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書庫クラス別ワイヤーテンションの考察

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Uコンにおけるワイヤーテンションというのは、まさしくマンマシンインターフェースに相当するところでもあり、操縦感覚に大きく関わってくるところでもある。
先日、ある大先輩の方と話題になったので、その一部をご紹介しましょう。
 
ワイヤーテンションの増大、減少は、直接操縦者の負担と不安に直結するところとなっているのは、Uコンを体験された方なら良く理解できるところでもあると思う。
わかりやすい事例としては、以下のようなところであろう。
 
1)小型機よりも大型機のほうがワイヤーテンションがしっかりしているので飛ばしやすい。
2)小型機よりも大型機のほうが上空でのワイヤーのたるみが少ない。
3)小型機よりも大型機のほうが周回秒数が遅いので飛ばしやすい。
 
ここでいう小型機とは、15クラス、大型機とは45クラス、と考えていただければよいと思う。
確かに、Uコンの入門機である09や15クラスからステップアップして35クラス、45クラスを飛行させるようになると、とても実感として感じられる事は確かだろう。
 
一方、45クラスから60クラスにステップアップした場合はどうであろうか?
私も60クラスのスタント機を勉強するために、ウクライナスタンターの調整済み完成機を購入して飛行させたことがあるが、45クラスとはまったく異なることが多く、面食らいもしたが、多いに勉強させてもらった経験がある。
 
自分の感触では、35クラスから45クラスにスッテップアップした経験から、上記1)2)3)の延長となるであろう、と考えていたのだが、実はまったく異なっていた。
 
1)小型機よりも大型機のほうがワイヤーテンション大きくなりすぎ飛ばしにくい。
2)小型機よりも大型機のほうが上空でのワイヤーのたるみが多い。
3)小型機よりも大型機のほうが周回秒数が遅くタイムオーバーになりやすい。
ここでいう小型機は45クラスであり、大型機は60クラス以上となる。
(60クラスでは3)は発生しにくいが、75クラス以上になると発生してくる)
 
つまり、まったく相が変わる、いままでの延長線上での考え方では、うまく行かない、ということを体験したことになる。
これは、大いなる発想の転換が必要で、対応方法が大きく変えないといけないことを表している。
 
幸いなことに、ウクライナスタンターの完成度、調整度のレベルが非常に高く、よいお手本としてあまり違和感なく飛行させることが可能であったが、いわゆる、「エンジンクラスにより相が変わることに対処して、設計、工作、調整が適切に変えられていたのでうまく飛んでいたのだ」ということを後から知ったことになる。
(充分にレベルの高いポテンシャルを引き出すことができなかった、と反省しています)
 
今回は、ワイヤーテンションの考察から、このことについていろいろ考察してみようと思う。
要するに、「なぜ?違和感なく飛行できるのか?そのポイントはなになのか?」という原因追求の考察とも言える。
 
イメージ 1
 
上記の表は、私がエンジンクラス別にワイヤー長、周回速度の調整の目安としている表になる。
なお、実際に妥当であろうと経験から導き出したエンジンクラスは水色としている。
水色部分以外は、「こうであろう」という予測から導き出した数値であり、実績から導き出しているわけではない。(つまり、精度の保障はない)
また、ワイヤーの太さも異なるところもあるので、なんともいえないところも多いが、その辺はご容赦願いたい。
実際の調整は、あくまでも飛行させてみて、ワイヤーの長さを適切にしてもらいたいし、この表が絶対に正しい、ということでないことは理解して欲しい。
 
まず、ワイヤーの長さを妥当であろう、という予想のもと決定していった。
飛行半径の長さの最大長は21.5mとしているが、これはFAI F2Bのルールで明確に上限値が規定されているので、それを守っている。
 
次に、周回秒数だが、遠心加速度が45クラスで3.6G程度を基準に数値を決定していった。
遠心加速度3.6Gというのは経験から導き出した数値であり、ウイングオーバーの頂点でワイヤーが弛みなく安心して飛行させることができる目安として用いている。
 
