超小型飛行機の設計原則と戦略（その２）

2017年 9月27日

（その１よりつづき）

3 超小型飛行機設計の戦略

1）MAV設計の矛盾と協調

　超小型飛行機は体積が微小で高度に統合されているため、どの技術指標の値を動かしても、全体に影響を与えることとなる。このため超小型飛行機は、外形や空気力学特性、構造、動力、制御システム、情報システム、任務装置を大型の無人機のようにそれぞれ単独に設計することはできず、総合的に設計し、繰り返し協調をはかるという戦略を取らなければならない。

①サイズと積載量、航続時間の協調

　超小型飛行機のサイズは最大積載量を制限する。サイズが確定していれば、積載量を増やせばより多くのエネルギーを消耗することになり、エネルギーの重量が不変という状況であれば、航続時間を短縮しなければならない。だが一定のわずかなサイズの範囲においては、サイズが大きいほど積載重量が大きくなるというわけではない。サイズが大きくなれば抵抗も高まり、消耗するエネルギーも増大するためである。サイズを単純に大きくし、航続時間を一定に取っても、有効積載重量を増やすことには必ずしもならない。このため超小型飛行機のサイズが一定の状況において、有効積載量と航続時間の指標の協調をはかる必要がある。

②揚力と動力、エネルギーの協調

　固定翼と回転翼、羽ばたき翼のいずれにせよ、超小型飛行機の揚力の大きさは、提供される動力の大きさによって決まる。だが動力を高めれば、エネルギーの消耗も増える。その他の性能指標が一定である状況においては、エネルギー（燃料）を増加すれば飛行機の重量を高めることになる。そうなればもともとの揚力では足りなくなる。現在、超小型飛行機の多くはモーターを採用している。電池の重量は通常、飛行機の総重量の3分の1前後を占める。そのため重量エネルギー密度の高い電池の選択がとても重要になる。現在、リチウムポリマー電池による重量軽減の余地は限られており、その他のエネルギーによって代替できない場合、電池の重量とモーターの電力消費率、揚力の協調を繰り返す必要がある。

③サイズと重量、制御の協調

　従来のサイズの無人機であれば、サイズの大きさと飛行制御との間には直接的な関係はないが、超小型飛行機はそうではない。超小型飛行機はサイズが小さいほど、低レイノルズ数の気流特性がますます際立つためである。低レイノルズ数の気流は、飛行機の表面に気流の分離を生みやすく、飛行の不安定を引き起こすこととなる。また一方で、揚力を提供する翼の面積を小さいサイズで確保するためには、小アスペクト比（アスペクト比が1近くなることもある）の設計が必要となるが、小アスペクト比の翼では、非線形的な飛行力学的特徴が際立つ（図9参照［5］）。同時にサイズと重量の小さい超小型飛行機は大気の乱流の干渉を受けやすい。低レイノルズ数・非線形・非定常という空気力学的な特性は、飛行制御に大きな困難をもたらす。超小型飛行機のサイズと重量の指標と制御方法の設計においては繰り返しの協調が必要となる。

④高統合性とサイズ、電磁干渉の協調

　システムの高度な統合性は、先進超小型飛行機の設計に不可欠なものである。サイズの小さい超小型飛行機の機体は、各種の電気機器（動力システム、エネルギー装置、サーボステアリング）や電子設備（制御・ナビゲーションシステム、情報伝送システム、任務設備）に残せる空間が限られているため、高密度の電子回路や電気機器、電子部品がマイクロシステムの微弱な信号に与える内部の電磁干渉の問題は、超小型飛行機の電磁両立性の設計にとっての難関となってきた。このため高度な統合性を強調すると同時に、各種の電気機器の電子設備の配置に配慮し、電磁遮蔽の設計を行う必要がある。

　超小型飛行機の特徴は小さいことにあり、サイズの小ささは、超小型飛行機の設計と開発に一連の矛盾をもたらす。これらの矛盾は互いに密切に関連しており、全体のサイズを変えただけでは問題は解決できない。「飛行機の重量を1グラムでも軽くするために奮闘する」ことを飛行機設計者は常に心がけており、超小型飛行機の設計にとってはこれがとりわけ成功するか否かのカギとなる。超小型飛行機システムの一つひとつの部品の軽量化はグラム単位で行わなければならない。従来の飛行機と比べると、超小型飛行機のサイズの要求と機能性の要求の協調はより困難となっている。これは主に、現在の微小部品の技術水準に制約されるためである。超小型飛行機に技術指標の性能要求を満たさせると同時に、サイズの上限も厳格に守ろうとすれば、その矛盾はしばしば「不可能」の域に達する。超小型飛行機はもともと極めて小さく、変化の余地が小さいため、使用部門は、経験のある設計部門と細かく討論・研究し、技術指標の要求を繰り返し協調させる必要がある。

