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海鳥の旅ピラタス下駄を履く

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なし 海鳥の旅ピラタス下駄を履く

msg# 1.4.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1
depth:
18
前の投稿 - 次の投稿 | 親投稿 - 子投稿.1 | 投稿日時 2013-4-28 2:13 | 最終変更
hide  長老 居住地: 兵庫県  投稿数: 634
hideです。
 以前から夢見ていた、ピラタスPC-9Mの水上機バージョンを、とうとう作ってしまいました。

 はるばる伊丹からPBYカタリナで、英国サウサンプトン港まで飛んでくる旅は楽しかったし、FlightGearの海は強風でも物理的な波は立たないため、事実上いつどこでも着水可能で、水陸両用機ってこんなに便利なのかと感心しました。しかし一方では、飛行艇の鈍足と鈍重な操縦性は正直、どうにかならないものかと、うんざり気味でもあります。そこで1月ごろから、高速かつ軽快なPC-9Mを水陸両用機に改造する夢想にふけっておりましたが、私の知識と技術ではまず無理と諦めていました。しかし前回ご紹介しました飛行艇整備工場づくりの経験から、何とかフロートの3Dオブジェクトが作れるような気がして来ましたので、思い切って実行に移した次第です。

 カタリナやショート・エンパイア飛行艇のプログラムをよく見ると、水上でどんな風に振る舞うか、空力ファイルと似た形式で、3軸それぞれの力学が記述してありますが、私にはとても現時点では、あんな精巧・複雑なものを理解して移植することは出来ません。従ってPC-9M水上機版(いちおう水陸両用)では、フロートのグラウンド・リアクションなどを様々に調整して、ある程度まで水上機っぽい動きになるよう工夫しました。では、飛び方や設計についてご説明しましょう。

●●海上のインプレッション:
 現在はテスト中のため、自作のスーパーマリン工場を機体起動位置にしています。フロアでエンジンを掛け、エプロン東側に設けた、幅の広いスリップから海中へ。本機の数少ない欠点の一つとして、地上用ギアを出した状態ですと、海中に入っても喫水線まで沈まず、タイヤのまま海面を走ってしまいますので、波打ち際まで来たら何食わぬ顔をして、Gキーでギアを格納することにしています…(^^;)。ただし、カタリナみたいにギアを出したままスリップやエプロンに沈むトラブルがなく、正常にタキシング出来るのは嬉しいですね。

 フロートのグラウンド・リアクション(事実上、見えない固定脚)は、かなりスプリングレートを弱め、ダンピングレートもふわふわにしてありますので、地上用のギアを納めると、機体はずぶりと沈んで白い飛沫(パーティクルを使った spray)を巻き上げ、いったんフロートが大きく沈み、次いで浮き上がって少し揺れ、ようやく安定します。あとで詳述しますが、燃料タンクが空っぽならフロート体積の半分弱が、満タンなら1割強くらいが水面に出るよう、各種設定を行っています。

 スロットルを開いて前進に移ると、間もなく(対地速度10Kt以上で)spray をたっぷり引きながら、速度を上げます。急激に全開すると、エンジン推力による機首下げモーメントが強く出て、フロートが大きく潜ってペラが水面を叩く(むろん実害はありません)ので、スロットルは慎重に開く必要があります。
 双フロート機はラダーの利きが悪く、水中舵が必要だそうですが、工作が大変なので、3Dモデルとしては省略しました。しかし水上の操向は、フロートの前後両方で行うように設定し、後部では操舵角度をマイナスにして逆位相としましたので、少々テールを振る旋回になります。spray で描く航跡との比較では、機体が外滑りを起こしながら旋回しているように見えまして、なかなかリアルです。
 しかし逆位相操舵の欠点として、速度が上がってくると舵の利きが低下し、強風時は垂直尾翼の風見効果が過大となって、風下への回頭が大変困難になります。実機でも、とかく水上機は扱いにくいものらしいですから、これはこれでリアルなんだと考えて、あまり修正せずにいます。操縦のコツとしては、ヨー・コントロールが不足したら一度エンジンを絞ることと、エルロンを一杯に切って旋回内側のフロートを沈め、抵抗を増すと回頭の助けになります(本機の場合、水自体の抵抗はありませんが、フロートのグラウンド・リアクションの転がり抵抗を、通常の車輪の20倍にしているので、荷重を掛けると多少ブレーキになります)。

