JP6818052B2 - 風生成手段およびこれを備えた風試験施設 - Google Patents

Description

本発明は、風生成手段、および、このような風生成手段を備える、好ましくはドローン用、より好ましくは小型飛行体用の風試験施設に関する。

当該技術分野において、風洞は、様々な装置の空力性能をテストするのに非常に有用であることがよく知られている。これらの装置には、航空機の縮小模型、または、例えば尾翼のような、航空機の実物大の一部が含まれる。これら風洞のテスト工程は、通常、テスト対象物を空気流路に設置するステップ、高速の層流風プロファイルを生成するステップ、および流力に関する対象物の空力特性を算出するステップからなる。推測できるとおり、尾翼のテストには、飛行状況を作り出すための特別に大きい風洞と超高速の風速生成とが必要である。このようなテストを実現するために、従来の風洞は、通常、風プロファイルが平坦で層流の定常風を生成している。したがって、これらの風洞は、サイズおよび設置面積が大きい。また、それらのテストプラットホームには、変更を加える余地がほとんどない。

ここ数年、ＮＡＶ（Ｎａｎｏ Ａｉｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ナノ飛行体）、または、ＭＡＶ（Ｍｉｃｒｏ Ａｉｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ：マイクロ飛行体）とも一般的に呼ばれる、ドローンのような小型飛行体の利用がますます重要になってきている。したがって、従来の大型航空機と同様に、これらの小型（ナノまたはマイクロ）飛行体を、飛行性能を分析して改良するために風洞内でテストする必要がある。しかしながら、容易に理解できるとおり、これらの種類の小型飛行体のテストには、大型飛行体のものと比べて大きな違いがある。大型航空機の場合は、ウインドシア、渦、突風などの乱流を無視することができる。なぜなら、これらの現象は、大型航空機にはほぼ影響しないからである。一方、これらの現象は、ドローン等のような小型飛行体には重要な影響を及ぼす。なぜなら、ウインドシアおよび突風は、飛行中の小型飛行体の挙動を実際に変えてしまうからである。したがって、従来の風洞では、ドローン等のようなこれらの新たな小型飛行体に対応することができない。そのため、使用時に小型飛行体が遭遇し得る特定の風状況を生成可能で、これらの新たな小型飛行体に対応した風試験施設が必要である。

多くの風洞にはダクトが設けられており、これは、流れが、固体壁を有する様々な導管を通って伝達されることを意味する。テストモデルがスティングまたはプラットフォームにしっかり取り付けられる従来のテストにとっては、壁の有無は問題ではない。しかしながら、自由に飛行するドローンでは、壁は衝突の危険を招く。

従来の風洞方法論では、テスト対象物の周りを流れる風によって発生した力を測定する変換器を用いることで空力性能を評価している。そうするためには、テストモデルを、風洞構造物に固定されている変換器にしっかり取り付けなければならない。このような構成では、テストモデルは自由に飛行することはできない。当然のことながら、どのようにすれば係留されていない飛行モデルで流力を測定できるのかは推測し難い。

上記課題に鑑みて、本発明者らは、これらの課題への技術的解決策を探し求め、以下に記載する本発明を実現した。

したがって、本発明の第一目的は、ドローン等のような小型飛行体が、例えば都市環境または田園環境などでの実際の飛行状況でさらされる風プロファイルと同様の風プロファイルを容易に生成できるように構成された風生成手段を提供することである。

より具体的には、本発明のさらなる目的は、非層流の風の流れ、または、鉛直分布に変化のある風、突風、乱流、悪天候などの典型的な乱流状況を容易に生成できるように構成された風生成手段を提供することである。

さらに、本発明の別の目的は、ドローンとも呼ばれる小型飛行体が、損傷する危険性なく、制約を受けずに飛行することができる風試験施設を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、自由に飛行する飛行体の空力性能を測定する方法論を提供することである。

最後に、本発明のさらに別の目的は、利用および操作し易く、容易に変更を加えて特定の飛行体またはテストシナリオに対応できる、小型飛行体用のモジュール式風試験施設を提供することである。

