JP6059471B2 - 回収装置および回収方法 - Google Patents

Description

本発明は、航空機が降着（着陸）する際、航空機に設けられた掛止部と掛合して航空機を制動する回収装置および回収方法に関する。

無人の航空機（無人機）は、パイロットを搭乗させることなく、所定の航路を無人で飛行する航空機である。例えば推進力としてジェットエンジンを用いている航空機は、飛行速度も速い。したがって、航空機を回収しようと試みた場合には、相当の減速を要する。一般に、無人の航空機の回収は、パラシュートの風圧やネットの弾性を利用したものが知られている。

また、無人の航空機にワイヤ等を介してフックを設け、ロープに掛合させて（掛け合わせて）回収する技術が知られている（例えば、特許文献１、２）。しかし、かかる技術では、ロープが固定された状態で航空機を抑止させるので、掛合時、航空機に衝撃を与えてしまう。

そこで、ロープの代わりに、ダンパとして機能する回転自在な棒状の掛合部を設け、航空機の運動エネルギーを吸収しながら航空機を制動する技術が公開されている（例えば、特許文献３）。かかる技術では、航空機に加わる衝撃を緩和することができる。

特開平７−３０４４９８号公報 米国特許第６２６４１４０号明細書 欧州特許出願公報第２１８６７２８号明細書

しかし、航空機は、ペイロード、消費後の残燃料、回収時の速度等によって運動エネルギーが変動する。ここで、特許文献３の技術を用いたとしても、運動エネルギーが設計範囲の下限値より低いと回収時の航空機の衝撃が大きくなり、運動エネルギーが設計範囲の上限値より高いと掛合部が航空機の運動エネルギーを吸収しきれず、回収に失敗するおそれがある。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、降着（着陸）時における航空機の運動エネルギーに拘わらず、航空機に衝撃を与えることなく、安定的かつ確実に航空機を回収することが可能な回収装置および回収方法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、航空機に設けられた掛止部と掛合して航空機を制動する本発明の回収装置は、水平面上で回転自在に設けられ、掛止部を掛合させる掛合部と、掛合部の回転軸の回転に起因する値を検出する回転検出部と、掛合部の回転軸に設けられ、１または複数の羽根と、羽根の移動方向に垂直な面に羽根を投影した場合の投影面積を変化させる可変機構と、を有する回転体と、容器に充填され、回転体の羽根と接触するＭＲ流体と、ＭＲ流体に磁場を印加する磁場印加部と、航空機の飛行状態に応じて投影面積を変化させ、回転検出部の検出結果が目標値に近づくよう磁場を変化させる装置制御部と、を備えることを特徴とする。

装置制御部は、フィードバック制御によって回転検出部の検出結果を目標値に近づけてもよい。

上記課題を解決するために、水平面上で回転自在に設けられ航空機に設けられた掛止部を掛合させる掛合部と、掛合部の回転軸の回転に起因する値を検出する回転検出部と、掛合部の回転軸に設けられ、１または複数の羽根と羽根の移動方向に垂直な面に羽根を投影した場合の投影面積を変化させる可変機構とを有する回転体と、容器に充填され、回転体の羽根と接触するＭＲ流体と、ＭＲ流体に磁場を印加する磁場印加部と、を備える回収装置を用い、掛止部と掛合して航空機を制動する本発明の回収方法は、航空機の飛行状態に応じて投影面積を変化させ、回転検出部から検出結果を取得し、検出結果が目標値に近づくよう磁場を導出し、磁場印加部の磁場を導出された磁場に変化させることを特徴とする。

本発明によれば、降着時における航空機の運動エネルギーに拘わらず、航空機に衝撃を与えることなく、安定的かつ確実に航空機を回収することが可能となる。

航空機回収システムの概略的な構成を説明するための構成図である。 航空機の回収における回収装置の機能を説明するための説明図である。 航空機の概略的な構成を示す機能ブロック図である。 回収装置の概略的な構成を示す説明図である。 磁場と粘性との関係を説明するための説明図である。 磁場の制御系を説明するための説明図である。 上記磁場制御を適用することによる効果を説明するための説明図である。 回収方法の処理の流れを示したフローチャートである。

