JP2001260991A - 飛行体の揚力発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成による回転翼によって大きな揚力
が得らる回転翼を備え、飛行体を空中で飛行させること
が可能な飛行体の揚力発生装置に関する。 【解決手段】 垂直軸線ｙから水平軸線ｚ方向へ延在さ
せた複数の各回転翼片１Ａ，１Ｂで回転翼１を構成し、
回転翼１を回転駆動手段によって垂直軸線ｙの周りで公
転Ｒｅさせると共に、各回転翼片１Ａ，１Ｂを水平軸線
ｚの周りで自転させて揚力を発生する装置であって、回
転翼片１Ａ，１Ｂは先端側を次第に拡径させた円錐台状
で外周テーパ面に沿った突条部３を備え、各回転翼片１
Ａ，１Ｂは回転駆動手段によって反時計方向へ回転（自
転Ｒｏ２）させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、垂直軸線の周りを
回転（公転）する回転翼を水平軸線の周りで自転させる
ことによって揚力を与え、この回転翼を装着した飛行体
を空中で飛行させることが可能な飛行体の揚力発生装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の揚力発生装置の提案としては、
例えば特開昭５３−１２４８９６号公報における「遠心
力推進機」や、特開平６−３２９０９５号公報における
「ヘリコプターのローター」などがあり、これらの提案
による揚力発生手段では前者の場合は物理的な重量差
を、後者の場合はマグヌス効果をそれぞれ利用して飛行
体に揚力を与えている。

【０００３】既提案による後者の揚力発生手段では、図
１で示すように、水平軸線ｘ上に配置した一対の回転翼
片１Ａ，１Ｂで構成した回転翼１を垂直軸線ｙの周りで
回転（公転Ｒｅ）させると共に、回転翼１を直交状に横
切る水平軸線ｚ方向に流体の流れ２を発生させると共
に、回転翼片１Ａ，１Ｂを水平軸線ｘの周りで回転（自
転Ｒｏ１）させ、回転翼１の上下に流速の相違による圧
力差を生じさせることにより、流体の流れ２と回転翼１
の双方に垂直上方へ作用する揚力を与えている。

【０００４】この揚力発生手段では、円錐台状又は階段
状に先端側を拡径した一対の回転翼片１Ａ，１Ｂを回転
翼１に用い、この回転翼１を回転（公転Ｒｅ）させなが
ら回転翼片１Ａ，１Ｂを自転Ｒｏ１させているが、自転
Ｒｏ１する方向は時計方向へ即ち上面側が流体の流れ２
に沿った順方向で下面側が流体の流れ２に逆らった逆方
向になるように行われ、また安定した乱流を発生させる
ための手段として、回転翼１の外周面には凹み（図示を
省略）を設けて凹凸上に形成している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本件出願人は、既提案
による後者の揚力発生手段に付いて確認テストを行うこ
とにしたが、回転翼１の外周を階段状にしたり乱流発生
用の凹みを設ける加工は困難なので省略し、外周を平滑
面にした円錐台状の回転翼１を用いて確認テストを行っ
た結果によると、十分な揚力を得ることが出来ず、また
凹みの代わりに外周テーパー面に沿って突条部３を設け
た場合でも、同様に十分な揚力が得られなかった。

【０００６】この確認テストにおいて、図２で示すよう
に、外周を平滑面にした円錐台状でテーパー面に沿って
突条部３を設けた回転翼片１Ａ，１Ｂで構成した回転翼
１に対して、自転する方向を既提案の場合とは逆に、反
時計方向へ即ち上面側が流体の流れ２に逆らった逆方向
で下面側が流体の流れ２に沿った順方向に自転Ｒｏ２し
たところ、既提案の時計方向へ自転Ｒｏ１する場合に比
べて格段に大きな揚力を得ることが出来た。

【０００７】そこで本発明では、上記確認テスト中に発
見した現象に基づく揚力発生装置を具現化することを目
的とし、特にマグヌス効果を利用した既提案による揚力
発生手段より大きな揚力を得ることが可能であると共
に、回転翼を階段状にすることや全表面に凹凸を形成す
るなどの製作が困難でコストのかかる複雑な加工を必要
としない飛行体の揚力発生装置を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による飛行体の揚
力発生装置では、垂直軸線から水平軸線方向へ延在させ
た複数の各回転翼片で回転翼を構成し、この回転翼を回
転駆動手段によって垂直軸線の周りで回転（公転）させ
ると共に、各回転翼片を水平軸線の周りで回転（自転）
させて揚力を発生する装置であって、前記回転翼片は先
端側を次第に拡径させた円錐台状で外周テーパ面に沿っ
た突条部を備え、各回転翼片は前記回転駆動手段によっ
て反時計方向へ回転（自転）させる。