本発明の第１態様は、風生成壁を形成するように少なくとも第１方向および第２方向に沿って互いに隣り合って設けられる複数の風生成部を含む少なくとも１つの風生成壁を備える風生成手段に関する。各風生成部は、個別に制御される少なくとも２つの通気部（１１１）によって構成される。少なくとも１つの制御部は、各風生成部に対して、風生成部に含まれる複数の通気部それぞれを個別に制御するように構成される。各通気部が個別制御可能であることにより、空気流路における特定の風プロファイルを生成した上で、その特定の風プロファイルに、空間的変化および時間的変化のいずれをも付けることができる。したがって、ウインドシアおよび突風を生成したり、テスト中に乱流の種類を変更したりすることができる。また、各通気部では少なくとも２方向の制御が相互に独立してなされるので、どんな種類の乱流も容易に作成することができ、その乱流レベルは、遮蔽物またはかくはん器を用いることなくリアルタイムで調整可能であり、渦の流れ構造の大きさは、小型飛行体のサイズに応じて調整可能である。複数の風生成部は、風生成壁のサイズおよび形状を変更できるように、着脱可能に互いに取り付けられる。これにより、風生成手段のモジュール方式は、テスト対象のドローンに合わせられるが、テストを実行しなければならない環境の種類にも合わせることができるので、非常に優れている。

本発明の好適な実施の形態において、各通気部は、直列に取り付けられた２つの互いに逆回転する通気ファンで構成される。したがって、制御できない不要な乱流の発生を低減する。

好ましくは、風生成手段は、さらに、空気流路内に、ハニカム構造を有する第１フレームと、複数の風生成部に取り付けられた複数の均質化チャンバを設ける第２フレームとを備える。これらのシステムは、ファンで発生した不要な渦用のフィルタのように作用し、また、各風生成部の風プロファイルをより均質にして、テストにおいてより正確なデータを取得できるように、また、風の生成をより適切に制御できるようにする。

本発明の好適な実施の形態において、各通気部には、個別の均質化チャンバが設けられる。これにより、各通気部の風プロファイルは、より一層均質になる。

本発明の第２態様は、本発明の第１態様に係る風生成手段を備える、小型飛行体用の風試験施設に関する。

本発明の好適な実施の形態において、風試験施設は、さらに、風試験施設に対する小型飛行体の位置を検出するように構成された小型飛行体用位置検知手段を備える。したがって、風洞内において、ドローンを制御下に維持することができる。

好ましくは、小型飛行体用位置検知手段は、ビジョンカメラシステム、およびアクティブＧＰＳ信号機のような飛行体組み込み型センサのうち少なくとも一方を備える。これにより、ドローンはスティングまたは力測定機器を必要とせず、テスト中、自由に飛行することができる。

本発明の好適な実施の形態において、風試験施設は、好ましくは、小型飛行体用のドローンエンジン、加速度計、およびドローン内部のジャイロスコープからのデータに加えて、小型飛行体に作用する空力を位置検知手段の信号に基づいて算出する算出手段をさらに備える。したがって、リフト、抗力、モーメント、安定性などといったドローンの空力性能を、天秤または従来の力計測機器の補助なしで容易に評価することができる。

有利には、風試験施設は、さらに、空気流路内に気象状況を導入するように構成された特定気象状況生成手段を備える。これにより、ドローンの空力性能結果は、よりいっそう正確なものになりやすい。

好ましくは、空気流路はオープンダクト式風洞である。したがって、小型飛行体を損傷させる危険性がない。

好適な実施の形態において、風生成手段はピボット手段を備える。これにより、風生成手段の少なくとも一部は、空気流路の方向を変更するように可動である。

ここで、本発明の好適な実施の形態について、付属の図面を参照しながら説明するが、これらの図面は、説明のためのものであり、これらに限定されるものではない。
図１Ａは、本発明に係る風生成手段の好適な実施の形態の斜視図である。 図１Ｂは、本発明に係る風生成手段の好適な実施の形態の様々な幾何学的構成および配置である。 図２は、本発明の好適な実施の形態に係る風生成部の斜視図である。 図３Ａは、本発明の第１態様に係る風生成手段を備えた、小型飛行体用の風試験施設の側面図である。 図３Ｂは、本発明の第１態様に係る風生成手段を備えた、小型飛行体用の風試験施設の側面図である。 図３Ｃは、本発明の第１態様に係る風生成手段を備えた、小型飛行体用の風試験施設の側面図である。

