航空機の飛行制御システム
典型的な航空機の飛行中の主な飛行制御

従来の固定翼航空機の飛行制御システムは、飛行中の航空機の方向を制御するために、飛行制御面、それぞれのコックピット制御装置、接続リンク、および必要な操作機構で構成されています。 [ 1 ]航空機のエンジン制御装置も速度を変更するため、飛行制御装置と見なされます。

航空機の操縦装置の基礎は飛行力学で説明されています。この記事では、操縦装置の作動機構に焦点を当てます。航空機に使用されている基本システムは、1908年4月、ルイ・ブレリオによる先駆的な単葉機設計であるブレリオVIIIにおいて、既に容易に認識できる形で初めて登場しました。 [ 2 ]

コックピットコントロール

主なコントロール

セスナ 182 D スカイレーンのコックピットのコントロールと計器盤

一般的に、コックピットの主な飛行制御装置は次のように配置されている。[ 3 ]

操縦桿も航空機によって大きく異なる。ロールは操縦桿を時計回り/反時計回りに回すことで制御され（車のハンドル操作のように）、ピッチは操縦桿を操縦士に近づけたり遠ざけたりすることで制御される操縦桿もあるが、ピッチは操縦桿を計器盤から出し入れすることで制御されるもの（152や172などほとんどのセスナ機のように）や、ロールは操縦桿全体を左右にスライドさせることで制御されるもの（セスナ162のように）もある。センタースティックも航空機によって異なる。ケーブルを使って操縦翼面に直接接続されているものもあれば、[ 4 ]フライ・バイ・ワイヤ方式の飛行機のように間にコンピューターを介し、電動アクチュエーターを制御するものもある。

イシー・レ・ムリノーのブレリオ8世。パイロットのための近代的な飛行制御の初期形態を備えた最初の飛行可能な航空機設計である。

航空機がV 字尾翼のラダーベーターやフラッペロン、エレボンなどのさまざまな操縦翼面を使用する場合でも、これらのさまざまな兼用操縦翼面は空間内で同じ 3 つの軸の周りの回転を制御するため、航空機の操縦桿またはヨークで従来どおりピッチとロールを制御し、ラダー ペダルでヨーを制御するように設計されます。[ 3 ] 現代の操縦の基本パターンはフランスの航空界の人物であるロベール エスノー ペルテリが開拓し、同じくフランスの飛行家であるルイ ブレリオが1908 年 4 月にルイのブレリオ VIII単葉機で最初にエスノー ペルテリの操縦形式を普及させ、1909 年 7 月に海峡を横断したブレリオ XIでその形式を標準化しました。操縦は長年このような方法で何十年にもわたって教えられており、 1944 年の著書Stick and Rudderなどの初歩的な指導書で普及されています。

一部の航空機では、操縦翼面はリンク機構によって操作されません。例えば、超軽量飛行機やモーター付きハンググライダーには、そのような機構は全くありません。パイロットは、揚力面（翼下面から吊り下げられた剛性フレームを使用）を手で掴み、動かすだけです。

二次制御

ロール、ピッチ、ヨーの主要な飛行制御に加えて、パイロットがより細かく飛行を制御できるようにしたり、作業負荷を軽減したりするための二次的な制御が利用できる場合がよくあります。最も一般的な制御は、エレベーターのトリムを制御するホイールまたはその他のデバイスです。これにより、パイロットは特定のピッチ姿勢を維持するために一定の前後の圧力を維持する必要がなくなります[ 5 ] （ラダーやエルロンなどの他の種類のトリムは、大型の航空機で一般的ですが、小型の航空機にも使用されることがあります）。多くの航空機には、スイッチまたは機械式レバーで制御されるか、場合によってはコンピューター制御によって完全に自動化されたウィングフラップがあり、離着陸に使用される低速での制御を改善するために翼の形状を変更します。その他の二次的な飛行制御システムには、スラット、スポイラー、エアブレーキ、可変後退翼などがあります。