【０００９】これにより、突条部が流体の流れに逆らっ
て自転する回転翼の上面側では、見掛け上で回転翼の外
径が大きくなった状態になり、上面側における最大相対
速度は突条部のない場合より大きくなり、突条部の後方
側には乱流を伴う流層の変化が発生、突条部が流体の流
れに沿って自転する回転翼の下面側では、突条部の後方
側には突条部のない場合とほぼ同様に乱流のない層流が
発生すると共に、下面側における流体の流れと突条部と
の相対速度は静止状態の零である。

【００１０】従って、回転翼の上面側と下面側との間に
は流速の差による大きな圧力差が生じ、流体の流れと回
転翼の双方には垂直上方へ作用する揚力が与えられるこ
とになるので、この揚力発生装置を飛行体に装着させて
揚力を適宜に制御させると、飛行体を空中で飛行させる
ことが可能である。

【００１１】前記回転翼は、例えば３つの各回転翼片を
１２０度間隔で配置したり、４つの各回転翼片を９０度
間隔で配置するなど、複数を等間隔で配置する形態を採
ることができるが、安価な構成として水平軸線上へ直線
状に配置した一対の各回転翼片で構成される。

【００１２】前記各回転翼片は、軽量化して揚力を高め
るためには中空にすることが望ましく、また外周面は既
提案のように多数の凹みを設けたり、均一な粗面にして
揚力の増強をはかることも可能であるが、製作が容易で
安価にする最も簡素化した形態としては、平滑面に形成
することである。

【００１３】前記突条部は、回転翼の上面側と下面側と
の間に流速の差による圧力差を発生させる手段であるか
ら、最も単純な構成として各回転翼片の外周１個所にそ
れぞれ設けたもので良いが、必要に応じて近接して複数
条を設ける形態もあり、また突条部の断面形状も円弧状
や３角状その他の形状を採り得る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明による飛行体の揚
力発生装置を添付図面を参照して詳しく説明するが、揚
力発生の原理を理論的に検討すると、図３（ａ）で示す
ように、仮に回転翼１を構成する回転翼片の断面形状が
突条部３のない真円形状で公転Ｒｅのみ（自転Ｒｏ２さ
せない）を行った状態における回転翼１の表面流速はｖ
＝２ｒｓｉｎθで得られる。

【００１５】なお、図中のＡ点は流体の流れ２が回転翼
１の表面へ直角に当って流速ｖ＝０となる前方よどみ点
を、Ｂ点は後方よどみ点を、Ｃ点及びＤ点はＡ点又はＢ
点から角度θ＝９０°で流速ｖ＝Ｍａｘとなる点を示
し、式中のｒは回転翼１の半径を示す。

【００１６】次に、図３（ｂ）で示すように、流体の流
れ２の速さｖ１で公転Ｒｅする回転翼１の回転翼片に反
時計方向へ速度ｖ２の自転Ｒｏ２力を与え、この速さｖ
１と速度ｖ２とを等しくして回転翼１から見た相対速度
をｖ３との関係をｖ１＝ｖ２＝ｖ３とすると、Ｃ点にお
ける流体の流れ２との相対速度はｖ３＋ｖ２＝２ｖ２
で、Ｄ点における流体の流れ２との相対速度はｖ３−ｖ
２＝０から、Ｃ点とＤ点との相対速度差は２ｖ−０＝２
ｖ２で最大の値が得られる。

【００１７】図３の回転翼１に自転Ｒｏ２を与えない場
合における周辺に実在する流体の流れ２に付いて、図３
（ｃ）では流線図を示し、実存する流体の流れ２への圧
力分布を図４で示すが、Ａ点即ち前方よどみ点の周辺は
流体の流れ２によって正圧力を受ける正圧力領域４とな
り、Ｂ点即ち後方よどみ点とＣ点及びＤ点の周辺は流体
の流れ２によって負圧力を受ける負圧力領域５となる。

【００１８】この圧力分布をグラフで示したのが図５で
あって、負圧力領域５における負圧力は正圧力領域４に
おける正圧力に比べて２〜２．５倍程度大きいものの、
この負圧力は上下対象のために特に揚力は発生しない。

