JP7299720B2

JP7299720B2 - 航空機

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Publication number: JP7299720B2
Application number: JP2019045642A
Authority: JP
Inventors: 裕之津端
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2023-06-28
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: JP2020147137A

Description

本発明は、航空機に関する。

従来、イオン放出により落雷を回避する技術が検討されている。例えば、特許文献１には、コロナ放電を起こして霧に付着させたイオンを地上から放出してイオン雲を形成し、地上への直接の落雷回避を図る落雷防止装置が記載されている。

特開平４－０７１１９７号公報

ところで、航空機に対しても、落雷が生じる。航空機は導電体であり、雷雲下の空間の電界が航空機に集中することで、航空機をトリガとした落雷が生じることが多い。そのため、航空機への落雷を抑制する技術の開発が希求される。

本発明は、このような課題に鑑み、落雷を抑制することが可能な航空機を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の航空機は、機体と、機体に位置を異にして３つ以上設けられた電界センサと、機体からイオンを放出させることで、機体の電荷を変える電荷放出機構と、飛行中、電界センサの出力に応じ、電荷放出機構を制御する制御部と、を備え、制御部は、３つ以上の電界センサの出力から、機体全体としての正極側の電界強度である正極代表値と、機体全体としての負極側の電界強度である負極代表値を推定し、負極代表値の絶対値が、正極代表値の絶対値よりも大きくなるように、電荷放出機構を制御し、機体が存在する空間の電場の大きさに対して機体の電荷により生じる電場の大きさを減算して得られる値と、機体が存在する空間の電場の大きさに対して機体の電荷により生じる電場の大きさを加算して得られる値のうち、正となった方が正極代表値で、負となった方が負極代表値である。
制御部は、電界センサの各々における機体が存在する空間の電場の大きさ、機体の電荷により生じる電場の大きさ、機体が存在する空間の電場の基準方向に対する角度、電界センサが検出する電界の方向の基準方向に対する角度、および、電界センサにより計測された電界強度の関係性に基づいて、機体が存在する空間の電場の大きさ、および、機体の電荷により生じる電場の大きさを特定してもよい。

本発明によれば、落雷を抑制することが可能となる。

航空機の概略図である。航空機に搭載された電荷放出機構の概略図である。航空機の制御系を示す機能ブロック図である。制御部の制御を説明するための回路図である。制御部の処理を示すフローチャートである。変形例を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、航空機１０の概略図である。図１では、航空機１０は、負極側に帯電した雲ＣＬと地面Ｅとの間を飛行している。雲ＣＬの影響により、航空機１０のうち、鉛直上側（以下、上側という）は、正極側に分極し、鉛直下側（以下、下側という）は、負極側に分極している。

雲ＣＬは、正極側に帯電する場合もある。また、航空機１０が、負極側に帯電した雲ＣＬと正極側に帯電した雲ＣＬに挟まれる場合もある。そのため、航空機１０の帯電は、必ずしも、図１に示す状態とは限らない。

航空機１０には、複数（３つ以上）の電界センサ１１が搭載される。電界センサ１１は、例えば、航空機１０の外表面に位置を異にして配される。電界センサ１１は、少なくとも、航空機１０の上側と下側にそれぞれ配される。図１中、電界センサ１１から延びる矢印は、それぞれの電界センサ１１が検出する電界の方向を示す。

図２は、航空機１０に搭載された電荷放出機構２０の概略図である。図２には、図１中、一点鎖線の丸で示す部位近傍の内部構造を示す。図２に示すように、航空機１０には、外気通路１２が形成される。外気通路１２は、上流端および下流端が航空機１０の外部に開口している。航空機１０の飛行中、外気は、外気通路１２の内部を通過する。

電荷放出機構２０は、外気通路１２の下流端側に配される。電荷放出機構２０は、針電極２１および高電圧発生器２２を有する。針電極２１は、外気通路１２の内部に位置する。針電極２１と外気通路１２の内壁は、絶縁体によって絶縁されている。

高電圧発生器２２は、針電極２１に高電圧を印加すると、針電極２１周りにコロナ放電が発生する。針電極２１がコロナ放電中、外気通路１２に流入した外気が針電極２１を通過すると、帯電したイオンが押し出される。放出されたイオンは、外気通路１２から下流に向かってイオン化気流を形成して、航空機１０から排出される。その結果、航空機１０の電荷が変化する。

例えば、針電極２１が正極側に帯電している場合、正イオンが放出されて航空機１０の電荷が負極側に変化する。針電極２１が負極側に帯電している場合、負イオンが放出されて航空機１０の電荷が正極側に変化する。

