やまめ工房の日記２

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2008年11月05日(水)

主翼以外の空気力

写真の公園サイズのHLGを風洞に入れた試験データです。
今回は脱着式の主翼を取り外した状態で胴体と尾翼だけが付いた状態のデータに成ります。
数値を比較する為に主翼を取り付けた全体の数値も記載しています。
図中の「実測」とあるのが主翼を取り外した状態の数値となります。

このグラフを見ると主翼以外の要素がどの程度全体に影響しているかを見る事が出来ます。
揚力係数は主翼面積換算で最大0.2程度。全機揚力の10～15％を負担している事になります。揚力を出しているのは全て水平尾翼と考えて良いでしょう。
揚力尾翼であることは間違いないですが主尾翼の面積比ほどの揚力負担はありません。水平尾翼のアスペクト比は小さく揚力傾斜が小さいからでしょう。実際の飛行では主翼の吹き降ろしで水平尾翼の迎角が小さくなるのでこのグラフよりのもっと揚力が小さく揚力負担も下がると考えられます。

一方抵抗係数は最小値で0.01程度、滑空時で0.02程度です。
全体に占める割合は20～25％で迎角が変わっても大きくその比率が変化する事はないようです。

競技用のもっと大きなHLGでは尾翼の面積比が風洞模型よりもずっと小さくなるので尾翼や胴体の空気力の比率はもっと小さくなる事でしょう。
性能を左右するのはやはり主翼の出来でほとんど決まる事を証明しています。

2008年08月07日(木)

失速直前の様子

迎角８°の失速直前の流れの様子です。
ハイポイント辺りで一度剥離して６０％位置ぐらいで再付着しているように見えます。
この程度の剥離（ショートバブル）では大きな抵抗増は無いようです。
この後９°～１０°で流れが剥離したままになり完全に失速します。

現在決まっているインドアのスケジュールです。

9/10　秋田樹海ドーム、カテ4公式記録挑戦
9/14　秋田樹海ドーム、自由な飛行会の予定（詳細は後日）
10/4　滋賀長浜ドーム、自由な飛行会

2008年07月07日(月)

下面フラット翼回りの流れ

久しぶりに風洞試験ネタです。
明石高専の小池教授との協同研究成果より小池教授の了解を頂いて当ブログにて一部を紹介しています。模型界には追って小池教授より発表される予定です。データの転載、引用は暫らくの間ご遠慮下さい。

下面フラット翼回りの流れの様子です。
レイノルズ数は30000で大型機の滑空に相当します。
上から迎角８°、１０°、１２°、１４°
８°でハイポイント以降が剥離しているのが確認できます。
１０°になるとふたたび付着しています。グラフでの凹みの部分がこの状態で見事に流れに現れています。
１２°で再び剥離が始ります。最大揚力係数の状態でしょう。
１４°では前縁から完全に剥離しています。

流れの可視化風洞では幅10ｃｍの両端が壁面の状態ですので誘導吹き降ろしによる迎角減少が無いため空気力測定グラフの迎角と比較すると微妙に失速角度が違ったりします。（違いは１～２°程度）

こうした流れの状態がはっきりと計測された事は本当に驚きました。
見事に空気が流れている事が確認されました。すばらしい実験です。
私が学生の頃はこうした流れの可視化技術がまだまだ未熟な時代でした。
すごい進歩です。

2008年07月01日(火)

楕円翼のみのポーラー

　　　　　　　　（データ転載、引用ご遠慮下さい）

写真の上反角の付いた楕円翼のみを風洞に掛けた時のＣＤ-ＣＬのポーラー曲線です。
機体に付けていた翼を外してそのまま天秤に取り付けて計測しました。
基本的には胴体と尾翼による空気力が差し引かれたデータになりますが
迎角は+１５°までとして十分失速域まで計測しています。
より大きい迎角のデータとして使う事が出来ます。

レイノルズ数は滑空を想定した５種類で14000から35000の範囲となります。レイノルズ数が大きくなるにつれて最大揚力係数が大きくなり抵抗が減る基本的な変化が教科書のように計測されています。

14000ではキャンバー翼で0.8、フラット翼で0.7となりキャンバ翼の方が大きくなりました。抵抗も幾らかキャンバー翼の方が小さくキャンバ翼の優位が目立ちます。その差は結構大きいですね。

