JPH10338199A - 高速運動体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、流体中を高速で移動しているとき
に発生する、外表面に沿って流れる流体が外表面から剥
離しにくくした高速運動体に関する。高速運動体の外表
面に沿って流れる流体の剥離が生じると、高速運動体に
は抵抗の増大、振動の発生又は揚力の急激な低減等が生
じるなどの不具合がある。本発明は、このような不具合
の発生を少くできる高速運動体を提供することを課題と
する。 【解決手段】 本発明の高速運動体は、流体４と接する
ように設けられた高速運動体の外表面２に、ディンプル
若しくは突起物３を多数配設し、外表面２に沿って流れ
る流体４の剥離を低減するような凹凸表面形状の外表面
２にした。これにより、流体の剥離に伴い生じる上述し
た不具合を解消できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水中又は空気中で
高速で運動する高速運動体の外表面に沿って流れている
流体が、外表面から剥れることを少くして、この流体の
剥離に伴い生じる流体抵抗の増大等の不具合を回避でき
るようにした高速運動体に関する。

【０００２】

【従来の技術】流体中を高速で運動する高速運動体とし
て、水中を高速で航走する水中航走体、潜水艇、空中を
飛行する航空機、飛しょう体、又は回転翼航空機のロー
タ等がある。

【０００３】図６は、このような高速運動体の１例とし
ての、回転翼航空機のロータ部の一部分を示す斜視図で
ある。図に示すように、機体内に装備されたエンジンの
駆動力が伝達されて回転する回転軸０１に、その基端部
が連結されたロータ０２は、矢視方向に回転し、ロータ
０２に発生する揚力によって、図示省略した回転翼航空
機を空中に浮揚させ、又はこの揚力を利用して回転翼航
空機の姿勢制御を行い、又は回転翼航空機を所望方向へ
飛行させるようにしている。

【０００４】図６の矢視Ａ−Ａにおけるロータ０２の翼
端部断面図である、図７に示すように、このような回転
翼航空機のロータ０２の翼端に近い箇所においては、高
速回転時の抵抗発散マッハ数を高めるために、図に示す
ような薄い断面形状の翼型が採用されており、さらにロ
ータ０２の全長にわたって揚力を発生させるために、気
流０３の流れ方向に対して、前縁側を上向きにした、い
わゆる頭上げ状態の迎角姿勢にして、空気中で回転軸０
１まわりに回動させるようにしている。

【０００５】なお、ロータ０２の基端部の回転軸０１へ
の連結は、ロータ０２が回転軸０１に対してフラッピン
グ運動、リードラグ運動およびフェザリンク運動ができ
るように、フラッピング軸、リードラグ軸で連結される
と共に、フェザリング軸まわりにロータ０２を回転させ
て、気流に対するロータ０２の迎角を変動、いわゆるフ
ェザリング運動ができるように、回転軸０１とロータ０
２との間にロータ０２の迎角変動を行わせるリンク機構
が設けられている。

【０００６】このリンク機構によるロータ０２の迎角の
変動操作は、上述したように、回転翼航空機の空中での
浮揚に必要な揚力をロータ０２に発生させるために、ロ
ータ０２を一定大きさの迎角にするために必要なほか、
回転翼航空機の飛行中に生じる、回転するロータ０２の
各方位角によって変動する、気流に対する相対速度変化
に伴い、各方位角で生じる揚力変動をなくして、姿勢角
を保持するために必要としている。

【０００７】しかしながら、このロータ０２の迎角を、
所定迎角以上に大きくすると、小さい迎角の範囲ではロ
ータ０２の後縁近くまでロータ０２表面に沿って流れ、
ロータ０２に揚力を発生させていた気流０３が、ロータ
０２表面から剥離しやすくなり、特に図７に示すよう
に、薄翼にされ翼端に設けられるロータ０２では、前縁
近くで剥離０４を起こすことがある。

