究極の鳥型グライダー　　
 
「鳥は、なぜ飛ぶのだろうか。」
それは、滑空すると気持ち良いからでしょう。風が強い日、ビルと角や高い木の近くは、風が渦を巻いています。そんなところに、カラスがやってきて、まるでジェットコースターのように風の渦の中を急降下、急上昇、旋回を楽しんでいます。
鳥は、楽しいから飛ぶのでしょう。
世界初、鳥型飛行機？
Z-WING
マイコン利用


 世界初、鳥型飛行機？

14歳の時、窓から外を見ていて、ここから紙飛行機を飛ばすと飛ぶのかなと思いました。無駄がなく飛ぶだけの仕組みにしようと、薄い化粧紙で直線定規のような翼だけの紙飛行機を作りました。窓から軽く投げると旋回しながらぐんぐんと上がっていきました。主翼だけが良く飛ぶなと感動しました。このとき、翼端を折り曲げて垂直尾翼のように方向を変えようとしたのですが、うまくいかず、垂直尾翼の無い飛行機は旋回が難しいなという記憶が残りました。
　鳥を見ると、なぜか垂直尾翼がありません。
　「魚類→両生類→は虫類→鳥類」と進化してきたと考えられていますが、魚類の尾びれにあった垂直面が鳥類なると無くなっています。鳥類は、背びれの無い恐竜から進化したからだ。」と、当然だというような返事が返ってきそうですが、これは答えになっていません。陸上から海に戻ったイルカは、背びれがあり、尾にも垂直面ができています。鳥類だって必要なら背びれや垂直の尾が作ることもできたはずで、鳥類に垂直尾翼が無いのは、必要が無いか、じゃまだからと考えるべきでしょう。
そう考えていくと、垂直尾翼のある飛行機は、鳥とは違う方向に進化していると考えるべきです。飛行機は、鳥のようには滑空していないのでしょう。
垂直尾翼の無い鳥型飛行機を作れば、鳥の滑空の仕組みで気持ちよく滑空する鳥型飛行機になれるでしょう。
鳥の様に垂直尾翼の無い、模型を作って投げて見ると、わずかに直進飛行しますが墜落してしまいます。これは飛べたのか、飛べなかったのか？
これまで、鳥の様な形に見える模型飛行機を見たことがありますが、これらは、垂直尾翼に代わる何かがあり、鳥が垂直尾翼無しで滑空する仕組みと同じ仕組みで垂直尾翼が無い鳥型飛行機は世界に無さそうです。

鳥には無い、垂直尾翼に代わる仕組みを持った物は、鳥型とは呼べません。
 no big angle of sweepback   no transparent vertical tail   not use a tail as V form   not use legs as a vertical tail
       
 もしも、鳥の滑空と同じ仕組みで垂直尾翼の無い鳥型の飛行機ができれば、世界初となりそうです。


 垂直尾翼があり、上反角のあるグライダーは、安定した飛行で良く飛びます。
しかし、このような形に進化した鳥はいません。

まずは、鳥の様に垂直尾翼を無くしてみます。
垂直尾翼を無くして、水平尾翼だけにしました。

土手から投げると、上反角によって、揺れます。
水平尾翼を傾けながら上げると、
エイッとばかりに旋回できますが、さらに大きく揺れて、操舵するのが大変です。
上反角は、揺れをつくります。揺れて向きが変わり、そのまま墜落してしまいます。変化した向きを正しい向きに操舵できないので墜落を止められません。飛行を続けるためには、向きを変える操舵、つまり旋回する方法を見つけなければいけません。 
 　どんな方法で旋回することができるか実験を進めます。


2002年5月　初めての鳥型飛行機
　 翼長140cm　発泡スチロールに1mm厚のバルサ材を貼ってあります。　水平尾翼には、エレベーターがあります。
　主翼には、エルロンがあります。
　これで滑空中に操舵したときの動きを調べます。