20000になると最大揚力係数はぐんとあがってキャンバ翼で1.0、フラット翼で1.1となりました。面白いのはフラット翼のカーブでＣＬ＝0.8を越えた時に一度抵抗が増えて再び回復する現象が記録されました。剥離に伴う抵抗の増加と再付着による回復が起こっているためです。実質的にはこの領域では安定した飛行ができず使える最大揚力係数は0.8までとなります。こうした剥離、再付着の現象は模型レイノルズ数に於いてたびたび見られる現象です。迎角に対してヒステリシスを持っていて直前の流れの状態を引きずって数値が変動します。具体的にはこのグラフは迎角を増やしていったときの結果であり逆に失速域から迎角を減らしていったときはまったく別のグラフになる特徴があります。いずれにしてもこの乱れた範囲では定常滑空は出来ないでしょう。したがってこのレイノルズ数でもキャンバー翼が優位です。

25000となると少し様子が違ってきます。
フラット翼の乱れが少なくなりだいぶ綺麗な曲線になってきます。
０．８５付近で幾らか凹みが見えますがこの程度なら定常滑空は可能でしょう。フラット翼は最大揚力係数が1.2、キャンバ翼が1.15とほぼ同等の性能となりました。

30000となるとフラット翼の最大揚力係数が1.3に対してキャンバ翼が1.2となりフラット翼の方が大きくなりました。カーブの具合もほとんど同じ位置を通っていますので性能はまったく同じもしくはフラット翼が僅かに優位となりました。大きなＣＬでの安定した滑空が期待できます。

先のデータで機体全体のグラフと比較してみると揚力係数が少し小さく抵抗がだいぶ小さい事が確認できます。これは胴体と尾翼による空気力が含まれていないからです。この差についてはまた後日掲載します。今日はここまで。

2008年06月26日(木)

フラット楕円翼機体　レイノルズ数変化

　　　　　　　　　　　（データ転載、引用ご遠慮下さい）

今度は下面フラット楕円翼を付けた機体全体のデータです。
レイノルズ数はキャンバ翼と同様に変えて計測しています。
キャンバ翼と同じでレイノルズ数が大きくなるにつれてグラフが立ってきて性能が上がります。全体的にキャンバ翼よりもカーブが寝ているので性能的には若干落ちる感じでしょうか。印刷して昨日のグラフと見比べるとその差が見えてくると思います。

上の方のポーラーカーブに於いて原点（0,0）から曲線の接線を引くとその接点が最良揚抗比となります。意外と低いＣＬ0.6ぐらいでピークを迎えるようです。
沈下率を最小にするＣＬはもっと大きくて失速直前付近になります。滑空比最大で飛ばすのではなくもっとＣＬの大きな値でふわふわ飛ばした方が滞空時間は延びます。ただしこれも考えようでＣＬの小さな所でスピードを上げて飛ばすと外乱の相対的な変動割合が小さくなって外乱を受け難くなることや若干レイノルズ数が大きくなることで性能が上がることでどちらが有利かといった選択もあります。
一般的にはインドアや外でも靜気流の近い時はアップアップのゆっくり滑空、風の日は少し重心を前進させてスピードを上げるセッティングが良いでしょう。

2008年06月25日(水)

キャンバ楕円翼機体-レイノルズ数の影響

　　　　　　　　　　　　　　　　（データ転載、引用ご遠慮下さい）

今朝も河川敷公園に行ったのですが伸びた草刈をやっていたので飛ばさずに戻りました。この所天候などで飛ばすことが出来ず今日は風もないしテストできるとウキウキして行ったのに飛ばせず消化不良でイライラです。
明日はまた雨で飛ばせ無いだろうし・・・結果が出るのはまだ先に成りそうです。

グラフはキャンバ楕円翼を付けた機体全体の性能です。
滑空時のレイノルズ数でどう変わるかを見る事が出来ます。
実験初期の試験で迎角１０°までの計測になります。
実質的には１０°以上の迎角で定常滑空する事は無いと思います。

