アメリカ空軍安定管制デジタルDATCOM

アメリカ空軍 安定性・管制デジタルDATCOMは、アメリカ空軍安定性・管制DATCOMに含まれる手法を実装し、固定翼航空機の静的安定性、管制特性、および動的微分特性を計算するコンピュータプログラムです。デジタルDATCOMは、航空機の幾何学的記述を含む入力ファイルを必要とし、指定された飛行条件に応じて対応する無次元安定性微分を出力します。得られた値は、飛行力学の重要な側面を計算するために使用できます。

歴史

1976年2月、米空軍の安定性・管制DATCOMに含まれる手法、特にセクション4、5、6、7に含まれる手法の自動化作業が開始されました。この作業は、米国空軍との契約に基づき、マクドネル・ダグラス社がライト・パターソン空軍基地の空軍飛行力学研究所の技術者と共同で実施しました。デジタルDATCOMの実装は1978年11月に完了しました。

このプログラムはFORTRAN IVで書かれており、その後更新されていますが、プログラムの中核は同じままです。

デジタルDATCOMの活用方法を解説した3巻構成の報告書が出版されました。報告書は以下のとおりです。

  • 第1巻、ユーザーマニュアル
  • 第2巻、DATCOMメソッドの実装
  • 第3巻、プロットモジュール

入力

USAFデジタルDATCOMマニュアル第1巻のセクション3では、航空機のモデリングに使用可能な入力が定義されています。入力は、FORTRANへのファイルの読み込みを容易にするために、名前リストによって分類されています。

飛行条件とオプション

FLTCONネームリストは、ケースの飛行条件を記述します。マッハ数と高度の組み合わせは最大400通りまで同時に実行でき、各組み合わせには最大20の迎え角を設定できます。ユーザーは、マッハ数と高度が同時に変化するか、マッハ数が一定高度で変化するか、または高度が一定マッハ数で変化するかを指定できます。Digital DATCOMでは、亜音速と超音速の両方の解析を実行できます。

OPTINSネームリストは、航空機の参照パラメータを定義します。理論上の翼面積、平均空力弦長、翼幅に加え、航空機の表面粗さを定義するパラメータを入力します。

合成パラメータ

SYNTHSネームリストを使用すると、重心と翼の頂点の位置を定義できます。航空機を正しく合成するには、翼、水平尾翼、垂直尾翼のX座標とZ座標が必要です。DATCOMでは、航空機の原点を機首にする必要はありません。任意の点を指定できますが、すべての寸法は機首を基準とする必要があります。 また、翼と水平尾翼には 入射角を追加できます。

ボディパラメータ

BODYネームリストは機体の形状を定義します。デジタルDATCOMは、機体を軸対称形状と想定します。最大20ステーションまで指定でき、各ステーションで胴体半幅、上座標、下座標を定義します。超音速解析の場合は、追加のパラメータを入力できます。

主翼、水平尾翼、垂直尾翼のパラメータ

WGPLNF、HTPLNF、VTPLNFネームリストは、それぞれ主翼、水平尾翼、垂直尾翼を定義します。翼根弦長、翼端弦長、半翼幅、ねじれ角、上反角、後退角といった基本パラメータを入力します。デジタルDATCOMは、 15度の外側上反角を持つ F4ファントムIIのように、翼幅に沿って形状が変化する主翼平面図も受け付けます。

カナードもDigital DATCOMで解析できます。カナードを前方揚力面（つまり主翼）として、主翼を後方揚力面として指定する必要があります。

翼型の指定については、従来のNACA規格の4、5、6翼のほとんどをDigital DATCOMで指定できます。さらに、適切な名前リストを使用してカスタム翼型を入力することもできます。また、Digital DATCOMでは双垂直尾翼を指定できますが、双ブームは指定できません。

高揚力および制御装置

SYMFLPおよびASYFLPネームリストを使用することで、フラップ、エレベーター、エルロンを定義できます。Digital DATCOMでは、プレーンフラップ、シングルスロットフラップ、ファウラーフラップなど、多様なフラップタイプがサポートされています。マッハ数と高度の組み合わせごとに、最大9種類のフラップ偏向を解析できます。残念ながら、 Digital DATCOMではラダーは実装されていません。