　・短い胴体。
　・垂直尾翼が無い。
　・翼に後退角が無い。
 テスト飛行
　草むらで水平に押し出すと、真っすぐに滑るように滑空を始める。すこし横にそれていくので、真っすぐに戻そうと舵を打った瞬間に墜落した。
　何度やっても、舵を切ると９０°ほど傾いた姿勢で横に落ちる。普通にエルロンを使うと旋回できません。
　翼端に発泡スチロールのトレイを切って、スポイラーのように突起物をつけてみたが、かなり大きく飛び出るようにつけないと、旋回しようとしない。鳥にそんなに大きなスポイラーがついていないので、これで旋回できたとしても採用できない。　

　とんでもないところに落ちて、拾いに行くのも大変である。いつの間にか、長靴をはいて飛ばすのが普通になった。
　
 改良
　 翼にあるエルロンでは、曲がれない。それなら尾翼で曲がろうと考えて、尾翼をカーボンパイプに接続し、回転できるようにした。左に旋回しようとするときは、尾翼を左に傾けてアップにする。単純にそう考えたが、試してみると、滑空中に旋回の操舵がアップの操舵になるので、曲がろうとした瞬間に速度が落ちてしまい、失速してお尻から落ちてしまう。尾翼の操舵で、滑空しながら旋回するのは、難しそうだ。
　土手の上から投げて１０ｍほど直進したところで、旋回の舵をきると傾きながら、横滑りして、墜落する。
結論
　水平尾翼とエルロンでは、小さく自由に旋回できず、気持ちよくない。見ている人から、透明な垂直板をつけたらどうかとか言われた。至極当然である。
　しかし、鳥型を考えている。鳥に形が似ているのではなくて、鳥の滑空の仕組みで飛ばなくてはいけないのだ。


2002年7月　鳥のように美しいが
 　鳥型を作ろうと考えているのだから、鳥の様子から考えていこうと考え直した。
　鳥の旋回の様子を観察すると、旋回時に必ずしも尾を傾けているわけではない。ということは、尾を傾ける動作は、旋回に必ず必要な動きでは無いのだろう。もう一度、翼の操作だけで旋回する方法を試してみようと思った。
 　エルロンで旋回しようというのだから、鳥の翼のような形をした大きなエルロンをつけたらどうだろう。とにかく作ってみよう。　
　ななめ後ろから見ると、鳥のようで恰好が良い。鳥に似ているのだから、鳥のように旋回できるのではないか・・・と、微かな期待を持って、テスト飛行に向かった。
 テスト飛行

　手に取ってみると、後ろ姿が美しい。この鳥のような美しいスタイルで、旋回できたら、最高だと思いながら、草むらで真っすぐに投げてみた。
　数メートル直進したところで、左右に舵を切ると、あっという間に落下した。急激に横滑りを起こしているようだ。何度テストしても、舵を切った瞬間に墜落してしまう。


左に横滑りして墜落		 わずかな時間、直進して滑空 右に横滑りして墜落
改良 
　「翼端のエルロンでは、旋回できない。」と考えながら、自宅に帰り、尾翼の胴体部分を45度方向に切断し、ラダースティックで、尾翼が斜めに角度がつくように改良した。考えてばかりでいるより、試した方が良い。
　これで、滑空のテストをしてみると、草むらで水平に投げたときは、曲がろうとするのですが、頭が上がりすぎて失速してしまいます。思い切って、土手の上から滑空テストすることにしました。高度があるので、旋回する前にダウンを打ち、左右の舵を切り、頭を上げるので、すぐにダウンを打って水平にするという操作となった。旋回はできるのですが、苦しい操縦だ。
結論
 「気持ちよく滑空する」から見ると、不合格です。
 「鳥型機が紹介されていないのは、不可能だからなのだろうか。」
いずれにせよ、鳥型飛行機の開発はおもしろい。