飛行制御システム

機械

デ・ハビランド タイガーモスの昇降舵ケーブルと舵ケーブル

機械式または手動で操作する飛行制御システムは、航空機を制御する最も基本的な方法です。初期の航空機で使用されていたもので、現在でも空気力が過大でない小型航空機で使用されています。ライトフライヤーI号、ブレリオXI号、フォッカーアインデッカーなどの初期の航空機では、翼に従来のヒンジ式操縦翼面を使用しない翼ワーピングシステムが使用されていました。ライトフライヤーI号や1909年のエトリッヒ・タウベのオリジナルバージョンでは、ワーピング操作によるピッチおよびロール制御に加えて、ヒンジ/ピボット式ラダーしかなかったため、ピッチ制御にも使用されていませんでした。[ 6 ]手動の飛行制御システムは、プッシュロッド、張力ケーブル、プーリー、カウンターウェイト、場合によってはチェーンなどの機械部品の集合を使用して、コックピットの操縦装置に加えられた力を操縦翼面に直接伝達します。突風防止装置は、機械システムを備えた駐機中の航空機で、操縦翼面やリンク機構を風による損傷から保護するためによく使用されます。一部の航空機では、操縦システムの一部として突風防止装置が装備されています。[ 7 ]

操縦面積の増大と、航空機の高速化に伴う高対気速度の要求は、飛行制御システムへの空力負荷の増加をもたらしました。その結果、操縦システムを動かすために必要な力も大幅に増大しました。そこで、パイロットに必要な力を軽減するために、最大限の機械的利点を引き出す複雑な機械式ギア配置が開発されました。 [ 8 ]この配置は、フォッカー50のような大型または高性能のプロペラ機に見られます。

一部の機械式飛行制御システムでは、空力補助を行うサーボタブが使用されています。サーボタブは、操縦翼面にヒンジで接続された小さな面です。飛行制御機構がこれらのタブを動かすと、空気力によって操縦翼面の動きが補助され、必要な機械力が減少します。この仕組みは、初期のピストンエンジン輸送機やジェット輸送機で使用されていました。[ 9 ]ボーイング737には、万が一油圧システム全体が故障した場合でも、自動的かつシームレスにサーボタブによる制御に復帰するシステムが組み込まれています。

油圧機械式

機械回路と油圧回路からなる油圧機械設計は、機械式飛行制御システムの複雑さ、重量、制限を軽減するために使用されました。[ 10 ]

機械式飛行制御システムの複雑さと重量は、航空機のサイズと性能に応じて大幅に増大します。油圧駆動の操縦翼面は、これらの制限を克服するのに役立ちます。油圧式飛行制御システムでは、航空機のサイズと性能は、パイロットの筋力ではなく経済性によって制限されます。当初は、パイロットが操縦翼面にかかる空力負荷の一部（フィードバック）を感じることができる、部分的にブーストされたシステムが使用されていました。[ 8 ]

油圧機械式飛行制御システムは 2 つの部分から構成されます。

  • 機械回路は、コックピットの制御装置と油圧回路を連結する。機械式飛行制御システムと同様に、ロッド、ケーブル、滑車、そして場合によってはチェーンで構成される。
  • 油圧回路は、油圧ポンプ、リザーバー、フィルター、配管、バルブ、アクチュエータで構成されています。アクチュエータは、油圧回路内のポンプによって生成された油圧によって駆動されます。アクチュエータは油圧を舵面の動きに変換します。電気油圧サーボバルブはアクチュエータの動きを制御します。

パイロットが操縦装置を動かすと、機械回路が作動し、油圧回路内の対応するサーボバルブが開きます。油圧回路はアクチュエータに動力を供給し、アクチュエータが舵面を動かします。アクチュエータが動くと、サーボバルブは機械式フィードバックリンクによって閉じられ、舵面の動きを所定の位置で停止させます。

この配置は、旧設計のジェット輸送機や一部の高性能航空機に採用されていました。例としては、アントノフ An-225やロッキード SR-71などが挙げられます。

人工感覚装置

純粋に機械的な飛行制御システムでは、操縦翼面にかかる空気力が機構を通じてパイロットに直接伝わり、対気速度の触覚的なフィードバックが得られる。一方、油圧機械式飛行制御システムでは、面にかかる負荷を感じることができないため、操縦翼面が過度に動くことで航空機に過大な負担がかかるリスクがある。この問題を克服するために、人工的な感触のシステムを使用することができる。例えば、イギリス空軍のアブロ・バルカンジェット爆撃機やカナダ空軍のアブロ・カナダ CF-105 アロー超音速迎撃機（どちらも 1950 年代の設計）の操縦では、必要な力のフィードバックはスプリング装置によって実現されていた。[ 11 ]この装置の 支点は、（エレベーターの）対気速度の 2 乗に比例して移動し、高速での抵抗を増加させた。アメリカのヴォートF-8 クルセイダーと LTV A-7 コルセア II戦闘機の操縦には、操縦桿のピッチ軸に「ボブウェイト」が使用され、飛行機の通常の加速度に比例した力のフィードバックを与えていました。