Re=14000は公園サイズのハンドランチです。紙のハンドランチもこのレイノルズ数になります。この線だけ傾向が変わっていてぎざぎざが目立ち最大揚力係数も小さいのが特徴です。揚力傾斜も落ちるようです。
かなり性能が落ちるレイノルズ数です。
ぎざぎざが目立つのは測定の方法にも影響を受けているかも知れません。
風洞の風速が小さいので発生する空気力も僅かで真値に対する測定誤差の割合が大きくなっている事も考えられます。測定点を結ぶこの線引きの方法ではなく各点の近くを通る曲線で表せば真の値に近くなるのかも知れません。いすれにしても飛びぬけて一番下側に位置するのは確かで性能がプアである事は間違いありません。
滑空はＣＬ=0.8、ＣＤ=0.11でＬ/Ｄ＝7.3といった所でしょうか。

Re=20000は大き目の公園サイズハンドランチに当たります。14000に比べて格段に良くなっています。十分翼の性能が期待できます。
滑空はＣＬ=1.0、ＣＤ=0.12でＬ/Ｄ=8.3　程度でしょう。

大型の翼端投げのRe=25000，30000になるとぐんと性能が上がります。最大揚力係数も1.2まで上がりＣＬ=1.0での飛行も可能です。
滑空はＣＬ＝1.0、ＣＤ＝0.105で滑空比9.5程度と考えられます。
実際の飛行機はこの模型よりもっとアスペクトレシオが大きいのでもう少し抵抗が少なくなり性能が上がっている事が予想されます。
競技用の主流のアスペクトレシオの10とすると誘導抵抗が減って機体全体の抵抗が15％ほど下がる計算になります。この時の滑空比は11.3と計算されます。ハンドランチとしては非常に優秀な値です。

2008年06月21日(土)

楕円翼機体Re=130000

　　　　　　　　　　　　　　（データの転載、引用ご遠慮下さい）

楕円翼機体に発射時に相当する風を当てた試験です。
Re=100000は風速23.6ｍ/ｓ（85ｋｍ/ｈ）
Re=130000は風速30.7ｍ/ｓ（110ｋｍ/ｈ）となります。
小型のハンドランチを野球投げした場合に相当します。
大型の翼端投げはもう少し大きくRe=150000～200000です。

Re＝130000に於けるキャンバ翼の抵抗係数は－３°～－１°で最小の0.025、
一方下面フラット翼は０°の時に0.022で最小になります。
フラット翼の方が僅かに小さな最小値となりました。
実際の飛行では発射時の迎角は－１°ぐらいだと思います。
仮に－１°だとするとフラット翼の抵抗が増え0.025となりキャンバ翼と同じ数値になりました。
フラット翼の迎角がマイナスになると抵抗が増加するのに対してキャンバ翼は抵抗が増えない事に注目して下さい。
そぎ上げの有効性を実証するデータになりました。
この下面フラット翼は0.5ｍｍのそぎ上げ量です。フラット翼の場合は必ずそぎ上げを付けた方が良いでしょう。
できればもう少しマイナス迎角に対応出来るよう１％程度あれば十分だと思います。

写真は－３°の迎角での可視化写真です。
レイノルズ数は35000での写真です。（可視化風洞の最速風速での試験）
キャンバ翼の方が綺麗に付着しているのに対してフラット翼の方は前縁部分に剥離泡らしき物が見られます。
再付着していますので抵抗は激増しているわけではありませんが少し抵抗が増えます。
発射時のレイノルズ数ではこの差がもっと強く出て前縁で完全剥離している可能性もあります。
翼下面の剥離はF１CやHLGは元より最近のF１Ａのズームランチ（バント上昇）時にも影響を与えてきます。
そぎ上げを付ける事は高速時の抵抗を下げるのに最も有効な手段です。

2008年06月20日(金)

