尾翼と風洞実験について

質問

風洞実験装置を使い、ロケットの安定性について調べています。

尾翼の面積を一定にしたまま、形のみを変えることによって起こる、安定性の変化について調べたいのですが、実用的な方法が思いつきません。
このようなことを調べるのに、風洞実験は適しているのでしょうか？また、どのような方法で実験をしたらよいのでしょうか？
宜しくお願いします。

回答No.1

kaitaradou · ベストアンサー

素人ですが興味があります。ロケットの安定性というのは重力の向きとは無関係なのでしょうか。風洞というのは、普通横向きですが縦向きの風洞というのはあるのでしょうか。

お礼

その問題も論点のひとつになっていました。

確かにその通りだとおもいます。
しかし、今回私が見たいのは、「尾翼がどのように機体の安定性にかかわってくるか」ということです。
ですので、むしろこの下向きの重力に対しての復元力を計測する方法もありだと思うんです。
たとえば紙を突き破らせてその敗れ方を見るなど・・・
具体的には難しいとは思うのですが、このような方法も考えています。
どうでしょうか？

回答No.4

joshua01

こんにちは。またご相談をいただいていましたね。だんだん掲示板化していますが（笑）

さて、ご質問のアイディアは、いろいろと工夫をされていて良い方向だとは思います。
一方、こちらもきちんと理解できていない点があるものの、少々問題もありそうですので、追加コメントしてみましょう。

○　「ばねばかりにかかる力が思ったよりも弱く、しっかりとした実験になりませんでした。」
これは、最も重要なポイントのはずですので、本来、かなり工夫が必要です。今回用意できる風洞の性能自体も悩んでおられますが、どのような構成をするにせよ、最終的には「力」を感度良く検出する必要があり、多分、これを簡単にあきらめてはいけないでしょう。「バネバカリ」と書きましたが、市販の電子ハカリだけでなく、柔らかいばねそのものを購入したり、ペットボトルを帯状に切ってその曲がり具合から力を算出するような独自の「高感度ハカリ」を作る必要があるかもしれません。（棒のねじれを計測する場合は、それに腕木の長さでトルク優先か変化量優先かも選べる。）

(1)ロケットの重心に棒を通し、その両側にひもをつけ、45度の角度を持って斜め上に固定する、という方法を思いつたが、どうか。(中略)・・・制動を見るのだが・・・
この文章をきちんと理解していないのですが、機体を重心で縦に支え、機首につけた紐２本で傾斜角を決める方法と理解すれば、設置方法として問題はないでしょう。ただ、「制動を見る」を、一般的な「制動」つまり、運動状態から静止状態にするいわゆるブレーキ状態と考えると少々理解が出来ません。機体が流れに平行になろうとして紐を引こうとする力であれば紐の張力を計測する必要があり、ピッチングしようとする機体を安定させようとする「制動」を計測しようとするとあらかじめ加えるピッチング運動速度や機体の重さ（ピッチングモーメント）、制動時の減速時間を測定する必要があり、かなり難しいことになるなるでしょう。

(2)「ある程度の仰角」を持ってその制動を見る方法をとるのだが、この仰角の設定はどうしたらいいのか？30度、60度の二通りで行う予定だが、それで充分か？
これは実験の基本的なポイントで、目的により異なります。まあ、今回は角度も羽の形もそれなりに分析したいどっちつかずの状況にもありそうですので、その場合は計測の基本に立ち返って４点を取るのが良いでしょう（意味のあるグラフの形が出せるかどうかで、４点が基本。０度、２０、４０、６０かな）

(3)風洞といっても、業務用大型扇風機を使用してるだけで、充分な風速が得られるかが不安。　なんとか風速を早くする方法はないか？
残念ながら常識的な方法以外は私も知りません。ご存知かも知れませんが、扇風機からの風はねじ回し運動をしているので、これを止めるすだれのような整流板はご用意されたでしょうか。しかしこれで速度は低下してしまいます。一方、うまく整流できていれば、機体の少し手前で噴出孔を少々絞る（軽い逆ラッパ型）ことで速度を上げる方法も可能ですが、２倍にすることはできないでしょう。まあロケットの多くは遷音速～音速領域で飛行するもののこの速度領域を再現するのは無理なので、そうなれば整流のしやすい速度にとどめて、計測感度を上げたほうがいいかと感じています。

