バース大学で行われた新しい研究では、ミニタブと呼ばれるスポイラーのような装置を迅速に展開することで、将来のeVTOL（電動垂直離着陸機）設計がより高速に飛行できるかどうかを調査しています。ミニタブは、ワールフラッターによって引き起こされる有害な振動を空力的に打ち消す可能性があります。ワールフラッターは、高速飛行時に発生する壊滅的な不安定現象です。maxonは、新しい風洞試験装置でミニタブの効果を検証するためのモーションソリューションを提供しました。

能動制御はティルトロータ航空機の速度向上に役立つか？
一般にティルトロータと呼ばれる固定翼垂直離着陸（VTOL）機の利点は、ヘリコプターのように建物の屋上のような狭い場所からでも発進でき、しかも従来の飛行機の翼で高速に到達できることです。

コンセプトは1940年代に始まりましたが、この飛行技術は未来のものとして構想されています。V-22オスプレイやAW609のようなティルトロータモデルは今日でも運用されていますが、予測によれば、電動VTOL（垂直離着陸機）航空機が10年以内に空を飛び、タクシーや配達用の車両として活躍する可能性が見込まれています。

ティルトロータ航空機の設計における課題は、ワールフラッターの現象です。ワールフラッターは、弾性的に取り付けられたプロペラロータによって発生する不安定現象で、翼とロータ全体のシステムが振動する原因となります。この現象は、各航空機の設計に特有の臨界速度に達したときに発生します。この臨界速度を超えると、ワールフラッターは翼を分解させるほど強い振動を引き起こす可能性があります。

現在のティルトロータ機は、通常、翼-ロータシステムの剛性を高め、ワールフラッターをより高い臨界速度に押し上げるために、厚い翼断面を使用します。しかし、これは構造重量の増加と空気抵抗の増加という代償を伴い、ヘリコプターモードでの航空機の持ち上げや、航空機モードでの空気抵抗を克服するために、より多くのパワーが必要となります。

ワールフラッターのアクティブ制御
魅力的な解決策は、リアルタイムで翼の荷重を変えることで振動に対抗する、能動的な空力制御装置を使用することです。これが成功すれば、そのような制御システムは厚い翼の必要性を緩和し、ワールフラッターが発生する臨界速度を超えることが可能になります。

ワールフラッターに取り組むための新しい空力制御技術を開発することを目的として、バース大学の推進とモビリティ研究所（IPM）の研究者たちは、ワールフラッターの振動をシミュレートしながら、同時に空力制御戦略を展開する新しい風洞実験を設計・構築しました。

「ワールフラッターのための空力制御戦略をテストすることは簡単な作業ではありません。さまざまな展開速度でその性能を評価するだけでなく、ワールフラッターが発生している実際の航空機で起こるような振動する翼でその性能がどのように変化するかを観察する必要があります」と研究所のサム・ブル博士は述べています。

IPMのチームと共に、サムはミニタブとして知られる空力制御装置を調査しています。ミニタブは、翼の表面の上下に展開して空力荷重を変えるミニチュアのスポイラーです。この理論では、航空機が臨界速度に近づいたとき、ミニタブは高速で展開し、翼幅の最大2%（実験では10 mm）だけ上下に突出して、ワールフラッターの振動を抑えるとされています。

「航空機では、フラペロンやエルロンとして知られる従来の制御面が展開して翼周辺の荷重を変えます。しかし、これらの制御面のサイズと重量により、非常に速く動かすことはできません。一方、ミニタブは比較的質量が小さいため、より速く展開でき、ワールフラッターの効果に対抗する可能性を提供します」とサムは述べています。

これを達成するために、チームはミニタブを統合した翼モデルを開発し、風洞試験を行いました。風洞は、ワールフラッターが発生するティルトロータ翼をシミュレートする不安定な条件を再現できます。このコンセプトは実験的に一度もテストされたことがないため、研究の目的は、ワールフラッターに対抗する効果の基礎知識を得ることです。これが成功すれば、IAMやサードパーティの開発者が、この原理を現実のティルトロータ航空機に使用するために実現することを検討できるでしょう。

ミニタブの実験
実験のため、ミニタブ装置は翼の後方、実際の航空機でエルロンが位置するヒンジラインの前に取り付けられました。翼は風洞の天井から吊り下げられ、そこでは一連の油圧アクチュエーターが3自由度で振動を駆動しました――すなわち、気流に平行（サージとして知られる）、気流に垂直（プランジとして知られる）、および回転（ピッチとして知られる）です。同時に、チームは翼モデル内に配置された一連の圧力センサーを介してミニタブの性能を監視しました。

ミニタブに電力を供給するのは、翼内に取り付けられたモータです。風洞環境で正確な試験結果を得るために、チームは高周波数で装置を展開できる、高精度かつ低遅延の動作ソリューションを必要としていました。
maxonを過去に使用した経験を持つ同大学のイオアニス・ゲオルギラス博士が、動作ソリューションの提供者としてmaxonを推薦しました。博士課程の学生であるドミニク・ウィルソンの制御システムの専門知識と共に、チームはモータの仕様を更新しました。

ミニタブ装置は、位置フィードバック用のホールセンサーを統合したmaxon EC 60 flatブラシレス200Wモータで駆動されます。

「オートチューン機能を実行した後、1分もかからずに、モータはすぐに必要な制御で動作しました」とサムは述べています。

動作システムは、フィードフォワード制御とフィードバック制御の両方で駆動されます。これら2つの組み合わせにより、遅延時間が短縮され、翼の振動による加速効果に対抗するのに役立ちます。そうでなければ、ミニタブが意図した展開位置からずれてしまうでしょう。

「私たちが最も懸念していたのは、正確な位置フィードバックでした」とサムは言います。「展開周波数において高い位置精度を達成するためには、本当にクリーンなフィードバック信号が必要でした。maxonの動作システムはこの性能を提供してくれます。」

結果
実験の初期段階が完了し、これまでどのような結果が得られていますか？
「私たちの実験的な圧力データは、ミニタブの展開を開始すると、翼全体の圧力場が変化することを示しています。すでに、これらの装置を使用して、翼周辺の圧力と荷重を増強し、ワールフラッターの振動に対抗することができることがわかっています。」

このコンセプトは、動く翼で実験的にテストされたことは一度もなく、このセットアップにより、サム・ブル博士とIPMチームは世界で初めてこれを達成しました。この発見は、ティルトロータ航空機設計の未来にどのような意味を持つのでしょうか？
「ミニタブからの空力応答は非線形であるため、予測が難しいです。これにより、ワールフラッターに対抗するためにミニタブを効果的に展開できる制御装置の設計がさらに難しくなります。現在、私たちは空力特性を理解し、特徴付ける段階にありますが、将来的にこれのモデルを開発できれば、ワールフラッターの振動を抑制する制御装置を設計できる可能性があります。それが次の段階となるでしょう。」

次世代のeVTOL航空機への技術的推進力と共に、バース大学のサム・ブル博士とIPMチームによる研究はますます重要なものとなるでしょう。

(mmuk)