2）MAV設計方法の特殊性

①特殊な空気力学設計方法

　MAVには非線形や非定常などの力学的特徴があることから、線性の空気力学の計算方法は超小型飛行機の設計には適用できない。このため非定常Navier-Stokes流体力学方程式を解く必要がある。すなわち

式中において、W＝［ρ ρu ρv ρw ρe］Tは保存変数、F（W）とFvはそれぞれ対流流束と粘性流束で、保存変数の原始変数に対するヤコビ行列は

　超小型飛行機の式（2）の求解においては、第一に、事前処理の方法を用いるなどして、低レイノルズ数への適応問題を解決する必要がある。第二に、事前処理二重時間刻み法（dual time stepping method）を用いるなどして、時間に伴って境界の変化する非定常空気力学の問題を解決する必要がある［5］。

　大幅な境界運動を備える羽ばたき翼の空気力学特性の計算においてはさらに、非定常流れ場の求解のための良好なダイナミックグリッド生成技術を設計する必要がある。例えば文献［5］が提起したダイナミックネストグリッド分層管理の考え方と双重Delaunay図マッピングによるダイナミックグリッド生成方法（図10参照）は、パーツの大幅な運動もありながら構造変形もある柔性羽ばたき翼の非定常流れ場の計算問題を解決した。さらに鳥や昆虫を模した羽ばたき翼が束縛渦の遅延脱落によって高い揚力を産出し、「反カルマン渦列」の後流作用を産出して推力を形成するメカニズムを明らかにし（図11参照）、鳥がプロペラやジェットなしに前進・飛行できる原理を説明した［5］。

②材料と構造

　超小型飛行機の構造の重量を減らすためには、複合材料を使う必要がある。現在、MAVの多くは、比弾性率と比強度の高い炭素繊維樹脂複合材料を採用している。着陸時の衝突による損傷を減少するためには、着陸部分の構造にアラミド繊維複合材料を利用する。

　固定翼MAV構造には通常、翼と胴体が融合し空洞のある全体構造が設計される。突風の影響を軽減するため、固定翼MAVには、柔性単壁面構造（図12参照）が設計されている。実験検証［5］により、柔性構造翼には、突風や干渉を和らげる明らかな作用がある。羽ばたき翼の構造は、翼弦方向の柔性変形という形式が設計される。羽ばたき翼は、上下の能動的な羽ばたきと同時に、柔性構造による慣性力を通じて翼弦方向の「羽ばたき」を生んで初めて、前進のための推力を得ることができる（図11参照）。マルチ回転翼超小型飛行機は通常、ラジアル方向に沿って伸ばされる支持アームが設計される。携帯の利便性を高めるため、南京航空航天大学超小型飛行機研究センターは、折りたたみ式の支持アームを設計した（図13参照）［6］。

　知能材料構造も、超小型飛行機の新型構造発展の方向の一つである。例えばハーバード大学が開発した「飛行昆虫」試験機（図1参照）は、電気変形材料駆動機構を設計し、120回/sの翼の羽ばたきを生むものである。

　鳥と昆虫は、極めて小さなエネルギーで長時間にわたって飛行することができる。その消耗するエネルギーは、現在の機械機構の電気駆動による羽ばたき翼運動に必要なエネルギーをはるかに下回る。生物専門家の研究によると、筋肉の伸縮による骨格の運動は、非常に省エネルギーな駆動方式と言える。筋肉の伸縮は、筋肉中に存在する2種類の繊維状タンパク質、「アクチン」と「ミオシン」の相互の滑り運動によって産出されたもので、この仕組みによって対外に働く力学的エネルギーが生まれる。2種類の繊維状タンパク質の運動は、動物が摂取する食物から転化した化学物質が神経の指令の下で化学作用を起こす結果である。ある専門家は、電場応答人工筋肉アクチュエータ（Electrostrictive Polymer Actuated Muscle、EPAM）を用いた羽ばたき翼の「骨格」の駆動を研究している。モーターや減速歯車などの複雑な機械装置なしに羽ばたき翼の機械運動を実現する研究である［8］。

