研究内容

1.翼型上に生じる層流剥離泡に関する研究/翼型失速の制御に関する研究

層流境界層が剥離して形成される剥離剪断層は、 乱流へ遷移し、その後壁面へ再び付着する場合があります。 この流れは剥離渦と呼ばれています。 翼の上に生じた剥離渦(層流剥離泡と呼ばれる)は、 翼の失速特性に大きな影響を与えます。 この問題は粘性流体力学的にも、 翼型設計上でも重要な問題なので精力的に研究を続けています。 最新の流体計測装置を駆使した風洞実験によって、 翼型上にできる層流剥離泡の内部流れの解明と翼型失速の制御を目指しています。 詳しくはこちらのPDFをご覧ください。

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翼型上の剥離流れの可視化(気流は左側から) 翼型上の剥離泡の平均流速分布 翼型上の剥離流れの乱れ応力計測結果

2.超音速機の低速特性改良についての研究

超音速旅客機に用いられるデルタ翼は、 離着陸時の大迎角飛行の際に、 翼上に前縁剥離渦と呼ばれる渦を生じます。 これが原因となって望ましい空力特性が得られません。 これを改良するための手段としてボルテックス・ フラップと呼ばれる高揚力装置の一種に関する研究を行っています。 風洞実験と翼理論の両面から研究しています。 また超音速機が高い迎角をとったときは特徴的なロール運動を起こす事が知られています。 この面からも研究を行っています。

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SST模型を用いた風洞実験

(JAXAとの共同研究)

SST主翼上に生ずる前縁剥離渦の可視化と速度計測

3.航空機設計法に関する研究

航空機の概念設計では、 過去に作られた機体に関する統計データを多用するのが一般的です。 これに対して、 概念設計の段階から詳細な空力設計法を活用して精度の高い設計を行うことを目指しています。 航空機空力設計法と航空機概念設計法を組み合わせて、 効率的に航空機設計を行うことのできる設計ツールの検討を行っています。

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機体設計例

4.超小型航空機の空力特性と設計法に関する研究

スパン長200mm以下程度のMAVは、 非常に低いレイノルズ数で飛行するため、 通常の航空機とは異なる空気力が働きますので、 MAVに特化した空力特性ならびにMAVよりは大きな機体 (UAV)の機体設計に関する研究を行っています。

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MAV例

レイノルズ数6.5×104における

MAV主翼の流れの可視化

 

5.航空機パイロットのワークロード、フライトマネージメントに関する研究

パイロットが操縦する際に精神的な負荷がかかり (ワークロードと呼ばれます)、 これを如何に低下させるかが、 安全な運航のために重要となります。 パイロットは、訓練や経験を通じて、 このワークロードを低減し、 安全で正確な操縦ができるようになっていきます。 計器飛行方式で航空機を操縦する際のパイロットにかかる負荷 (ワークロード)を用いて調べることによって、 安全な飛行が実現される操縦について研究を行ってきました。 下の写真は軽飛行機の操縦に関わる試験の様子です。 現在はエアラインパイロットのフライトマネージメント能力について調べています。

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パイロットの視野に映った計器類
飛行実験風景
 

6.直交格子法を用いた圧縮性流体解析コードの研究開発

数値流体解析手法の基礎は1980年代から90年代にかけて構築されました。 しかし実際の航空機設計で利用されるようになってきたのはごく最近のことで、適用範囲も主に巡航性能推算に限られています。 未だに、離着陸時の性能推算、特に高揚力装置や補助翼の性能推算を行うには、いくつかの課題が残されています。 また、航空機が発生する騒音を直接数値流体力学により予測する研究も近年盛んに行われるようになってきました。 これらの課題に適用可能な流体解析ツールについて研究しています。

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遷音速で飛行する航空機周りのマッハ数分布
二次元円柱周りの非定常流れから放射される音
 

