JPS5853640B2 - 航空機の姿勢角制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はフライトパスの変化なしに姿勢角を変える航空
機の姿勢角制御装置の改良に関する。

従来の航空機の姿勢制御装置では航空機の飛行中に姿勢
角（本明細書では垂直面内での姿勢をいう）を変える場
合、第１図に示すようにまずエレベータで頭上げのモー
メントを作り機体をローティジョンさせ、所期の姿勢角
に達したらそこでの新しい釣合を保つようにエレベータ
を調節していた。

又、方向の姿勢角即ち水平面での姿勢を変える場合、第
２図に示すようにまずラダーで横向きのモーメントを作
り、同時にローリングモーメントを調節するため、エル
ロンを操作して機体が所期の方向の姿勢角に達したらそ
こでの新しい釣合を保つようにラダー及びエルロンを調
節していた。

しかるにこのような従来の航空機の姿勢制御装置では次
のような不具合があった。

（１）機体が姿勢角又は方向の姿勢角を変えると迎角又
は方位角が増し又は生じ、機体が上昇し又は方向変化を
来たした。

即ち、フライトパスの変化なしには姿勢角又は方向の姿
勢角を変えることができず、空中格上や横風を受けなが
らの着地等に不利があった。

（２）エレベータ又はラダーの操作をピッチング又はヨ
ーイングなしに行なうには熟練が必要であった。

本発明はか＼る不具合を解消した航空機の姿勢角制御装
置を提供しようとするものであって、その構成とすると
ころは、第１の操舵装置と第２の操舵装置とを有する航
空機の運動制御装置において、航空機の姿勢角を変更す
べく第１の操舵装置の第１の作動信号としてのパイロッ
トの入力信号δｆ、により操舵された第１の操舵装置に
よって発生する機体の上下刃および／又は横力変化を消
去すべくδｆを入力し第２の操舵装置の第１の作動信号
を出力する第１の手段と、第１の操舵装置によって発生
するフライトパスの変化を消去すべくδｆ、を入力し第
２の操舵装置の第２の作動信号を出力する二次遅れ回路
を付設した第２の手段と、第２の操舵装置によって発生
するフライトパスの変化を消去すべくδｆを入力し第１
の操舵装置の第２の作動信号を出力する二次遅れ回路を
付設した第３の手段とを備えたことを特徴としており、
本発明によればフラップを操作して姿勢角、即ち、垂直
面内での姿勢を変える際、先ず、フラップを操作して迎
角を変えると同時にそのフラップ操作入力の一部を所定
の伝達関数を通して、フラップ操作によって誘起される
機体の上下刃を打消すに必要な入力としてエレベータに
送ってエレベータを操作させるので機体は第３図に示す
ように姿勢角を変えたまＳ上下することなく、従ってフ
ライトパスを変えることなく矢印の方向に飛行を続行で
き、又は／及び方向の姿勢角、即ち、方位角を変える際
は先ず垂直カナードを操作して方位角を変えると同時に
、その垂直カナード操作入力の一部を所定の伝達関数を
通して、垂直カナードの操作によって誘起される機体の
横力を打消すに必要な入力としてラダーに送ってラダー
を操作させ、垂直カナードの操作によって誘起される機
体の横滑り角変化に基く横力とローリングモーメントを
打消すに必要な入力として垂直カナード、エルロン及び
ラダーに送って垂直カナード、エルロン及びラダーを操
作させるので機体は第４図に示すように方向の姿勢角を
変えたまＳ横移動することなく従ってフライトパスを変
えることなく矢印の方向に飛行を続行でき、従来の航空
機の姿勢制御装置に較べ次のような利点を有する。

