生物を規範とした超小型飛翔体の空気力学的課題研究の発展と挑戦（その３）
2016年 8月19日
（その２よりつづき）
4 羽ばたき飛行の空気力学的数値の模擬研究
20世紀90年代以降、コンピュータ技術が急速に発展したため、数値シミュレーションは超小型飛翔体の空気力学研究において重要な位置を占めるようになってきている。
1996年、Vestら[5]は非定常空力模型の数値を利用し、超小型飛翔体の特性のシミュレーションを行った。Smithら[46]はパネル法の数値を利用し、剛性羽ばたき翼が発生させる大きな翼端渦の構成と空力のシミュレーションを行った。その結果、この方法が準定常法より優れていることを証明した。1998年、liuら[47]は、時間推進の3次元非定常Navier-Stokes方程式を通じて、昆虫の非定常流れ場の構成をシミュレーションし、実験値との比較を行うことによってレイノルズ数範囲内の翼先端の前縁渦が昆虫の飛行に"高揚力"を発生させるという、非常に重要な作用を発見した。2002年、Ramamuritiら[48]は、有限要素法に基づきショウジョウバエの3次元非定常流れ動特性のソルバー計算による数値をシミュレーションし、計算値と理論値が一致することを証明した。2004年、Wuら[49]は、数値から3次元非定常Navier-Stokes方程式によるショウジョウバエの非定常空力を解明した。Fritzら[50]は非定常渦を利用して、有限幅翼飛翔体がピッチングし、浮き沈み運動が生じる時の非定常空力特性を計算した。
中国国内の超小型飛翔体の空力特性における数値シミュレーション研究は大きな成果を挙げていると言える。
2002年に北京航空航天大学流体力学研究所の孫茂[51]はN-S方程式を利用した数値シミュレーションを行い、仮想完全流層における昆虫の飛行メカニズム及び高揚力発生メカニズムに対する詳細な研究を実施した。
2003年南京航空航天大学の曾鋭、昴海松らは新しい変速-折り畳み羽ばたき翼を有する鳥を規範した飛翔体模型を提起し、非定常渦格子法を用いた計算による研究を行った。その結果、一周期内における新型飛翔体模型の平均揚力指数が既存の均等な角速度を有する剛性模型より大幅に増加することを発見した。その後、曾鋭らが既存の羽ばたき翼の剛性等速運動模型に羽ばたき運動の速度変動率の変化と形状変化を加えたため、実際の鳥の飛行に更に近づけることに成功した。計算による発見を通して、柔軟な変形が羽ばたき翼の揚力と推力に大きな影響を与えることが発見された。つまり、柔軟な変形をコントロールすることができれば、羽ばたき翼の空力特性を大幅に改善することが可能となるのである。2007年、昴海松は風洞実験と模型飛行実験を利用し、柔軟な羽ばたき翼を有する超小型飛翔体が生み出す揚力と推力の流動メカニズムの調査を行った。また、異なる羽ばたき頻度、迎角、速度において羽ばたき翼の揚力と推力の変化を研究し、超小型飛翔体に対する設計・制作の参考情報を提供した[53]。
2000年以来、西北工業大学は超小型飛翔体の研究を進め、多くの活動を実施している。2003年、龑凱らはEuler方程式を利用して、羽ばたき翼の空力特性の計算手順を確立した。これを基礎として、羽ばたきにおけるそれぞれのパラメータが翼の空力特性に与える影響を研究した[54]。2006年、楊淑利などは超小型飛翔体が生み出す揚力と推力のメカニズムに基づき、改善されたストリップ理論を利用し羽ばたき翼の空力特性を推算するソフトウェアを作成し、風洞実験を通じて推算ソフトウェアの信頼性を実証すると共に、羽ばたき翼の形状ごとの空力特性の研究を行った[55]。2007年、何飛などはXFOILの改造と拡充を行い、振動一様流下での柔軟な翼の空力特性の研究を完成させた。また、N-S方程式を通じて3次元固定翼の空力特性の研究を行った[56]。2008年、謝輝ら[57]は広義多挿値理論に基づき、羽ばたき翼の運動格子自動発生プログラムを発展させ、有限体積法を応用してデュアルタイム推進技術の数値を結合し、あらかじめ処理した3次元の非定常N-S方程式を組み合わせることにより、超小型飛翔体の低速、低レイノルズ数という粘性流数値シミュレーションを行った。2010年、楊文青らは距離削減法のネスト格子技術に基づき、超小型飛翔体全体の流体特性の数値シミュレーションを実現した[58-60]。2013年、陳利麗[61]はこれを基礎として、より適用性の高いk-ωSST乱流模型モジュールと高い精度の高識別率空間離散格子を組み入れ、羽ばたき翼の流体数値モジュールの精度を高めた。
