愛総研・研究報告 49 第16号2014年羽ばたき飛行機の羽ばたき時の流体力計測 MeasurementofaerodynamicforcesforflappingMicroairvehicle 北川一敬 †,野村達也 ††,鳥居祐太 KazutakaKitagawa†,TatsuyaNomura† †† †,YUutaTorii† † AbstractUnmannedmicroaerialvehicles(UMAV)havecarriedoutunmannedmissionsthenaturaldisaster andaforestfireonairbornesurvey,anddirectsowingonfarmland.Developmentofautomaticandradio controlledpilotflightsystemofMAVhavefocusedonanaerodynamicbehavioroflowReynoldsnumbereffect forbiofluidinunsteadyregime.Themotivationofpresentstudyistodesignthebeetle-likeflappingmicroair vehiclefordisasterinvestigatingandplanetaryexploring.Toexplaintheoutlineofflappingmechanism,the resultsofthevisualizationoftheflapmotionandtheexperimentonlittleaerodynamicforcemeasurementusing thecantileversystem. 1.緒言アスペクト比は翼幅の二乗と両翼面積の商,翼トンボ,蝶,ハチドリやカブトムシを模倣した羽ばたき飛行機の研究開発はオランダ,米国,日本をはじめ盛んに行われている.(1)一(9) 位翼面積当たりの荷重である.試種機器の搭載に有利となる場合がある.本研究室に於いて, 2006年からコガネムシ科甲虫のドウガネとカナブンの羽ばたき飛行について,流れ場や流体力計測を行い,飛行特徴作機のアスペクト比はほぼ同じ羽ばたき周波数の蝶に対して大きくなる。質量は機体全体の質量であり,カ特に,甲虫は胴体部の容積が他昆虫と比して大きく,各面荷重は単ために,軽ナブンに近い翼面荷重に近づける量化が必要である.羽とも20∼30[Hz]にばたき周波数は,少する必要がある.レ度を風洞出口の流速,代イノルズ数は代表速表長さを最大翼弦,動 20[℃]の時の値とした.無なく粘度を空気次元周波数は代表速度を風洞出に注目し研究を行っている.(10)(11) 本研究では甲虫型羽ばたき飛行機の製作の第1歩として, フラッピング運動を行う羽ばたき機構を設計・製作した. 羽ばたき飛行機の設計条件,諸元,羽ばたき機構の概要と口の流速,代波数を羽ばたき周波数とした値である. 表1Dimensionaloftheflappingairvehicle Wingspan[mm] 羽ばたき運動の可視化と流体力計測を行い,飛行機の性能 160.6 1 Chordlength[mm] を調査した. 2.羽表長さを最大翼弦,周 45.0 1 Wingthickness[gym] ばたき飛行機 8.0 1 Wingarea[mm2] 5242 1 4.9 Aspectratio[一] 1 甲虫の羽ばたきはフラッピング運動,リーディング運動, Mass[g] 4.86 1 フェザリング運動の3種類を取り入れ,翅の弾性を利用し Wingloading[N/m2] 9.09 1 効率よく飛翔している。設計する羽ばたき飛行機は,カ Beatingfrequency[Hz] ナ 9.3 1 ブンを模倣対象とし,① 質量1[g],② 羽ばたき周波数90[Hz], 4345 Reynoldsnumber[一] 1 ③ 羽ばたき運動(フング)である.表.1は翼の翼幅,翼ラッピング,リーディング,フェザリ試作機の設計仕様を示す.