さて、「相が変わる」ことを目で見てわかりやすく理解するためには、グラフを用いるとわかりやすい。
イメージ 2
まず、「エンジンクラスとワイヤー長」のグラフから。
「相が変わる」というのは、グラフの傾きの変化で認識することができる。
このグラフの場合、09クラス、15クラスから45クラス、45クラス以上と3つに分類された。
実際には09クラスはかなり例外的になる。
15クラスから45クラスまでは、エンジンが大型化するほどワイヤーを伸ばすことになるが、
60クラスを超えたあたりからワイヤーを伸ばす割合が少なくなってくる。
つまり、変化率が変わってくることを認識することになる。
 
 
イメージ 3
次は、「エンジンクラスと機体重量」のグラフから
このグラフの場合、60クラス以上の機体の重量はほとんど増えないように、わざと数値を調整している。
というのも、グラフのテンションの数値に注意をして欲しいのだが、テンションが5.5Kgを超えないようにしたいためになる。
テンションが5.5Kgを超え始めると腕が疲れて(痺れて)操縦が困難になってくることが発生する。
実際、ウクライナスタンターのエンジンが吹けた時、そのワイヤーテンションはものすごく、腕が抜けるような経験をすることがあった。(私の調整ミスが原因なのだが)
となると、目安は45クラスのテンション5.5Kg程度が限界と判断できる。
 
 
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次は、「遠心加速度(G)」のグラフから
このグラフは、上空でのワイヤーテンションの確実性を読み取ることができる。
また、このグラフも75クラス以上の機体の遠心加速度(G)を小さくなるように調整している。
75クラス以上は、遠心加速度(G)が09クラスよりも小さくなってしまった。
この数値にしないといけない理由は、やはり、「腕が抜けるから」という理由になる。
 
これらのグラフから読み取れる事は、35クラスから45クラスに進化した技術の延長で、そのまま60クラス以上の技術を確立する事は難しい、ということになる。
また、よく耳にすることだが、「Uコンスタント機は45クラスが最適なエンジンクラスで、60なんて必要ない」といったご意見を耳にすることがあるが、それもある意味納得できるところであろう。
しかし、可能性の追求というあくなき追求心は、これでは満足できないところもあることは確かだろう。 
FAI F2Bが数年前からエンジン出力の上限を60クラスから90クラスに拡張された。
さて、本来、飛ばしにくくなるはずのエンジン出力増大のはずなのに、なぜ?
と考えると、FAI F2Bルール変更の意図も見えてくるように思えないだろうか?
 
技術的な方針としては、様々あると思うし、私が計算で求めた表の数字以外にも正解はあると思う。

ということで、ここ数年、研究を行っている。
まさしく、言うのは簡単だが、実現するのは難しい、という世界に突入していることになる。

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ワイヤーテンションのことを考える場合、周回秒数とワイヤー長の相関関係は計算で求めることができたが、馬力荷重と側面積効果を組み合わせると、必然的にその傾向が明らかになってくる。
 
今回のお話は、現在、大型機を自作自設計と飛行経験で、「なんとなく、この傾向があるよな?」と気がついていることになる。
 
ワイヤーテンションを変化させる要因は、飛行速度と遠心力、は確かに大きな要素なのだが、「側面積効果」も、結構、大きな要素となってくる。
 
私が導き出した傾向は、
小型機ほど側面積効果を大きくし、大型機ほど側面積効果を小さくしたほうが飛行させやすい傾向がある。
ということになる。
 
理由は、「人間の体で飛ばしやすくするためには、このようにする必然性が出てくる」になる。

私の経験では、クラス別側面積効果は、以下の通りとなる。
09クラス以下  大きな側面積効果が有効
15〜25クラス  多少大きめの側面積効果が有効
35〜45クラス  普通の側面積効果が有効
60クラス以上  小さめの側面積効果が有効
(側面積効果を、一般的に慣れ親しんでいる35〜45クラスの機体を標準に考えて表現しています)
と考えている。
 