ここでは、用語「小型飛行体」が好適に用いられているが、この用語が指すところは飛行物に限定されるものではない。この用語はより包括的に、そのままで実際の風状況テストが重要であって、当該テストで挙動が空気に影響されるあらゆるテスト対象物を指す。

図１Ａは、本発明に係る風生成手段１の好適な実施の形態の斜視図である。

この図に示されるように、風生成手段１は単一の風生成壁１´を備え、当該風生成壁１´は、風生成壁１´を形成するように、矢印Ｙで示されるここでは水平な第１方向と、矢印Ｘで示されるここでは垂直な第２方向とに沿って互いに隣り合って設けられる、または、積層される複数の風生成部１１を備える。当該風生成部１１は、ここでは３５個だが、本発明はそれに限定されない。なお、これらの方向は、真っ直ぐである必要はなく、例えば、風生成壁１´が図１Ｂに示すような湾曲形状の場合、湾曲していてもよい。ここで述べる空気流路は、風生成手段１を用いることによって風プロファイルに変化が付けられる可能性のある空間に関する。容易に推測できるとおり、風生成手段１には、風生成手段１の下流である吹出側と、風生成手段１の上流である吸引側とがあり、いずれも空気流路の一部である。これは、空気流路があるのは風生成手段１の片側または両側でもよく、空気流路は風生成手段１と実際に交差することを意味する。

図１Ｂから理解できるとおり、風生成手段１は、複数の風生成壁１´を備えてもよい。各風生成壁１´は、着脱可能に互いに取り付けられて風生成手段１を形成する所定数および配置の風生成部１１を備える。当該風生成壁１´は、ここでは３個である。より具体的には、図１Ｂから分かるように、複数の風生成部１１は、風生成手段１のサイズ、形状、および構造を変更できるように、着脱可能に互いに取り付けられる。したがって、風生成手段１は、持ち運びできるほど小さくなるように構成可能であるし、または、所定の空間に合う形状に構成したり、もしくは、例えば、図１Ｂに示した同じ風生成手段１内において互いに垂直な別々の風生成壁１´を設けるよう構成したりすることさえ可能である。図１Ａは、ほぼ正方形の風生成手段１を示している。しかしながら、本発明はそれに限定されない。図１Ｂに示すように、壁１´は、飛行体の実際のサイズ、または所望の風状況の種類に応じた、いかなる希望の形状またはサイズでもよい。風生成どうしを取り付けるのに用いられる着脱可能な固定手段は図示しておらず、従来知られるところのいずれでもよく、限定されない。

図２は、本発明の好適な実施の形態に係る風生成部１１の斜視図である。図から分かるように、図１に示された複数の風生成部１１の各風生成部１１は、少なくとも２つの通気部１１１を備える。図２の風生成部１１は、３行３列で配列された９個の通気部１１１で構成されているが、本発明はこの構成に限定されず、この構成と異なっていてもよい。例えば、風生成部１１は、少なくとも２つの通気部１１１で構成されてもよい。また、各通気部１１１は、直列に取り付けられた２つの互いに逆回転する通気ファン１１１１、１１１２で構成されてもよい。直列に取り付けるとは、風流路に沿って隣り合うように配列または取付されることである。どんなタイプのファンが用いられてもよい。本発明を限定するものではないが、風生成手段１は１平方メートル当たり１００個以上の通気ファンを備えてもよく、これによって、大きな風力が得られ、また、風プロファイル調整が可能になる。この風生成手段１により、ユーザは、５０ｋｍ／ｈ超から１００ｋｍ／ｈまで、またはそれを上回る風速を得ることができる。

また、図２から分かるように、風生成手段１は、より好ましくは風生成部１１のそれぞれが、空気流路内に、ただし好ましくは通気部１１１の上流側に、ハニカム構造を有する第１フレーム２と、風生成部１１に取り付けられた複数の均質化チャンバ３１を設ける第２フレーム３とをさらに備える。好ましくは、各通気部１１１に個別の均質化チャンバ３１が設けられる。