げ）目標に対して所望の姿勢角又は方向の姿勢角を維持
したま＼飛行できるので空中格上や横風を受けながらの
着地等に有利である。

（ロ）エレベータ又はラダーの操作に当ってピッチング
又はヨーイングが随伴しないので操作が容易である。

なお、本発明においてフラップとはそれがいわゆる水平
カナードによって代替される場合も含むものとする。

次に本発明の一実施例を図によって説明する。

第５図Ａ及び第５図Ｂにおいて０１は本発明の一実施例
の装置を搭載した機体（航空機）、１は機体０１の垂直
面内での姿勢を変える（但し、飛行中。

以下特記なき場合はすべて飛行中をいう）ための第２の
操舵装置としてのエレベータ、２は機体０１の方向を変
えるための第２の操舵装置としてのラダー、３は機体０
１に高揚力を生じさせるための第１の操舵装置としての
フラップ、４は機体０１の前方寄りにあって機体０１の
前後のバランス及び昇降の補助をなす第１の操舵装置と
しての水平カナード、５は機体０１の前方下部中央にあ
って機体の方向を変える際の補助をなす第１の操舵装置
としての垂直カナード、６はエレベータ１、ラダー２、
フラップ３、水平カナード４、垂直カナード５に機体０
１の姿勢角制御のための入力を直接に又は所要の伝達関
数の値に応じた量になるような手段を介して間接にイン
プットするため機体０１の前方のコックピットに設けら
れたコントローラである。

なお、上記エレベータ１、ラダー２、フラップ３、水平
カナード４及び垂直カナード５はコントローラ６からの
インプットを受けて作動するための図示しないアクチュ
エータを備えており、かつ、コントローラ６と同アクチ
ュエータの間にはインプットを直接に又は伝達関数の値
に応じてモジュレートし、間接に伝達するための図示し
ない各電気的手段が設けられている。

次に上記実施例の作用効果を姿勢角、即ち、垂直面内で
の姿勢を変える場合について第６図のブロックダイヤグ
ラムで、方向の姿勢角、即ち、水平面内での姿勢を変え
る場合について第７図のブロックダイヤグラムでそれぞ
れ説明する。

先ず、詳細説明の前に操縦（姿勢角及び方向の姿勢角の
制御）の概略を説明すると、パイロットが第５図のコン
トローラ６を前に倒すと姿勢角は負（機首下げ）となり
、後に倒すと姿勢角は正（機首上げ）となる。

又、左に倒すと姿勢角は左向き、右に倒すと右向きとな
るようになっている。

なお、各姿勢角の量はコントローラ６を倒す量に対応す
るようになっている。

コントローラ６が操作され、パイロット入力が電気信号
として所定の舵（フラップ又は垂直カナード）に伝達さ
れると舵が動き（操舵され）、機体が所期の向きに変ろ
うとするが、そのとき、機体は上記舵の動きによって空
力的要請から、所期の向きに動く以外に目的から見れば
不要な動きをするのでそれらの不要な動きを、パイロッ
ト入力の一部を用いて他の舵面を動かして打消す。

この打消しの仕組みであるが、航空機はその形状、質量
、重心位置等によって、その空力特性が定まるので運動
方程式を解くことによって所期の舵の動きによって機体
に誘起される３次元の動きを定量することができ、それ
らの動きのうち不要なものを、パイロット入力が各舵に
伝達される経路に組込まれた所定の回路によって、上記
運動方程式より誘導される伝達関数に相応した値に定量
し、打消しに必要な入力として所要の舵に伝達、打消す
ものである。

次にこれらの詳細を説明する。

航空機の縦の（垂直面での）運動方程式は次式で近似で
きる。

（記号については後記参照） と表わすことができる。

また、上下方向の加速度変化△ｎｚは で表わすことができるので、 これに（４１を代入する骨 畳と と表わせる。

δｅあるいはδｆが作動した時にフライ 化しない為には、 △ｎ２三〇 すなわち トパスが変 が必要かつ十分条件である。

（３）式のＭ／ 、 Ｚ／を代入すると ここで中間変数δｆｐを導入して（３，２）式の右辺分
母・分子に ※整理
すると、 これから次式を得る。

以上の式において、飛行条件（マツバ数、迎角等）の変
化による空力係数の変化を無視すれば、Ｋ１． Ｋ２
、 Ｋｓは一定（ρ、■によらない）、ａはＶに反比例
、モしてｂはρ■２に反比例する。

従って、たとえばパイロット入力によって操舵されたフ
ラップ舵角δｆに対して機体がフライトパスを変更しな
いために、即ち、上下刃を打消すために操舵すべきエレ
ベータ舵角δｅが決定される。