翼幅は両弦は最大翼弦,翼 ÷1 ÷1 † 愛知工業大学面積は両翼の翼面積である. 工学部愛知工業大学大学院機械学科(豊田市) 工学研究科(豊田市) 0.9 Reducedfrequency日カナブンは翼面積269[㎜2],質 3,3[N/m2],試作機の設計点は翼面積5242[mm2],質翼面荷重13.1[N/m2],試 4.8[g],翼量0.9[g],翼作機は翼面積5242[mm2],質面荷重9.0[N/m2]で,ハ面荷重量7[g], 量チドリに近い性能である. 愛知工業大学総合技術研究所研究報告,第16号,2014年 50 図laは CAD図羽ばたき飛行機,bは面,cは羽ばたき飛行機の3次四節てこクランク機構の概要,dはたき翼を示す.羽ばたき飛行機は,胴ーボンロッド,全長171[mm],全 IndoorAirplaneWorld社装し,10∼30[m]の体が φ1.2[mm]の幅160.6[mm]でカある. 範囲で操縦・制御が可能である.翼あり,羽 3.実験装置及び実験方法羽ば製超小型赤外線モジュールを実外の機体の質量は4.417[g]で 10[Hz]で元以ばたき周波数は7∼ ある. 図2aとbは流体力計測実験とストロボスコープに羽ばたき運動の可視化実験の概略を示す.図2aの流体力計測は吹き出し式エッフェル型小型風洞出口に羽ばたき飛行機を設置し行った.今回の計測では,羽ばたき運動時のストローク面の角度を風洞流れと垂直90[deg]に設定した.これは,翼面に作用する流体力が一番効率よく発生する状態を想定した.羽ばたき運動時に生じる流体力計測は,ひずみゲージを支点付近に取り付け,カンチレバー作用点(端部)に甲虫型羽ばたき飛行機を固定した.カンチレバーには作用点からの長さ11.6[mm],0.D.3[mm],1.D.15[㎜]のプ,ひカーボンパイずみゲージには㈱共和電業製半導体ひずみゲージ KFG-5-120-Cl-11(抵抗値:120[Ω],ゲひずみゲージの回路には,測ブゲージ法を用いており,2枚ージ率:2.1)を用いた. 定感度向上の為に2アクティのひずみゲージを使用した. 固定した甲虫型羽ばたき飛行機の垂直方向の流体力(Fv)と水平方向の流体力(Fh)を同時計測する為に,2枚1組みゲージを2箇図lb① ール0 ⑦ 部は φ1.2[mm]カ .3,プーボンロッド,② ラスチック製ギア,モのひず所に貼り付けた. 部はモジュータから四節てこクランク機構部ギアまでのギア比は26.7である.③ 部は3D プリンターにより造形した翼とクランクの連結部品,④ 部は φ4[mm]コアレスモータ,コタ最大出力は0.28[W]である.⑤ 完全に分離している(図ld参 38[kHz]の赤外線受信機,送 7.5×9[mm]である.⑦ 容量30[mAh]Li-Poバイル抵抗値は7[Ω],モ部は翼であり,胴照).⑥ ー体から部は受信変調周波数信範囲は10∼30[m],サイズ部は質量1.1[g],定格電圧3.7[V], ッテリーである.⑧ 部は流体力計測用カンチレバー先端部の固定部分である.四節てこクランク機構によりモータの回転運動をフラッピング運動に変換する機構となっている.図lcからフラッピング運動のストローク角はコガネムシ科甲虫のカナブンを模倣し, 翼を水平位置から上死点へ(TopDeadCenter:以下 TD.C)51[deg],下下 BD.C)29[deg]と死点へ(BottomDeadCenter:以した.図2dののポリエチレンフィルム,翼 45[mm]である.翼翼は,翼膜の厚さ8[ｵm] 幅80.3[mm],最骨及び翅脈には φ0.5[mm]の大翼弦長カーボンロッドを使用し,翼端から翼根方向へ長さ46[mm]のンロッドの翅脈を貼り付けた. 4.実験装置及び実験方法カーボ図3aと3bは甲虫型羽ばたき飛行機のT.D.Cから一周期羽ばたき飛行機の羽ばたき時の流体力計測分のフラッピングモーションを示す.図3aはT.D.Cか B.D.Cまで,図3bはB.D.Cかの結果を示し,各図3aからT.D.Cまらでのストロボ撮影写真の時間間隔は △t-1.00msecでら翼は,T.D.Cからの振り下げ運動で,流ある. て,フェザリング運動によって,吐が,FvとFhは迎角状態から,振いる.T.D.Cにり上げ運動とフェザリング運動を行って向かうにつれて,大変更している.T.D.C付抵抗を生じ減少する. 