JSBSim External Reactionsで電動モーター推力をモデル化する - 200g級RC機の推力テーブル実装

この記事で学べること#

External Reactions による推力の直接モデル化（エンジン・プロペラモデル不要）
メーカー公表の静止推力データを JSBSim の推力テーブルに変換する手順
fcs/throttle-cmd-norm によるスロットル連動の仕組み
この構成の最大の制約: JSBSim 組み込みトリム（FGTrim）が動作しない理由と対処

対象読者#

小型電動 RC 機を JSBSim でモデル化したい方
<propulsion> のエンジン・プロペラ定義に必要なデータが揃わず困っている方
スラストスタンド計測値やメーカー公表値など「推力の実データ」だけ持っている方

検証環境: JSBSim 1.x / Windows 11（200g 級 RC 機モデル、Evidence Level: L2 = 実装・シミュレーション確認ベース、飛行試験未実施）

なぜ External Reactions か#

JSBSim で推進系をモデル化する正攻法は <propulsion> にエンジン（electric など）とプロペラ（<propeller>）を定義する方法です。しかしこの方法は、プロペラの推力係数・パワー係数テーブル（CT/CP）やモーターの特性データを要求します。小型 RC 機ではこれらの空力データが手に入らないことが多く、一方で「スロットル◯% で推力◯g」という静止推力データはメーカーが公表していることがよくあります。

External Reactions は本来、ウインチ曳航やロケットブースターのような「機体外から加わる力」を定義する仕組みですが、推力データを直接テーブルで与える簡易推進モデルとしても機能します。プロペラ後流や回転数依存性は表現できませんが、200g 級 RC 機の飛行挙動の全体像を掴む用途では十分実用的です。

実装: 推力テーブルの作り方#

Step 1: 元データを揃える#

実装例で使用したのは T-Motor AT2203 2300KV（2S = 7.4V、7x3.5 インチプロペラ）のメーカー公表値です:

スロットル	推力	備考
100%	338g	最大推力（公表値）
30-40%	約100g	巡航想定（公表値）
-	最大57W	消費電力（公表値）

重要: 公表されているのは上記のアンカー点のみです。中間スロットルの推力は、一般的なブラシレスモーターの特性カーブから推定補間しています。全点が実測値ではないことをモデルのコメントに明記しておくと、後で見直すときに混乱しません。

Step 2: 単位変換（g → lbs）#

JSBSim の力の単位はポンド（lbs）です。338g = 0.745 lbs のように換算します（1 lbs ≈ 453.6g）。

Step 3: XML に推力テーブルを書く#

<external_reactions>
  <force name="propeller-thrust" frame="BODY">
    <location unit="IN">
      <x> 0.787402 </x>  <!-- プロペラ位置（機首） -->
      <y> 0.0 </y>
      <z> 0.0 </z>
    </location>
    <direction>
      <x> 1.0 </x>  <!-- 前方推力 -->
      <y> 0.0 </y>
      <z> 0.0 </z>
    </direction>
    <function>
      <table>
        <independentVar lookup="row">fcs/throttle-cmd-norm</independentVar>
        <tableData>
          0.00   0.000
          0.10   0.050
          0.20   0.110
          0.30   0.220
          0.40   0.290
          0.50   0.375
          0.60   0.450
          0.70   0.551
          0.80   0.620
          0.90   0.685
          1.00   0.745
        </tableData>
      </table>
    </function>
  </force>
</external_reactions>

ポイント:

frame="BODY": 機体軸系で力を定義。direction の x=1.0 が「機体前方への推力」
location: 力の作用点（単位はインチ）。機首のプロペラ位置に置くことで、推力線と重心のオフセットによるピッチングモーメントも自然に表現される
independentVar に fcs/throttle-cmd-norm を指定することで、スロットルコマンド（0.0〜1.0）がそのままテーブルの入力になる

Step 4: propulsion セクションはタンクのみ#

エンジンを定義しないため、<propulsion> にはダミーの燃料タンクだけを置きます（JSBSim は propulsion セクション自体は要求します）:

<propulsion>
  <tank type="FUEL">
    <location unit="IN">
      <x>11.811</x>
      <y>0.0</y>
      <z>0.0</z>
    </location>
    <capacity unit="LBS">0.1</capacity>
    <contents unit="LBS">0.1</contents>
  </tank>
</propulsion>

flight_control セクションにもスロットルチャネルは不要です。External Reactions が fcs/throttle-cmd-norm を直接参照するためです。

最大の制約: FGTrim が動作しない#

この構成には明確な制約があります。JSBSim 組み込みのトリム計算（FGTrim）が使えません。

JSBSim の GitHub Issue #1010 で説明されているとおり:

FGTrim はエンジンが存在し稼働していることを前提とする
トリムルーチンは前後加速度（udot）をエンジンスロットルの調整で制御する
External Reactions は「外力」として扱われ、トリムの制御変数にならない

対処: scipy.optimize による手動トリム探索#

トリム状態（釣り合い飛行）を求めるには、Python 側で最適化ループを組みます。考え方はシンプルで、「速度・迎角・スロットル・エレベータを変数に、加速度と角加速度がゼロに近づく組み合わせを scipy.optimize で探索する」だけです。

実装例（200g 級 RC 機）では以下の結果が得られました:

トリム収束速度: 10〜15 m/s（19.4〜29.2 kts）
スロットル: 13〜17%
推力: 31.6〜41.9g

最大推力 338g に対して巡航に必要な推力は 1/10 程度で、小型電動機らしい余裕のあるパワーバンドがシミュレーション上でも確認できます。

まとめ#

External Reactions 推進モデルが向いているケース:

プロペラ空力データ（CT/CP）がなく、静止推力データだけがある
飛行挙動の全体像・安定性検討が目的で、推進系の詳細は簡略化してよい

制約と対処:

FGTrim 不可（Issue #1010）→ scipy.optimize による手動トリム探索
速度による推力低下（プロペラ効率）は表現されない → 必要なら independentVar を追加して速度依存テーブルに拡張

実装のコツ:

公表値アンカー + 推定補間の区別を XML コメントに残す
単位変換（g → lbs、位置は IN）を確実に
作用点を実際のプロペラ位置に置き、推力線モーメントを自然に含める

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。

筆者の過去実装・調査データ#

jsbsim_fg（private repository）
- aircraft/RC_UAV_200g/RC_UAV_200g.xml - External Reactions 推力モデル実装本体
- test_manual_trim_search.py - scipy.optimize による手動トリム探索
- docs/phase5/PHASE5_FINAL_REPORT.md - Phase 4→5 実装経緯

公式ドキュメント・一次資料#

JSBSim Reference Manual - External Forces（https://jsbsim-team.github.io/jsbsim-reference-manual/）- Public Domain
JSBSim GitHub Issue #1010 - FGTrim と External Reactions の非互換（https://github.com/JSBSim-Team/jsbsim/issues/1010）
T-Motor AT2203 製品仕様（メーカー公表値）