Digital DATCOM は、航空機の トリムに必要な昇降舵の偏向を計算する、自動化された航空機 TRIM 機能も提供します。

その他の入力

デジタルDATCOMの他の入力には、出力効果（プロペラとジェット）、地面効果、トリムタブ、実験データなどがあります。EXPRXXネームリストを使用すると、ユーザーはデジタルDATCOMがコンポーネント構築の中間段階で生成するデータの代わりに、実験データ（揚力係数、抗力係数など）を使用できます。

特に指定がない限り、すべての寸法はフィートと度で表記されます。Digital DATCOMは、動的微分係数（DAMP）と各コンポーネントの安定係数（BUILD）を出力するコマンドを提供します。

出力

デジタルDATCOMは、比較的少ない入力量で膨大な量のデータを生成します。デフォルトでは航空機のデータのみが出力されますが、追加の設定も出力可能です。

  • 体だけ
  • ウィングだけ
  • 水平尾翼のみ
  • 垂直尾翼のみ
  • 翼胴構成
  • 胴体水平尾翼構成
  • 胴体垂直尾翼構成
  • 主翼・胴体・水平尾翼構成
  • 主翼・胴体・垂直尾翼構成
  • 主翼-胴体-水平尾翼-垂直尾翼構成

各構成において、指定された迎え角における安定係数と微分係数が出力されます。この出力の詳細は、USAFデジタルDATCOMマニュアル第1巻のセクション6に定義されています。基本的な出力には以下が含まれます。

  • C L -揚力係数
  • C D -抗力係数
  • C m -ピッチングモーメント係数
  • C N - 法線力係数
  • C A - 軸力係数
  • C Lα - 揚力曲線の傾き（迎え角に対する揚力係数の微分）
  • C mα - ピッチングモーメント曲線の傾き（迎え角に対するピッチングモーメント係数の微分）
  • C Yβ - 横力係数の横滑り角に対する微分
  • C nβ - ヨーモーメント係数の横滑り角に対する微分
  • C lβ - 横滑り角に対するローリングモーメント係数の微分

完全な航空機構成の場合、ダウンウォッシュデータも含まれています。

現代の数値流体力学の手法と比較すると、Digital DATCOMは時代遅れに見えるかもしれません。しかし、当時としては高度な推定ツールであり、何ページにも及ぶ工学文献を読み進めるよりもはるかに高速でした。Digital DATCOMはUSAFによるサポートが終了し、現在はパブリックドメインソフトウェアとなっています。

制限事項

Digital DATCOMは胴体を回転体として解析するため、インレット、外部ストア、その他の突起部は入力できません。この簡略化は航空機の抗力係数に影響します。

直線テーパー翼ではない、あるいは前縁延長部を持つ航空機では、動的微分は出力されません。この問題は、翼胴体（直線テーパー翼ではない）の実験データを使用することで解決できます。

H-Tailsの入力方法はありますが、胴体に搭載された2つの垂直尾翼を入力する方法はありません。この問題は、2つの垂直尾翼を胴体に搭載された1つの垂直尾翼として近似することで解決できます。

デジタルDATCOMは、舵の操舵面に関する制御微分の出力を提供できません。マニュアルによると、舵の形状を定義する入力パラメータは存在しません。

デジタルDATCOMは、カナード翼・水平尾翼構成など、3つの揚力面を一度に解析することはできません。この問題は、実験入力オプションを使用して揚力面を重ね合わせることで解決できます。

現在の開発

このパッケージを使用する人々の中には、より簡単なユーザー インターフェイスとより包括的な出力データを通じて、パッケージ全体を改善しようとする意図があります。

AC3Dでの引用

ダットコム+

オリジナルのDIGDATプログラムは比較的変更されていませんが、新しいフロントエンドが作成され、ユーザーは入力ファイルにFOR005.DATよりも意味のある名前を付けることができます。新しい入力ファイル形式では、ユーザーが入力ファイルにコメントを記入できます。また、DIGDATには、132列幅で他のアプリケーションに簡単にインポートできないオリジナルの出力形式に加えて、代替出力を可能にするフックが配置されています。AC3Dでの航空機出力のグラフィカル表現、 JSBSimおよびFlightGearプロジェクト用のXML形式のデータテーブル出力、そして自由形式のLFI（線形関数補間）データテーブルファイルがあります。

DIGDATプログラムには、AC3D、XML、LFI形式の出力ファイル用のビューアが用意されています。データテーブルは画面に出力することも、PNGファイルに出力してレポートに組み込むこともできます。

