Study on a High-Stratospheric Flight System Using an Inflatable Delta-Wing UAV

充气式三角翼无人机高平流层飞行系统研究

基本信息

批准号：
22K18860
负责人：
東野伸一郎
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

筆者らが開発した南極における高高度大気エアロゾル観測・エアロゾルサンプルリターンシステムにおいて，特に南極冬季の高高度の低温によるマッハ数の低下により，亜音速の固定翼無人航空機では，高速側の飛行領域が狭められ，高度30kmからの亜音速機による滑空帰還は困難であることがわかってきた．これを解決するために，基本的な機体設計は高高度で有利な低アスペクト比の高亜音速～超音速飛行に向いた機体としつつ，低高度では超軽量なインフレータブル構造の外翼を展開することによって重量増加を避けつつアスペクト比を増加させ，基地への帰還に必要な揚抗比を得られる，いわゆるモーフィングによる方式を提案した．このような方式の機体を最適設計するために，南極を含む上空大気の過去の気象データを用い，Digital DATCOMを利用した安定微係数の推定を通じた機体の安定性確保と，それらを利用した滑空シミュレータを開発した．開発した滑空シミュレータを利用し，遺伝的アルゴリズム(NSGA-II)によって，特に高速飛行を行うフェーズにおけるクリップトデルタ型UAVのスパンや翼面積，アスペクト比などの機体外形形態の最適設計を行い，実現可能性のある形態を得た．一方，外翼部のインフレータブル構造については，まず基本的なインフレータブルチューブの作成方法について試行錯誤し，ポリエチレン等による気密層とナイロン等による強度層の2層からなる構造によって，極めて短時間に展開するインフレータブルチューブを試作することに成功した．このインフレータブルチューブは，展開型ライフジャケット等に利用されている小型の炭酸ガスボンベによって展開することを想定しており，ガス量と内圧，インフレータブルチューブの強度，気密性などについて試験を行い，その基本特性を取得した．

在作者研发的南极高空大气气溶胶观测及气溶胶采样返回系统中，我们发现亚音速固定翼无人机高速侧飞行范围由于马赫数下降而变窄。高海拔地区的低温，特别是在南极冬季，亚音速飞机很难从30公里的高度滑翔返回。为了解决这个问题，飞机的基本设计被设计成适合低展弦比的高亚音速到超音速飞行，这在高空是有利的，同时在低空部署超轻充气外翼我们提出了一种方法。所谓的变形，在避免重量增加的同时增加长宽比，并获得返回基地所需的升阻比。为了优化设计这样的飞机，我们利用过去包括南极在内的高层大气的气象数据，通过使用数字DATCOM估计稳定性微分系数来确保飞机的稳定性，并用它来估计飞机的稳定性开发了模拟器。利用开发的滑翔模拟器，我们使用遗传算法（NSGA-II）对削峰三角洲无人机的机身形状进行了优化设计，包括翼展、机翼面积和展弦比，特别是在高速飞行阶段。一种可能的形式。另一方面，对于外翼的充气结构，我们首先对制作充气管的基本方法进行了反复试验，并在极短的时间内开发出了由两层组成的结构：气密层由聚乙烯等材料和尼龙等材料制成的强度层。我们成功地生产了原型充气管。该充气管旨在使用可展开救生衣等中使用的小型二氧化碳气瓶进行展开，并对气体体积和内部压力、充气管的强度、气密性等进行了测试，及其基本性能确定了特征。