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等は、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、本明細書及び図面において、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。

（航空機回収システム１００）
図１は、航空機回収システム１００の概略的な構成を説明するための構成図である。航空機回収システム１００は、航空機１１０と、回収装置１２０とを含んで構成される。ここでは、航空機１１０として、パイロットを搭乗させることなく、所定の航路を無人で飛行する無人機を挙げて説明する。回収装置１２０は、航空機１１０の降着時において、航空機１１０に設けられた掛止部と、回収装置自体の掛合部とを掛合して航空機１１０を制動する。

図２は、航空機１１０の回収における回収装置１２０の機能を説明するための説明図である。ここでは、仮に、回収装置１２０の掛合部１５０にダンパ機能のみを設けた場合を検討する。したがって、回収装置１２０の掛合部１５０が吸収可能な運動エネルギーが所定の設計範囲に限定されているとする。

航空機１１０の運動エネルギーが、回収装置１２０の掛合部１５０が吸収可能な運動エネルギーの設計範囲内に含まれれば、回収装置１２０の掛合部１５０のダンパ機能によって、航空機１１０の運動エネルギーを適切に減衰させることができる。

具体的に、航空機１１０は、機体をバンクさせた（右旋回可能な）状態で、掛止部を掛合部１５０に接触させて降着する。すると、回収装置１２０は、航空機１１０の旋回軌跡に沿って掛合部１５０を回転させ、掛合部１５０を通じて航空機１１０の速度を抑制する。こうして、図２（ａ）に示すように、所定の停止位置に航空機１１０を停止させることができる。

ただし、航空機１１０の運動エネルギーが、回収装置１２０の掛合部１５０が吸収可能な運動エネルギーの設計範囲の下限値より小さいと、回収装置１２０がすぐに運動エネルギーを吸収しきってしまい、航空機１１０の運動エネルギーが短時間で減衰する。そして、図２（ｂ）のように、航空機１１０は、所定の停止位置に至らないうちに停止してしまう。

このとき、航空機１１０は、衝撃、すなわち、過大な負の加速度を受けるので、航空機１１０内における、センサ（例えば、ジャイロ）、ＧＰＳ受信機、水晶発振器等の電子機器が破壊されるおそれがある。

また、航空機１１０の運動エネルギーが、回収装置１２０の掛合部１５０が吸収可能な運動エネルギーの設計範囲の上限値より大きいと、回収装置１２０が航空機１１０の運動エネルギーを吸収しきれず、航空機１１０が高い運動エネルギーを有したままになる。

そうすると、回収装置１２０は、航空機１１０の掛止部との掛合状態を維持できなくなり、航空機１１０が掛止部を進行方向に引張した状態で回収装置１２０の拘束を免れ、図２（ｃ）のように、回収位置から逸脱するおそれがある。

本実施形態では、回収装置１２０が吸収可能な運動エネルギーの幅を大きくとり、降着時における航空機１１０の運動エネルギーに拘わらず、安定的かつ確実に航空機１１０を回収することを目的とする。以下、航空機１１０および回収装置１２０の構成を詳細に述べて、その後、回収装置１２０の動作（回収方法）に言及する。

（航空機１１０）
図３は、航空機１１０の概略的な構成を示す機能ブロック図である。航空機１１０は、センサ部１３０と、通信部１３２と、飛行機構１３４と、機体制御部１３６と、掛止部１３８とを含んで構成される。

センサ部１３０は、飛行位置（経度、緯度、高度を含む）、機体速度、機体姿勢、機体が受ける風力、風向き、天候、機体周囲の気圧、温度、湿度等の現在の飛行状態を検出する。通信部１３２は、放送型自動従属監視（ＡＤＳ−Ｂ：Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）等のデータリンク手法を用い、空中または陸上（船上）において、地上設備との通信を行う。

飛行機構１３４は、内燃機関（例えばジェットエンジンやレシプロエンジン）を有し、推進力により固定翼周りに揚力を生じさせることで航空機１１０自体を移動させる。機体制御部１３６は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路で構成され、通信部１３２を通じて取得した所定の航路と、センサ部１３０で取得した飛行状態に基づいて飛行機構１３４を動作させ、所定の航路を飛行させる。