【０００８】このような表面に沿って流れる気流０３の
剥離０４は、回転翼航空機に限定したとしても、断面形
状が翼型に形成された前述のロータ０２だけで起るもの
ではなく、図８に示すように、回転翼航空機の飛行速度
に対応して高速で空中を移動する脚０５や、サポートチ
ューブのような円形断面形状にされて円柱部材０５、又
は図９に示すように尾部構造をしぼった胴体０６の尾部
においても同様に発生するものである。このような気流
０３の剥離０４が発生すると、図８においてその詳細に
示すように、剥離０４が発生した位置（剥離点）より後
流側には渦０７が発生し、抵抗が急激に増大するほか
に、前述の円柱部材０５の場合には、左右交互に発生す
る渦０７の発生により、気流０３の流れ方向と直交する
方向の振動が発生するようになる。さらに、前述したロ
ータ０２の場合には、ロータ０２に沿って流れる気流０
３によってロータ０２に発生している揚力が、この剥離
によって急激に低減して、回転翼航空機の失速につなが
ることがある。また、気流０３の剥離０４は、これが起
因となって、ロータ０２や胴体０６の外板に急激な振動
が発生する、いわゆるフラッタを引き起すことがある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、回転翼航空
機のロータ、円柱部材又は胴体尾部構造等のように、流
体中を高速で運動する高速運動体の外表面に沿って流れ
る流体が、外表面から剥離することによって生じる、上
述した不具合の発生を解消するため、外表面に沿って流
れる流体の外表面から剥離を少くして、若しくは遅くし
て、運動性能に秀れ、安定して高速運動できる高速運動
体を提供することを課題とする。

【００１０】

【発明を解決するための手段】このため、本発明の高速
運動体は、次の手段とした。

【００１１】（１）高速運動体が流体内を運動すると
き、流体と接するようにされた外表面に、ディンプル若
しくは突起物を多数配設し、高速運動体が流体内を高速
で運動しているときに、外表面に沿って流れる流体が外
表面から剥離するのを低減する又は遅らせる凹凸表面形
状を設けるものとした。なお、流体は、空気等の気体ま
たは水等の液体の何れであってもよく、従って、高速運
動体としては、水中航走体、潜水艇、高速艇等の水中を
高速航走する航走体、またはヘリコプタを含む航空機、
飛しょう体、ロケット等の空中を飛行する飛行体でもよ
いものである。

【００１２】また、凹凸表面形状にされる外表面は、流
体と接するようにされた外表面の全部でも、または剥離
が起こりやすい外表面の部分に限定して設けるようにし
た一部分であってもよいものである。また、外表面に多
数配設するディンプル若しくは突起物は、等ピッチで設
ける等、規則性をもって外表面に配設し、その大きさ、
特にその高さは、外表面に沿って流れる流体、特に外表
面の極く近傍を流れる流体を乱流状態に維持でき、しか
も、これらの抵抗によって、高速運動体の抵抗の増大を
招かぬ程度の大きさにすることが好ましい。

【００１３】（ａ）本発明の高速運動体は、上述（１）
の手段により、外表面に沿って流れる流体には、外表面
に配設されたディンプル、若しくは突起によって乱流が
誘起され、外表面に沿って流れ、外表面との摩擦によっ
てエネルギーの消耗の大きい外表面の極く近傍を流れる
流体には、外表面から離れて流れ、エネルギーの消耗の
少い外部流のエネルギーが伝達され、外表面に沿って流
れる流体のエネルギーを回復させ、外表面に形成される
境界層の乱流状態が維持される。

【００１４】これにより、外表面に沿って流れる流体が
外表面から剥離するのが遅れ、若しくは少くなり、外表
面の後流側まで外表面に沿って流れるようにすることが
できる。従って、外表面からの流れの剥離に伴う、抵抗
の増大、振動の発生を低減でき、又は揚力の急激な低減
に伴う失速等を防止できる等、運動性能に秀れ、より高
速で安定した運動ができる高速運動体とすることができ
る。