(4)実験の定義である、「ロケットの断面積を一定に、尾翼の形を変えて・・・」というコンセプトで実験を進めてきたが、そもそも、尾翼の形を変えることによって圧力中心の位置が移動し、ロケットに影響しているのではないか？
　確かに悩ましい問題ですね。これは、「実験方法を考えることで理論の考察も磨かれる」の典型でしょう。そもそもの目的に立ち返る必要もありますが、圧力重心の移動も「翼の形」からくる要素ですから、むしろ、「図形的重心の位置」を一定にする（仮の圧力重心）にとどめて、いろいろな図形的重心と圧力重心の差も考察要素として楽しんでしまうのが良いかもしれません。

さて、風来坊ですのでアドバイスできる種が尽きてきています、いかがでしょうか
お役に立てば幸いです。

お礼

遅くなってすみません！　
ご親切にありがとうございました。おかげでいい研究になりそうです。
本当にありがとうございました。

回答No.3

joshua01

こんにちは。追加のご質問をいただいていましたね。追加ご質問の内容を私が正しく理解できていない可能性がありますが、次のような回答は参考になるでしょうか。

　ご検討のモデルは、機体に比べて翼の大きさがかなり大きく、この場合、測定する最高風速があまり大きくなければ、機体全体でモーメント類を測定するか、翼のみで測定して比較表現し機体への力は後で計算して表現するか迷うところですが、まあ、機体全体で測定することを考えましょう。

いずれの場合も、空洞実験の基本として、次のような測定構成が考えられます。
・ 風洞の測定函（機体を置く場所）の側壁面から、横方向に棒を貫通させます。この棒で機体を支えるとともに、力の測定はすべてこの棒に係る力を通じて、風洞の外で行います。
・ 最も単純な場合は、この棒をねじる力を測定しますが、少なくともさらに、この棒の上下動の力を測定できるようにする必要があります
（翼だけの測定の例でいうと、翼のねじられる力と揚力を測定できるようにする）
・ このため、まず、棒は、回転できるようにし、長さを決めた腕木をつけて、バネばかりで支えると、回転モーメントが測定できます。（測定ストロークの小さい電子秤ならなお良い）
・ 次に、棒が上下動できるようにして、ばねばかりで支えると上下の力（揚力、機体全体を上下平行移動する力）が測定できます。（正確には棒を上下平行移動できる構造が良いですが、電子秤での測定なら、貫通壁面を支点にしてテコのようにして計っても良いかも。）
・ 多少複雑な工作が可能なら、回転モーメントと上下力を同時に測れるようにするのですが、結構複雑ですので、上下を固定して回転だけを測定し、次に回転を固定して上下力のみを測定する方法でも良いでしょう。

　ここで少々難しいのが機体を支える場所。一般の航空機ならば重心と揚力重心が近いのでこの位置近傍で支えるのですが、ご質問のモデルはこれらが一致せず、また、速度によって揚力重心も大きく変動する可能性があるので、重心（質量重心）を基本としつつもどこで支えても分析が少々やっかい（「機体にはこんな力が働きます」を直感的に理解できるよう表現するのが難しいかも・・・の意）でしょう。これが、「翼だけで測定するほうがいいかも・・・」と考えるゆえんでもあります。

さて、高校生さんといってもいろいろなレベルであり、私も十分に経験があるわけではないので少々初歩的に過ぎたかも知れませんが、お役に立てば幸いです。

お礼

お返事が遅くなってすみませんでした。

joshua01さんの提案どおりの方法で実験をしてみましたが、ばねばかりにかかる力が思ったよりも弱く、しっかりとした実験になりませんでした。

一緒に研究をやっている人と話し合い、風洞を縦にし、風を上から当て、はじめからある程度の仰角をもって、観察を開始し、首フリ運動をロケットはするはずですので、その触れ幅の計測と、制動するまでの時間を計ろうという方法を思いつきました。