2002年8月　尾翼を3分割して傾ける
　土手の上から、見下ろすと、スキーを連想する。二十歳を過ぎて始めたスキーなので、小さなチェック動作から反動を使って細かくターンする技術を身に着けるまでは、曲がれずに苦労した。鳥の滑空での旋回も、そうなのだろうか。あえて横に滑らせたり、尾をひねって小さな反動をつけたりして、動的な旋回をしているのかもしれない。いずれはそのような旋回方法を試したい。
　遅く始めたスキーでは、私の感覚の中で、ボーゲンとパラレルターン、ウェーデルンは別々の技術では無くつながっている。パラレルターン、ウェーデルンは、美しいボーゲンだと思っている。鳥が動的なパラレル旋回をしているとしても、鳥のボーゲン旋回から始めて美しいパラレル旋回にすれば良いだろう。
　旋回のきっかけをどのようにつくるか。　尾翼を斜めにしてアップをとることで、旋回はできるが、頭が上がりすぎる。ということなので、尾翼の傾けるととアップをとることが別になるように３分割した。「普通のエルロンで、旋回方向に傾け、横滑りしたら、傾いた尾翼で、機首を旋回方向に回す。」と考えてみた。
尾翼は、斜めにする動きとアップ・ダウンの動きを別々に行えるようにした。しかし、別々になっているものの、斜めにして、アップやダウンをとれば、斜めの方向に機首を向ける力が生じるだろうし、斜めの状態で、横滑りすれば、機首を上げる、下げるの働きが生じるだろう。
　一体どうなるか、予想がつかない。とにかく、やってみるだけ。
 尾翼を下から見る

 テスト飛行
　草むらで、水平に投げてみると、横滑りしますが曲がれそう。
　土手の上から投げて、旋回・・・頭が上がる・・・横滑り・・・頭を下げる・・・直進に戻る・・・再び旋回に操舵・・・頭が上がる・・・ 
　難しすぎる。
　結論
　旋回できないことは無いが難しすぎる。
　旋回時にアップの操舵になってしまうことが問題のようです。水平部分を平行にすれば改善できるだろうか。


2002年8月　白いカラス

　尾翼を流れる気流によって、旋回ができるかもしれません。
　そこで、主翼の下に１ｃｍほどの隙間をつくり、降坂流が尾翼にあたるようして、前回よりも、さらに水平の割合を多く尾翼を３分割してみました。
　シルエットは、白いカラスです。これできれいに旋回してくれたら、ありがたいです。
　後ろから見ると、左右に舵を切ったとき、水平部分が残ります。
 テスト飛行
 　土手の上から投げて、左右の舵をエルロンで切ってみると、頭上げと横滑りがありますが、旋回できます。
　やはり、大きくエルロンを切ると、逆方向に機首を向ける動きがあり、きれいな旋回とは言えません。
 結論
 この程度の水平部分では、きれいな旋回はできません。


　鳥は、尾を使って旋回しているのでは無いかも知れない？

尾の無いハト
鎌倉の海岸で、病気でしょうか、尾の無いハトがいました。
ビデオを持って追いかけていくと、尾がないのに普通に旋回したりしながら、飛行していきました。
尾を使わず、主翼だけで旋回する方法から考えることにしようと思いました。
no tail feathers 

2002年12月　主翼をねじる
　翼で旋回するとしたら、エルロンの動的な動きで旋回するという方法もあるかもしれないが、それは後で試すことにして、まずは静的にどこかを曲げるという方法から始めたい。
 
　うまく旋回できない鳥型飛行機をテストしていると、ギャラリーからは、「鳥は、翼の先端をちょこちょこっと動かして旋回しているのではないか。」などの意見が出ます。　しかし、鳥には風切羽根を動かす筋肉は無さそうです。鳥が操作できないところを操作して旋回したのでは、鳥型になりません。筋肉のある翼の部分がどうにか動かしているのでしょう。いろいろ動かしているうちに「ねじること」は、まだ試していないことに気づきました。

　そこで、エルロンを２分割（スプリットして）して、ねじるように動かせるようにしてみました。
 テスト飛行
　舵を切った瞬間に機首を旋回方向に向けます。この方法で、旋回ができました。
結論
　スポイラーよりもはるかに効いている感じです。これはいけそうです。テスト飛行で、いろいろ試したので、ガタガタです。
　新しく、シンプルな機体を作り、舵の効きを確かめることにしました。  