図３は、航空機１０の制御系を示す機能ブロック図である。図３では、電荷放出機構２０の制御に関するもののみを示す。図３に示すように、航空機１０は、上記の電界センサ１１、電荷放出機構２０の他に、制御部３０を有する。

制御部３０は、例えば、コンピュータ、航空機１０全体を制御する制御装置などで構成される。制御部３０は、航空機１０の飛行中、電界センサ１１の出力に応じ、電荷放出機構２０を制御する。

まず、制御部３０は、電界センサ１１の出力から、下記の数式１を用いて正極代表値と負極代表値を推定する。正極代表値は、機体１０ａ全体としての正極側の電界強度である。負極代表値は、機体１０ａ全体としての負極側の電界強度である。
（Ｒ＋Ａ）ｃｏｓ（α－φ_ｎ）＝Ｍ_ｎ
ただし、α－φ_ｎ<９０°のときＡ＝ｃ、α－φ_ｎ>９０°のときＡ＝－ｃとする。
…（数式１）

数式１において、添え字ｎは、電界センサ１１ごとに設定される（例えば、電界センサ１１が３つであれば、ｎ＝１～３）。変数Ｒは、機体１０ａのある空間の電場の大きさである。変数ｃは、機体１０ａの電荷による電場の大きさである。出力値Ｍ_ｎは、電界センサ１１により計測された電界強度である。

また、変数αは、機体１０ａのある空間の電場の基準方向に対する角度である。定数φ_ｎは、電界センサ１１が検出する電界の方向の基準方向に対する角度であり、機体姿勢によって変化する。基準方向は、任意に設定される。基準方向は、例えば、機体１０ａの機軸方向であってもよいし、鉛直方向であってもよい。例えば、図１に示す電界センサ１１の配置の場合、機体１０ａ側方から見たとき、機体１０ａの重心点から基準方向に延びる基準線に対して、反時計回りを正とする角度である。

数式１では、未知の変数が３つ（変数ｃ、変数Ｒ、変数α）である。そのため、少なくとも、３つの電界センサ１１に関し、数式１を立てれば、これらの変数を特定できる。なお、制御部３０は、４つ以上の電界センサ１１に関し、数式１を立てて用いることで、これらの変数の推定精度を向上させてもよい。制御部３０は、例えば、３つの電界センサ１１の組み合わせを入れ替えて、それぞれ導出された３つの変数ごとに平均値を導出してもよい。また、出力値Ｍ_ｎが０のものは除外される。

そして、制御部３０は、変数Ｒ－変数Ｃおよび変数Ｒ＋変数Ｃをそれぞれ導出する。これらのうち、正となった方が、正極代表値となり、負となった方が、負極代表値となる。

図４は、制御部３０の制御を説明するための回路図である。図４に示す回路図は、回路部品によってハードウェアで実現されてもよいし、制御部３０にインストールされたソフトウェアによって実現されてもよい。本回路例は、正極側に対して負極側が２倍の大きさとなるように制御する一例である。

図４において、第１入力、第２入力に、それぞれ、変数Ｒ－変数Ｃ、変数Ｒ＋変数Ｃが入力される。図４における「（１＋Ｓｉｇｎ（ａ））／２＋１」、「（１＋Ｓｉｇｎ（ｂ））／２＋１」のうち、Ｓｉｇｎは、符号関数であり、入力が正ならば１、負ならば－１、０ならば０を出力する。

例えば、第１入力>０、第２入力<０の場合、第１入力の２倍の値と第２入力の１倍の値が加算された後、所定のゲイン値が乗算されて出力される。例えば、第１入力の２倍>第２入力の場合、正の値が出力されることになる。

制御部３０の出力は、電荷放出機構２０の高電圧発生器２２に入力される。高電圧発生器２２には、アンプが設けられており、制御部３０の出力は、アンプにより適切な電圧に変換されて、針電極２１に印加される。

例えば、機体１０ａの電荷量が０であった場合、観測される正負の電界はほぼ等しく、制御部３０から正の値が出力される。この場合、高電圧発生器２２によって正の電圧を印加された針電極２１から、正のイオンが放出される。こうして、機体１０ａが負極に帯電され、負極側が正極側の２倍の電界強度となるように調整される。

その結果、第１入力、第２入力の値はマイナス側に偏り、回路の差分の計算結果が小さくなり、正負の電界がバランスされる。

このように、機体１０ａの電荷は、フィードバック制御され、負極代表値の絶対値／正極代表値の絶対値＝２となる値に近づく。ただし、負極代表値の絶対値／正極代表値の絶対値の比は、１よりも大きければ、２以外の値でもよい。こうして、制御部３０は、負極代表値の絶対値が、正極代表値の絶対値よりも大きくなるように、電荷放出機構２０を制御する。

