トリム探索機能の使い方：安定飛行の設定を自動で見つける

JSBSim機体モデルを作ったあと、「どのくらい昇降舵を動かせば水平飛行できるか？」という疑問が湧きます。手動で調整すると何十回も試行錯誤が必要ですが、トリム探索機能を使えば、自動で最適な設定を見つけられます。

本記事では、JSBSim XML Generatorに含まれるトリム探索機能の使い方を解説します。

この記事で学べること#

トリムとは何か（簡潔に）
トリム探索機能の実行方法
出力結果の見方
トリムが収束しないときの対処法

対象読者#

JSBSim XMLファイルを生成済みの方
機体が安定飛行するか確認したい方
トリム値を知りたい方

トリムとは？#

トリムの定義#

トリムとは、機体が一定速度・高度で安定して飛行する状態のことです。具体的には、以下の2つの加速度がゼロになる状態を指します：

wdot = 0: 垂直方向の加速度ゼロ（高度が変わらない）
qdot = 0: ピッチ角の加速度ゼロ（機首の上下角度が変わらない）

このトリム状態を実現するには、**昇降舵（elevator）とスロットル（throttle）**の最適な値を見つける必要があります。

なぜトリム探索が必要か#

手動で試すと、何十回も試行錯誤が必要です（「昇降舵を少し上げて…スロットルを少し下げて…」の繰り返し）。

一方、トリム探索ツールなら、数秒で最適値を自動発見できます。また、トリムが収束するかどうかで、機体の安定性を確認することもできます。

トリム探索機能の使い方#

前提条件#

JSBSim XML Generatorで機体XMLを生成済み
JSBSimとscipyがインストール済み（未インストールなら pip install jsbsim scipy）

実行コマンド#

# 基本的な使い方
python tests/test_trim_manual.py MyAircraft 15

# パラメータ説明
# - MyAircraft: 機体名
# - 15: 目標速度（m/s）

パラメータ:

機体名: aircraft/MyAircraft/MyAircraft.xml が存在すること
目標速度: 機体が飛行する速度（m/s）。10-20 m/s が推奨

実行の流れ#

初期条件設定: 速度15 m/s、高度30.5 m（100 ft）
トリム探索開始: 複数の初期推測値（10%, 20%, 30%, 50%のスロットル）から探索
収束判定: wdot < 1.0 ft/s², qdot < 0.01 rad/s² で成功
安定性テスト: 10秒間のシミュレーションで安定性を確認

実行例#

$ python tests/test_trim_manual.py ExampleAircraft_Excel 15

Manual Trim Search: ExampleAircraft_Excel
Target velocity: 15 m/s (49.21 ft/s)
Target altitude: 30.5 m (100.00 ft)

[OK] Aircraft loaded successfully

[INFO] Running manual trim search (scipy.optimize.fsolve)...
[INFO] Testing with reduced thrust initial guesses...

  Trying: Low thrust (20%)
    Initial: throttle=0.2, elevator=0.0
    Result: throttle=0.2134, elevator=-0.0521
    Quality: wdot=0.0234, qdot=0.000012, metric=0.0235
    [OK] CONVERGED!

[OK] Trim converged successfully!

[INFO] Trim Results:
   Elevator: -0.0521 norm (-1.04°)
   Throttle: 0.2134 norm (21.3%)
   Alpha: 0.0876 rad (5.02°)
   Pitch: 0.0876 rad (5.02°)
   Thrust: 0.234 lbs (1.041 N)

[INFO] Convergence Check:
   wdot: 0.0234 ft/s^2 (target: <1.0)
   qdot: 0.000012 rad/s^2 (target: <0.01)

[INFO] Running 10-second stability test...

[INFO] Stability Results (10 seconds):
   Initial pitch: 5.02°
   Final pitch: 5.03°
   Pitch change: 0.01°
   Altitude change: 0.12 m
[PASS] Aircraft is stable!