MATLABでのNavion

Mathworks 航空宇宙ツールボックス

Aerospace Toolboxには、Digital DATCOMの出力ファイルをMATLABにインポートする機能が含まれています。この機能を使用すると、静的および動的解析から空力係数を収集し、構造体のセル配列としてMATLABに転送できます。各構造体には、Digital DATCOM出力ファイルに関する情報が含まれています。

オープンダットコム

OpenDatcomは、OpenAE [2]コミュニティによって開発・運営されているDigital DATCOM用のオープンソースGUIです。OpenDatcomは、Digital DATCOMがサポートするすべての基本機能（非実験的機能）を統合し、リアルタイムの入力エラーチェックと境界チェック機能を提供します。プログラムのアルファ版は2009年11月1日に一般公開されました。OpenAE.orgのウェブサイトは現在は閉鎖されています。

構造的に損傷した航空機の空力特性の予測

構造的に損傷を受けた航空機の空力特性を予測するために、風洞研究と組み合わせてデジタルDATCOMを使用する研究がいくつか行われてきました。DHAスッファ大学のBilal Siddiqui博士は、工学レベルの空力予測方法であるDATCOMに基づいて、構造的に損傷を受けた航空機モデルの非線形空力特性を予測するアプローチ[1]を発表しました。コードからの生の結果は、非常に低い迎え角で風洞データと良好な相関を示しますが、迎え角が増加すると精度は急速に低下します。その後、健全な航空機の実験結果と損傷したケースの予測された空力特性を組み合わせる新しい方法論が提案され、損傷した航空機の実験的空力係数と予測された空力係数の相関が改善されています。3つの損傷構成が超音速で研究されています。この方法論を使用すると、シミュレーションと再構成可能な制御用の損傷した航空機の空力モデルを迅速に生成できます。

参照

参考文献

  1. ^ [1]、USAF DATCOMを用いた構造的に損傷した航空機の非線形空気力学の予測、
  • ウィリアムズ、ジョン・E.、ヴケリッチ、スティーブン・R.「USAF安定制御デジタルDATCOM。第1巻。ユーザーマニュアル。」AFFDL-TR-79-3032第1巻、1979年11月。
  • ウィリアムズ、ジョン・E.、ヴケリッチ、スティーブン・R.「USAFの安定性と制御に関するデジタルDATCOM。第2巻。DATCOM方式の実装。」AFFDL-TR-79-3032第2巻、1979年11月。
  • ウィリアムズ、ジョン・E.、ヴケリッチ、スティーブン・R.「USAF安定制御デジタルDATCOM。第3巻。プロットモジュール。」AFFDL-TR-79-3032第3巻、1979年11月。
  • Blake, WB「デジタルデータコムを使用した戦闘機の動的導関数の予測」、AIAA 第 3 回応用空気力学会議、AIAA-1985-4070、コロラド州コロラドスプリング、1985 年 10 月。
  • Mathworks, Inc.「新型軽量航空機のモデルベース設計」、AIAA モデリングおよびシミュレーション テクノロジ カンファレンスおよび展示会、AIAA-2007-6371、サウスカロライナ州ヒルトン ヘッド、2007 年 8 月。
  • Siddiqui, BAおよびKassem, AH、「USAF DATCOMを使用した構造的に損傷した航空機の非線形空気力学の予測」、[3] International Review of Aerospace Engineering (I.RE.AS.E)、2010年1月。
  • オープンダットコム
  • エンブリー・リドル航空大学のデジタルDATCOM
  • Yahoo Digital_Datcom グループ
  • 空軍研究所制御理論最適化部門[リンク切れ]
  • MATLAB用航空宇宙ツールボックス
  • JSBSim
  • フライトギア
  • 1965-Datcom-Sections-1-5 2011-07-15にWayback Machineでアーカイブ
  • 1965-Datcom-Sections-6-9 2011年7月15日アーカイブ - Wayback Machine
  • AFRL-TR-79-3032 USAF DATCOM ユーザーズマニュアル、第1巻
  • AFRL-TR-79-3032 USAF DATCOM ユーザーズマニュアル、第2巻
  • AFRL-TR-79-3032 USAF DATCOM ユーザーズマニュアル、第3巻
  • AFWAL-TR083-3048 マクドネル・ダグラス社 DATCOM向け最終報告書、1978年4月
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