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人力飛行機の設計と製作
人力飛行機の設計と製作 東京工業大学Meister 人力飛行機部門 代表 其田 聖史 設計 稲川 貴大 １ はじめに～Meisterとは～ Meister (マイスター)は, "Challenge & Creation"を モットーに日夜『ものつくり』に励んでいるサークルで す。現在は, 人力飛行機部門とエコノムーブ部門の 二つの部門に分かれ, 人力飛行機とエコノムーバー( 電気自動車)を製作しています。 主に東京工業大学の生徒で構成されており、各 学年20～30人が集まって活動しています。人力飛 行機部門は３年生の夏で引退となります。 2 ２ Meisterの歴史～滑空機時代～ 1992年 マイスター設立。鳥人間コンテストへの出場を目 標とする 1993年 滑空機「Trystar」を設計するが書類審査で落選 1994年 滑空機「SUPER POSITION」を製作し、第18回鳥 人間コンテスト 滑空機部門に初出場 記録28ｍ 1995年 滑空機「KARDINAL」を制作し, 第19回鳥人間コン テスト 滑空機部門に出場。サークル発足わずか3年で 堂々の準優勝に輝く。 当時の滑空機部門歴代3位の記 録である292.05mの飛行をする。 ２ Meisterの歴史～人力飛行機時代～ 1996年 「Corneille」を製作するも 書類審査で落選 1997年 「Cygnus」製作するも台風の直撃を受け, 大会 自体が全面中止となる。 1998年 「Cathartes」で第22回鳥人間コンテストに出場 を果たす 記録: 20m 1999年 「KARURA」で第23回鳥人間コンテストに出場 パイロットとして荻原次晴氏が乗り込む 記録: 44.08m 2000年 「Whirl Wind」で第24回鳥人間コンテストに出場 初の定常飛行に持ち込む 記録: 380.54m(第4位) ２ Meisterの歴史～人力飛行機時代～ 2001年 「Holsety」を製作。 第25回鳥人間コンテストに 出場し, 悲願の初優勝を遂げる。 記録: 3823.70m 2002年 「なまら」を製作。 第26回鳥人間コンテストにて 昨年に引き続き連続優勝。 記録: 3201.74m 2003年 「Promontoire」を製作し3連覇を目指す。 気候 に恵まれ, 史上稀に見る好記録続出となった第27回 鳥人間コンテストでは, 34kmを飛び飛行可能距離限 界の琵琶湖大橋まで到達した日本大学に引き続き, 32177.99mを飛び準優勝を果たす。現在の歴代チー ム記録である。 ２ Meisterの歴史～人力飛行機時代～ 2004年 「Halcyon」で第28回鳥人間コンテストに出場 するも, 台風により中止。参考記録：218ｍ 2005年 「てぃだ」で第29回鳥人間コンテストに出場。 第3位入賞を果たす。 記録： 12444.64m 2006年 「Werk」で第30回鳥人間コンテストに出場。 飛 行禁止区域を飛行したため失格になる。 2007年 「翼 飛造」で第31回鳥人間コンテストに出場。 強風の中、優勝を収める。 記録：3998.51ｍ 2008年 「Horizon」で第32回鳥人間コンテストに出場予 定。 ３ 第31回鳥人間コンテストの舞台裏 ～出発～ 28、29日に行われる大会へ向けて、 27日の夜に大岡山を出発します。機体 はトラックに入るように分割してあり、 運搬で傷つかないように慎重に運びます。 パイロット・代表は説明会のために一足先 に琵琶湖に向かいます。その他のメン バーは夜行バスで琵琶湖へ。年に一度の 大会に向けて全国から鳥人間が続々と集 まってきます。 ３ 第31回鳥人間コンテストの舞台裏 ～28日in琵琶湖～ 28日はプラットホーム上では滑空機と人力プロペラ機 のタイムトライアル部門が行われており、琵琶湖の湖岸 ではディスタンス部門に出場するチームの機体審査が 行われます。 機体審査とは製作した機体が安全性に問題なく、パイ ロットはもちろん救出隊のダイバー達にも危害が及ば ないように点検する作業です。 ３ 第31回鳥人間コンテストの舞台裏 ～29日フライト前～ そしていよいよ当日…朝5時に琵琶湖湖岸に集合。