QX-20設計資料③:概念設計

QX-20の概念設計について説明する

はじめに

概念設計は設計作業の一番最初に行われる設計において最も重要な作業で,航空機に求められる設計要求をもとに航空機の外形を決める作業である(具体的な数値は決める必要はない)

Aircraft Design: A Systems Engineering Approachより引用(一部強調)

概念設計によって,それ以降の設計,製作,運用,性能などの大部分が決定してしまうので,慎重に行う必要がある

概念設計を終えれば,機体の初期三面図が描けるようになる

鳥コン滑空機の概念設計では,主翼,尾翼,胴体(カウルを含む),降着装置(乗り込み方式),構造,操縦方法についての形状の決定を行う

Aircraft Design: A Systems Engineering Approachより引用(一部強調)

QX-20の概念設計

それでは具体的に,QX-20の概念設計について説明していく

QX-20の設計要求は次のようなものである(≫QX-20設計資料②:設計要求の決定 )

初めてのパイロットでも操縦しやすく安全で,九大の強みを生かした琵琶湖唯一の新しい形状で,大会に出場できかつ優勝も狙えるような機体

ちなみにQX-20では,設計要求に「九大の強みを生かした琵琶湖唯一の新しい形状」と入っているので機体形状の選定から概念設計を行ったが,昨年度の機体のマイナーチェンジならこの設計段階は飛ばしても構わない

設計・製作スケジュール

重要なことは,新形状に挑戦するならスケジュールの都合上概念設計はコンセプト会議までに終わらせておく必要があるということである

例年機体の概念設計は,大会終了後の8月初めに昨年度の反省会ととともにおこなわれるコンセプト会議にて決定される.機体のマイナーチェンジ程度ならここから設計(基本設計)を開始して問題ない.

8月~10月にかけて設計を仕上げ,その間部員たちは各班ごとに機体の改良を目指した試作に励む

構造設計のリミットは桁焼きが始まる10月,空力設計のリミットはリブの製作が始まる年明けまでといったところだろう(もちろん早く終わるに越したことはない)

一方,新形状に挑戦するには例年通りの機体製作を進めながら新形状の製作・試験を行わなければならなず,上で述べたスケジュールでは到底間に合わない

そのためQX-20の設計スケジュールは例年よりも大幅に早めてある

QX-19の鳥コンまでに概念設計を固めQX-20の班長,パイロット,代表に製作方法,スケジュールなどについて相談した

2019年8月11日に行われたコンセプト会議までには一通り基本設計まで済ませ,コンセプト会議では新形状のCADデータ,製作スケジュール,製作方法とともにプレゼンし,「概念設計の承認を得る」という形で会議を進めた

新形状に挑戦するにあたって議論の焦点になるのは

  • 本当に性能が上がるのか
  • 実際に製作できるのか

であり,この2つをいかに部員に納得させるかが重要になる

以下に,コンセプト会議で提案したスケジュール案とCADデータを紹介する

全体:
夏休み中の1か月半で低翼左右対称機の試作として練習機T-18を作り変える.胴接パイプとかは去年の試作桁を使う予定なので練習機の胴接を切り落として試作桁を適切な長さにカットして焼く.胴接を焼く必要はないのでそんなに準備に時間はかからない気がする.
今ある窯で焼けるかどうかわからないが,今ある窯で焼けるように設計するか,どうしようもないなら新しく窯を作る必要がある(窯の新調は手間も時間もかかるのであまりやりたくない)
後期が始まったら学祭に向けて機体の修復とリブ材後縁材焼きの準備,2番桁焼きの準備に入る.桁のマンドレルは10月-12月の3か月使って準備できるのでちょっとは余裕あるはず
もし2番桁焼きを12月の最初のほう(秋学期の期末試験後)にもって来れれば,クリスマスに本番機の胴接焼きをするのもあり.0番と1番を使いまわすなら機体中心は既に決まっているので全挿しを待たずして胴接焼きができる
2番桁を焼き終わったら年内に線引きを終わらせて,年明けた1月に挿ししろ調整を終わらせる(今年は1-2接合の2か所のみ)
試験が終わって春休みに入ったらすぐに全挿し→荷重試験.うまくいけば荷重試験が2月中に終わるのでは?
T字尾翼にしたら尾翼の取付焼きがなくなるので荷重試験後すぐに基準リブを作り始めれる.(QX-19では基準リブを付け始めたのは3月20日以降)