③微小電気機械システム（MEMS）センサー

　超小型飛行機システムは、設計においてできる限り重量を軽くし、体積を小さくする必要がある。そのため用いるセンサーも超小型化しなければならない。現在主に採用されているのはMEMSセンサーである。

　MEMSは、微小回路と微小機械を機能の要求に応じてチップ上に統合したものである。チップのサイズは通常、ミリメートル級またはマイクロメートル級である。MEMSセンサーは、微小機械加工技術を用いて製造された新型センサーである。

　超小型飛行機に用いられるセンサーは主に2種類に分けられる。一つは、飛行制御ナビゲーションに用いるセンサーである。これにはジャイロスコープや加速度計（図14参照[5]）、磁力計、気圧計、温度センサー、衛星ナビゲーション受信機、さらにマイクロプロセッサーチップ（図15参照［5］）が挙げられる。もう一つは、外界測定センサーである。これには超小型可視光カメラ、サーモグラフィー、赤外線測定器、超音波距離計、レーザー距離計などが含まれる。どのセンサーであっても、超小型化を実現しようとすれば、MEMS技術は欠かせない。もともとの回路基板モジュールを統合チップとして開発する必要がある場合もある。

　原理や構造設計、加工技術などの制限を受けることから、超小型センサーの精度は通常、比較的低く、測定情報においてはしばしば誤差が大きくなる。誤差に対する分析とモデリングは、部品の性能を高める有効な手段となる。超小型センサーに対するさらなる誤差補正（図16参照）は、MEMS部品の使用精度を高めるものとなる［6］。

④知能制御方法

　MAVは質量が小さく、突風の干渉を受け、強烈な非線形と大幅な非定常の飛行力学的問題を示しやすい。無人機の従来の比例-積分-微分（PID）制御方法を用いることはできず、超小型飛行機の異なる類型、さらには異なる特定のMAV対象に基づき、知能飛行制御の方法を構築する必要がある。

　文献［9］は、一種のオンラインニューラルネットワークダイナミックインバージョン自己適応制御方法（図17参照）を提起し、時間スケール分割の思想と結合し、遅い変数と速い変数のダイナミックインバージョンを設計し、同時に、オンラインニューラルネットワーク自己適応逆誤差補正を導入し、ニューラルネットワークは、ウエイトのオンライン調整を通じて、さまざまな原因で引き起こされた逆誤差を再構成し、システム全体に対する逆誤差の影響を動的に除去し、偽制御補償器を通じて参考モデル出力信号を適切に変え、自己適応ニューラルネットワークと作動器の間の相互の影響を回避し、システムの安定を保持した。実験結果は、ニューラルネットワークダイナミックインバージョンが高いロバスト性と安定性、突風干渉抵抗能力、指令追跡能力を持ち、超小型飛行機制御の自己適応能力を際立って高めることを明らかにした。

　超小型飛行機の室内自律制御飛行を実現するには、慣性ナビゲーションに基づく単純なスマートソフトウェア制御方法では十分でない。またGPS衛星ナビゲーションは、室内では信号がなく使用できない。このため、室内環境を識別し、障害物を回避して飛行するには、その他のセンサーと制御方法を加える必要がある。南京航空航天大学超小型飛行機研究センターは、衛星ナビゲーションを用いず、環境を自律識別し、障害物を自動回避する全自律超小型機搭載制御システムを構築した。GPSナビゲーションを用いず、遠隔操作や地上ステーションとの通信を必要とせず、視覚と超音波、レーザー、慣性、磁気センサーを一体化した機載全自律飛行制御とナビゲーション技術を提出し、環境の特徴を識別し、障害の位置を推計し、廊下の奥行きを透視分析し、運動軌跡を最適化する環境自律識別方法を構築し、生物視覚マッチング方法に基づく目標追跡・測位技術（図18参照［6］）を提起し、超小型飛行機が自動で窓を識別し室内に入り、自動で障害物を回避し、自動で飛行計画を行う機載全自律飛行制御ナビゲーションシステムを構築した。

　近来は、オプティカルフローに敏感な昆虫の障害回避原理を利用し、オプティカルフローセンサーに基づくMAV飛行制御方法も設計されており［10］、有意義な試みとなっている。