掛止部１３８は、フックやバー等、掛合部１５０に掛合可能に構成される。かかる掛止部１３８は、飛行中は機体内に保持され、航空機１１０が降着体勢に入ってから外部に垂下される。

（回収装置１２０）
図４は、回収装置１２０の概略的な構成を示す説明図である。回収装置１２０は、掛合部１５０と、回転検出部１５２と、回転体１５４と、ＭＲ流体１５６と、磁場印加部１５８と、装置制御部１６０とを含んで構成される。ここでは、本実施形態に必要な構成のみを説明し、本実施形態に関係のない構成については説明を省略する。

掛合部１５０は、水平面上でバー１５０ａが回転軸１５０ｂを中心に回転自在に設けられ、航空機１１０の掛止部１３８をバー１５０ａに掛合させる。かかるバー１５０ａは、航空機１１０の横幅が例えば５ｍ程度であった場合、その幅と同等の長さを有する。回収装置１２０は、掛合部１５０を通じたダンパ機能を有し、航空機１１０の運動エネルギーを摩擦熱等に変換して吸収する。ただし、本実施形態においては、さらに、掛合部１５０の粘性を変化させ、航空機１１０に対して、運動エネルギーの吸収速度を変化させる。

回転検出部１５２は、掛合部１５０の回転軸１５０ｂの回転に起因する値、すなわち、回転軸１５０ｂの角度、角速度、角加速度、トルク等から選択される１または複数のパラメータを検出する。本実施形態において、回転検出部１５２は、回転軸１５０ｂに印加されるトルクを測定し、慣性モーメントで除算することで角加速度を導出させる。

回転体１５４は、掛合部１５０の回転軸１５０ｂに設けられ、１または複数の羽根１５４ａからなる。また、回転体１５４は、１または複数の羽根１５４ａにおいて、それぞれの羽根１５４ａを、羽根１５４ａの延在方向の任意の軸１５４ｂを中心に回転させる可変機構１５４ｃを有する。可変機構１５４ｃは、羽根１５４ａの移動方向に垂直な面に羽根１５４ａを投影した場合の羽根の面積（以下、単に投影面積という）を変化させることで、羽根１５４ａの移動方向に対するＭＲ流体１５６との摩擦抵抗を変化させる。

ＭＲ流体１５６は、容器１５６ａに充填され、回転体１５４の羽根１５４ａと接触する。本実施形態では、回転体１５４の羽根１５４ａ全てをＭＲ流体１５６中に埋入し、羽根１５４ａは、ＭＲ流体１５６の粘性を広範囲で受ける。したがって、ＭＲ流体１５６は、回転体１５４を通じて掛合部１５０のダンパとして機能する。

磁場印加部１５８は、ＭＲ流体１５６に磁場を印加する。かかる磁場印加部１５８が磁場を変化させると、それに伴って、ＭＲ流体１５６の粘度が変化し、ひいては回転体１５４の粘性（減衰力）が変化することとなる。以下、その根拠を説明する。

図５は、磁場と粘性との関係を説明するための説明図である。磁場と粘性との関係を確認すべく、図５（ａ）のような構成で実験を行った。ここでは、ＭＲ流体１５６に回転体１５４を埋入し、電動機１７０でトルク一定で回動する。そして、電磁石の代わりに、ここでは、永久磁石１７２と継鉄１７４との組み合わせを、ＭＲ流体１５６に対して相対的に変位させることで、ＭＲ流体１５６に印加する磁場を変化させる。

こうして、図５（ｂ）のように、回転体１５４と、永久磁石１７２との距離と、相対粘度との関係が導出される。また、相対粘度が高まると、トルク一定とした場合の回転数が小さくなり、図５（ｃ）のような、回転数と相対粘度の関係も導出される。図５（ｂ）および図５（ｃ）を参照すると、磁場を変化することで粘性を変化させ得ることが理解できる。

