後のリブ取付けとその冶具 主翼の TB の部材や主尾翼のリブは、レーザーカットと NC 切削機を用いて 0.1mm 以下の加工精度を確保し、レー ザーカットによる高精度な冶具を用いて組立てた。 3.4 走行訓練と試験飛行 ゴールデンウイークに走行訓練を実施し、パイロットと ウイングランナー、テールランナーの運動能力や技量を測 定して出発速度を設定し、フライトプランに反映した。 6 月末から 7 月中旬に試験飛行を 2 回 （4 日） 実施した。 4 キャリアー 7) で行い、それにより操舵レスポンス等を確 認して、テールブームの剛性や操縦装置を調整した。 日本航空宇宙学会 第19 回 スカイスポーツシンポジウム 3) 4) 5) 6) 7) ［参考文献］ 川村典久ら（1993）：機体設計と飛行経路の同時最適 化 第31回飛行機シンポジウム講演集：386-389 吉川俊明ら（2000）：人力飛行機CHicK-2000における 応力外皮構造翼の開発 第 6 回スカイスポーツシン ポジウム講演集：59-62 石川智巳ら（2010）：速度競技用人力飛行機の開発 第 16 回スカイスポーツシンポジウム講演集：66-69 吉川俊明ら（1995）：人力飛行を目的に開発された翼 型の実用状態を考慮した空力特性の実験 第 1 回ス カイスポーツシンポジウム講演集：81-84 吉川俊明ら（1996）：人力飛行機の主翼性能の効率化 第 2 回スカイスポーツシンポジウム講演集 ：163-170 東昭ら（1989）：鳥人間コンテストと人力機の発達 日 本機械学会誌 Jour, JSME Vol.92,No.851：24-31 吉川俊明ら（1997）：鳥人間コンテスト 滑空機のテ スト飛行方法について 第 3 回スカイスポーツシン ポジウム講演集：49-56 4
© Copyright 2024 Paperzz
![PDFファイルのダウンロード [別紙／250KB]](http://s3.paperzz.com/store/data/006694874_1-c3b4d8a6d87ee0c71de41986e7f61996-250x500.png)