機体１０ａをトリガとした落雷が発生する前には、機体１０ａからストリーマが進展する。ストリーマの進展を抑制できれば、落雷の抑制が期待できる可能性がある。ストリーマは、機体１０ａに生じる局所的な強い電界によって発生する。ストリーマは、負極側よりも正極側から進展し易いことが知られている。上記のように、制御部３０は、負極代表値の絶対値が、正極代表値の絶対値よりも大きくなるように、電荷放出機構２０を制御する。そのため、ストリーマの進展が抑制される。

図５は、制御部３０の処理を示すフローチャートである。図５に示す制御処理は、航空機１０の飛行中、所定の周期で繰り返し実行される。

（Ｓ１００）
制御部３０は、数式１を用いて、３つの変数（変数ｃ、変数Ｒ、変数α）を導出し、正極代表値、負極代表値を導出する。

（Ｓ１０２）
制御部３０は、Ｓ１００で導出された変数Ｒ、すなわち、機体１０ａのある空間の電場の大きさ（電界強度）が閾値より大きいか否かを判定する。電界強度が閾値より大きい場合、Ｓ１０４に処理を移す。電界強度が閾値以下の場合、当該制御処理を終了する。

機体１０ａが雷雲に近づくと、機体１０ａのある空間の電場が大きくなる。そのため、変数ＲをＳ１０４の制御の契機とすることで、落雷の危険が生じ始めたときに、確実に制御を遂行することができる。また、変数Ｒを用いず、単に、電界センサ１１の出力値と閾値との比較により、落雷の危険性を判断してＳ１０４の制御の契機としてもよい。

（Ｓ１０４）
制御部３０は、負極代表値の絶対値が、正極代表値の絶対値よりも大きくなるように、電荷放出機構２０を制御する。

図６は、変形例を説明するための図である。図６に示すように、変形例の電荷放出機構２０Ａは、機体１０ａのうち、排気流路１３に設けられる。排気流路１３の下流端は、機体１０ａの外部に開口する。排気流路１３には、排気ガスが流通する。電荷放出機構２０Ａは、排気流路１３の下流端側に配される。針電極２１は、排気流路１３内に配される。

このように、電荷放出機構２０Ａは、排気流路１３に設けられてもよい。この場合、イオンが排気ガスの力で強制的に排出される。そのため、イオンが機体１０ａに再付着し難くなり、機体１０ａの電荷の制御が容易となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、電界センサ１１は、機体１０ａに３つ以上設けられ、制御部３０は、３つ以上の電界センサ１１の出力から、正極代表値と負極代表値を推定する場合について説明した。この場合、機体１０ａのある空間の電場の向きに拘わらず、機体１０ａの電界強度を推定できる。ただし、電界センサ１１は、機体１０ａの上側と下側に１つずつ設けられてもよい。この場合、制御部３０は、２つの電界センサ１１の出力を、第１入力、第２入力として用いる。２つの電界センサ１１の出力のうち、正となった方が、正極代表値となり、負となった方が、負極代表値となる。

本発明は、航空機に利用することができる。

１０航空機
１０ａ機体
１１電界センサ
２０、２０Ａ電荷放出機構
３０制御部

Claims

機体と、
前記機体に位置を異にして３つ以上設けられた電界センサと、
前記機体からイオンを放出させることで、前記機体の電荷を変える電荷放出機構と、
飛行中、前記電界センサの出力に応じ、前記電荷放出機構を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、３つ以上の前記電界センサの出力から、前記機体全体としての正極側の電界強度である正極代表値と、前記機体全体としての負極側の電界強度である負極代表値を推定し、前記負極代表値の絶対値が、前記正極代表値の絶対値よりも大きくなるように、前記電荷放出機構を制御し、
前記機体が存在する空間の電場の大きさに対して前記機体の電荷により生じる電場の大きさを減算して得られる値と、前記機体が存在する空間の電場の大きさに対して前記機体の電荷により生じる電場の大きさを加算して得られる値のうち、正となった方が前記正極代表値で、負となった方が前記負極代表値である航空機。
前記制御部は、前記電界センサの各々における前記機体が存在する空間の電場の大きさ、前記機体の電荷により生じる電場の大きさ、前記機体が存在する空間の電場の基準方向に対する角度、前記電界センサが検出する電界の方向の前記基準方向に対する角度、および、前記電界センサにより計測された電界強度の関係性に基づいて、前記機体が存在する空間の電場の大きさ、および、前記機体の電荷により生じる電場の大きさを特定する請求項１に記載の航空機。