機 体を組み立てフライトの順番を待ちます。 プラットホームへ機体の運搬も無事に終わりいざ琵琶 湖上空へ!!無事に定常飛行してくれるのでしょうか？？ ３ 第31回鳥人間コンテストの舞台裏 ～フライト後～ また着水後の機体は、運営側が湖岸まで運んだあと 引き取り解体します。着水時にどこが壊れたかや、フラ イトのログなどデータはたくさんあります。来年度の戦 いは既に始まっているのです。 ４ 人力飛行機の設計 人力飛行機の形 翼の長さ ３１ｍ 全長 １０ｍ ４ 人力飛行機の設計 人力飛行機の形 高翼式 プロペラ単発、トラクター式 駆動系：シャフトドライブ ４ 人力飛行機の設計 人力飛行機の形 ダイダロス‘８８ １９８８年 ＭＩＴ・ＮＡＳＡ共同 プロジェクト 今でも破られていない 飛行距離 １１６ｋｍの世界記録 今でも使われる技術 ＣＦＲＰパイプ・スタイロフォームの翼リブ ポリプロピレンフィルム・オールフライング尾翼 シャフトドライブ・ＤＡＥ翼型etc... ４ 人力飛行機の設計 人力飛行機の形 その中での独自性 ・フライバイワイヤ ・翼の片持ち構造 ・プロペラのカーボンモノコック構造 ４ 人力飛行機の設計 翼の設計法 無駄な抗力が発生しないように翼の長さを長くする 翼の長さをできるだけ長く ４ 人力飛行機の設計 桁の設計法 翼桁の強度を計算して積層構成を最適にする 極力軽くしたい 安全率：２ ４ 人力飛行機の設計 プロペラ 自作のプログラムで 十分の推力を得つつ 最適の形に設計 フェアリング ・パイロットが乗れ る大きさ ・抗力を少なく ↓ 流体解析等を駆使し て設計 機体の設計法 ４ 人力飛行機の設計 大変なところ 製作のために ５ 人力飛行機の製作 Meisterは機体の製作を効率的に行うため5つの班＋ α に分けて活動しています。 コックピット班 Team FRP プロペラ班 翼班 電装・操縦班 三役 （代表・設計・ パイロット) ５ 人力飛行機の製作 コックピット班 人力飛行機の心臓部を製作するコックピット班は班内 でさらにフレーム系・駆動系・フェアリング系の３つに分 かれます。 コックピット周りの製作はモックアップから始 まります。木材で仮のコックピットを組み立て、新パイ ロットの体型に合わせて設計していきます。漕ぎやすさ、 作りやすさ、干渉などに注意しながらCADソフトを用い て設計します。 ５ 人力飛行機の製作 コックピット班 フレームの設計とともに、駆動系・フェアリングもすこし ずつ設計が始まります。ギアボックスの形・フェアリング の外形などです。 また、カーボンパイプ(以降「桁」)の 破壊試験も行ったりします。万が一 の衝突時に桁が折れた場合でもパ イロットに危険が及ばないように、 安全な機体を設計するというのも とても重要な要素です。 ５ 人力飛行機の製作 コックピット班 設計が一通りあがるといよいよ製作開始となります。 フレームの製作は 桁を巻く オー バーレ イ パテを 盛る・や する 相関を 行う リブを立 てる という工程の繰 り返しです。 ５ 人力飛行機の製作 コックピット班 ５ 人力飛行機の製作 コックピット班 マイスターの駆動系は設計の時にも説明した通り、ド ライブシャフト方式を取っています。とても精度が必要 な駆動系の部品も出来る限り自作します。 ものつくりセンターや知能工場で 旋盤やフライス盤を使い、上下のギ アボックス・軸・前 ハウジングなどを 作っています。 ５ 人力飛行機の製作 コックピット班 今年のフェアリングはパイロットの快適性を第一に考 えて設計されています。 人力飛行機の顔とも言える フェアリングは 設計 発泡スチ ロール加 工 マスター作 り 発泡スチ ロール切 り出し 取り付け 表面 仕上げ という順に作業が進みます。 ５ 人力飛行機の製作 コックピット班 ５ 人力飛行機の製作 プロペラ班 人力飛行機の推力を生み出すプロペラ。マイスターの プロペラではカーボンモノコック構造を取っています。 プロペラの製作過程は 雄型作り 雌型作り 表面塗装 という順に進んでいきます。 製品作り ５ 人力飛行機の製作 ①アルミを切ります プロペラ班 ②アルミを立てその間にス タイロをはさんでいきます ③パテを盛り形を整えていき ます ５ 人力飛行機の製作 プロペラ班 ④表面に離型処理を施し ⑤その上からカーボンクロス やガラスクロスを積層 ゲルコートを塗ります ５ 人力飛行機の製作 プロペラ班 ⑥硬化後脱型し雌型完成 ⑦プリプレグ を雌型に積層 し、焼成。 