スピンからの水平姿勢への自律回復する上での設計上のポイントとは？

質問

現在私は高度3KMまでモデルロケットによりを打ち上げ、放出
、その後高度１ｋｍまで滑空、１ｋMから動力飛行を開始し、
目標地点まで飛行することができる
模型飛行機（内部装備のマイコンにて制御）を設計しています。

　放出の段階ではおそらくスピンがかかっていると思われます。
このスピンを、マイコンの制御則により抑えるのではなく、
機体の空気力学的特性により抑える＝スピンを止め、安定した姿勢
（水平飛行状態もしくは、鉛直下向き状態できれば前者）へ移行させたいと考えています。

　しかしこれを実現する上でどのように設計すればよいのか全く見当が
できず困っています。

　理論的解析はできないものの、とりあえず実験として
「竹ひごにおもりをつけ、重心位置を変化させてスピンをかけてなげる。
最終的にどういう姿勢になるかは調べました」

　その結果、どうも重心位置を真中、かつ下方向にもっていけばよさそう
だとはわかったのですが・・理論的説明ができないため少し不安です。

「模型飛行機の理論と実際」、「航空機力学の基礎」という書籍を読み、航空機の安定性については何となくの知識は持っていますが専門外、
かつこれらの知識ではどうも太刀打ちできそうにないと思い質問しました。よろしくお願いします。

回答No.5

watercolors

#2です。
追伸です。

ロケットグライダー（Rocket glider）ブーストグライダー（Boost glider)で検索してみると資料が見つかるかもしれませんね。

私が画像を見た限りでは、飛行機にロケットエンジンを付けて打ち上げているように見えますので、基本設計は飛行機でしょう。

お礼

お礼が遅くなり申し訳ありません。
どうもありがとうございました。

「放出時に”回転して”しまうのを自律的に水平状態に安定させる
航空機を作りたいというコンセプト」でずっと考えていました。

ロケットグライダーのように航空機自身がロケットで上昇するのではなく、実際のロケットと同じように、ロケットの中から航空機が
出てくるという形で考えていました。

現状、デザマライザーというのでしょうか？尾翼を跳ね上げる機構を
機体に持たせることで、最初にどんな回転状態から投げても水平状態に安定して落ちてきそうだということがわかってきました。

当初竹ひごにおもりをつけて実験していたのは
単純に重心が真ん中、かつ下の方にある物体なら必ず
水平状態で降りてくるから、これを翼をつけた状態で実現スレば
よいという、なんとも素人的なアプローチから考えたものです。

結局現状のデザマライザー案も模型飛行機におもりをつけたり
放り投げたりすることで見つけました。ただ、この現象の
力学的説明はまだうまくできていません。

今度はこれを実機の設計にフィードバックさせていきたいと思います。

回答No.4

watercolors

＃２です。

高度3000mということと、そこからの滑空速度をどの程度に想定しているのか判らないので、正直なところ 想像出来ないのですが・・・
ロケットよりも滑空機としての性能を重視した方が良さそうですね。

速い発射速度から滑空ということで、ハンドランチグライダーの返りと安定性設計は参考になるかもしれないです。
打ち上げ速度と、滑空速度の差が大きい時は、通常の滑空機のように主翼の取り付け角での滑空調整は難しいと思いますので、主翼と尾翼の通り付け角の差は０度とし、重心で調整を行なうのですが、これは結構難しいです。
マイコン制御が出来るのなら、これは別に考えた方が簡単かもしれません。

返りについては、主翼に後退角があれば、上反角効果がありますが、これも主翼と尾翼の取り付け角の差も影響します。

ただ、主翼を折り畳むとか、ロケットに完全に滑空機を格納するのでなければ、ロケットのようにスピンで上昇安定を計るよりも、航空機として真っすぐに上げた方が良いかもしれません。

飛行物の重量に対する主翼の大きさとかは、その滑空域のレイノルズ指数（空気密度と飛行速度、飛行物のサイズ）とかを考慮して決めるべきでしょうね。

回答No.3

noname#136918

こんにちは、面白そうですね、私が知っている、機体を水平にとできるのは、コ・パイロットですね、URLをつけておきましたので、見てください、後はへりに使うジャイロでしょうか、ただロケットに付けて、どうなるのかは、想像付かないので参考としてください。

参考URL：

http://www.fox-jp.com/co-pilot2.htm

回答No.2

watercolors

水平に飛行に移るのなら、飛行機としてのバランス（水平に投げて水平飛行する）、垂直降下でよければ、重心および空力中心より後ろに安定板があれば良いと思いますが。

スピンが掛かるという事は、発射の状況にも因るのでしょうが、付いている翼の組付けが悪くて翼が捩じれているだけではないですか？
ロケットの場合は、真っすぐ上げる為に、わざとロールするように、安定板を捻る場合もありますが・・・

補足

ありがとうございます。

　なるほど、ちょっとまだ？？？がな部分があるのですが
いずれにしても”投げてまっすぐとぶ”というのは大事ですので
必ずそのように調整します。

　ただそれでたとえばさかさまになっても水平に勝手にもどってくれるのでしょうか？

また放出の際のスピンに関しては情報がないため何とも言えません。
ただ、どんな状況からでも復帰できるように設計する為、スピン
がかかった状況を想定しています。

上空では風速２０ｍ以上の風が吹いてもいるそうなのでそれでもスピン？
がかかってしまうかもですし。

回答No.1

inaken11

垂直、水平尾翼があれば、勝手に風上（進行方向）に向かって頭を向けるんじゃないの？
それでもって翼に上側への反りがあれば水平に滑空を始めるんじゃないの？

と言うのが高いところから紙飛行機を投げて遊んだ素人の意見です。

理論的説明は出来ません、ごめんなさい。

補足

早速の回答ありがとうございます。

　風見安定、上半角、水平＆垂直尾翼容積比を大きめにして、
静安定、動安定を確保することは行っていこうと考えています。
（大きくし過ぎるとそれはそれで問題のようですが・・
そこら辺は実験的に解析しようかと）

　ただ、これらだけで”自律的に水平（さかさまでなくちゃんと
上を向くべきところが上を向いて）”や、垂直落下するというのがどうもイメージがつかず不安です。

　できる限り、スピンから、水平状態で自律的に移行、しばらく落下、
その後モータースタートという形にしたいです。

　鉛直下向きで落下した場合、ピッチUPが必要になるため
（ピッチの操作はもちろん行いますが）マイコンに行わせるべきタスクがいっこ増えてしまうことを懸念しています。