 この機体は、満タンでなくてもパワーオン時にフロートが全没しやすいので、離水滑走は上げ舵いっぱいで開始します。フラップは1段目です。資料によれば実機でも同様で、フロート前端を持ち上げて凌波性を良くするとともに、後端の水中舵を深く突っ込んで舵効を確保する目的で、やっぱり最初は上げ舵を最大に取るそうです。フロートが浮いてくるのに合わせて、舵を中立に近づけ、そっとローテーション。spray が、ふっと途絶えて空中に浮く気分は、また格別です。
 一般に水上機は、燃料やペイロードを大量に積んだ過負荷状態では、かなり波が立たないと離水が出来ないそうですね。このPC-9Mも、出来れば満タン(私の設定では、かなり過重状態)の場合は、ある程度強い向かい風がないと離水困難にしたかったのですが、実現できていません。

 着水時は、空港への着陸と同様にフラップを全開し、より滑らかにタッチダウンするよう操作します。気を抜いてラフに降ろすと、フロートがドブンと全没し、次いで機体が空中に放り上げられ、翼端から渦流を引いて失速寸前のフラフラ状態で、第2バウンドに入ります。実はこういう特性が欲しくて、かなり念入りに調整したのですが、ある程度は水上機の気分が出たかな、と思っています。昔の水偵乗りの手記などを読みますと、波が高いときはベテランが操縦しても、着水は大バウンドの連続になるようです。

●●フロートの設計:
 ピラタスPC-9Mは、翼面荷重はさほど大きくないものの、ターボプロップ機ですので、長距離を飛ぶ場合は高空を高速で巡航することになります。本来はどうもフロートを付ける飛行機ではなさそうに思えますので、最初は零戦改造の二式水戦とか、地上軍近接支援や空戦もこなした零式観測機みたいな、前面投影面積の少ない単フロート機を思い描いていました。
 しかし水陸両用が前提ですから、単フロートですとメインギアの格納が厄介です。一番簡単なのは、PS-1みたいに両サイドに脚柱を設けて後方に引き込む方式ですが、左右タイヤの間隔が非常に狭く、背も高くなるので不安定で、風のある日はタキシングできそうにありません。車輪を上下に出し入れすると同時に、左右に突き出したいのですが、そんな複雑なリンク機構のアニメーションは書けませんし、実物ですと重量が増えそうで、あまりリアルでもありません。あれこれ考えて結局、双フロートに落ち着きました。
 DHC-3オッターのフロートでも流用してしまえば、話は簡単なんですが…「借り暮らし」ばかり続けていると、いつまで経っても私は、取りあえずの最終目標である機体自作は出来そうにありません。将来への習作のつもりで、ここはやっぱり自作しなくては。

 さて、フロートの寸法を決めます。これは、どの程度の排水量が必要かによりますね。私のPC-9Mは、タンク容量を(燃料計フルスケールの)1400Lbs×2槽に拡大してあり、満タン時の機体グロスウェイトはメートル法に換算すると2887圈これが排水量の最低線ですが、そのままではフロート全没ですから、当然なにがしかの予備浮力が必要になります。
 あれこれ調べますと、水上機の予備浮力として、以下のような例が見つかりました。
  各種ラジコン機  :100%か、もうちょい(フロート体積の半分くらいが水上に出る)
  三菱・零式観測機 :空虚重量で57%、全備重量で51%
  愛知・零式3座水偵: 同   53%  同   40%
  速度競技機    :シュナイダー・トロフィー・レースの末期で離水時15%くらい

 …これらを参考に、燃料タンク空っぽで予備浮力50%程度、滅多に使わない満タン時は、20%くらいでもよかろうと考えました。ただしフロートを自作した場合、体積を正確に計算する方法を思いつかないので、寸法を理論的に決めるには限界があります。予備浮力はあとで検証することにして、さまざまな資料を参考に、とにかくフロートを作ってみることにしました。一応満足できるものが出来ましたが、成型にやや難があったので後日作り直し、ついでにサイズもわずかに大きくして、最終的に次のようなスペックになりました。
 最大高    1m
 最大幅    1m
 全 長    8m
 自 重    50圈滷
 最大断面積  0.744平方
 排水量    2.38邸滷暇棔並審冀譴剖瓩い里如∈蚤臙婆明僉瀋垢機0.4で推定)
 ステップ位置 フロート先端から約54%、機体重心の直後