楕円翼機体　Re=30000

　　　　　　　　　　　　　（　転載、引用ご遠慮下さい　）

前回と同じ楕円翼の機体をそのまま風洞に入れた試験で、風速を増してRe=30000でのデータになります。ちょうど大型の翼端投げ機でのレイノルズ数での性能と考えて良いでしょう。模型域において風速と翼弦がレイノルズ数換算に於いて等価であるとう実証はありませんが実機レベルでは等価と扱って問題ないようですので模型域でもそれほどの違いは出てこないと考えています。これも実験初期の試験で残念ながら+10度までの計測となっています。
このグラフではキャンバ翼が優位と見て取れますが実は10度以上で優劣が逆転します。楕円翼のみの試験では、
キャンバ楕円翼　最大揚力係数1.23（11度）
フラット楕円翼　最大揚力係数1.30（14度）
となりました。フラット翼の方が失速が遅く結果として最大揚力係数も大きくなっています。（楕円翼のみの最大揚力係数は尾翼揚力による増分が無いので機体全体の値よりも0.15程度小さい）
失速後の推移もフラット翼の方が揚力の落ち込みが小さく失速特性としてもフラット翼が優位です。
失速角を決めるのは前縁上面のカーブの具合で丸みが強いほど失速が遅れる傾向にあると思われます。キャンバー翼はそぎ上げが大きく結果として前縁からハイポイントまでの高さがフラット翼に比べて小さいので丸みが少なくなっているのが要因と考えています。丸みを強くするには翼厚をもっと厚くする選択もありますが8％を越える厚翼は感覚的に受け入れが難しいですね。
いずれにしてもどちらの翼型でも最大揚力係数が1.2を超えています。
予想外に失速が遅くびっくりします。性能的にはフラット翼とキャンバー翼は同じと見て良さそうです。
先日のグラフのRe=20000よりだいぶ性能が上がっています。後日レイノルズ数による変化の具合が見れるグラフもご紹介しますがRe=20000前後で大幅に最大揚力係数に違いが見られます。臨界と言う言葉が適切かどうかは別にして変動の大きなレイノルズ数域で有る事は確かです。

2008年06月18日(水)

楕円翼機体　Re=20000　キャンバ翼と下面フラット翼の比較

　　　　　　　　（データ引用、転載ご遠慮下さい）

楕円翼機体全体での試験で翼型が写真の様な一般的な下面フラット翼型のデータを前のキャンバ翼型と比較します。Re=20000です。

下面フラット翼型は翼厚6.3％でわずかに前縁そぎ上げが（0.5ｍｍ程度）が付いています。ハンドランチ翼型として古くから良く使われている翼型です。

このデータも初期の実験で+10度までの計測になっています。
CL曲線ではキャンバ翼型の方が左側にあります。フラップと同じ現象です。したがって0揚力角も1度程度異なります。
揚力傾斜もキャンバ翼型が上回ります。
最大揚力係数もキャンバ翼型が上回ります。
同じ迎角で比較するとわずかに下面フラット翼型が抵抗が小さいですがその差は僅かです。

以上結果から+10度までの範囲ではRe=20000ではキャンバ翼型の優位性が記録されました。
後の実験で15度までの翼のみの実験では下面フラット翼に面白い現象が確認されました。一度剥離して抵抗が激増した後再付着する現象が起こりました。実質的にはその領域では不安定で飛行できませんのでその面でもキャンバ翼型が安定した飛行となり有利でしょう。そのデータは後日。

2008年06月17日(火)

キャンバ楕円翼機体　Re=20000

風洞試験の結果を少しずつ紹介致しますがデータが一人歩きして問題が起きないよう当面の間は他への引用、転載はご遠慮下さい。宜しくお願い致します。

キャンバ楕円翼機体、Re=20000　でのデータです。写真の機体をそのまま風洞に掛けたデータになります。

機体は写真の楕円翼、翼厚7.1％の強アンダーキャンバー翼型です。
スパン420ｍｍ、主翼面積2.72ｄｍ2、アスペクトレシオ6.6、
平均翼弦長でRe＝20000に相当する風速4.72ｍ/ｓで計測。

オリジナルのこの模型（22ｇ）を実際に飛ばした場合Re=17000～20000程度となります。従ってこのグラフが実際の飛行に当たります。

翼の性能が急激に落ちると考えられるレイノルズ数ですのでかなりばらついたグラフを予測していましたが計測結果はまずまず綺麗な曲線となりました。
迎角を増して行く途中で突然の剥離に伴う揚力係数の落ち込みや抵抗の急変もほとんど見られません。予想外に優秀な数値です。しっかり大迎角まで剥離せずにがんばっているようです。
実はこれより下のRe=14000のデータになるとグラフが乱れてくるのが確認されます。
何とかぎりぎりこのレイノルズ数域ならまずまずの滑空が期待できそうです。