但し、α：釣合いからの迎角変化、ｑ：ピッチレート、
δｅ：エレベータ舵角、δｆ：フラップ（又は水平カナ
ード）舵角、Ｚ：上下方向の空気力、Ｍ：空気力による
ピッチングモーメント、ｍ：機体の質量、ｐ、ｑ、ｒ：
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸まわりの角速度、ｕｓｖ、ｗ：ＸｓＹ、Ｚ
軸方向の速度、Ｉ ｘ Ｉ Ｉｙ ｔＩｚ：Ｘ、Ｙ 、
Ｚ軸まわりの慣性モーメント、ρ：空気密度、■二機速
、ｇ：重力の加速度、δｆ、：パイロットフラップ舵角 Ｓニラプラス演算子 以上のようにして決定される舵角の操舵の実際について
第６図により説明する。

図において、パイロットの入力信号δｆｐ／ ｌを与え
る。

パイロット人力−は枝分れして一方はそのまま直接に第
１の操舵装置としてのフラップ６に第１の作動信号とし
て伝達され、他方は第１の手段としての回路２、第２の
手段としての回路３５及び第３の手段としての回路３に
伝達される。

回路２に入った入力はそこで上記した係数に１に相応し
た出力に定量され、フラップ６の操舵によって生じる機
体の上下刃を打消すために第２の操舵装置としてのエレ
ベータ−に第１の作動信号を伝達する。

回路３に入った入力は上記した第３の手段としての係数
に２に相応した出力に定量され上記した□＋ａｓ＋ｂｓ
２に相応した出力に定量するための回路４を経て、フラ
ップ６の操舵によっで生じる迎角変化分の上下刃を打消
すため一部はフラップ６へ、他は上記した係数に３に相
応した出力に定量し回路３とともに第２の手段を構成す
る回路５を経て第２の操舵装置としてのエレベータ７へ
第２の作動信号を伝達する。

なお回路３および回路４は２系統独立に設は第２の手段
、第３の手段の専用の回路としても良い。

フラップ６及びエレベータ７に伝達された入力は図示し
ないアクチュエータによってフラップ６及びエレベータ
７を所要量操舵し、機体に所期の姿勢角のみを与える。

以上は垂直面内での操舵の場合である。

次に水平面内での操舵、即ち、方向の姿勢角を変える場
合について説明する。

方向の姿勢角の変化は本質的には上記垂直面内での姿勢
制御を水平面内に置き換えた場合に相当する。

但し、垂直面内での姿勢の変化は対称的に行なわれるが
、水平面内では非対称のため機体にローリングモーメン
トが誘起されるのでこの系の操舵が新たに加えられる。

上記、縦の運動方程式の場合と同様にして横の（水平面
内での）場合は制御に必要な係数等が以下の通りに定ま
る。

（記号については後記参照） ここに 但し、δ■ｃ：垂直カナード舵角、δａ：ミニエルロン
、δｒ：ラダー舵角、 β：横滑り角、 Ｌ：Ｘ軸まわりの空気力によるモーメントＹ：Ｙ軸まわ
りの 〃 Ｎ：Ｚ軸まわりの 〃 （７）式のＡａｒ、 Ａｊｒ、 Ａａｊ ＋ Ｂａｒ
”・は単なる記号である。

以上のようにして決定された舵角の操舵の実際について
第７図により説明する。

図においてパイロットの入力信号δｆｐ１１を与える。

与えられたパイロット人力１１は枝分れして一方はその
まま第１の操舵装置としての垂直カナード２２に第１の
作動信号として伝達され、他方は第１の手段としての回
路１２、同１３、第２の手段としての同１４．１８．２
０，１６，１９．２１および第３の手段向１４および同
１６に伝達される。

一方の第１の手段としての回路１２に入った入力はそこ
で上記した係数に４に相応した出力に定量され、垂直カ
ナード２２によって生じる横力を打消すため、第２の操
舵装置としてのラダー２４に第１の作動信号を伝達する
。

他方の第１の手段としての回路１３に入った入力はそこ
で上記した係数に５に相応した出力に定量され、垂直カ
ナード２２の操舵によって生じるローリングモーメント
を打消すために同じく第２の操舵装置としてのエルロン
２３へ第１の作動信号を伝達する。