 フロート外形は、どうか投稿画像をご覧下さい。私は性能重視で、零式水偵や潜水艦搭載攻撃機「晴嵐」のフロートをイメージしてラインを決め、支柱も大胆に流線型断面の1本物としましたが、耐久性とか、搭乗時の足場にしやすいとか色々考えますと、オッターの角張ったフロートの方が実用的でしょうね。

 機体を浮かべるためだけに、こんな大きな物をぶら下げて飛ぶのも悲しいので、内部に補助燃料タンクを付けることにしました。目標は8時間以上巡航することですが、現行のFlightGear版PC-9MのPT6エンジンは高度20000ft以上ですと、スロットルを開こうが絞ろうが、毎時495Lbsの燃料を消費することが分かっています。となると4000Lbs以上搭載すればいいわけで、最終的には機内メインタンクの計2800Lbsに加えて、新たに左右フロート内に各850Lbsずつ計1700Lbsのタンクを増設し、最大4500Lbsとしました(かなり大胆)。フロートタンクはふだん空っぽで、必要なときだけメニューから、スライダー操作で燃料を入れます。

●●各種の工作とプログラミング:
 先日、マニュアルを良く読んで、サウサンプトンに工場をぶっ建てたお陰で、AC3Dの基本操作が以前より頭に入りまして、フロートの製作は比較的快調でした。直径1mの球体を引き延ばして流線型を作っておき、上半分だけにして、切ったり繋いだりしてステップを作るなどさまざまに加工し、フロートの上部・側面が完成。この下に折れ線でキール(船で言えば竜骨)を描き、側面との間に三角の面を多数張って、V字断面の底部を作ります。
 凝った機体ですと、V字底がさらに湾曲したり、チャイン(側面と底面を繋ぐサイドエッジ)の部分だけ底部が平たくなっていたり、飛沫を押さえる工夫がみられますが、あんな難しいものはとても作れません。ひたすら参考図面を見ながら、根気よく多数の頂点を動かして成型しました。フロート支柱は、デフォルトの脚柱を包む位置に取り付けましたので、強度的にもリアルだと思います。デフォルトのタイヤはもちろん外してしまいましたが、基本的にはこのタイヤの高さが、フロート喫水線の基準となります。

 フロート内に引き込むビーチングギア(ランディングギア兼用)も別途、必要ですね。メインギアのオブジェクトは、潰れた円と四角を描いて回転体に加工し、直径40センチ・扁平率50%のタイヤとホイールを一気に作って、ダブルタイヤの中央に支柱を立てたりして完成。前輪は半分に縮小しました。
 前輪と後輪、計4脚をそれぞれ後方へ引き上げて格納しますが、引き込み脚のアニメーションは初めてですので、最初は座標原点を勘違いして、ギア全体が地中に大きな円を描き、慌てて修正しました。精密な脚ドアを作ったり、開閉させるのはまだ無理で、一見ドアみたいなダミーの板を、タイヤ両脇にぶら下げて一緒に動かすだけで我慢しました。ついでに、フロートのグラウンド・リアクションも作っておきます。
 フロートが付くと側面積が増え、垂直尾翼が相対的に小さくなり、利きが悪化するはずですので、もっともらしく見えるよう、機尾にベントラル・フィンを追加しました。こうすると垂直尾翼がやたら大きく見え、練習機なのでキャノピーはもともと特大でもあり、全体のプロポーションは妙にかわいらしく寸詰まり。どことなく3頭身の、SDガンダムに近づいたような気もします。

 これで外観は完成し、喫水線とギアの高さもラフな調節ができましたが、前述のグラウンド・リアクションが未調整で、フロートは言わば単なる固定脚ですので、機体はスポーツカーのように水面をしっかりグリップして、ただ走り回っております。航跡などのエフェクトもありませんので、この時点では本機は「水上歩行をする、何やら怪しいメカ」といった感じです(そういえば、空中浮揚もするしなぁ…って、違うか)。
ここはどうしても、白い水しぶきを上げるようにしたいと思いました。