一一Fh Il Il 、 0.15 ト Il Il Q.1Q 一一一 _→ 一.一一一一一1-一 1 一一一一一a-L-一 _____L( -0 .05 一一5__`一一一一一〇.io 一一一一一一〇一 ° 一一一 1, 、一〇 .20 羽ばたき飛行を行っている. 、一一、 r 、、噛、、、' ' 一一一一 Ups } ' ゴ印` Downstroke fI 」、 r 一一 r ' ___7______[_ 、一一一一一r--z-一 a 、 I 1 1 一. i-t-一 ' し一 ' 、一一1-一、 ∬1 ' 一一ゴー一一一一一一一一 a i 1 __rT____ 一一一一一一一一r-t-L-一 'I 一一一一 ' 調卜一r-一迎角に変化し,翅脈の影 .15 ' σ '、 ' 、'1 響が出始める.以上のような一連の動作を繰り返すことで, 一一一 !t 一一一一L-」一一一T- LL°.° LL 一一4_占、1!5' 覧1、1 一一一 r ● 1'.1 1'.1 Z .一一Fv Il 迎角状態を小さい迎角へ近では,大増加,Fhは 1■ Il o.as ら翼は大近まで,Fvは 0.20 向かって,迎角の小さいまま,降り下げ動作を行い, 下死点近くで大迎角状態への変更する.図3bか出渦を発生している殆ど同じ大きさの流体力を発生している. T*-0.18付体力の影響及び翅脈の自重によりフェザリング運動を行っている. B.D.Cに 51 一一一一 roke 、ダ「 00.20.40.60.81 T°m[・1 021.442.864.285.6107 t[ms] 図4Timehistoriesofverticalandhorizontalforcefor thebeetle-likeMAV(Strokefaceangle=90[deg]) T*-0.18で ,4 蘭費 / i ・7 Fhは重増加過程に移っている.T*-0.33に、﹁凋渦の発生の確認ができる.し医加過程に入り,Fhはヨね、騨㌔ノ、〆罵司前縁剥離渦の発生によって,Fvは幽減少過程, おいて,前かし,Fvは最少となって,増減少過程に入る.T*-050のB.D.Cで羽ばたき運動は振り上げ運動となる.この時Fvは旨＼陸め,Fhは増加し始める.T*=0.65のリング運動を行った後に,Fvは」■■ 縣緊 aUownstrokemotion T*-0.81の Fvは減少し始振り上げ運動でフェザ増加し,Fhは減少し始める. 振り上げ運動で翼下面に前縁剥離渦が確認でき, 減少し始め,Fhは戻り,同縁剥離増加し始める.T*=1.00でT.D.Cにじ流体力形成が繰り返される. 羽ばたき飛行機の動力によって,流レバーが振動した.機体力計測中にカンチ体後方ヘバッテリーを移動し,空中心はカンチレバー作用点付近に移動させた.そ四節てこクランク機構からの振動が伝わり,バ近からも自重により振動してしまった.ま力の結果, ッテリー付た翼膜を付けていない状態で羽ばたき運動を行ったところ,四節てこクランク機構とバッテリーからの振動がひずみセンサに伝わっていることを確認した.今 bUpstrokemotion たき運動による翼の慣性力,四図3Flappingmotion 図4は羽ばたき運動1周平方向の流体力Fh,垂中の破線がFh,実軸は,測軸は定した各方向の流体力(水直方向の流体力Fv)を線がFvをの力を正,Fvは表し,Fhは示す.グラフ供試体を押す方向ら振り下ろし運動を行い始める.その増加し始め,Fhは減少し始める.甲よって,カンチレバーが流体力による力以外で振動しないカンチレバーの材料,構造の選定とその剛性を増し,機体の重心にカンチレバーを取り付けるなどして改善する必要がある.また,四節てこクランク機構や翼の慣性力による振動を抑制するために,それらの振動を打ち消す機構が必要である. びT*-0.64か 5.