 
具体的に事例を示してみると、以下の通り整理できる。
 
・09クラス以下  周回秒数 4.2秒以下
小型機では、側面積効果のない機体で、F2Bを実施するうえで問題となるのは、周回秒数をとても早くする必要があり、操縦が追いつかない傾向が出てくる。
周回秒数4.2秒/1周 は、操縦が追いつかずにきつい、と感じる傾向がある。
(慣れの問題かもしれないが)
09クラスのスクラッパー胴体のF2B練習機は、
それなりに飛行させやすい周回秒数に設定すると、今度は、高い高度でのワイヤーテンションが不安定になりやすい。
これに対向するため、側面積効果を増して、上空でのワイヤーテンションを胴体の揚力(この場合円周外側に向かう力を現す)を増して補うと、飛ばしやすくなってくる。
イメージ 1
代表的な事例としては、室内Uコンスタント機のGeeBeeがある。
(GeeBeeは、世界選手権2連覇を達成したイゴアさんにより開発されたもの)
写真は、友人が飛行させているGeeBee
もちろん、F2Bを消化することができる驚異的な性能を持っている。
(Gセンサータイマーなしでも、F2Bが可能)
周回秒数は、400クラスモータでの飛行にもかかわらず、4.4秒〜4.5秒でF2Bを飛行させることができる。
胴体側面積が大きく、胴体揚力が稼げるから可能な数字だ。
胴体側面積がないと、F2Bのフライトは上空になるほどワイヤーが弛んで無理になる。
この機体の出現で、
小型機ほど側面積効果を大きくし、大型機ほど側面積効果を小さくしたほうが飛行させやすい傾向がある。
ということに確信が持てた。

・15クラス 周回秒数 4.3秒/1周〜4.4秒/1周
側面積効果が望めないスクラッパータイプの胴体でF2Bを飛行させる限界に近いエンジンクラス。
イメージ 2
代表的な機体としてはスタントマシンがあるだろう。
好調な周回秒数は、4.3秒〜4.4秒/1周となり、F2Bを実施するには速過ぎてきつい周回秒数となってくる。
スタントマシンは練習機であるので、多少飛ばしにくくなっていても、練習して操縦技術を向上させたほうがよい、と考えると、これでよいことになるのだが。
つまり、スタントマシンは多少周回秒数を早くしないといけないので操縦がせわしなくなる、程度で、あとは、まったく問題がない。
かえって、操縦技術の向上となるだろう。
しっかりと、ニュートラルが出るし、結局飛ばしやすい。
 
側面積効果があると、多少周回秒数を遅くしても上空でのワイヤーテンションが保ちやすくなる。
手軽な機体として代表例は、プロフィール形式の胴体のビーバーあたりになるであろう。
この場合、周回秒数を4.5秒/1周 まで遅くすることが可能となってくる。
 
・20〜25クラス 周回秒数 4.4秒/1周〜4.5秒/1周
出力に余裕が出てきて、多少、工作が苦手で機体が重くなっても飛ばしやすい機体を入手しやすいエンジンクラスになる。
プロフィール胴体で側面積効果を増すと、さらに飛行させやすくなることを実感できる。
 
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写真は、「ブルーマックストレーナー20」
プロフィール胴体の本格的スタント練習機になる。
将来的に作成したい、と考えている今日このごろになる。

・35〜45クラス 周回秒数 4.6秒/1周〜4.8秒/1周
一般的なので、解説は省略する。
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写真は、35クラス オリジナルノーブラ 高い胴枠と広い側面積、バランスのよい側面積分布で風見鶏効果も良好な範囲となっている。
まさしく、胴体側面積分布のお手本となる胴体をもつ。
 
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写真は45クラス スーパーハリケーン4B ノーブラのような側面積分布のように思えるが、良く観察すると異なっている。
胴枠の高さが多少低くなっており、キャノピーは多少前進している。
やはり、胴体側面積分布についても、各種設計での煮ツメがあると考えられる。
 
・60クラス以上 周回秒数 4.9秒/1周〜5.2秒/1周
60クラス以上となると、上空のワイヤーテンションの問題はなくなってくるのだが、別の問題が発生してくる。
側面積効果が大きいと、ワイヤーテンションが過大となり、腕が抜けてしまうことになる。
特に、エンジンが吹け上がり周回速度が上がった状態での水平飛行は、恐ろしい目にあう。
これでもか、というくらいワイヤーテンションが増すためだ。
こうなると、腕が抜けるし、F2Bなんてやってられなくなる。
近年、大型エンジン(60クラス以上)の機体も人気が出てきているが、成功事例の機体では、側面積効果はいずれも低い形状の胴体が好まれている。
ノーブラのように高い胴枠は、あまり好まれない。
 
