Zero Racer 最終発表 平田吉秀,土井彰,柳瀬匡甫.

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Zero Racer 最終発表 平田吉秀,土井彰,柳瀬匡甫

背景 零戦をベースにした エアレース用の機体 レッドブル・エアレース リノ・エアレース エアレース フォーミュラワン スポーツ アンリミテッド(無制限) エアレースの様子 複葉機 T-6 ジェット 主な出場機体は第2次大戦終戦前後の機体 かつて”Zero Fighter”の名で恐れられた伝説の名機 零戦をベースにした エアレース用の機体 ダゴ・レッド(マスタング) レア・ベア(ベアキャット) 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

エアレース(レースコース) 周回数 予選レースでは6週 決勝では8週 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

概要 設計要求 飛行機のコンセプト 1.零戦らしさを残し、かつデザインがかっこいい。 2.速い,レースに勝てる 3.可能な限りの軽量化  1.零戦らしさを残し、かつデザインがかっこいい。  2.速い,レースに勝てる  3.可能な限りの軽量化 設計要求 航続距離 2500km 巡航マッハ数 0.7 巡航高度 15 m~ 乗員 1人 ペイロード 0 kg 最大離陸重量 8000lb ロサンゼルス―リノ間 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

三面図 Unit:ft 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

重量推算 合計:8000lb 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

重量分布 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

翼型選定 主翼面積・翼平面形の選定 使用ツール XFOIL 選定基準として 揚力が大きくない 抗力が小さい 軽量化のため薄く 主翼面積・・・・低翼面荷重かつ面積が大きすぎない           主翼面積は22.44m2(241.9ft2) 翼平面形・・・・零戦らしさを残すためテーパー翼 翼型選定 翼型はNACA66206を選定 使用ツール XFOIL 選定基準として 揚力が大きくない 抗力が小さい 軽量化のため薄く 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

XFOIL計算結果(EXCELプロット) 翼型選定手順 いくつかの翼型をXFOILで計算→その中から条件に合うものを選ぶ→翼型の決定 今回は最終的に2つ候補が残った(NACA23012,NACA66206) 低迎角(0~10°)における揚力係数、抗力係数の大きな違いはないが機体軽量化のため 翼厚がうすいNACA66206を翼型として選定した。 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

翼面荷重推算 W/S=33.07(lb/ft2) コンセプト・・・・低翼面荷重 (軽量化・旋回半径小) 推算方式 値としては実際の零戦より少し大きい(メッサーシュミットに近い値) 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

他機種との翼面荷重比較 他機種は実際にエアレースに出場している機体にする。 (例 F8Fベアキャット、ホーカーシーフューリー、マスタング) 勝手に仮定すること ・ほかの機種の外観には改造が施されていないとする ・燃料の積載量は自分たちと同じ2000lbと考える ・他の機体の空虚重量を8000~9000lbと勝手に仮定する 他機種に比べて低翼面荷重 軽量化が可能 空気抵抗の低下が期待できる 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

飛行性能(1/2) 飛行条件 主翼の捩じり下げ:5° マッハ数:0.6 高度:5000ft 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

飛行性能(2/2) 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

エンジン R-3350 R-4360 メーカー:カーチス・ライト 形式:空冷星型9気筒2列18気筒 馬力:2200-3800hp (4000hp+) 全長:1985mm 直径:1413mm 乾燥重量:2670lb メーカー:P&W 形式:過給式空冷4連星型28気筒 馬力:4300hp 全長:2451mm 直径:1397mm 乾燥重量:3870lb 最高のパワーウェイトレシオ 重量が厳しい... メンテナンスが... 実績がある! 軽い! 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

目標飛行速度:530mph,M=0.7(レシプロ機最高記録) プロペラ(1/2) 軸馬力:4000hp 目標飛行速度:530mph,M=0.7(レシプロ機最高記録) 回転数:1000 rpm プロペラ直径:15ft(4.6m) 胴体から2/3以上プロペラが出ること 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

プロペラ(2/2) 可変ピッチにすることで効率を0.8に固定 講義資料より引用 M=0.5 M=0.7 可変ピッチにすることで効率を0.8に固定 DATCOMによって得られたCD値を用いて得られた抵抗とプロペラから得られる推力から,最高到達速度を推定→約500mph 4400hpまで上げることができれば530mph(M=0.7)を達成できそう... 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

機内空間(操縦席) おそらくこんな感じに なるでしょう 三菱名古屋航空宇宙システム製作所の資料室にある 零戦52型のコクピット前部            なるでしょう 三菱名古屋航空宇宙システム製作所の資料室にある 零戦52型のコクピット前部 http://www.symphonic-net.com/france1961/zero_fighter-1.htm  2012/02/06 航空機設計論 最終発表