5 羽ばたき翼の空力構成の結合研究
昆虫と鳥類の翼は飛行過程において常に柔軟に変形を行っている。図7が示すように、主に翼の関節運動や筋肉収縮により変形が制御されている。昆虫は内部圧力を調整することで羽の硬度を変化させている。ハチドリは羽毛の分布を制御することで翼平面形を変化させ、必要な揚力を得ている。テントウムシは柔軟で折りたたむことのできる羽を利用して飛行時に一定の"アーチ"を発生させ、羽の断面から揚力を生み出すという特性を有している。
図7 飛行生物の翼の柔軟な変形
Fig.7 Flexible wings of natural flyer
人工超小型飛翔体においては柔軟な変形構造が空力特性を高めているといえる。中国内外の研究者は実験と計算という2つの方法を通じ、超小型飛翔体の空力構造の結合に対する研究を進めている。
Heathcoteら[62]は実験を通して浮き沈み運動における羽ばたき翼の柔軟性が推力特性に与える影響を研究し、剛性の羽ばたき翼と比較して柔軟な羽ばたき翼はより大きな推力を生み出すことを発見した。さらに、水洞実験を通してアスペクト比を半分の3として、浮き沈み運動におけるNA-CA0012矩形翼の空力特性に対する測定を実施し、柔軟な変形が羽ばたき推力を大幅に向上させることを発見した。
Framptonら[63]は実験により、最も優れた推力特性を生み出す翼の柔軟な湾曲変形と接線反転変形の関係を研究し、推力特性が生み出される重要な要素である柔軟な湾曲と反転変形の位相関係を発見した。反転変形が停滞した状態で90℃に湾曲変形する時、最大の推力が生み出される。
Singhら[64-65]は自身で開発した実験装置と生物工学的羽ばたきメカニズムから、翼の構造における推力特性を測定した。結果、実験の範囲内では慣性力が翼の構造に対し変形を引き起こすということが解明された。このことより、空力構造連成に関係する研究は慣性力の影響を考慮する必要があるといえる。
Wuら[66]は複合領域の実験を発展させ、6種類の異なる構造(全てラスボード-薄膜構造)の超小型飛翔体が自由に羽ばたき運動を行っている時の空力弾性応答と空力特性を測定した。デジタル画像関連システムを通じて変形構造を測定し、負荷センサーの記録から羽ばたき翼に空力負荷作用を引き起こし、デジタル粒子画像流速測定技術(DPIV)で流れ場特性を測定した。これにより、翼の構造の違いによる空力弾性特性の差異は大きいため、適切な柔軟構造による変形によって空力特性をさらに改善させることができると表明した。
中国内外の研究者は羽ばたき翼の弾性実験分野の研究を行うだけでなく、数値シミュレーションの分野でも一定の成果を挙げている。
Hamamotoら[67]は有限要素法の数値を採用し、トンボの空中停止時の空力構造連成特性のシミュレーションを行い、柔軟な構造の利害に関する初期研究を行った。
Zhuら[68]は3次元境界要素法と2次元非線形薄鋼板構造力学模型を利用した空力構造連成を分析するソルバーを発展させた。また、数値シミュレーションの結果をHeathcote[62]の浮き沈み運動における柔軟な翼の実験と比較して計算法の正確性を実証した。彼は翼が柔軟に構造変形する際に生じる慣性負荷を分析し、柔軟な変形と接線の柔軟な変形が空力に与える影響を研究し、柔軟な構造の変形が羽ばたき推力特性を大幅に向上させていることを発見した。
Lianiら[69]は非定常パネル法と2次元構造力学方程式の空力構造連成のソルバーを発展させ、異なる頻度における柔軟な翼の空力弾性応答を研究し、浮き沈み運動を行う炭素繊維板矩形翼の異なる羽ばたき頻度における空力構造連成特性に対する数値計算を行った。これにより、羽ばたき頻度の全範囲に対する研究が行われ、羽ばたき翼の空力特性に対して柔軟な構造変形が大きな影響を与えることが発見された。
Kimら[70]は修正されたストリップ理論模型を空力分析の道具として採用し、空力構造連成の研究を行った。当該模型により、迎角と動態失速の影響を調査することが可能となる。当該方法を利用し矩形翼の空力構造連成の特性に対して数値シミュレーションを実施したところ、その結果と理論値が一致し、この手法の信頼性が実証された。
Ungerら[71]は、非定常レイノルズ平均されたN-S方程式と非線形有限要素法による羽ばたき翼の空力構造連成ソルバーを発展させ、固定開閉硬度に関する研究を行った。その結果、接線の柔軟な特性による浮き沈み/翼のピッチング運動の空力構造連成の特性が保たれているだけでなく、柔軟な羽ばたき翼模型の上下面に剥離泡が生じ、後縁から前縁への移動の趨勢が存在することが発見された。