　このほか羽ばたき翼MAVの揚力制御と推力制御の結合の問題や、マルチ回転翼MAVの姿勢制御と軌跡制御の結合問題も、特殊な制御モデルと制御方法の構築を必要としている。

3）超小型飛行機システム設計の最適化

　上述の分析からわかるように、満足できる超小型飛行機を設計するには、設計に対する細かい最適化を行うことが間違いなく必要となる。だが超小型飛行機はサイズが小さく、重量が軽く、システムが高度に統合されているため、一方的な最適化設計ではうまくいかない。最適化設計の協調と総合は、超小型飛行機が避けては通れない道である。サイズと航続時間の問題だけでも、飛行機の総体設計や空気力学、動力、エネルギー、電子、自動化、電気機械製造などの研究領域にかかわる。これも、超小型飛行機が、多分野にまたがる設計の総合的な最適化を必要とする原因の一つである。

　多分野設計最適化（MDO）方法は、近年発展してきた、複雑な工学システムと他分野の動的影響の問題を解決できる最適化設計方法である。各分野の間の相互作用によって産出される共同作用を十分に利用して、システム全体の最適解を得る。

　多分野最適化設計方法を用いて初めて、「最良」の設計結果を有効に得ることができる。例えば、最小重量を目標としたMDOには、幾何学的な外形や構造、内部システムの重量・配置の設計にかかわる。当然、MDOは、各サブシステムの分析方法が有効であるかに依存している。筆者は、MAVの翼の空気力学的な外形の設計、航続距離増大の最適化設計、羽ばたき翼の空気力学的設計、積載能力の設計、突風干渉に対する抵抗の設計をめぐってMDO研究を相次いで行い、一定の効果を上げてきた。科学的な意義から言えば、超小型飛行機技術は、サイズの小ささに余儀なくされて生まれた新技術である。新たな配置と柔性構造を設計して、低レイノルズ数の空気力学特性と大気の乱流の干渉に適応しなければならない。0.2gの小ささ（さらにはそれ未満）のMEMSセンサーとその他の電子部品を研究し、高度に統合された重量の軽い内部システムを設計しなければならない。十分な出力を生むと同時に、重量は微小な動力装置を開発しなければならない。比エネルギーが高く、エネルギー供給時間が長い新型の軽量エネルギーを研究しなければならない。現在とは異なる材料構造と舵面駆動方法を研究しなければならない。従来の無人機の各種翼型とはまったく異なる飛行機の原理を研究し、サイズは小さく性能の要求は満たす新型MAVを実現しなければならない。

4 結語

　超小型飛行機技術は、基礎研究の計画と実施の正式な開始からわずか十数年しか経っておらず、スタート段階の新概念技術に属する。中国国外と筆者の研究の状況から考えると、サイズがより小さく、性能が高く、実用性の高い超小型飛行機の開発には、新型MAVの型の探索や力学・制御原理、超小型部品、動力、マイクロ電子技術などの面で大量の研究が必要となる［11-14］。

　各種の超小型飛行機のタイプとシステム技術の発展はまだ始まったばかりである。人々が心中に描いているのは、より小さく、より機敏で、より知能化され、自然界の各種の鳥類と同じように自由に飛翔でき、蜜蜂や蚊のようにひっそりと移動することができ、蜜蜂のような視覚や嗅覚、直観を備え、飛行する生物のように何粒かの穀物を食べただけで何十キロメートルも飛べる能力を持つ超小型飛行機である。

　このため超小型飛行機システム技術の発展においては、より多様な構造のMAVを創出するだけでなく、より微小な動力装置、重量エネルギー密度がより高い超小型新エネルギー・転化技術、感知と制御の能力を持ったより軽い知能材料、生物級センサー、バイオニック神経知能制御技術、環境に対するバイオニック感知識別技術、さらに超小型化された情報伝送技術、超小型の特殊機能装置などを発展させなければならない。逆に言えば、超小型飛行機の研究は、無人飛行機の発展だけを推進するものではなく、マイクロシステム技術の発展を促し、生物と多研究領域の交差技術の発展を促進するものとなる。

（おわり）

※本稿は昂海松「微型飛行器的設計原則和策略」（『航空学報』2016年第37巻第1期、pp.69-80）を（『航空学報』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