主翼:
夏休みの最初に主翼の修復.そうすれば学祭までの2か月の間作業場を広く使える.(というか現状作業場に試作翼を置くスペースがない)修復個所も0番翼のプランクと他数か所程度
機体の修復が終わったら今ある翼を上の倉庫にもって上がって試作開始.試作内容は8月8日(木)の会議で決定
試作が終われば今年の設計はもう決まっているのでflatの型紙作りを始められる
後期は2番桁焼きの準備と型紙作りを並行して行っていければ理想

尾翼:
夏休みはT字尾翼のための垂直尾翼の作成.マンドレルをいくつか抜いて積層して焼く.型紙作りからプリプレグカットまでやらなければいけないのでちょっと時間がかかりそう.10月いっぱいをめどにするくらいかと
10月末くらいに尾翼試験を持ってきて,そこでT字尾翼が動かなかったらT字尾翼はあきらめる?
逆に10月末の尾翼試験が成功したら垂直尾翼はそのまま本番機にも使用する予定なので,春に垂直尾翼を作る必要は無くなる

電装:
10月末のT字尾翼試験に向けてリンクの設計
ラダーとエレベーター,どれを動かすかはパイロットと相談しながら早めに決定する

カウル:
夏休みの最初にパイロットと合同で胴接の寸法を決定
のちのち製作の時に後悔しないようしっかり話し合いたい
夏休み中に練習機の胴接焼きが終わる予定なので,その実物を見ながら設計を始めてもらえれば

脚:
今回の機体形状の変更で特に変わることはなし
ただ,0番を使いまわすとすると今年は脚マウントの取付焼きがなくなるので,来年以降困らないよう脚マウントの取付焼きの資料を作っておくといいかも

乗り込み:
夏休みの最初にパイロットと合同で胴接の寸法を決定.
のちのち乗り込みの時に干渉すると困るのでしっかり話し合いたい
機体形状の変更で乗り込みの仕方も若干変わるし,パイロットもテール持ちも初めてなので早めに練習を開始したい
できれば夏休みにでもテール持ちを募集して,練習機の改造が終わるのと同時に乗り込み練を開始したい.秋にはTFも行う?

コンセプト会議で紹介したCADデータ

機体の特性

飛行速度と翼面荷重は,鳥コン滑空機の特性を決定づける重要な要素になる

翼面荷重と飛行速度の関係は次の記事(≫滑空機の最適重量についての考察)も参考にしてほしい

簡単に関係をまとめると次のようになる

背風~無風なら低翼面荷重低速機,正対風なら高翼面荷重高速機のほうが有利で,当日の天候次第ではどちらも優勝しうる機体であるが,基本的に昼間の琵琶湖では湖から陸に向かって風(正対風)が吹くことが多いので,琵琶湖で好記録を出している機体は高翼面荷重高速機が多い

ただ,高翼面荷重高速機は必然的に離陸速度も大きくなり,プラットホームから発進した時点で対気速度が足りなければ機体は強制的に水面に向かって突っ込んでいくことになる

そこから適切なタイミングで機体を引き起こし,正確な当て舵を打ってホップせずに巡航状態に移行するのは至難の業である(個人的には,相当なハングの練習を積むか,複数回大会に出場していなければ不可能なレベルだと思う)

パイロット1年目でも確実にフライトできる機体ということで,QX-20では発進の難易度の低い「低翼面荷重低速機(棒飛び機)」を目指して設計した.(最終的には,棒飛びよりの中翼面荷重中速機に落ち着いた)