2002年12月　トンビ１号　スプリットエルロンAとスプリットエルロンBによる鳥型飛行機の成功


　翼をねじったときの働きを知りたいので、それ以外の部分をシンプルにした機体を作成しました。










　上反角無し、テーパー無し、尾翼の回転無しです。
 テスト飛行
 手から投げてみると、左右の舵に反応して、機種を旋回方向に向けます。大成功です。少し横滑り後の巻き込みが気になります。
 改良
　 横滑り後の巻き込みは、翼端にフィンをつけるか、上反角で防げるでしょう。そこで、翼を切断し、少し上反角をつけました。
　尾翼は、エレベーターの取り付け角を４５度ほどつけ、後ろから見ると、傾ける操作ができるようにしました。

　改良後、巻き込みは、気にならなくなりました。安定も良く、カメラを持って、操縦しながら、自撮りもできました。
 結論
　エルロンを外側と内側に分け、外側を下へ、内側を上へと反対方向へ動かします。
　発生する反対方向の揚力の合力は、抗力になるので、旋回する方向へ向ける力になります。
　この方法をスプリットエルロンAと名付けました。

　いろいろ試してみると、外側を上げ、内側を下げる方法でも旋回できます。この方法をスプリットエルロンBとしました。
 主翼をねじる方式、スプリットエルロンによって、安定した旋回飛行ができるようになりました。
世界初、鳥型飛行機　→ 　https://youtu.be/dApuMx0tkrQ へのリンク
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 Z-WING

　チョウがヒラヒラと飛んでいます。ときどき、羽ばたきを止めて滑空します。
　滑空しながら、旋回しているように見えます。
　旋回するには、どんな方法があるのか実験することにします。

 チョウの旋回
矩形のスチレンペーパーに重りを付けて、重心位置を変えて、水平に投げると、重心が前から３分の１ぐらいの位置になると滑空します。
 


　重心位置を調整することで、画用紙で作ったチョウが滑空します。
　かなり横長のチョウはいますが、縦長のチョウはいません。
　横長の方が良いのでしょうか？
　実験してみると、縦長の方が遠くまで滑空します。

 滑空し、左右に旋回するにはどうしたらよいでしょう。
　チョウのハネは、しなります。
　ハネをしならせて旋回できるでしょうか。

　いろいろな場所をしならせて、どんな滑空になるか実験します。
 
　しならせた方へ旋回していきます。

 
 翼竜の旋回
　翼竜は、尾が無く翼だけで飛んでいました。
　平面形だけで考えれば、巨大なチョウのようです。
　チョウのように翼をしならせて旋回できるでしょうか。
翼の前を持ち上げて、しならせるようにします。
 しならせた方へ旋回して滑空できました。



　大きなトサカの翼竜もいます。
　大きなトサカは、何かの役に立つのでしょうか？

トサカを曲げて投げると、曲げた方へ旋回できました。
　トサカも使うことで、急旋回ができるようになりました。


 鳥の旋回
　鳥の場合は、翼のどこを動かして旋回しているのでしょうか？
　骨格から、どこを動かせるのか考えて旋回の実験をしていきます。


フラッピングエルロン
翼の途中を上下させると、翼の迎角が変わります。
翼を右を上げて迎角を増やすと揚力が増え、同時に抗力も増えます。右の揚力が増えたので、左に傾いて左へ旋回しそうですが、重心が翼より下にあるので、ヤジロベエのような働きでほとんど傾くことができず、抵抗が増えたことで、右へ旋回します。

ゆっくり滑空するときは、このように旋回できますが、速くなってくると、揚力が増えたことによって傾きが大きくなり、うまく旋回できなくなってしまいます。

スライドウィング
翼を伸ばすと、伸ばした方へ旋回します。

ゆっくりと滑空するときは、この方法で旋回できますが、
伸びた翼は揚力も増えるので、旋回とは逆方向へ傾こうとするので、速度が増えるとうまく旋回できなくなります。

キャンバーエルロン
飛行機のようにエルロンを使って傾けて旋回しようとすると、エルロンを上げて翼を下げた側の抵抗が減り、下げた方の翼が前へ出てしまいます。そこで、エルロンを上げた側の翼の前縁を持ち上げるようにすると翼型が逆キャンバーになるので、翼を下げて傾けながら、抵抗も増えて、翼が後ろへ下がり、旋回できます。
エルロン操舵との相性が良く、ロール飛行に向いています。