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写真は、私が作成したDQ MASTER
胴体の側面積分布は、元設計の段階で胴枠の高さをノーブラに比べ低めになっているが、さらに側面積分布を多少見直し、大型エンジン向けに最適化を行っている。
もちろん、オリジナル設計の胴体側面積分布も優れているが、エンジン選択範囲の広い(45〜60クラス)設計なので、大型エンジンを搭載すると、ちょっと物足りないかな?とも思えたので、60エンジンに合わせて多少カスタマイズして最適化を行った。
結果としては、良好なワイヤーテンションとなったが、もう少し、ノーズ上側の面積が少なくてもよかったかな?
という結果となっている。
 
 
ここまでの説明で注意してもらいたいのは、
「側面積効果と風見鶏効果は違う」ということになる。
風見鶏効果は、Uコンでは他の飛行機ジャンルに比べ小さめが好まれる。
ただし、エンジンクラス別に変化があるのか?というと、たいした変化はない。
 
風見鶏効果の大雑把な指標は、重心位置を境に側面積分布の割合で計測することになる。
一方、側面積効果は、胴体側面積全体で計測することになる。
あと、プロペラ後流の螺旋後流も配慮した面積分布も大きく影響する。
 
スタント機の胴体設計は、エンジンクラス別に好まれる側面積分布がある、ということになる。
 
ノーブラで発見された最適な胴体側面積分布も、エンジンクラスが変わってくると、いろいろと変化することになる。
 
この辺を捉えて、最適な胴体デザインを考えて見つけ出してゆくのが良いと思う。

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周回速度[m]、周回半径[m]から、遠心力[Kg重]を求める遠心力換算表を作成しました。
作成はEXCELで作成し、マクロで計算させています。
 
円周率は3.14159265358979
重力加速度は9.80665として計算しています。
小数点3位以下は四捨五入しています。(Roundを使用)
 
一応、グラフで飛び出た値や同じ数値が存在していない程度や、他の遠心力計算サイトでの検算程度の確認はしています。
 
なお、本遠心力換算表を用いての各種事故、損害については、当方では一切の責任を持ちません。
それをご了承のうえ、活用願います。
 
周回速度は、小型機(15クラス〜)から大型機までで実際に使用可能な範囲として
 4.0秒〜5.4秒までの範囲としました。
なお、FAI F2Bのタイムオーバーを考えると5.1秒程度が限界となります。
 
遠心力については、私の経験で、実際に良好に操縦できる範囲としては、3.6[Kg重]前後が妥当となります。
仮に、1Kg(1000g)の機体であれば、遠心力は3.6Kgとなることになります。
3.2〜3.8までの範囲が、スタントで実用可能な範囲と判断し、黄色で示しています。
自分は中型機(35〜45クラス)では、3.6程度を目安にしています。
なお、小型機ほど遠心力を大きくしたほうが飛ばしやすく、大型機ほど遠心力を小さくしても飛行が可能となります。
周回半径は、最大21.5mとなります。FAIルールでの上限となります。
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今回、実際にフェニックス15を飛行させることで、クラス別ワイヤーテンションの考察における
「実際の感触とデータ」を取得することができました。
 
クラス別ワイヤーテンションの法則を見出すために、運動力学から様々な観点から考察したのですが、
結局、テンションGの値はほぼ一定になるだろうと見当がつきましたので、各種ワイヤー長、エンジンクラスの一般的な実績から導き出して表を作成しておきました。

フェニックス15 3号機では、ある程度あたりをとってワイヤーの長さを決定したのですが、どうやら、大きく外れていないことがわかり、ほっとしたしだいです。
実は、フェニックス15 2号機では、ワイヤー長が短すぎ、周回速度が速すぎ、あれやこれや悩んだものです。
 
本来、適切なワイヤーの長さは、エンジン出力と関連性があるはずで、たとえば、エンジン出力がわかれば自動的に最適なワイヤー長がわかるような方程式があればよいですが、一般には知りえる情報はありませんでした。
ならば、自分で青空風洞で確認すればよいと考えたわけです。
具体的な方程式は、各種エンジンクラスの実際を調べて、帰納法で方程式ならびに係数を求めればよいわけですが、けっこう大変でしょうね。
 
さて、運動力学的な観点から、本来、求めたい方程式は、以下のとおりとなります。
ワイヤー長=f(出力・・・) が求めたい方程式となります。(y=f(x)とするとy:ワイヤー長、f():方程式、x:出力、・・・その他必要な可変要素)
ところが、いきなり出力、・・・で計測しようとしても、「無理」ですね。
(・・・の要素が全て明らかになっていないし)
とりあえず、出力からワイヤー長に至る、各種要素を洗い出して見ますと
出力=推力×距離/時間
推力=燃料熱容量×出力効率×プロペラ効率係数
推力と抗力は、水平飛行中は反対向きで同じ大きさなので
推力=抗力
抗力=機体抗力+ワイヤー抗力
ふう、いつまでたっても計測可能な計算要素にたどり着きません(笑)
 