第２の手段の１部としての、および第３の手段としての
回路１４及び同１６に入った入力は上記した係数に６及
び同に７に各相応した出力に定量され、垂直カナード２
２の操舵によって生じる横滑り角変化分に基く横力とロ
ーリングモーメントを打消すため２次系回路１５を経て
上記した。

□−ＮｒＳ＋Ｎβに相応した出力に定量されて３つに枝
分れし、一部はそのまへ第１の操舵装置としての垂直カ
ナード２２へ第２の作動信号を伝達し、一部は更に回路
１４とともに第２の手段を構成する回路１８に伝達され
て上記した係数に８に相応した出力に定量されて第２の
操舵装置としてのエルロン２３へ第２の作動信号を伝達
する。

残りの一部は回路１４とともに他の第２の手段を構成す
る回路１８に伝達され上記した係数に１ｏに相応した出
力に定量されて他の第２の操舵装置としてのラダー２４
へ第２の作動信号を伝達する。

回路１６に入った入力に相応した出力に定量さされて３
つに枝分れし、一部はそのま＼第一の操舵装置としての
垂直カナード２２へ第２の作動信号を伝達し、一部は更
に回路１６とともに第２の手段を構成する回路１９へ伝
達され、上記した係数に９に相応した出力に定量されて
第２の操舵装置としてのエルロン２３へ第２の作動信号
を伝達する。

残りの一部は更に回路１６ととも他の第２の手段を構成
する回路２１・＼伝達され、上記した係数に１、に相応
した出力に定量されて第２の操舵装置としてのラダー２
４・＼第２の作動信号を伝達する。

垂直カナード２２、エルロン２３及びラダー２４・＼伝
達された各入力は図示しないアクチュエータによって垂
直カナード２２、エルロン２３及びラダー２４を所要量
操舵し、機体に所期の方向の姿勢角のみを与える。

上記各実施例は説明の便宜上、姿勢角（以下垂直系とい
う）及び方向の姿勢角（以下水平系という）を別々に説
明したが、これらは３次元空間を飛行する航空機として
は本来的に一体の姿勢角制御装置として搭載されるべき
であり、かつその場合、垂直系と水平系が同時に操舵さ
れることのあるのは航空機として当然であり、その場合
は垂直系と水平系の作用効果が相加して現われるのも当
然である。

但し、特殊な例として垂直系、水平系の倒れか一方の系
のみの姿勢角制御装置を備えることを妨げない。

なお、垂直系、水平系が一体の装置として搭載される場
合は両系間の共用可能な回路等は勿論、共用されてよい
。

上記実施例ではパイロット入力の伝達を電気で行なう場
合の例について説明したが、これは何のような手段であ
ってもよく、たとえば油圧、電磁気、電子、機械（ブツ
シュ、プル信号）、光、音波等の手段であってもよい。

又、アクチュエータ等のパワーを必要とするものにはそ
れにふされしい何のような手段が使用されてもよく、た
とえばトルクモータでもよく油圧アクチュエータと電磁
サーボバルブ等が併用されることも自由である。

又、回路２〜回路２１にあって係数Ｋ、同に２・・・等
に相応した出力を定量する手段は何のような手段であっ
てもよくたとえばコンピュータが用いられても差支えな
く、或は上述した通り、機体は形状、質量、重心位置等
によってその空力特性が定まるので、たとえば水平系の
場合、所定量の方向の姿勢角を生ずべき垂直カナード舵
角に対する他のエルロン舵角、ラダー舵角に定まってい
るので、所定量の方向の姿勢角を生ずべきパイロット入
力の一部を上記エルロン舵角、ラダー舵角に相応した値
に按分するようなディストリビュータ、フィルター等が
用いられても差支えない。

又、フラップの機能を全部又は一部、水平カナードによ
って代替させてモ構わない。

その場合はフラップを水平カナードと読み変える。

なお、上記説明中、舵の操作について、「操縦Ｌ「操作
」、「操舵」等の用語を用いたがこれらの間には格別の
意味の違いはなく、たとえば舵の操作を機体全体として
説明するような場合は主として「操縦」を、入力との関
連において説明するような場合は主として「操作」を舵
の動きを主体に説明するような場合は主として「操舵」
を用いである。