主翼

主翼の形状は,以下のような種類がある

Aircraft Design: A Systems Engineering Approachより引用

優勝を目指すということで,スパンに制限があるときに用いられる複葉機は却下

可変翼機は最高にロマンが詰まっているが,さすがに変態すぎるので却下

中翼機はパイロットの脇腹に穴をあけるか胴体に素敵な構造を採用しなければいけないので却下

ということで主翼の形状で考えるべきは主翼の取付位置(低翼,高翼)ということになる

低翼,高翼のメリットとデメリットをまとめた表を以下に示す

ざっと思いつく限りこんな感じである

高翼機の設計製作の経験がないので低翼機の上方に偏っているかもしれないことに注意してほしい

  • 地面効果→主翼から着水する低翼機のほうが有利
  • 干渉抗力→中翼機>高翼機>低翼機の順で有利
  • 上反角効果→胴体の影響で高翼機>低翼機.しかしあれだけスパンが長い機体ならほぼ無視できる差な気もする
  • 縦の安定→低翼機>高翼機.迎角が増加して主翼の抗力が増加したときに,低翼機は頭下げ,高翼機は頭上げのモーメントを生むため
  • 尾翼の性能→低翼機のほうが主翼よりも高い位置に尾翼を配置しやすく,主翼の後流の悪影響を受けにくいので有利
  • 脚の長さ→低翼機のほうが助走時に主翼と地面の距離が近いので有利.脚をつけられるという利点はかなり大きい
  • 発進時の重心→高翼機のほうが高く,位置エネルギーを稼げるので有利.初速5.0 [m/s]で重心位置が0.3 [m]高いことは,初速が約0.5 [m/s]大きいことと等価
  • 発進時の速度→低翼機で脚がついていれば,パイロットは機体を支える必要はなく前方への加速のみに力を注げるので低翼機のほうが有利
  • 発進時の難易度→低翼機で脚がついていれば,助走の時に機体がロールすることもなく,テール保持者はテールの上下だけに気を遣えばいいので有利
  • カウルの自由度→低翼機のほうが有利.高翼機はパイロットを吊り下げるためのアルミ胴体フレームが必要だが,低翼機は主翼桁の上に乗るのでパイロットを包めれさえすればいい
  • フレーム重量→同上
  • 胴体接合の構造→低翼機はパイロットをよけて胴体を接合する必要があり複雑なので高翼機のほうが有利
  • 着水後の安全→着水後にカウルが水没することがないので低翼機が有利.旅客機に低翼が採用されている理由でもある
  • 下方視界→パイロットの下方を妨げるものがないので高翼機のほうが有利
  • 翼端視界→パイロットの上方を妨げるものがないので低翼機のほうが有利

QX-20では,地面効果が大きい,脚を取り付けることで発進が容易になる,カウルの自由度が高い,着水後にもパイロットの安全が確保される,単純にかっこいいという理由で低翼機を採用した

胴体

低翼機で問題となるのは,パイロットと胴体の干渉をどのようにして防ぐかである

QX-03から続く低翼左右非対称シリーズは,文字通り胴体と主翼の接合部を機体中心からずらし斜めに胴体を生やすことによってパイロットとの干渉を防いできた

構造が単純である代わりに斜めに生えた胴体による抵抗の増加と尾翼の構造の複雑化や取り付けの難しさが問題になっていた

QX-20では左右対称胴体を採用し,胴体接合部を2股に分けてパイロットとの干渉を防ぐ構造に変更した

問題点は重量の増加(2㎏程度)と見ての通り構造の複雑化である

初期の構想

ちなみに代替案として片持ち式も考えたが,なんか嫌だったので却下した

なんか嫌

尾翼

尾翼の形状には以下のようなものがある

Aircraft Design: A Systems Engineering Approachより引用

初めてのパイロットでも安全に飛行できるようにということでカナードや無尾翼は却下し,主翼の後ろに尾翼を付ける形式にした

ここまでで低翼高胴は確定していたが,これが「九大の強みを生かした琵琶湖唯一の新しい形状で,大会に出場でき」るかといわれると少し弱いような気がしたので,新たな尾翼形状を検討した

V尾翼やH尾翼は近年の琵琶湖でもたまに見かけるので却下し,T字尾翼を採用することにした

T字尾翼のメリットとデメリットを以下に示す

降着装置(乗り込み方式)