この実験で気になる点があるので、質問させていただきます。
(1)ロケットの重心に棒を通し、その両側にひもをつけ、45度の角度を持って斜め上に固定する、という方法を思いつたが、どうか。
(2)「ある程度の仰角」を持ってその制動を見る方法をとるのだが、この仰角の設定はどうしたらいいのか？
30度、60度の二通りで行う予定だが、それで充分か？
(3)風洞といっても、業務用大型扇風機を使用してるだけで、充分な風速が得られるかが不安。　なんとか風速を早くする方法はないか？
(4)実験の定義である、「ロケットの断面積を一定に、尾翼の形を変えて・・・」というコンセプトで実験を進めてきたが、そもそも、尾翼の形を変えることによって圧力中心の位置が移動し、ロケットに影響しているのではないか？

問題は多々あります。

ロケットの寸法を詳しくお教えします。
全長300ｍｍ
直径20ｍｍ
ノーズ40ｍｍ
尾翼幅30ｍｍ
翼端20ｍｍ
尾翼接合部40ｍｍ

総重量35ｇ

回答No.2

joshua01

こんにちは　おもしろいお悩みですね。

さて、ご質問の単語を単純に受け取ると既に多くの研究がなされてはいますが、公表はされていないものも多いようですから取り組み方によっては意義深いものになるでしょう。この分野の実務に携わったことはないのですが、次のような点は参考になるでしょうか

・　傾き軸の明確化；通常、航空機等の風洞実験では、重心（傾き軸）と主翼による定常的揚力位置が近接しており、分析も制御も容易になっています。一方で、ロケットの場合、翼は揚力というよりは「操舵」としての利用が中心になり、燃料の減少による重心位置の変化も激しいので、傾き軸位置（風洞内での支え位置）をどう想定するかが重要でしょう。
・　推進力方向の変動；航空機と比べてロケットは、推進力方向の変化（スラストベクタ）により姿勢に与える影響が大きくなります。風洞では推進力方向の変化を再現するのが困難ですので、自由落下中（空気力成分）だけを分析して意味づけをできるよう問題を分解しておくことは重要でしょう
・　気圧・速度の変化；長時間運転を前提にしたジェット動力等に比べ、短時間で燃焼が終了する（このため短時間で高高度に達する利用が多い）ロケット動力飛行体は、想定される速度や気圧の変化が大きく、例えば、「多少の機首上げ姿勢で水平方向に飛ぶ機体」は、低速では「重量をもった荷物」であり、高速では「それ自身が揚力をもつ翼」になります（さらに重心位置によっては機体自体が機首上げ・下げのモーメントを発生）。このような環境変化に対応するデータをどのように分類するかは重要でしょう。

なお、実験方法に関しては、質問者さんの取り組むべき技術レベルがわからないのですが、今回の測定法として最も単純な実験としては、機体形状と重心位置、翼位置を決定し、速度を、翼形状と操舵角を設定し、機体傾斜角ごとのモーメント力を計るというのはいかがでしょう。
　例えば「台形翼は三角翼に比べて機体傾斜が大きくなったときにピッチングモーメントが変動しにくいことがわかった・・・これはもともと大仰角時の翼端失速が大きいことが理由と考えられ・・・・亜音速領域での回頭時に機体の過加重を避けるべき小外径空対空ミサイル等に向くことが推測される・・・」といった考察ができると・・・・「夏休みの宿題なら合格」・・・・かも

さてさて風洞実験は横目で見たことしかないのですが、いかがでしょうか。
多少なりとも励みになれば幸いです。

お礼

丁寧な回答ありがとうございます。
色々と教えてもらったのですが、今回は高校の課題研究でのぎもんなんです。ですから技術、知識レベルは高校生程度です。

＞＞重心位置によっては機体自体が機首上げ・下げのモーメントを発生
というのは今回私が研究したい、一番の要素です。
というのも、質問にも書いたとおり、「圧力中心の計算によって必要面積を出したとき、面積が同じならどんな形でもいいの？」という疑問に端を発するものです。
ここで質問なのですが、機種の上げ・下げモーメントの測定は、なにか便利な方法はありますでしょうか？
今考えてみても、ロケット本体にばねばかりつける測定法、または電子天秤にかかる負荷による測定法など、あまり現実的ではない方法しか思いつかないのです。
尾翼といっても、縦5cm横5cm程度、ロケット本体にして直径3cm、全長15cm程度なんです。