7.航空機騒音予測とその低減法に関する研究

航空機騒音はエンジンや機体空力騒音が支配的な騒音源であることが知られていますが、各騒音源は異なる性質を持っています。 例えば、ジェット騒音は、機速の増加と供に減少するのに対し、機体空力騒音は逆に増加します。 また、騒音は飛行経路、運行方式、気象や空港周辺の地形など様々な要因が絡み合っています。 これらの現象を統合的に扱える予測ツールを構築し、航空機設計の上流で利用することで、 新しい航空機設計の可能性について検討します。
図はエンジンを胴体上部に配置し、V-tailにエンジン騒音の遮蔽効果をシミュレーションしたものです。 V-tailによる遮蔽効果を確認できます。

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8.航空機の動的応答解析に向けた風洞実験方法の研究

設計初期段階で動的安定微係数を推算し、より革新的な航空機設計に供することを目的として、 利用しやすい動的風洞試験の確立を目指します。 従来の動的風洞は模型、模型の駆動機構、計測系等システムが大掛りになり、 数多くの機体形状の検討が必要な設計初期段階ではコスト・時間の制約から実施されてきていないのが実情です。 従来、航空機空力性能評価に使われる計測系は非常に高価ですが、小型化、軽量化、低価格化、低電力な計測系の構築 を可能とする多指ロボットハンドに利用されるMicro Electro Mechanical Systems(MEMS)技術を利用して、 空気力学と飛行制御の融合を目指します。
図は風洞内で迎角を変化させながら空気力を計測し、 リアルタイムで運動方程式とのカップリングを行った飛行シミュレータとその結果です。

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参考文献

層流剥離泡関係

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SSTの空力関係

[1]Rinoie, K., Shirotake, M. and Kwak, D.Y., "Vortex Behaviors of Rolled Supersonic Transport Configuration with Leading-edge Flaps," J. Aircraft, Vol.43, No.6, pp.1904-1913, 2006.
[2]Kwak, D.Y., Noguchi, M., Shirotake, M. and Rinoie, K., "Rolling Moment Characteristics of Supersonic Transport Configuration At High Incidence Angles," J. Aircraft, Vol.43, No.4, pp.1112-1119, 2006.
[3]Rinoie, K., Miyata, K., Kwak, D.Y. and Noguchi, M., "Studies on Vortex Flaps with Rounded Leading-Edges for Supersonic Transport Configuration," J. Aircraft, Vol.41, No.4, pp.829-838, 2004.

航空機設計関連

[1]町田泰亮、李家賢一:単発ターボプロップ機の最適概念設計について、日本航空宇宙学会論文集、Vol.52, No.606, 2004, pp.295-301.
李家賢一、圓谷 悠、学部教育用航空機概念設計サイジング法について、日本航空宇宙学会論文集、Vol.51, No.597, 2003, pp.585-588.
[2]河井俊之、李家賢一、境界要素法を活用した航空機概念設計法について−大学における設計教育への適用−、日本航空宇宙学会論文集 Vol.51, No.594, 2003, pp.371-379.

MAV空力関係

[1]手塚亜聖、砂田保人、李家賢一:超小型飛行機のレイノルズ数領域における4%キャンバー翼型およびNACA0012翼型の空力特性、日本航空宇宙学会論文集、Vol.57, No.665, pp.258-265, 2009.
[2]Tezuka, A., Sunada, Y. and Rinoie, K., "Surface Pressure Distributions on a 4% Circular Arc Airfoil at Low Reynolds Number," J. Aircraft, Vol.45, No.6, pp.2164-2167, 2008.

パイロットワークロード関係

[1]Yosuke Ide, Shin Ogawa and Kenichi Rinoie, "Evaluation on Flight Management Skill of Jet Airliner Pilots - A Case of Go-around-," Proc. 25th Congress of International Council of Aeronautical Sciences, Hamburg, Germany, Sep. 2006, ICAS-2006-9.10.4.
[2]本田健一郎、李家賢一、砂田保人、単独計器飛行時のワークロード評価法に関する研究、日本航空宇宙学会論文集、Vol.48, No.559, 2000, pp. 265-272.
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