2018 Fiscal Year Research-status Report

航空機姿勢制御における流体力学的推力偏向技術の性能評価システムの開発と応用

Research Project

Project/Area Number	17K06940
Research Institution	Muroran Institute of Technology
Principal Investigator	畠中和明室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (30749320)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	廣田光智室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (50333860)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	航空機姿勢制御 / 流体的推力方向制御（FTV） / 飛行実証 / 自律飛行 / FTV性能評価システム構築 / 数値解析
Outline of Annual Research Achievements	本研究では，流体力学的推力偏向（Fluidic Thrust Vectoring: FTV）技術をモデル航空機に組み込み，有効な姿勢制御機構として従来の姿勢制御手法と同等以上に機能することを示すことを目的としている。平成30年度の研究実績の概要を以下に示す。１．本研究で開発する FTV ノズルは，偏向制御の原理上，主流流路を一度絞る必要があるが，それがダクテッドファンにとって抵抗となり，推力が弱くなるという課題があった。本年度はノズルの絞り量が偏向角と推力に及ぼす影響について調査を行い，得られた結果からFTVノズルの形状最適化作業を実施した。２．前年度プロペラタイプの模型飛行機で動作確認を終了している自律飛行システムとロギングシステムをダクテッドファンタイプの模型飛行機に搭載し，飛行試験を実施した。その結果，再現性の高い周回飛行が可能であることを確認した。これによりFTV性能評価システム構築が大部分完了したことになる。３．計算機上でFTVノズルの性能評価を行うため，またFTVノズルの最適な形状を数値シミュレーションによって効率的に探索するために，シミュレーションによる現象の再現に取り組んでいるが，シミュレーションにおける主流の偏向角が実験値よりも小さくなるという課題を抱えていた。本年度は，ダクテッドファンによって引き起こされる旋回流を模擬することによって推力偏向角の再現性が向上することを見出した。今後は旋回流の強さを実験によって測定し，シミュレーションの精度向上を図り，FTVノズルの性能評価及び設計に数値シミュレーションを活用する環境を整える。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究課題申請時，平成30年度以降の研究計画を以下のように立案していた。 (1) 前年度までに構築した自律飛行システム及びFTVノズルを試験機に搭載し，飛行実験を実施する。(2) 再現性の高い飛行条件で得られた高精度のデータを解析することで，FTV機構の問題点を明らかにし，次の改良型FTV機構設計のための基礎データを得る。(3) データのフィードバックを受けて改良型FTV機構の検討を進め，設計製作・数値解析と実験による性能評価・実機に組み込んでの飛行試験という開発サイクルを実行する。 (1) について，前年度までに構築した自律飛行システムをダクテッドファンタイプの模型飛行機に搭載した飛行試験を実施し，再現性の高い周回飛行を行うことに成功した。次にFTVノズルを搭載しての飛行を試みたところ，上述の推力不足が明らかとなり，飛行に十分な推力を得るための FTV ノズル改良を実施した。この推力不足は当初予期していなかったことであり，FTVノズルを搭載しての試験は滑走と高度数メートルの短距離飛行のみであった。従って，FTVノズルを搭載しての (2) の試験は未実施であるが，前年度に構築したデータロギングシステムにより，(1)の試験だけでも有用なデータを得ることができ，FTVノズル改良に大いに役立てることができた。本研究課題の目的には，FTVノズルの効率的な開発のためのサイクル構築も含まれており，今回の試験→データ解析→ノズルの改良という流れはこのサイクルに乗ったものと考えることができる。よって，(3)についても改良型FTV機構の開発という１サイクルを終了し，次年度に改良したFTVノズルを搭載した飛行試験を行うことによって新しいサイクルを回していく環境が整ったと考える。
Strategy for Future Research Activity	今後は，今年度までに開発した自律飛行システム・飛行データロギングシステムを用いて，FTVノズルをモデル航空機に搭載して飛行実証試験を実施する。実験室レベルでの試験・数値シミュレーション・飛行試験のデータを総合的に解析し，FTV ノズル性能改善のための課題を洗い出し，改良型ノズルを設計・製作する。このような開発サイクルを複数回実施し，より高い性能を有するFTVノズルを実現する。数値シミュレーションにおいては，前年度から課題となっていたシミュレーション上のFTVノズルの偏向角が実験値よりも小さく出ることについて，ダクテッドファンによって生成される旋回流をシミュレーション上で模擬していないことが原因と示され，解決の糸口が見つかった。今後は5孔ピトー管を用いて実機体で発生している旋回流の強さを測定し，数値シミュレーションに反映することで計算による現象の再現性を向上させていく。
Remarks	室蘭工業大学大学院工学研究科生産システム工学専攻推進工学研究室Webページの研究紹介の一つとして，本研究課題の内容をインターネットで公開している。