結言虫型羽ばたき飛行機は翼端付近のみ翅脈を有する翼であり,図3の T*-0.09及節てこクランク機構とバッ上方向の力を正とした. T*=0.00のT.D.Cか時のFvは期分の結果を示す.横期分の時間で無次元化した無次元時間T* 及び実測時間である.縦ばテリーからの振動も同時計測している可能性がある. 甲虫型羽ばたき飛行機のストローク面の角度 90[deg]の時の流体力計測の1周回の流体力計測結果には,羽ら,翼は流体力の影響及び翅脈の自重によりフェザリング運動を行っている.T*-0.09におい甲虫型羽ばたき飛行機の設計条件,諸元,羽ばたき機構の概要,羽ばたき運動の可視化と流体力計測を行い,以下の結果を得た. 愛知工業大学総合技術研究所研究報告,第16号,2014年 52 (1)四節てこクランク機構により、羽ばたき周波数9.3[Hz] でフラッピング運動を行う甲虫型羽ばたき飛行機が完成した. (2)甲虫型羽ばたき飛行機の翼周りの可視化結果から,翼膜の翼端付近に翅脈を有する翼は,TD.C及びB.D.C到達直後にフェザリング運動を行い,それにより翼後縁から吐出渦が発生している. Univ.Press(2000) (4)M.Azhar,etal,"Mimickingunfoldingmotionofabeetle hindwing",ChineseScienceBulletin,Vol.54,No.14, 2416-2424(2009) (5)A.J.Burton,"DirectionalChangeinaFlyingBeetle",J. Exp.Bio,54,575-585(1971) (6)H.V.Phan,etal,"StableVerticalTakeoffofan Insect-MimickingFlapping-WingSystemWithoutGuide (3)甲虫型羽ばたき飛行機の流体力計測から,1周期の羽ばたき運動の中でFh,Fv共に増加と減少の変曲点が6箇所もあり,スムーズに流体力を発生出来ていないことがわかった. ImplementingInherentPitchingStabilitジ,J.Bio.Eng. (4)甲虫型羽ばたき飛行機の流体力計測は羽ばたき運動機構による振動や羽ばたき運動の慣性力も計測してしまうため,それらの振動を打ち消す機構を用いて計測する必要がある. (8)M.Okamoto,etal,"Aerodynamiccharacteristicsofthe 9,391-401,(2012) (7)A.J.Burton,"Nervouscontrolofflightorientationina beetle",Nature,Land.204,1333(1964) wingsandbodyofadragonflジ,J.Exp.Bio.,199, 281-294(1996) (9)S.Sunada,etal,"Airfoilcharacteristicsatalowrey-nolds number",J.FlowVisualization&ImageProcessing,Vol. 7,207-215(2000) 参考文献 (1)SirJ.Lighthill,"MathematicalBiofluiddynamics",SIAM (10)K.Kitagawa,etal,"Visualizationofflappingwingofthe dronebeetle",J.Visualization,Vol.12,No.4,393-400 (2009) (1975) (2)C.P.Ellington,"Theaerodynamicsofhoveringinsect flight,III.Kinematics",Phi.Trans.oftheR.Soc.of (11)深瀬,北力の計測",第25回川,"コガネムシ科甲虫の飛エアクアバイオメカニズム研 London,Vol.305,No.1122,41-78(1984) (3)R.Dudley,"TheBiomechanicsofInsectFlight",Princeton 会講演会資料集,17-18(2010) ロ・ア翔時の非定常流体究