【００１５】また、本発明の高速運動体は、上述（１）
の手段に加え、つぎの手段とした。 （２）上述した高速運動体が、空中を飛行する飛行体で
あり、流体と接するようにされた外表面が、飛行体を構
成する翼、若しくは機体の相対移動する空気と接する凹
凸表面形状の外面を設けるものとした。なお、飛行体を
構成する翼は、固定翼航空機に装備されるフィンを含む
固定翼、または回転翼航空機に装備される固定翼、もし
くは回転翼（ロータ）でもよいものである。さらに、飛
行体を構成する機体は、飛行体の主強度部材を構成する
胴体の他に、胴体の外部に装備される脚、サポートチュ
ウーブ等でもよいものである。

【００１６】（ｂ）本発明の高速運動体である飛行体
は、上述（ａ）と同様にして、翼若しくは機体の外面に
沿って流れる気流の外面からの剥離を遅らせ、若しくは
少くして、外面からの気流の剥離によって生じる抵抗の
増大、振動の発生を低減でき、特に翼においては、高迎
角設定による揚力の急激な低減を防止でき、失速を防止
できる等、運動性能に秀れたものにできるほかに、翼、
胴体の外板に発生することのあるフラッタの発生を防止
して、より高速、安定で飛行できる安全な飛行体とする
ことができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の高速運動体の実施
の一形態を図面にもとづき説明する。図１は、本発明の
高速運動体の実施の第１形態としての、図６の矢視Ａ−
Ａにおけるロータの翼端近くの断面形状ならびに翼断面
まわりを流れる気流のモデル図、図２は図１に示すロー
タの外面としての表面形状の一部を示すための斜視図で
ある。

【００１８】回転翼航空機の胴体内に装備されたエンジ
ンに駆動力されて回転する回転軸に、その基端部が連結
され、回転軸まわりに回転し、略水平な回転面を形成す
るロータ１は、抵抗発散マッハ数を高める為に、その翼
端部においては、翼厚を薄くした断面形状にされるとと
もに、外面としての翼表面２には、ディンプルもしくは
突起物（以下単に突起物という）３が多数配設され、凹
凸表面形状が形成されている。なお、突起物３はロータ
１の翼弦方向および翼幅方向ともに、略等ピッチに配設
して、翼表面に設けるようにしている。

【００１９】また、突起物３の大きさ、特に翼表面２と
直交する方向の大きさである高さは、翼表面２に沿って
流れる気流４、特に翼表面２の極く近傍を流れる気流４
の乱流状態が維持でき、しかも、これらの抵抗によっ
て、ロータ１の急激な抵抗増大を招かぬ程度の高さにし
ている。

【００２０】図２に示したように、突起物３を設け、翼
表面２を凹凸表面形状にすることにより、図１に示すよ
うに、翼表面２に沿って流れる気流４には乱流が誘起さ
れ、翼表面２に沿って流れる気流４で形成される境界層
を乱流境界層５に変える。このように、翼表面２に沿っ
て流れる気流４で形成される境界層が、乱流境界層５に
なると、乱流境界層５内外の流体粒子が互いに混合する
ようになる。これにより、外表面に沿って流れ、エネル
ギーの消耗の大きく流速が小さくなる境界層内の流れに
は、この流体粒子の混合により、外表面から離れて流れ
る外部流１６の保有するエネルギーが伝達され、境界層
内の流れは、エネルギーを回復し、境界層の発達が抑制
される乱流境界層５とすることができる。

【００２１】この境界層の乱流境界層５への遷移によ
り、翼表面２に沿って流れる気流４の翼表面２から剥離
がしにくくなり、又は、少くとも翼表面２に沿って流れ
る気流４の翼表面２から剥離するのが遅れ、剥離点が後
流側に移動し、気流４は後流側まで翼表面２に沿って流
れるようになる。これにより、気流４の翼表面２からの
剥離に伴い発生するロータ１の急激な抵抗増大、振動の
発生を低減させることができ、又は揚力の急激な低減が
発生するのを防止でき、ロータ２の失速、又はフラッタ
の発生等を防止できる等、運動性能に秀れ、高速で安定
した回転ができるロータ１とすることができる。特に、
このような効果は、抵抗発散マッハ数を高めるため、翼
厚が薄くしたロータ１において発生する失速防止に顕著
な効果を発揮するものとなる。