本発明は実施例について具体的に上に説明したように、
フラップを操作して姿勢角、即ち、垂直面内での姿勢を
変える際、先ず、フラップを操作して迎角を変えると同
時にそのフラップ操作入力の一部を所定の伝達関数を通
して、フラップ操作によって誘起される機体の上下刃を
打消すに必要な入力をエレベー・夕に送ってエレベータ
を操作させるので機体は姿勢角を変えたま＼、上下する
ことなく従ってフライトパスを変えることなく飛行を続
行でき、又は／及び、方向の姿勢角、即ち、方位角を変
える際は先ず垂直カナードを操作して方位角を変えると
同時に、その垂直カナード操作入力の一部を所定の伝達
関数を通して、垂直カナードの操作によって誘起される
機体の横力を打消すに必要な入力としてラダーに送って
ラダー操作させ、垂直カナードの操作によって誘起され
る機体の横滑り角変化に基く横力とローリングモーメン
トを打消すに必要な入力として垂直カナード、エルロン
及びラダーに送って垂直カナード、エルロン及びラダー
を操作させるので、機体は方向の姿勢角を変えたま＼、
横移動することなく、従ってフライトパスを変えること
なく飛行を続行でき、従来の航空機の姿勢制御装置に較
べ冒頭に説明した（イ）於び（ロ）のような利点を有す
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の姿勢角変化の飛行例を示す側面図、第
２図は従来例の方向の姿勢角変化の飛行例を示す平面図
、第３図は本発明の一実施例の姿勢角変化の飛行例を示
す側面図、第４図は本発明の一実施例の方向の姿勢角変
化の飛行例を示す平面図、第５図Ａは本発明の一実施例
の側面図、第５図Ｂはその平面図、第６図は本発明の一
実施例の垂直系、姿勢角制御のダイヤグラム図、第７図
は同じく水平系姿勢角制御のダイヤグラム図である。 ０１・・・・・・機体、１・・・・・・エレベータ、２
・・・・・・ラダー、３・・・・・・フラップ、４・・
・・・・水平カナード、５・・・・・・垂直カナード、
６・・・・・・コントローラ、■、■・・・・・・パイ
ロットの入力信号、■・・・・・・第１の手段としての
回路（係数に１ の定量）、■・・・・・・第２の手段
の一部および第３の手段としての回路（係数に２の定量
）、■・・・・・・２次系回路（１＋ａＳ＋ｂＳ ）の
定量）、■・・・・・・■ととも第２の手段を構成する
回路（係数に３の定量）、＠・・・・・・第１の手段と
しての回路（係数に４の定量）、［相］・・・・・・第
１の手段としての回路（係数に５の定量）、■・・・・
・・第２の手段の一部および第３の手段としての回路（
係数に６の定量）、［相］・・・・・・２次系回路（Ｓ
”−ＮｒＳ＋Ｎ／９ ’の定量）、［有］・・・・・・
第２の手段の一部および第３の手段としての回路（係数
に７の定量）、＠・・・・・・２次も第２の手段を構成
する回路（係数に８の定量）、［相］・・・・・・［有
］とともに第２の手段を構成する回路（係数に、の定量
）、［相］・・・・・・０とともに第２の手段を構成す
る回路（係数ＫＩＯの定量）、◎・・・・・・［相］と
ともに第２の手段を構成する回路（係数に１□の定量）
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１の操舵装置と第２の操舵装置とを有する航空機
   の運動制御装置において、航空機の姿勢角を変更すべく
   第１の操舵装置の第１の作動信号としてのパイロットの
   入力信号δｆｐにより操舵された第１の操舵装置によっ
   て発生する機体の上下刃および／又は横力変化を消去す
   べくδｆ、を入力し第２の操舵装置の第１の作動信号を
   出力する第１の手段と、第１の操舵装置によって発生す
   るフライトパスの変化を消去すべくδｆ、を入力し第２
   の操舵装置の第２の作動信号を出力する二次遅れ回路を
   付設した第２の手段と、第２の操舵装置によって発生す
   るフライトパスの変化を消去すべくδｆｐを入力し第１
   の操舵装置の第２の作動信号を出力する二次遅れ回路を
   付設した第３の手段とを備えたことを特徴とする航空機
   の姿勢角制御装置。