●●飛沫を上げて走りたい:
 カタリナその他の機体ファイルの中から、wake(航跡)とか spray(飛沫)などの文字を探し、後方へパーティクルを引いて滑走する方法を探りましたが、想像以上に複雑で、移植を試みても作動しませんでした。しかし、これがないと水上機には見えません。困ったな、と思いながらサウサンプトン水道を低空で東進し、ワイト島との間のソレント海峡に出るころ…かつてRAFの水上機基地があったカルショット地区の沖で、旋回する微細な点を見つけました。ロールを打って急降下すると、先日シーナリーに追加した、OBJECT_SHARED の救命艇「アトランティック21」(船外機付きゴムボート)が目に入りました。
 大抵の船舶オブジェクトは静止していますが、これは円を描いて走り、白い飛沫を上げます。ファイルを開くと航空機に比べれば超簡単で、ただパーティクルを垂れ流し続ける仕組みです。これはいい! さっそく拝借して、PC-9M/Models/PC-9M.xml に書き加えると、大成功。機体中央からむくむくと、白い泡のようなものが湧き出して、タキシング中は後方に流れます。海上を走ると確かに飛沫に見えて、大感激でした。

 問題はこれを、どうやって水上滑走中だけ、出すかと言うこと。かつてPC-7改にプロペラのオブジェクトを追加して回転させたことがあるので、ごく簡単な条件分岐のアニメなら私にも書けますが、どうやって水上にいることを機体に教えたらいいのか、かなり悩みました。
 グラウンド・リアクションの調整を進めていたら、陸上姿勢と水上姿勢では当然ながら、地表からの高度(AGL)が違うことに気が付きました。プロパティを確認すると、脚出しで高度3.95ft、脚入れでは1.47ftです。ということは、このAGLの数値(position/altitude-agl-ft)が2.0以上かどうか、「greater than」文で分岐を掛ければいいわけですね。さらに「and」文も噛まして、対地速度が10Kt以上の場合のみ、パーティクルが出るように分岐を追加しました。かくして、ギアを格納してフロートで浮いているとき、しかも滑走中のみ、白い飛沫が出るようになった次第です。非常に単純なお話ですが、私にとっては貴重な勝利でした。さらに飛沫を2本に増やして発生位置も調整し、とうとう見かけだけは、水上機の完成です!
 かつての海軍機に倣い、フロートの先端部分に、プロペラ回転面を示す赤い警告マークを描き込むと、ちょっといい気分になりました。

●●フロートの、空力性能への影響:
 重量や空力面から言えば、フロートは単に性能を食ってしまう邪魔物です。一応、もっともらしい性能低下をプログラムしなくてはいけませんね。
 フロートの単体重量は、果たしてどのくらいでしょうか。あまり資料がありませんが、光人社の「日本の水上機」(野原茂著)によりますと、零観のメインフロート(排水量4420圈砲165.8圈⇔躰或緜紂頁喊緡7300圈砲2本で327圓任后G喊緡味鵜鼎△燭衒振40キロくらいの重量なので、今回のPC-9Mのフロートに当てはめると230キロくらいになりますが、現代日本のカーボン素材でも使えば、半分以下に抑えるのも夢ではなかろうと思い、フロート自重を100キロ(220.46Lbs)として、機体空虚重量に加えておきました。
 フロートの重量は当然、重心位置にも影響を与えます。モーメントを計算すると、機体の重心は24.25インチ下がることが分かり、そのように設定変更しました。

 次は空気抵抗(有害抵抗)の増加ですが、算出方法も調整法も分からず、全くの手探りとなりました。スピードブレーキの効き目を調整して、出したまま飛ぶとか、あれこれ考えましたが妙案なし。胴体もフロートも翼断面も流線型ですから、例えばフロートを追加したことによって、前面投影面積がどれだけ増えたか計算すれば、ある程度の見積もりは出るのではないかと思いましたが、それを実際に飛行モデルに反映する方法が、まったく分かりませんでした。
 空力ファイルの DRAG 軸を見て、Drag_at_zero_lift という項目が有害抵抗のことかな、と見当を付けましたが、value はないので調整できません。プロパティとして「aero/qbar-psf」と「metrics/Sw-sqft」が挙げてあり、JSBsimの解説文を探して読んでみると…前者はたぶん飛行速度によって生じる動圧、後者は主翼面積のようですね。切羽詰まって、試しに主翼面積を増やしてみることにしました。