西北工業大学は超小型飛翔体の空力構造連成の特性に対する研究を進めている。楊文青ら[72]は非定常レイノルズ平均されたN-S方程式と静態構造の有限要素法による空力構造連成ソルバーを発展させ、柔軟に変形する羽ばたき翼の空力特性の初期研究を行っている。陳麗利ら[73-74]は構造動力学的手法による羽ばたき翼CFD/CSD結合ソルバーを更に発展させ、慣性力の影響を考慮に入れたより正確で柔軟な羽ばたき翼の空力特性のシミュレーションを実現、研究を進めている。
6 結論
本稿では生物工学的超小型飛翔体に関する空気力学研究の発展を整理し、柔軟な羽ばたき翼の空力構造連成の特性に関する研究を重点的に分析した。現在の研究手法及び空力メカニズムなどは、既に大きな発展を遂げていると結論づけられるだろう。そして、更に発展した高性能生物工学的超小型飛翔体の研究が進められるとともに、発生する揚力と推力、空中浮揚、高機動性飛行の分析も進んでいる。また、省エネによる様々な優位特性により、研究者には翼の開閉の流体構造連成の特性および関係する非定常空気力学などの試験、計算と理論分析の実施が求められている。以下に推進すべき4つの具体的な研究分野を挙げる。
(1)生物工学的超小型飛翔体の小型化と低速化により生じる低レイノルズ数という空気力学的課題と同時に生じる羽ばたき翼と柔軟な翼の流動問題。超小型飛翔体のレイノルズ数を10³～105とした時、Mueller[75]の研究が示しているように、転換と乱流に対し非常に敏感な領域と関連する空力メカニズムが複雑になる。
(2)超小型飛翔体の柔軟な羽ばたき翼における飛行中の空力弾性と密接に関連する課題。柔軟な変形が羽ばたき翼の空力特性に大きな影響を与えるため、固定翼ならびに羽ばたき翼の飛行中に特殊な空力現象が発生する。例えば柔軟な固定翼の後縁振動や柔軟な羽ばたき翼に大幅な動態変形が生じることが挙げられる。また、飛翔体の大きさを変更する時、柔軟な構造特性によって得られるサイズパラメータを保証することができない。このため、正確な試験を行うために縮小模型研究を採用する手段がなく、研究が制限されてしまう。正確な計算模型を作製することは非常に重要であるため、より優れた設計と構造の安定性を強化する研究が必要である。
(3)高機動性の研究により、空力弾性の連成飛行力学的課題が生じている。これには、離陸、異なる速度での飛行、突風応答、空中浮揚、停止、脅威回避、追跡、負荷変化なども含まれる。同時に本体と翼の相対運動変化を考えることも必要である。自然界の生物の大きさと羽ばたき運動のパターンを参考にした運動の規則性と空力特性の影響に関する深い研究と理解が必要とされている。
(4)羽ばたき翼の飛行力学と安定性の影響により、閉環反応がアクティブ制御されることによって、必要な空力性能に到達するために飛行への妨害を減少させる必要がある。羽ばたき翼による飛行は、複雑な姿勢と空気力を必要とする飛行制御システムであるため、開発や結合計算フィードバックの設計が難しい。羽ばたき翼の飛行性能に対する適切な制御技術は非常に重要であるため、当該技術には大量のデータが必要となり、適応する代わりになる模型から柔軟な翼の空気力を作製することも必要となる。
上述のような複合領域に及ぶ課題が存在するため、現在の研究手法では生物工学的羽ばたき飛翔体の研究に対して定量分析と設計改善を提供することができていない。上述の課題を解決する基礎として、高機動かつ敏捷性のある飛行姿勢に対する研究が進められている。このため、将来的には柔軟な翼の硬度分布展開の詳細な設計により、生物工学的小型飛翔体には自然界の飛行生物と同じように自ら変形する能力が備えられ、複雑な環境下に耐え得る高機能飛行能力が実現し、最終的には高い生物工学的外形と性能を有する人工の鳥や羽虫を生み出すことが期待されている。
以上の分析により現在認識可能な成果は全体のほんの一部に過ぎず、生物工学的小型飛翔体に関係する研究の序章であると言える。研究者は引き続き積極的な探求とより深い研究を進めていかなければならない。
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※本稿は楊文青、宋筆鋒、宋文萍、陳利麗「倣生微型撲翼飛行器中的空気動力学問題研究進展与挑戦」（『実験流体力学』第29卷第3期、2015年6月，pp.1-10）を『実験流体力学』編 集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。記事提供：同方知網（北京）技術有限公司