スティックシェイカー

スティックシェイカーは、一部の油圧式航空機の操縦桿に取り付けられた装置です。航空機が失速状態に近づくと、操縦桿を振動させます。マクドネル・ダグラスDC-10などの一部の航空機には、油圧系統の故障時にスティックシェイカーを作動させるためのバックアップ電源が搭載されています。[ 12 ]

パワー・バイ・ワイヤ

現在のほとんどのシステムでは、高圧油圧システムによって制御アクチュエータに電力が供給されています。フライ・バイ・ワイヤシステムでは、これらのシステムを制御するバルブは電気信号によって作動します。パワー・バイ・ワイヤシステムでは、油圧ピストンの代わりに電気アクチュエータが使用されます。アクチュエータへの電力は電気ケーブルによって伝えられます。これらは油圧パイプよりも軽量で、設置と保守が容易で、信頼性も高くなります。F -35の飛行制御システムの要素はパワー・バイ・ワイヤです。[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]このような電気油圧駆動（EHA）システムのアクチュエータは、自己完結型の油圧装置、つまり小型の閉回路油圧システムです。全体的な目標は、航空機の電動化または完全電動化を目指しており、このアプローチの初期の例としてアブロ・バルカンがあります。エアバスA380へのこのアプローチの採用が真剣に検討されました。[ 16 ]

フライバイワイヤ制御システム

フライ・バイ・ワイヤ（FBW）システムは、航空機の手動飛行制御を電子インターフェースに置き換えます。操縦装置の動きは、有線で伝送される電子信号に変換され（これがフライ・バイ・ワイヤと呼ばれる理由です）、飛行制御コンピュータは、各操縦面のアクチュエータをどのように動かせば期待通りの反応が得られるかを決定します。コンピュータからのコマンドは、パイロットが知らないうちに入力され、航空機の安定やその他のタスクを実行します。航空機の飛行制御システムに使用される電子機器は、アビオニクスと呼ばれる分野の一部です。

フライ・バイ・オプティクスは、フライ・バイ・ライトとも呼ばれ、光ファイバーケーブルを使用したさらなる開発です。

研究

エルロン、エレベーター、エレボン、フラップ、フラッペロンといった飛行制御システムの機能を翼に統合し、空気力学的な目的を果たすための技術研究開発が数多く行われています。これらの技術は、質量、コスト、抗力、慣性（より高速で強力な制御応答）、複雑さ（機械的に単純で、可動部品や可動面が少なく、メンテナンスの手間が少ない）、そしてステルス性のためのレーダー断面積といった利点を備えています。これらは、多くの無人航空機（UAV）や第6世代戦闘機に利用できる可能性があります。有望な2つのアプローチとして、フレキシブルウィングと流体工学が挙げられます。

柔軟な翼

「モーフィング翼」とも呼ばれるフレキシブル翼は、飛行中に翼面の大部分または全部の形状を変化させ、羽ばたき機のように気流を偏向させることができます。アダプティブ・コンプライアント・ウィングは、軍事および商業分野での取り組みです。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] X -53アクティブ・エアロエラスティック・ウィングは、アメリカ空軍、NASA、ボーイングの共同研究でした。FlexSys社も注目すべき取り組みを行っており、ガルフストリームIII航空機にフレキシブル・エアロフォイルを後付けして飛行試験を実施しました。[ 20 ]

アクティブフロー制御

アクティブフロー制御システムでは、車両内の力は循環制御によって発生します。このシステムでは、より大きく複雑な機械部品が、より小さく単純な流体システム（空気流を放出するスロット）に置き換えられます。流体内の大きな力が、より小さなジェットまたは流体の流れによって断続的に転換され、車両の方向が変わります。[ 21 ] [ 22 ]この用途において、アクティブフロー制御は、シンプルさと質量の低減、コストの低減（最大半分以下）、慣性および応答時間の低減を約束します。これは、2010年9月に英国で初飛行したDemon UAVで実証されました。 [ 23 ]