脱型する ことでやっと 製品の完成 ５ 人力飛行機の製作 翼班 全長30ｍにもなる翼。それを手掛ける翼班の作業は とても大変ですが、全て繋がった時の大きさは圧巻で す。作業の流れとしては マスター作り ストリンガー 後縁取付 リブ切り リブ立て 前縁材取付 フィルム貼り アイロン という感じで進んでいきます。 ５ 人力飛行機の製作 翼班 ５ 人力飛行機の製作 Team FRP Team FRPとは、その名の通りカーボン関係を専門的 に扱う班です。人力飛行機の骨組となる桁の製作時に 主に活動する班で、その他は迎角調整器回りの部品を 製作したりします。 ５ 人力飛行機の製作 Team FRP FRP作業のメインとなる桁巻きについて説明します。 ①プリプレグと呼ばれる CFRPのシートを切ります ②マンドレルに離型処理 を施します ③設計通りにマンドレルに シートを圧着していきます ④テンションテープを巻き 独自の炉で焼成します ５ 人力飛行機の製作 Team FRP ⑤焼き上がったらテ ンションテープを外し 脱型 一つの桁を作るのに比較的薄いものでは 12～18時間。中央桁など厚いものでは作 業時間が24時間を超えることもあります。 ５ 人力飛行機の製作 電装・操縦班 電装・操縦班（以下電操班）はマイスター内で最も多 彩な作業を行う班です。主に電気回路を扱い、機速計・ 回転計・高度計などの計器類や、コントローラーを作製 します。基本的に１人１つの計器を担当し、製作は個人 作業ですが尾翼回りの部品を作るときは班で協力して 作業をします。 ５ 人力飛行機の製作 機速計 電装・操縦班 機体と大気との相対速度を測る。 高度計 機体の高度を測る。周波数40kHzの 音波を出し、それがはね返って来る までの時間を計測して高度を出す。 回転計 １分あたりの回転数を測る。 今年は磁石を用いて測定し ている。 ５ 人力飛行機の製作 コントローラ データロガー 電装・操縦班 操縦桿からの信号をサーボ モーターを動かすための信 号に変換し、サーボに出力 する。 重要なデータである 各計器の情報を記録する もの。パイロットは本番 で着水時にこれを回収する ５ 人力飛行機の製作 三役（設計） 機体の設計はもちろん、テストフライトでのセッティン グやデータの解析などを行います。鳥人間コンテスト本 番でボートに乗って並走しパイロットに指示を出すのも 設計の仕事です。 また、人が足りない時には 製作活動も行います。 ５ 人力飛行機の製作 三役（パイロット） 人力飛行機のエンジンである パイロットは、トレーニングの日 々を送っています。 毎年３～４月に次のパイロットが 決定すると、翌年の鳥人間コン テストに向けてエアロバイクなど でトレーニングを行います。 テストフライトが始まると実際に機体に乗り、操縦の 練習も行っていきます。 ５ 人力飛行機の製作 三役（代表） 代表の仕事はチームの対外的な交渉や、作業日程 の管理、テフトフライトでの指揮など全体のまとめ役と いった感じです。また消費物や倉庫の管理も行ってい ます。 １つの班だけでなく、チーム全体を見通し方向性を決め ていかなければならないのでなかなか大変な役です。 ではテストフライトの映像をご紹介いたします。 ６ マイスターのその他の活動 エコノムーブ部門 一定量の鉛蓄電池を積んでどれだけ 走れるかを競う競技。先日開かれた タイ大会では４位だった。車体自体 はカーボンモノコック構造を取って いる。 翼台作り 最初の新入生企画。テストフライト や作業時に翼を支える台を作っても らいます。「ものづくり」を手軽に 体験できる企画です。 ６ マイスターのその他の活動 Design Move Contest 新入生企画の第二弾。1kgのおもり をどれだけ遠くに運ぶかを競います。 約1か月間4~5人チームで作業を行い 皆で協力して１つの車体を作り上げ ます。 模型飛行機大会 最後の新入生企画。全長1ｍを超える 模型飛行機を作ってもらい、飛行機の 原理や製作の難しさを体験してもらい ます。 長時間 ご静聴ありがとうございました