降着装置 (脚) Tail draggerタイプ 脚収納形態 緩衝装置 小型プロペラ機に最適 脚収容が比較的容易 機体内側へ収納 ストローク長:0.74 ft シリンダ外径:0.3 ft 約90 %の衝撃を吸収 最大離陸重量で静止状態のとき姿勢角は10~15度 機体重心位置は、重心最前方及び最後方のときに、主脚垂直線から16~25度の範囲内とする。 尾輪接地姿勢の状態で、重心から25度以上離す 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

降着装置 (タイヤ) タイヤサイズ 各脚に作用する荷重からタイヤを選定 初期推算結果と比べ妥当性を確認 前脚:2487 lb(一つ当たり) ※Max load 主脚:1703 lb ※Max static load 初期推算結果と比べ妥当性を確認 荷重計算より選定 Reference(初期推算) 前脚 (1つ当たり) タイヤ直径 2.93 ft (89 cm) 1.86 ft 幅 0.96 ft (29 cm) 0.49 ft 重量 40 lb (18.1 lb) N/A 主脚 1.17 ft (35 cm) 1.22 ft 0.24 ft (7 cm) 0.25 ft 8.0 lb (3.6 kg) 最大離陸重量で静止状態のとき姿勢角は10~15度 機体重心位置は、重心最前方及び最後方のときに、主脚垂直線から16~25度の範囲内とする。 尾輪接地姿勢の状態で、重心から25度以上離す 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

機体サブシステム 電気系統 補助/非常用動力系統,補助動力装置 油圧系統 空気圧系統 電子系統 Ni-Cdバッテリを使用 脚の引きこみ,フラップの稼働, エンジンスターターなどに使用 補助/非常用動力系統,補助動力装置 APU,EPUは搭載しない 油圧系統 ブレーキ系統に使用(マスタ・シリンダブレーキ系統) 空気圧系統 非常用ブレーキ,空調,油圧ポンプの駆動, リザーバの加圧 など 電子系統 通信系統,航法アシストなど 油圧式ブレーキ系統は主油圧系統の中の一系統を構成するものと,ブレーキ系統だけ独立しているものがある.小型機では独立してマスタ・シリンダブレーキ系統を持っているものが多い. 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

デザイン 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

まとめ 零戦の特徴である軽量化を目指したが,エンジンを変更したら,それに従い他の出場機体に似た重量,仕様になっていった. エアレース用の機体と他の機体とで傾向がかなり異なるので,設計に苦労した. 他機種の詳細なデータが少ないため,比較するのが困難だった. 零戦らしさを残すために機体の形状について制約があった. 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

参考資料 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

降着装置 (タイヤ) Tail draggerタイプを採用 タイヤサイズ 緩衝装置 脚収納形態 小型プロペラ機に最適 脚収容が比較的容易 前脚は主脚の1/4~1/3のサイズ 主脚:Diameter=22.3in(56.7cm), Width=4.7in(14.8cm) 前脚:Diameter=11.5in(29.2cm), Width=1.7in(5.3cm) 重量主脚90%分担は不適? 緩衝装置 脚収納形態 最大離陸重量で静止状態のとき姿勢角は10~15度 機体重心位置は、重心最前方及び最後方のときに、主脚垂直線から16~25度の範囲内とする。 尾輪接地姿勢の状態で、重心から25度以上離す 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

機体重量 Simple cruiseを仮定し,離陸重量を推算 エンジン重量が3800 lb → 余裕を持ってW0=7000 lbに設定 初期条件 WAR 1.6 Altitude 15 m 巡航速度 238m/s (M=0.7) ロイター 10 min 乗員 1人 (180 lb) 航続距離 2500km → 4100 km Wetted アスペクト ratio 重量計算結果 燃料重量は全体の1/4程度か 機体空虚重量, We 4294 lb (1.9 ton) 燃料重量, Wf 1346 lb (0.6 ton) 離陸重量, W0 5640 lb (2.6 ton) エンジン重量が3800 lb → 余裕を持ってW0=7000 lbに設定 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

エアレース レッドブル・エアレース リノ・エアレース タイムトライアル方式 歴史が長い レース方式 アンリミテッドクラス 1周13.3kmのコースを5~8周 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

XFOIL圧力分布(迎角0°) 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

NACA23012とNACA66206の比較 2012/02/06 航空機設計論 最終発表

セプテンバー・ポップス(シーフューリー) 出場機体 セプテンバー・ポップス(シーフューリー) 2012/02/06 航空機設計論 最終発表