乗り込み方式は次のようなものを検討した(勝手に命名)

  • 乗り込み式→機体に固定されたフレームにパイロットが乗り込む形.現在の主流
  • 吊り下げ式→機体からパイロットを吊り下げる方式.ハンググライダーに近い
  • リカンベント式→パイロットが操縦席に腰掛ける方式.実機のグライダーに近い

QX-20のパイロットはハング経験者であり低翼機で吊り下げ式は使えないので,乗り込み方式は「乗り込み式」を採用した

現在の鳥コンでは乗り込み式が主流であるが,QX-01~QX-02で採用されていたリカンベント式を復活させるのも非常に魅力的な選択肢だと思う

QX-01の三面図

リカンベント式には2つのメリットがあると考えている

1つは操縦や乗り込み方式が実機のグライダーに近いという点である.

パイロットは実機のグライダーに登場したり,ラジコンなどで操縦の練習ができる

2つめは車輪がついているため離着陸ができるという点である.

現在の機体は着陸ができないため飛行試験は10数人で機体を担ぎ,走るという方式をとっている.機体を多少浮かすことはできても地面に落とすことはできないためパイロットに自由なフライトを経験してもらうことができない.

リカンベント式なら着陸が可能なので,ペラ機が行っているTFのように,トーイングしながらの滑走試験,ジャンプ試験・・・と段階を踏んでいけばかなり実践に近い飛行練習が可能になるのではないかと思う

年に1度しか実機でフライトするチャンスがない鳥コン滑空機において,実践に近い飛行練習ができるという利点は計り知れないと思う

後輩の皆さんはぜひ積極的に検討してもらいたい

構造

鳥コン滑空機の構造様式には,外注CFRPパイプ,自作CFRPパイプ(アルミマンドレル),自作CFRPパイプ(発泡マンドレル),木製ボックス桁がある

木製ボックス桁の製作の経験がないので,木製ボックス桁については以下の文献に頼ることになる

バードマンラリー滑空機の飛行試験および性能解析について 第4回スカイスポーツシンポジウム
鳥人間滑空機新記録飛行の報告 第7回スカイスポーツシンポジウム
ミタカモバラホームページ

構造についてはこのブログもよい(この記事を書いている最中に発見した.できれば半年前に読んでおきたかった)

Flight Logbook

それぞれの構造様式の特徴を以下にまとめる

  • 外注CFRPパイプ→最大の利点は製作期間の短さ(実質0)とプロが行う作業の正確さ.弱点は設計の自由度の低さ
  • 自作CFRPパイプ(アルミ)→アルミマンドレルを使用するため1回の焼きは1週間弱で完成する.設計の自由度はアルミマンドレルの径に依存するのでやや低め
  • 自作CFRPパイプ(発泡マンドレル)→断面が閉じていれば理論上どんな形状でも製作可能という圧倒的設計の自由度を誇る.そのかわりに1回の焼きに1か月程度かかってしまう
  • 木製ボックス桁→10年近く運用できる長寿命,修理のしやすさ,そしてCFRPパイプとは比較にならないねじれ剛性を有する.一方,製作にはかなりの時間(年単位)を要し,必要な技術も高度なもの

QX-20では製作スケジュール短縮を目的に0番桁,1番桁,胴体桁を使いまわしたため,必然的に主翼の2番桁の構造は自作CFRPパイプ(発泡マンドレル)を採用した

水平尾翼桁はQX-18までは外注CFRPパイプを用いていたが,QX-19からはスパンの増加に対応できる外注桁が見つからなかったため自作CFRPパイプ(アルミマンドレル)を採用した

垂直尾翼の構造には発泡マンドレルの自由度の高さを生かしたCFRPのDボックス構造を採用した

ちなみにこのDボックス構造は行き当たりばったりで採用したのではなく,2019年3月にDボックスの試作を行い製作できるという自信をもって採用した

九大の主翼桁には昔から上下方向に長い楕円断面テーパー桁が用いられているが,真円桁に比べてさらにねじれ剛性が小さいことがネックになっている(その分断面積も小さく重量が抑えられるというメリットもある)