実験の初期段階での計測だったため+10度までの計測となっています。
完全な失速域まで計測となっていませんが後の計測により失速角度は10度を少し越えたあたりであることを確認しています。
最大揚力係数は1.1です。結構粘ります。
滑空時のＣＬは0.8～1.0ぐらいでしょう。（後に滑空試験で整合を確認）
たとえばアップアップセッティングのＣＬ＝1.0の時、ＣＤ＝0.12でＬ/Ｄ＝8.3程度。
走らせてＣＬ＝0.8の時、ＣＤ＝0.09でＬ/Ｄ＝8.8程度となります。
小型ＨＬＧで公園サイズのこの機体を実際に飛ばした感覚と一致しています。

風洞試験イントロダクション

「ハンドランチグライダーの性能」と題してＨＬＧの性能を風洞で計測した研究発表が行われました。
先日6月12,13日に東北大学で行われた「第40回流体力学講演会/航空宇宙数値シュミレーション技術シンポジウム2008」において明石高専の小池勝教授により発表されました。
http://www.jsass.or.jp/aerocom/ryu40/40_puroguram.pdf#search='ハンドランチグライダーの性能%20流体%20学会'

小池教授より風洞試験のお誘いを受けて模型を製作し3月上旬に明石高専に伺い風洞試験に立ち合わせていただきました。
ハンドランチグライダーをそのまま風洞に入れて測定した例は私の知る限り無いと思います。ハンドランチ界にとって画期的な事です。改めて小池教授に深く感謝いたします。
小池教授の許可をいただきこのブログで断片的ではありますが一部を紹介させていただくことになりました。試験ケースは50以上に及び膨大な量のテストを行っています。試験データだけでもA4で数百ページに及びます。
その中から重要な部分を取り出し解説や考察を加えながら何回かに分けてご紹介させていただきます。

まずはどんな装置で試験を行ったか写真を何枚かをご紹介。イントロダクションとします。
風洞は開放型で拭き出し口サイズが600ｘ500ｍｍ、最大風速は30ｍ/ｓを少し越えます。風速は手動でリニアに変える事ができます。目的の風速、レイノルズ数での試験が可能です。
使用する模型はスパン420ｍｍの小型のハンドランチグライダー全体及び翼のみの模型を使います。
模型は拭き出し口に設置されたロードセルを用いた2分力天秤にビス止めされます。
レイノルズ数は下から14000、（17000）、20000、25000、30000、35000の滑空を想定した6ケースと発射時に相当する（70000、100000）130000でデータを取ります。(　）は幾つかのケースのみ実施。
迎角を0度から1度きざみで増やして（又は減らして）ロードセルで空気力を読み取ります。－5度から＋15度の迎角範囲で測定します。ただし発射時レイノルズ数では大迎角にすると模型が壊れるのは明白なので0度付近のみの測定となります。
130000での試験では風速30ｍ/ｓ以上のもの凄い風速になります。風下に置いてある物はみな吹き飛ばされてしまいます。教授も私も何度も飛ばされそうになりながら必至にデータを取りました。

模型は胴体と主翼が分離できる構造で翼型は強アンダーキャンバー翼型と一般的な下面フラット翼型。取り付け穴は天秤の据付穴に合わせてあり翼のみを取り付けた試験も実施しました。他には風洞試験では一般的な矩形翼での試験も行っています。

空気力測定用の風洞とは別に煙風洞もありレーザー照射して煙を映し出し流れの可視化も行われました。剥離や再付着の様子や剥離包らしき現象も確認されました。

なにしろ膨大な量の試験をしていますので順を追って紹介させていただきます。私なりの理解の範囲でのご紹介となります。素人の私の見方には間違った考察も多々ある事でしょう。反対意見など大歓迎です。これを機会に意見を交わし理解を深めて行けたらと思います。宜しくお願い致します。

尚、正式に本試験結果をまとめた物は追って小池教授より模型界に紹介される予定です。

プロフィール

ニックネーム：やまめ工房
ハンドメイドでフライリールを製造販売。ハンドランチグライダーに夢中です。

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