【００２２】なお、上述した実施の形態では説明を省略
したが、凹凸表面形状にされる翼表面２は、気流４と接
するようにされた翼表面２の全部とすることもできる
が、突起物３の配設に要する工費、および突起物３によ
り多少とも生じることのある抵抗増大等を考慮して、気
流４の剥離が特に起こりやすい翼表面の部分、換言すれ
ば、翼厚を薄くする翼端部の、しかも高迎角時に剥離を
起しやすいロータ２の上面側の翼表面２に限定して設け
るようにすることもできる。

【００２３】次に、図３ないし図５は、本発明の高速運
動体の実施の第２形態および第３形態を示す図である。

【００２４】図３は、回転翼航空機の脚やサポートチュ
ーブのような円形断面の円柱部材に、本発明を適用した
実施の第２形態を示す図、ならびに円柱部材まわりに流
れる気流を示すモデル図である。図において、６は後述
する図５に示すように外表面７に突起物８を設け、外表
面７が凹凸表面形状にされた円柱部材であり、９は円柱
部材６まわりに流れる気流、１０は円柱部材６まわりに
形成される乱流境界層のモデルを示す。

【００２５】また、図４は図９において示した、尾部構
造をしぼった胴体尾部に、本発明を適用した実施の第３
形態を示す図、ならびに胴体まわりの気流のモデル図で
ある。図において、１１は後述する図５に示すように、
外表面７に突起物８を設け、外表面７が凹凸表面形状に
された胴体であり、１２は胴体１１まわりに流れる気
流、１３は胴体１１まわりに形成される乱流境界層のモ
デルを示す。

【００２６】さらに、図５は図３に示す実施の第２形態
の円柱部材６、又は図４に示す実施の第３形態の胴体１
１の尾部の外表面７の表面形状を示す図である。

【００２７】実施の第２形態および第３形態において
は、図５に示すように、外表面７に突起物８を設けるこ
とにより、それぞれの外表面７は凹凸表面形状にされ
て、それぞれの外表面７に沿って流れる気流９，１２、
すなわち円柱部材６の横断面、又は胴体１１の縦断面ま
わりの外表面に沿ってそれぞれ流れる気流９又は気流１
２に乱流を誘起し、境界層を乱流に変えるようにしてい
る。

【００２８】このように、円柱部材６又は胴体１１の外
表面７に形成される境界層が乱流になると、乱れによっ
て境界層内外の流体粒子が互いに混合するので、外表面
７に沿って流れる気流９，１２が剥離しにくくなり、円
柱部材６又は胴体１１に沿って流れる気流９，１２が外
表面７から剥離する剥離点が後流側に移る。これによ
り、剥離点より後流側に発生する渦１４も、後流側に移
動し、渦１４の発生により円柱部材６又は胴体尾部１１
に発生することのあった急激な抵抗増大がなくなるとと
もに、渦１４の発生により気流９，１２の流れ方向と直
交する方向に発生する振動を低減することができる。

【００２９】以上述べた実施の形態で説明したように、
回転翼航空機のロータ１、円柱部材６又は胴体１１で、
気体中の高速運動時に発生する外表面に沿って流れる気
流の剥離を、翼表面２又は外表面７に設けた突起物８に
よって低減し、又は剥離の発生を遅らせることにより、
回転翼航空機の抵抗の増大、振動の発生を低減させるこ
とができ、又は揚力の低減を少くすることができ、失
速、フラッタの発生等を防止できる等、運動性能に秀れ
たものにでき、より高速、高安定で飛行できる安全な飛
行体とすることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の高速運動
体によれば、流体内を運動するとき、流体と接するよう
にされた外表面に、ディンプル若しくは突起物を多数配
設し、流体内を高速で運動しているときに、外表面に沿
って流れる流体が外表面から剥離するのを低減する凹凸
表面形状を外表面に設けた高速運動体とした。