機体重量と曲げ剛性との相談になるが,前後に長い楕円にすることで限られた桁厚でねじれにかなり強い桁が作れると考えられる

さらにQX-20では発泡マンドレルを翼型に成型することに成功したので,主翼桁をDボックスとはいかないまでも,ボックス桁に近い構造にすることが可能になったと思う

木製ボックス桁は長寿命であることと高いねじれ剛性が魅力であるが製作に時間がかかるため,同じメンバーで数年にわたって活動することを考えているチームにはうってつけの構造である(いつか作ってみたい)

逆にメンバーの入れ替わりの激しい学生チームはCFRPパイプの製作期間の短さを利用して,毎年少しずつ,確実に改良を加えることで木製ボックス桁に対抗していくことになる

操縦方法

鳥コン滑空機の操縦方法には次のようなものがある

  • 縦の操縦 → エレベーター or 重心移動
  • 横・方向の操縦 → ラダー (or スポイレロン or エルロン)

縦の操縦をエレベーターで行うか重心移動で行うかは完全にパイロット次第と考えていい

実際,2019年度の大会では日本大学生産工学部津田沼航空研究会が重心移動で446.42mを飛び優勝,Iwataniクリーンエネルギーチームがエレベーターで431.34mを飛び準優勝を飾っている

パイロットがハング経験者なら重心移動,グライダーやラジコン経験者ならエレベーター,というような決め方でも構わない

重心移動とエレベータの特徴を以下に示す

重心移動のメリットは構造が簡単なこととトリム(飛行速度)の調整が容易なことだと思う

重心移動に必要な構造は,パイロットが体重をかけても壊れない板と重心移動するためにつかむ場所だけである.飛行速度の調整も重心位置を無段階に調整できると考えれば不可能ではない

重心移動のデメリットは重心が移動することである

具体的にいうとピッチアップが過敏すぎてピッチダウンが鈍い.理由は簡単で,ピッチアップするために重心を下げると安定余裕が小さくなり,ピッチダウンするために重心を前に出すと安定余裕が大きくなるからである

それともう一つ,ハンググライダーと鳥コン滑空機は全く別の乗り物であるということも注意しておく

エレベーターのメリットは,上で述べた安定性の変化がなく入力に対して応答が線形に得られることと,実機のグライダーやラジコン,フライトシミュレーターなど練習できる環境が多いことがあげられる

デメリットはエレベーターを動かすためにワイヤリンケージかフライバイワイヤの装備が必要なこと,トリムの微調整が難しいこと(ラジコンを飛ばせばわかる),尾翼を動かすたびに抵抗が増加することがあげらる

とはいえエレベータの抵抗増に関しては,2019年の大会において重心移動でもエレベーターでも400mを超えられることは証明されている

横・方向の操縦についてはほとんどラダー一択と考えて差し支えないと思う

エルロンを搭載しなければいけないほど旋回するわけでもないし,抵抗を減らすことに魂を注いでいる滑空機でスポイレロンを搭載するのもよくわからない

とはいえラダーと上反角を使った効率が悪く,なるべくラダーは切らないに越したことはない(これもラジコンを飛ばせばわかる)

QX-20では,パイロットがハング経験者であることから縦の操縦に重心移動,横・方向の操縦にラダーを採用した

まとめ

QX-20の機体形状は以下のように決まった

  • 低翼面荷重低速機(棒飛び機)
  • 製作工程削減のため使いまわせるものは最大限使いまわす
  • 低翼
  • 高胴(左右対称)
  • T字尾翼
  • 乗り込み式
  • 主桁は自作CFRPパイプ(楕円テーパー付き),水平尾翼桁はアルミマンドレルの自作CFRPパイプ,垂直安定板はカーボンDボックス
  • 重心移動とラダーで操縦

初期三面図は次のようになった

概念設計が終了したら,この設計が最初の設計要求を満たしているかの確認作業を行うといい(Conceptual Design Review: CDR)


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