●●思い切って、主翼面積を増やす:
 これをやると、揚力も操縦性も一斉に変化してしまうので、かなり不適切なのですが…フロートによる前面投影面積増加分と同じ割合で Sw-sqft を増やせば、少なくとも摩擦抵抗分は増やせそうです。AC3Dでは正面図の投影面積計算は難しそうで、画面のマス目を使って概算したところ、デフォルトの陸上版は4.005平方辰任靴拭私のフロートは2本で計1.32平方辰任垢里如△海譴魏辰┐襪般明僂1.3296倍。この増加率に基づいて主翼面積をデフォルトの175平方フィートから、232.66平方フィートに増やしました。

 飛行テストをしたところ、以前よりフンワリ楽に浮き上がり、明らかに離水性能が良くなったことが体感され、「うーん、やっぱり揚力が増えちゃったよ」と苦笑い。でもケガの功名で飛ばしやすくなりました。肝心の飛行速度への影響ですが、高度1000ft、5000ft、10000ft、15000ft、20000ftの全開テストでは、真対気速度がそれぞれ8〜9%低下しました。二式水戦の最高速は、原型機・零戦一一型との比較で18%低下していますから、私の改造機の性能低下は少なすぎるかも知れませんが、取りあえずこれで行くつもりです。

 そのほかの性能面への影響ですが、フロートによる重心位置低下は、機内燃料だけ使う分には体感できませんでした。さすがにフロートタンクを満タンにすると、機体中心軸から相当離れたところに、850Lbsの質量点が二つも出来ますから、ロール運動に変化が現れます。低空で210Ktから左エルロンロールに入れると、舵一杯で2.5秒掛かって1周しますが、フロート満タンでは所要時間が約1秒長くなりました。またバンク中の手放し飛行では、弱いがはっきりと、勝手に水平に復元する傾向が確認できました。
 …まだまだ試行錯誤の段階ですが、水上機版を作ってみたことによって、FlightGearの楽しみが、技術面でも操縦面でも、大きく広がりつつある気がします。

●●謎の爆発炎上事故、対策を発見。
 水上機への改造の副産物として、以前からピラタスPC-9Mにあった、一大欠点を直すことが出来ました。この機体は、水上機用スリップからエプロンへの継ぎ目や、大傾斜した山岳飛行場の滑走路からエプロンに入る部分など、勾配の変動がある部位(山型の突起)を通過する際、ゆっくり走ると、機体が激しく跳ね上がる癖があります。15Ktも出ていれば、あまり揺れませんが、5Kt未満では最悪の場合、棒立ちになって機尾を地面に沈み込ませ、オレンジ色の炎に包まれて爆発炎上します。
 通常の空港は平らなので、陸上機のままですと、あまり問題にはなりませんが、水上機版はサウサンプトンで発着するたびにスリップを利用するため、何度も爆発して不愉快でたまらず、何とかしたかったものの、原因が全く分かりませんでした。

 今回、グラウンド・リアクションをいじっていて、やっと理由が分かりました。通常の機体でしたら、ギアのほかに「ストラクチャー」という項目があって、ノーズとテールの先端および両翼端の位置を定義し、これらが地面をヒットした場合の反発力などを記述してあります。PC-9Mのストラクチャー項目は、なぜかテールの記述がないので、勾配の継ぎ目部分を踏むなどして傾き、機尾が下がった時も、力学的に地上に接触して支える部位が存在せず、そのまま棒立ちになったり仰向けに転覆して、火災判定を招くようです。

 私は、あっと叫んで<contact type="STRUCTURE" name="TAIL"> という項目を追加し、ベントラル・フィンの座標を書き込みました。すると…果たして、機体は完全におとなしくなり、竿立ちになるどころか、どんな微速前進でも、継ぎ目の上でまったく暴れなくなったのです。とうとう、飼い慣らしたぞ!
 分かってみれば、これも単純なお話ですが、ひとまず独力で解決できたことに、大きな満足を味わいました。それでは皆様、よい連休を!!
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