【００３１】これにより、外表面に沿って流れる流体に
は、配設されたディンプル若しくは突起によって乱流が
誘起され、外表面に沿って流れる流体には、外表面から
離れて流れる外部流のエネルギーが伝達され、境界層の
発達が抑制され、流体が外表面から剥離するのを遅らせ
ることができ、又は低減するようにすることができる。
このため、流れの外表面からの剥離に伴う抵抗の増大、
振動の発生又は揚力の低減を少くすることができ、失速
を防止できる等、運動性能に秀れ、より高速で安定した
運動ができる高速運動体とすることができる。

【００３２】また、本発明の高速運動体によれば、上述
の高速運動体を、空中を飛行する飛行体とし、この飛行
体を構成する翼、若しくは機体の空気と接する外表面
が、凹凸表面形状のものにされたものとした。

【００３３】これにより、上述と同様に、翼若しくは機
体の外面に沿って流れる気流の外面からの剥離を遅ら
せ、若しくは少くすることができる。このため、外面か
らの気流の剥離によって生じる抵抗の増大、振動の発生
又は揚力の低減を少くすることができ、失速、フラッタ
の発生を防止できる等、運動性能に秀れたものにでき、
より高速、安定で飛行できる安全な飛行体とすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高速運動体の実施の第１形態としての
ロータの翼端近くの断面形状、ならびにロータ横断面ま
わりを流れる気流のモデル図，

【図２】図１に示すロータの外面としての翼表面の一部
を示す斜視図，

【図３】本発明の実施の第２形態としての回転翼航空機
の脚やサポートチューブのような円形断面の円柱部材の
横断面図、ならびに円柱部材の横断面まわりを流れる気
流を示すモデル図，

【図４】本発明の実施の第３形態としての回転翼航空機
の尾部構造をしぼった胴体の縦断面図、ならびに胴体の
縦断面まわりを流れる気流を示すモデル図，

【図５】図３に示す実施の第２形態の円柱部材、又は図
４に示す実施の第３形態の胴体尾の外表面を示す部分
図，

【図６】本発明の高速運動体の１例として適用できる回
転翼航空機のロータ部の一部分を示す斜視図，

【図７】図６の矢視Ａ−Ａにおける、従来のロータの横
断面図、ならびにロータの横断面まわりを流れる気流の
モデル図，

【図８】従来の高速運動体としての、回転翼航空機の脚
や、サポートチューブのような円柱部材の横断面図、な
らびに横断面まわりを流れる気流を示すモデル図，

【図９】従来の高速運動体としての、尾部構造をしぼっ
た回転翼航空機の胴体の縦断面図、および縦断面まわり
を流れる気流を示すモデル図である。

【符号の説明】

１ 翼としてのロータ ２ 翼表面 ３ 突起物 ４ 気流 ５ 乱流境界層 ６ 機体としての円柱部材 ７ 外表面 ８ 突起物 ９ 気流 １０ 乱流境界層 １１ 機体としての胴体 １２ 気流 １３ 乱流境界層 １４ 渦 １６ 外部流

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体内を高速で運動する高速運動体にお
   いて、前記流体と接するように設けられた外表面が、デ
   ィンプル若しくは突起物が多数配設されて、前記外表面
   に沿って流れる前記流体の剥離を低減する凹凸表面形状
   にされていることを特徴とする高速運動体。
2. 【請求項２】 前記高速運動体が空気中を飛行する飛行
   体であり、前記外表面が前記飛行体を構成する翼、若し
   くは機体の前記空気と接する外面であることを特徴とす
   る請求項１の高速運動体。