また、粘性は、回転体１５４の羽根１５４ａの大きさ、取り付け角度、ＭＲ流体１５６への浸漬度等により調整することも可能である。

図４に戻って、装置制御部１６０は、航空機１１０の掛止部１３８と掛合部１５０とが掛合した後、回転検出部１５２の検出結果が目標値に近づくよう、磁場印加部１５８に磁場を変化させる。また、装置制御部１６０は、航空機１１０の掛止部１３８と掛合部１５０とが掛合する前段階で、航空機１１０の飛行状態に応じ、回転体１５４の可変機構１５４ｃを制御して、回転体１５４の羽根１５４ａの投影面積を変化させる。以下、装置制御部１６０の詳細な制御について、磁場の制御と、投影面積の制御とを分けて説明する。

（磁場の制御）
図６は、磁場の制御系を説明するための説明図である。ここでは、航空機１１０の掛止部１３８と掛合部１５０とが掛合した後、回転体１５４の回転軸１５０ｂの角速度をフィードバック制御する。

図６において、装置制御部１６０は、回転検出部１５２で検出されたトルク値Ｔを慣性モーメントで除算して角加速度を求め、それを積分して回転体１５４の回転軸１５０ｂの角速度を導出する。かかる慣性モーメントは、ＭＲ流体１５６の粘性に依存する。そして、装置制御部１６０は、目標角速度ω_０から、導出した角速度を減算し、その減算値を磁場印加部１５８に印加する電圧値Ｖに変換する。

かかる電圧値Ｖによって磁場印加部１５８は、ＭＲ流体１５６に磁場を印加し、その粘性と航空機１１０の運動エネルギーとの差分によって回転体１５４が回転する。回転検出部１５２は、回転軸１５０ｂのトルクを検出する。このとき、装置制御部１６０内では、角速度を積分して、回転体１５４の回転軸１５０ｂの角度θも導出している。

航空機１１０は、上述したように、ペイロード（搭載している機器の重さ）、消費後の残りの燃料、回収時の速度等によって、必ずしも一定の運動エネルギーで回収できるわけではない。ここでは、航空機１１０の掛止部１３８と掛合部１５０とが掛合した後、航空機１１０の運動エネルギーの大小に拘わらず、回転体１５４の回転軸１５０ｂの角速度が所定の目標角速度ω_０に近づくように磁場が制御されるので、安定的かつ確実に航空機１１０を回収することが可能となる。

図７は、磁場制御を適用することによる効果を説明するための説明図である。本実施形態の磁場制御を適用しないと、すなわち、ＭＲ流体１５６の代わりにダンパ機能のみを設けた場合、図７に破線で示したように、角加速度のピーク値がａ_０まで高まり、これに対する航空機１１０の衝撃に電子部品が耐えられない場合がある。本実施形態では、角加速度のピーク値をａ_０の１／３程度のａ_１に抑制するように、目標角速度ω_０を決定しているので、図７に実線で示したように、角加速度が滑らかに推移することとなる。ただし、吸収可能な運動エネルギー（図７中、角加速度の時間推移によって形成される領域の面積）は、磁場制御の適用有無に拘わらず等しいので、航空機１１０が停止する時間は、磁場制御を適用した場合の方が多少遅くなる。

（投影面積の制御）
また、航空機１１０の掛止部１３８と掛合部１５０とが掛合する前に、装置制御部１６０は、航空機１１０の飛行状態に応じて、可変機構１５４ｃに回転体１５４の羽根１５４ａの投影面積を調整させる。例えば、航空機１１０の運動エネルギーが大きいことが予測される場合、投影面積を大きくして、航空機１１０の掛止部１３８と掛合部１５０とが掛合した後における高い粘性による磁場制御に備える。また、航空機１１０の運動エネルギーが小さいことが予測される場合、投影面積を小さくして、航空機１１０の掛止部１３８と掛合部１５０とが掛合した後における低い粘性による磁場制御に備える。

装置制御部１６０は、航空機１１０が飛行している間に、航空機１１０の通信部１３２から飛行状態を取得し、ペイロード、消費後の残りの燃料、回収時の速度等を踏まえて、航空機１１０の運動エネルギーを予め導出している。かかる導出の自動または手動は問わない。