参照

参考文献

注記

  1. ^ステンゲル、ロバート・F. (2022).フライト・ダイナミクス（第2版）. プリンストン大学出版局. pp.  650– 832. ISBN 9780691237046。
  2. ^クラウチ、トム (1982).ブレリオXI, クラシック航空機の物語. スミソニアン協会出版局. pp. 21 & 22. ISBN 978-0-87474-345-6。
  3. ^ a bランゲヴィーシェ、ヴォルフガング『スティックとラダー：飛行術の解説』マグロウヒル・プロフェッショナル、1990年、ISBN 0-07-036240-8、ISBN 978-0-07-036240-6。
  4. ^ 「ケーブルを使用して直接制御される操縦面」。2017年2月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年1月25日閲覧。
  5. ^ Thom,1988年、87ページ。
  6. ^テイラー、1990年、116ページ。
  7. ^ Thom,1988年、153ページ。
  8. ^ a bテイラー、1990年、118ページ。
  9. ^ Thom,1988年、86ページ。
  10. ^パイロットの航空知識ハンドブック.連邦航空局.2016年8月24日.p.6-2.
  11. ^ The Arrowheads、57-58ページ、83-85ページ（CF-105 Arrowのみ）。
  12. ^ダニエルズ、タウミ. 「航空機システムの状態認識を向上させるためのパイロットによるディスプレイ技術の使用について」(PDF) . NASAラングレー研究センター.
  13. ^ 「Power-By-Wire - Avionics」 2001年5月. 2017年6月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年8月9日閲覧。
  14. ^ Maré, Jean-Charles; Fu, Jian (2017). 「電動航空機向けシグナル・バイ・ワイヤおよびパワー・バイ・ワイヤ駆動に関するレビュー」 .中国航空学誌. 30 (3): 857– 870. Bibcode : 2017ChJAn..30..857M . doi : 10.1016/j.cja.2017.03.013 .
  15. ^「C-141およびC-130 パワー・バイ・ワイヤ飛行制御システム - IEEE会議出版物」1991年5月: 535–539 vol.2. doi : 10.1109/NAECON.1991.165802 . S2CID 109026952 . {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です
  16. ^ 「A380: 『より電動化された』航空機 - アビオニクス」 2001年10月。2018年8月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年8月12日閲覧。
  17. ^ Scott, William B. (2006年11月27日)、「Morphing Wings」、Aviation Week & Space Technology、2011年4月26日時点のオリジナルよりアーカイブ、2011年4月26日閲覧。
  18. ^ “FlexSys Inc.: Aerospace” . 2011年6月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年4月26日閲覧。
  19. ^ Kota, Sridhar; Osborn, Russell; Ervin, Gregory; Maric, Dragan; Flick, Peter; Paul, Donald. 「ミッション・アダプティブ・コンプライアント・ウィング - 設計、製造、飛行試験」(PDF)。ミシガン州アナーバー、オハイオ州デイトン、米国：FlexSys Inc.、空軍研究所。2012年3月22日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2011年4月26日閲覧。
  20. ^ "FlexFoil" . FlexSys . 2022年1月22日閲覧。
  21. ^ P John (2010). 「航空工学におけるフラップレス航空機統合産業研究（FLAVIIR）プログラム」 . Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering . 224 (4). London: Mechanical Engineering Publications: 355– 363. doi : 10.1243/09544100JAERO580 . hdl : 1826/5579 . ISSN 0954-4100 . S2CID 56205932 . 2018年5月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。  
  22. ^ 「ショーケースUAVがフラップレス飛行を実証」 BAEシステムズ、2010年。2011年7月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年12月22日閲覧。
  23. ^ 「Demon UAV jets into history by flying without flaps」 Metro.co.ukロンドン：Associated Newspapers Limited. 2010年9月28日。2011年8月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年9月29日閲覧。

参考文献

  • スピッツァー、キャリー・R. 『航空電子工学ハンドブック』CRCプレス、ISBN 0-8493-8348-X
  • テイラー、ジョンWR 『飛行の伝承』ロンドン：ユニバーサルブックス社、1990年。ISBN 0-9509620-1-5。
  • アローヘッド（リチャード・オーガン、ロン・ペイジ、ドン・ワトソン、レス・ウィルキンソン著）。 『アブロ・アロー：アブロ・アローの進化から絶滅までの物語』、エリン、オンタリオ州、カナダ：ボストン・ミルズ・プレス、1980年（改訂版2004年） 。ISBN 1-55046-047-1。
  • トム、トレバー著『航空操縦士マニュアル4 飛行機技術編』1988年、シュルーズベリー、シュロップシャー、イギリス、エアライフ・パブリッシング社、ISBN 1-85310-017-X
  • USAFおよびNATOレポートRTO-TR-015AC/323/(HFM-015)/TP-1（2001）。
ウィキメディア コモンズには、航空機の飛行制御システムに関連するメディアがあります。
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Aircraft_flight_control_system&oldid=1334104836」より取得