南極エアロゾル観測用高高度滑空型UAV 開発のための空力特性推定方法に関する研究

摘要

筆者らはUAV による南極での高度30km までのエアロゾル観測・サンプルリターンを目的とした研究を進めている．2015 年には高度23km からのエアロゾルサンプルリターン，高度12km からのUAV の自動滑空帰還に成功している．観測には自由気球とUAV を用いて実施する．気球にUAV を吊り下げ，上昇させながらエアロゾルの観測・サンプリングを実施，観測終了後気球を分離し自動滑空飛行を行い回収地点にてUAV とサンプルを回収する．しかし高度30km という高度は地上付近の密度の約100 分の1 となり，地上付近と等動圧で飛行したとすると，高亜音速，低レイノルズ数環境下での飛行となる．しかし，観測用UAV の高高度における飛行特性が現在のところ不明であるため，その領域での飛行を回避するための方法として自由気球分離後に飛行可能高度までパラシュートを用いて安全に降下し，その後自動滑空飛行を行う二段分離方式が考案された．この二段分離方式のミッションプロファイルを図1 に示す．しかし，このエアロゾルサンプルリターンミッションは南極での夏期間でしか実績がなく，今後，冬期間でのミッション実施を考えると高高度での風が夏期間に比べ強くなってくるため，二段分離方式では風に流されてしまい観測を実施できる気象条件が制限されてしまう．そのため，UAV の滑空開始高度を高くすることでミッション実施可能な気象条件を緩和し，観測機会を増やすことが期待されている．高高度からの自動滑空飛行を実現させるためには，高高度の観測用UAV の空力特性を取得し，自動飛行のための制御系設計を行う必要がある．そこで二段分離方式における降下速度が飛行速度に比べて低速となることからパラシュート降下中に各種データを取得し低レイノルズ数域での機体のみに働く空気力を取得するパラシュートスティングバランス（以下PSB）という装置を開発した．本稿では，このPSB を用いて取得したデータをもとに低レイノルズ数域における横のモーメントの空力特性推定を実施し，風洞試験やDATCOM によって推定された結果との比較を行った．