かかる投影面積による制御は、粘性の可変幅を非常に大きくとることができるので、制御には効果的である。しかし、速応性に劣るので、本実施形態では、航空機１１０の掛止部１３８と掛合部１５０とが掛合する前に、大まかな粘性を投影面積によって調整し、航空機１１０の掛止部１３８と掛合部１５０とが掛合した後は、速応性の高い磁場による制御を遂行する。

（回収方法）
図８は、回収方法の処理の流れを示したフローチャートである。まず、装置制御部１６０は、航空機１１０が飛行している間に、航空機１１０から飛行状態を取得する（Ｓ１）。そして、装置制御部１６０は、飛行状態に応じて、可変機構１５４ｃに、回転体１５４の羽根１５４ａの投影面積を調整させる（Ｓ２）。

続いて、装置制御部１６０は、航空機１１０の掛止部１３８と掛合部１５０とが掛合したか否か判定し（Ｓ３）、掛合するまで（Ｓ３におけるＮＯ）、待機する。掛止部１３８と掛合部１５０とが掛合すると（Ｓ３におけるＹＥＳ）、装置制御部１６０は、制御を、投影面積による制御から磁場による制御に移行する。ここでは、回転検出部１５２から検出結果（トルク）を取得し（Ｓ４）、検出結果が目標値に近づくよう磁場を導出し（Ｓ５）、磁場印加部１５８の磁場を導出された磁場に変化させる（Ｓ６）といった処理を繰り返す。このようなフィードバック制御によって、回転体１５４の回転軸１５０ｂの角速度が所定の目標角速度ω_０に近づくように磁場が制御される。

以上、説明したように、本実施形態の回収装置１２０および回収方法によれば、降着時における航空機１１０の運動エネルギーに拘わらず、航空機１１０に衝撃を与えることなく、安定的かつ確実に航空機１１０を回収することが可能となる。

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。

また、上述した回収方法は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、航空機が降着する際、航空機に設けられた掛止部と掛合して航空機を制動する回収装置および回収方法に利用することができる。

１１０ …航空機
１２０ …回収装置
１３８ …掛止部
１５０ …掛合部
１５２ …回転検出部
１５４ …回転体
１５４ｃ …可変機構
１５６ …ＭＲ流体
１５８ …磁場印加部
１６０ …装置制御部

Claims (3)

1. 航空機に設けられた掛止部と掛合して該航空機を制動する回収装置であって、
   水平面上で回転自在に設けられ、前記掛止部を掛合させる掛合部と、
   前記掛合部の回転軸の回転に起因する値を検出する回転検出部と、
   前記掛合部の回転軸に設けられ、１または複数の羽根と、該羽根の移動方向に垂直な面に羽根を投影した場合の投影面積を変化させる可変機構と、を有する回転体と、
   容器に充填され、前記回転体の羽根と接触するＭＲ流体と、
   前記ＭＲ流体に磁場を印加する磁場印加部と、
   前記航空機の飛行状態に応じて前記投影面積を変化させ、前記回転検出部の検出結果が目標値に近づくよう前記磁場を変化させる装置制御部と、
   を備えることを特徴とする回収装置。
2. 前記装置制御部は、フィードバック制御によって前記回転検出部の検出結果を目標値に近づけることを特徴とする請求項１に記載の回収装置。
3. 水平面上で回転自在に設けられ航空機に設けられた掛止部を掛合させる掛合部と、該掛合部の回転軸の回転に起因する値を検出する回転検出部と、該掛合部の回転軸に設けられ、１または複数の羽根と該羽根の移動方向に垂直な面に羽根を投影した場合の投影面積を変化させる可変機構とを有する回転体と、容器に充填され、該回転体の羽根と接触するＭＲ流体と、該ＭＲ流体に磁場を印加する磁場印加部と、を備える回収装置を用い、前記掛止部と掛合して該航空機を制動する回収方法であって、
   前記航空機の飛行状態に応じて前記投影面積を変化させ、
   前記回転検出部から検出結果を取得し、
   前記検出結果が目標値に近づくよう磁場を導出し、
   前記磁場印加部の磁場を導出された前記磁場に変化させることを特徴とする回収方法。

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