山でトンビと飛ぶと、トンビに勝てません。
トンビは、尾を傾けて速度を落とさず旋回します。

トンビの様に翼以外も使って、旋回効率を上げる方法を考えることにします。


 翼と尾の協調動作
トンビは、尾を傾けて旋回に入ります。
尾を傾けて、旋回することで抵抗が少なく効率の良い旋回をしているのでしょう。
翼をねじる動作と同時に尾を傾けたり上下させることでトンビの様に効率の良い旋回を目指します。
右のエルロンを上げると揚力が減って、右へ傾きます。これだけだと抗力が減っているので、頭が左へ向いてしまいます。
同時に尾を下げながら左へ傾けると尾が左上への揚力を発生するので、頭が左へ向かず、右へ向くようになり、旋回できます。
抗力より揚力を使った旋回の方が効率良さそうです。

このとき、左翼、尾、右翼を後ろから見たとき、Zの文字でたどれるので、このような操舵方法をZ-WINGと呼ぶことにします。

Z-WINGで操舵することで、トンビと同じ速さで旋回できるようになりました。
　自律安定性を下げることで、Z-WINGの操舵効率が良くなります。
　自立安定性を下げると、常に姿勢を見ながら操縦する必要があります。
　急な動きに反射的に操舵するには、自分で舵を動かす脳のような仕組みが必要でしょう。
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 マイコン利用


コンチュウがチョコチョコと脚を動かし、空も飛びます。
このように複雑に動かす脳はどこにあるのでしょう。
頭がとれてしまっても、動き続けるので、脚ごとに動きの信号を出す脳のような物がありそうです。
鳥型グライダーにマイコンを使おうと思ったとき、１個のマイコンで、いくつものサーボを動かすことは安価なマイコンの能力では難しそうだとあきらめていました。しかし、コンチュウのようにサーボごとにマイコンを使えば、安価なマイコンで動かせそうです。


 マイコンで急な動きに反射的に操舵する


　 PIC12F1572マイコン
PIC12F1572マイコンは、1個130円で買えました。
 無料のプログラミング言語を使って、Z-WINGの動きをプログラミングします。

 
できたプログラムをPICマイコンに書き込みます。


8個のPIC12F1572で、8個のサーボを動かします。
マイコンを使うことで、ジャイロの信号も使って、Z-WINGの操舵でサーボを動かすことができます。

本物のトンビは、大きさの割に体重があるのですが、サーマルをとらえては旋回しながら上昇していきます。
トンビの様に効率の良い旋回になるよう、Z-WINGでのサーボの動かし方を調整していきたいと思っています。
ジャイロの信号を読み取って、ミキシングしてからサーボに出力をするので、多少の信号の読み取り誤差があり、サーボにジリジリ音が出ないようにプログラムの工夫が必要です。８ビットマイコンであるので、性能上プログラミングの制限があり、思ったミキシングを作ることに限界を感じるようになってきました。

  マイコンで新しい Z-WINGのミキシングを試す

　 STM32C011F4Pxマイコン
STM32C011F4Pxマイコンは、32ビットマイコンで、1個80円で買えました。
これなら、小数を使って、思ったミキシングのプログラムが作れそうです。
６軸センサーモジュールからI2Cで信号を読み取れ、受信機の信号をS.BUSで読み取れます。



３個のSTM32C011F4Pxを使って、8個のサーボを動かします。
  STM32C011F4Pxのプログラムによって、Z-WINGの操舵を行います。
直線飛行中に左操舵をすると、左エルロンを下げ、左フラップを上げ、右フラップを少し上げ、尾を下げて右へ傾けます。

この状態で少しだけアップ操舵をすると、左右のエルロンと左右のフラップを上げ、尾を少し上げます。
さらにアップ操舵を加えると尾を水平にします。
左エルロンの下げる角度を増やし、左フラップの上げる角度を増やします。右のフラップを上げていたのを戻します。

この状態で少しだけアップ操舵を加えると、尾を上げます。
旋回中に、さらにアップ操舵を加えると、左エルロンを上げ、左フラップを下げ、右フラップを下げ、尾を左に傾けます。
　　Z-WINGの調整をしていくことで、より鳥らしい旋回・滑空になるように挑戦していきます。

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