計測可能な計算要素は、周回速度、エンジンのカタログデータの出力は計測可能なんですがね。
それならば、計測可能な計算要素から、実際のデータを取得して傾向をつかんで方程式を導き出す方法であれば
実用可能な法則(当然、誤差はあるが、あまり外れないことになる)が見つかるのでは、と考えるわけです。
今回、フェニックス15でとりあえずデータ取りしましたが、まだ15クラスのエンジンのみの結果しかありませんので
今後、様々なエンジンでのデータ取りを行う必要があるでしょうね。
 
あと、今回、幸か不幸か周回速度4.3秒〜4.9秒までの経験をすることができました。
各速度のワイヤーテンションの具合は、実際に体で経験することができ、テンションGは3以上でなければスタントが不可能であることの実感を得ることができたのは幸いでした。
 
とりあえず、
16.7m= 適切なワイヤーの長さを求める(BLODAK15、AP8×6W、フェニックス15、012-60ワイヤー、Uコン復活の設定)
という関係は明らかになったようですが、これでは、とてもとても適切なワイヤーの長さを導き出す法則にはなっていませんね(笑)
今後、実際にいろいろ飛行させてサンプリングを増やして方程式を導き出せれば幸いです。
 
あと、ワイヤーテンションの向上のための空気力学的な仕組みがいろいろあります。
・プロペラの首翼効果(サイドスラスト、ラダーオフセット、ラインガイド位置、ノーズモーメント等で調整)
・胴体の空力効果(胴体側面積分布、プロペラ後流、胴体容積等、これは設計で調整するしかない)
・主翼の空力効果(ローリングすることで揚力の一部をワイヤーテンションに加担させる方法、水平飛行では発生なしとする)
などなど。
フェニックス15 3号機では、とりあえずできるだけ円周の接線方向にまっすぐ飛ぶようにセッティングする。
という方針としました。
よって、ワイヤーテンションは、できるだけ遠心力の要素を大きくする、ということになると思います。
 

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ここでは、実際に即した内容でワイヤーテンションについて考察してみましょう。
もう一度基本をおさらいすると
F=mv2/r F:遠心力 m:質量 v:速度 2:2乗の意味 r:半径
飛行させる機体は、同一であるとすると、関係する変化要素は
速度と半径に依存することがわかります。
遠心力は
速度の2乗に比例して大きくなります。
また、半径を大きくしても比例して大きくなります。
変化の度合いは、速度のほうが大きいことは理解できますね。
ここで、ある機体が調整が必要で待機していたとします。
この機体は、ワイヤーテンションが足りず、もう少しテンションを増したほうがよい、としましょう。
この場合、どのように調整するか?ですが・・・
(とりあえず、速度と半径の調整を前提とします。実際はラインガイド、サイドスラスト、ラダーオフセット等ありますが)
まず最初に、速度の増加を検討してみます。
遠心力は速度の2乗に比例して大きくなりますから、テンションの確保は容易な場合が多いです。
しかし、エンジン出力には限界があり、プロペラ、燃料、キャブ口径とさまざまな調整要素があっても
限界に達することもあります。
次の調整として、ワイヤーを交換して飛行半径の変更することがありますが、
この場合、方程式に従えば、ワイヤーを伸ばせばテンションが増加すると考えられます。
ところが、ワイヤーを伸ばすと、かえってテンションが減少することが体験できます。
なぜ?ですが、「ワイヤーの抵抗は思った以上に大きい」ということです。
機速が遅くなってしまうわけです。
速度の2乗に比例してテンションが小さくなる力が、ワイヤーを伸ばしてテンションを増大させる力に勝るのでしょう。
結局、ワイヤーを多少短くしてエンジン調整しなおしたほうが、効果が出ます。
機体が重く、エンジン出力が低いほど、短いワイヤーで効果が出やすく
機体が軽く、エンジン出力に余裕があるほど、長いワイヤーで飛行が可能となる
という、調整する方向が理解できることになります。

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