図示されていないが、制御部は、本発明の鍵となる一特徴であり、各風生成部１１が生成する風の物理的特性、例えば、力、速度、強さ、温度変化、圧力、方向などを第１方向Ｙおよび第２方向Ｘに沿って変化させるように風生成部１１内の各通気部１１１を個別に制御して、特定の風プロファイルに空間的変化および時間的変化のいずれも加える。これにより、風生成部１１は、互いに異なるｎ個の風プロファイルを作成することができる。また、複数の風生成部１１の各風生成部１１は少なくとも２つの通気部１１１を備えるので、制御部は、風生成部１１内の各通気部１１１を個別に制御することもできる。制御部は、風生成部の外部から信号を受信し、この信号を処理し、コマンド信号を出力して通気部を制御する電子デバイスである。各風生成部には、適合する少なくとも１つの制御部がある。

図３Ａ〜３Ｃは、本発明の第１態様に係る風生成手段１を備えた小型飛行体６用の特別風試験施設４の側面図である。

ここでの風試験施設は、本発明の風生成手段１と、その片側（ここでは吸引側）に風洞ハウジングとを備える３イン１装置である。このハウジングは、上記３つの部分、つまり収束部、層流部、および発散部を備え、図３Ｂに示すように、通常の層流内でドローンをテストできる。風生成手段１の反対側は、矢印で示したような乱流内でドローンをテストできるオープンダクト式風洞である。図３Ａと図３Ｃとの違いは、ピボット手段に関して以下で説明する。

見てのとおり、ドローン６は、乱流用のファン吹出側（図３Ａ）、層流および定常流用の吸引側（図３Ｂ）、およびファン構造を傾けた傾斜風の中（図３Ｃ）に置くことができる。

より具体的には、図３Ａは、空間７内の矢印および曲線で表されるようなウインドシアおよび突風流でのドローンのテストを示している。これらのウインドシアおよび突風は、各風生成部１１による、時間および風力、またはさらに風向における個別制御により生成される。風向とは、個別制御によって、流れの方向を逆にするように一部の風生成部を制御できることである。空間７には境界壁がないので、ドローンは、乱気流路内で自由に飛行することができる。また、図示するように、風試験施設４は、さらに、風試験施設４に対する小型飛行体６の位置を検出するように構成された、小型飛行体６またはドローン用の位置検知手段５を備える。より具体的には、図示するように、小型飛行体用の位置検知手段５は、飛行体６をトラッキングする、例えば、ＶＩＣＯＮカメラシステムなどのような２つのビジョンカメラ５１、５２を含むシステムを備える。このシステムの代わりに、または、このシステムに加えて、位置検知手段５は、飛行体組み込み型センサ５３を備えてもよい。このセンサは物理センサでもよいが、当然のことながら、ドローンの位置および高度を表す生成ＧＰＳ信号でもよい。これらの検知手段５および施設４に備えられている算出手段により、好ましくは小型飛行体用のドローンエンジン、ならびに、エミュレートＧＰＳとして機能するドローン内部のジャイロスコープおよび加速度計からのデータに加えて、小型飛行体６用の位置検知手段５の信号に基づいて、小型飛行体６に作用する空力を算出することができる。

また、図示されていないが、風試験施設４は、さらに、空気流路内に気象状況を導入できるように構成された特定気象状況生成手段を備えることが好ましい。特定気象状況の例として、雨、霰、砂塵などがある。

図３Ａおよび図３Ｃから分かるように、空気流路は、空間７に位置するオープンダクト式風洞である。これは、空気流路がどんな種類の壁によっても制限されないことを意味する。風生成部１１は全て個別に制御され、最も外側にある風生成部１１は、小型飛行体６を空気流路内に維持するのに役立つ風を生成するように制御できることで可能になる。壁がないことにより、小型飛行体６は衝突の危険性なく、制約を受けずに飛行することができる。また、これらの障壁がないので、生成された気象状況によって施設が損傷を受けることはない。