数秒で最適なトリム値が見つかり、10秒間の安定性テストも自動で実行されます。

出力結果の見方#

トリム値#

項目	意味	例
Elevator	昇降舵の位置（-1.0〜1.0）	-0.0521 norm (-1.04°)
Throttle	スロットル開度（0.0〜1.0）	0.2134 norm (21.3%)
Alpha	迎角（機体の傾き）	0.0876 rad (5.02°)
Pitch	ピッチ角（機首の上下角度）	0.0876 rad (5.02°)
Thrust	推力（lbs または N）	0.234 lbs (1.041 N)

収束判定#

wdot: 垂直加速度（目標: < 1.0 ft/s²）
qdot: ピッチ角加速度（目標: < 0.01 rad/s²）

両方が目標値以下なら収束成功です。上記の例では、wdot=0.0234、qdot=0.000012 なので、十分に収束しています。

結果の活用#

Elevator値: XMLの初期設定に反映（例: -0.0521 norm）
Throttle値: 飛行試験の参考値（例: 21.3%）
Alpha値: 機体の飛行姿勢を確認（例: 5.02° の迎角）

これらの値を使って、FlightGearでの飛行テストや実機の調整ができます。

トリムが収束しないときの対処法#

よくある原因と解決策#

原因1: 空力係数が妥当でない#

症状: wdot や qdot が大きい値のまま収束しない

原因: CL0, Cmalpha, Cm_de 等が極端な値になっている

解決策:

# トリム診断ツールで空力係数をチェック
python tests/test_trim_diagnostic.py MyAircraft

診断ツールが、問題のある空力係数を指摘してくれます。詳細は よくあるエラーと解決方法（次回執筆予定）を参照してください。

原因2: 目標速度が不適切#

症状: すべての初期推測値でトリムが見つからない

原因: 失速速度以下、または最大速度以上の値を指定

解決策: 目標速度を10-20 m/sに変更してテスト

# 速度を15 m/s → 12 m/s に変更
python tests/test_trim_manual.py MyAircraft 12

原因3: 重心位置が不適切#

症状: Elevator値が極端（-1.0 や 1.0 に張り付く）

原因: 重心が後ろすぎる（不安定）、または前すぎる（昇降舵が効かない）

解決策: Excelテンプレートで重心位置を翼弦長の25-30%に修正

典型的な小型固定翼機では、重心は翼弦長の25-30%（前縁から25-30%の位置）が推奨されます。

まとめ#

トリム探索機能を使えば、機体が安定飛行するための昇降舵・スロットル設定を自動で見つけられます。

使い方:

python tests/test_trim_manual.py MyAircraft 15

出力結果:

Elevator（昇降舵）のトリム値
Throttle（スロットル）のトリム値
Alpha（迎角）、Pitch（ピッチ角）
収束判定（wdot, qdot）

これらの値を活用して、FlightGearでの飛行試験や実機の調整に進みましょう。

次のステップ#

トリム値が見つかったら、次はFlightGearで実際に飛ばしてみましょう。

→ FlightGearでJSBSim機体を飛ばす方法

その他の関連記事:

JSBSim XML出力の確認方法 - XMLファイルの検証
よくあるエラーと解決方法 - トラブルシューティング（次回執筆予定）

参照資料#

本記事の執筆にあたり、以下の資料を参照しました：

オープンソースプロジェクト#

JSBSim XML Generator - CC BY-NC-SA 4.0
- tests/test_trim_manual.py - トリム探索スクリプト実装
- README.md - トラブルシューティング、トリム探索の背景
JSBSim GitHub - LGPL 2.1+
- JSBSim built-in trim の制約事項

公式ドキュメント#

JSBSim Reference Manual - Public Domain
- Chapter 8 “Trim”, p. 85-94 - トリムの理論

その他#

筆者の過去調査データ（jsbsim_investigation, private repository）
- トリム探索の実行例、収束しないケースの診断

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