図３Ｃに示す好適な実施の形態によれば、風生成手段１は、空気流路の方向を変更できるように可動のピボット手段を備える。より具体的には、図３Ｃにおいて、風生成手段１は、流路が水平になる鉛直姿勢から、流路が鉛直になる水平姿勢に回転していることが分かる。これは、あれば風生成手段１の動作を妨げていた壁がないことで可能になる。このようなピボット動作により、風生成手段１は、従来の風洞よりもかなり多くの状況のテストを実施することができる。ピボット手段は従来のものであり、自動コントローラおよびモータを備えるのが好ましいが、必須ではない。図３Ｃは、風生成手段１の９０°のピボット動作を示しているが、ピボットの角度はこれと異なり、流路の向きを変えるだけのものであってもよい。なお、図３Ｃは風生成手段１全体のピボット動作を示しているとしても、ピボット手段は、風生成壁１´として上述した風生成手段１の少なくとも一部分のみを、元の位置から動かない他の少なくとも一部分に対して動かせるように設けられてもよい。

図３Ｂは、試験施設４が、片側に、境界壁を備える層流ハウジング、つまり吸気区画と、流れの横断面の狭窄により風速が増す層流区画と、発散区画とを実際にさらに備える本発明の別の実施の形態を示している。したがって本施設は、従来の空力テストにも使用することができる。この速い層流の区画では、従来の風洞とは反対で、ドローンは天秤に取り付けられない。ここで、ドローンは、エミュレートＧＰＳ信号を用いて自律飛行する。ドローンの位置をトラッキングし、かつ内部センサからのデータを用いることにより、吹き出し側のテスト区画で述べたような空力特性を算出することができる。

本発明は、添付の図面で示された好適な実施の形態と関連付けて上述したが、説明または図示された実施の形態に限定されるものではなく、添付の請求項の範囲による。例えば、風生成手段１は、ファンのいかなる種類、壁のいかなるサイズまたは形状、または、生成される制御風プロファイルのいかなる種類にも限定されない。

Claims (11)

1. 少なくとも１つの風生成壁（１´）であって、
   当該少なくとも１つの風生成壁（１´）を形成するように少なくとも第１方向および第２方向に沿って互いに隣り合って設けられる複数の風生成部（１１）を含む少なくとも１つの風生成壁（１´）を備え、
   前記複数の風生成部の各風生成部（１１）は、個別に制御される少なくとも２つの通気部（１１１）を含み、
   前記複数の風生成部の各風生成部（１１）は、空気流路内の空間および時間の両方における任意の風プロファイルを生成し、かつ、前記各風生成部の生成された風の物理的特性を少なくとも前記第１方向および前記第２方向に沿って変化させるために、前記通気部（１１１）を個別に制御するように構成された少なくとも１つの制御部を含み、
   前記複数の風生成部（１１）は、前記風生成壁（１´）のサイズおよび形状を変更できるように、着脱可能に互いに取り付けられる
   風生成手段（１）。
2. 各通気部（１１１）は、直列に取り付けられた２つの互いに逆回転する通気ファン（１１１１、１１１２）で構成される
   請求項１に記載の風生成手段。
3. さらに、前記空気流路内に、ハニカム構造を有する第１フレーム（２）と、前記複数の風生成部（１１）に取り付けられた複数の均質化チャンバ（３１）を設ける第２フレーム（３）とを備える
   請求項１または２に記載の風生成手段。
4. 各通気部（１１１）には、個別の均質化チャンバ（３１）が設けられる
   請求項３に記載の風生成手段。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の風生成手段（１）を備える、
   小型飛行体（６）用の風試験施設（４）。
6. さらに、前記風試験施設（４）に対する前記小型飛行体の位置を検出するように構成された、小型飛行体（６）用位置検知手段（５）を備える
   請求項５に記載の風試験施設。
7. さらに、前記小型飛行体用位置検知手段（５）は、ビジョンカメラシステム（５１、５２）および飛行体組み込み型センサ（５３）のうち少なくとも一方を備える
   請求項６に記載の風試験施設。
8. さらに、前記小型飛行体用位置検知手段（５）の信号に基づいて、前記小型飛行体（６）に作用する空力を算出する算出手段を備える
   請求項５〜７のいずれか１項に記載の風試験施設。
9. さらに、前記空気流路内に気象状況を導入するように構成された特定気象状況生成手段を備える
   請求項５〜８のいずれか１項に記載の風試験施設。
10. 前記空気流路は、開放空間（７）である
    請求項５〜９のいずれか１項に記載の風試験施設。
11. 前記風生成手段（１）は、ピボット手段を備える
    請求項５〜１０のいずれか１項に記載の風試験施設。

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