【００１９】次に、図６では円錐台形状の回転翼１の代
えて一般にジューコフスキー翼６と云われる流線型状の
回転翼を用いた場合における圧力分布図を示すが、この
場合は流体の流れ２はジューコフスキー翼６の上面側と
下面側では流速が相違し、クッター・ジューコフスキー
の定理に基づいて、ジューコフスキー翼６の上面側に発
生する正圧力領域７の正圧力と、下面側に発生する負圧
力領域８の負圧力との間には圧力差を生ずる。

【００２０】即ち、流体の流れ２を受けたジューコフス
キー翼６は図７で示すように、下面側に位置する正圧力
領域７の一部に相対速度が零に近い領域が生じ、そのた
めに流体の流れ２とジューコフスキー翼６の双方に垂直
上方に作用する揚力が得られことになるので、本発明で
はこの流線型状をしたジューコフスキー翼６の場合と同
様の作用を円錐台状の回転翼１に与えるものである。

【００２１】図８は、図３における回転翼１外周のテー
パー面に沿って突条部３を設けた場合における流体の流
れ２を示すものであって、図８（ａ）は反時計方向へ自
転Ｒｏ２する回転翼１の突条部３が上面側に位置した状
態を、図８（ｂ）は下面側に位置した状態をそれぞれ示
す。

【００２２】図８（ａ）の状態では、流体の流れ２に逆
らって自転Ｒｏ２する回転翼１の突条部３によって、回
転翼１の上面側では見掛け上で外径が大きくなった状態
になり、図３のＣ点における最大相対速度２ｖ２が突条
部３のない場合より大きくなり、突条部３の後方側には
乱流を伴う流層の変化が発生する。

【００２３】図８（ｂ）の状態では、回転翼１の突条部
３が流体の流れ２に沿って自転Ｒｏ２するので、回転翼
１の下面側では突条部３による乱流の発生はほとんどな
く、突条部３の後方側には突条部３のない図３の場合と
同様の層流が発生すると共に、Ｄ点における流体の流れ
２と突条部３との相対速度は突条部３のない図３の場合
と同様に静止状態の零である。

【００２４】従って、図８で示すように、円錐台状で外
周テーパ面に沿って突条部３を設けた回転翼１を用い、
この回転翼１を水平軸線ｘの周りで反時計方向に自転Ｒ
ｏ２させると共に、垂直軸線ｙの周りで公転Ｒｅさせる
と、図６及び図７で示すジューコフスキー翼６に対する
クッター・ジューコフスキーの定理の場合と同様に、回
転翼１に揚力を与えられることが理論的にも可能である
ことが分かった。

【００２５】因みに、先に述べた実験機の基本構成を図
９で示すが、最大外径を約３３０ｍｍにした一対の回転
翼片１Ａ，１Ｂを用い、この回転翼片１Ａ，１Ｂの全長
を約１２００ｍｍとし、公転Ｒｅの回転軸となる軸線ｙ
から半径Ｌ１の位置にある回転翼１の公転円周長２πＬ
１と、垂直軸線ｘの周りを自転Ｒｏ２する回転翼１の半
径Ｌ１の位置における自転円周長πＬ２とを、一定の比
率（今回の実験機では２πＬ１＝πＬ２）にしている。

【００２６】また、回転翼１には自転Ｒｏ２及び公転Ｒ
ｅを行う回転駆動手段（詳細は後述する。）を取付け、
全体の自重を約７３Ｋｇとして重量計上に載置させた状
態にし、任意の回転数による自転Ｒｏ２及び公転Ｒｅを
行いながら重量変動の推移を計測した結果が図１０の試
験データであり、当初の計測値約７３Ｋｇが２７Ｋｇま
で減少したことを確認し、それ以上は安全上の理由から
計測を中止したが、少なくとも４６Ｋｇの揚力が発生し
たことになる。

【００２７】図１１及び図１２は、回転翼１と自転用及
び公転用の回転駆動手段を含む揚力発生装置の要部を示
すが、水平軸線ｘ上に配置された左右一対の回転翼片１
Ａ，１Ｂの基部側は支持部材９，９を介して従動傘歯車
１０，１０に連結されると共に、支持部材９，９及び連
結軸１１を介して回転部材１２に連結される。

【００２８】また、従動傘歯車１０と自転用モータ１３
との間及び、回転部材１２と公転用モータ１４との間
は、それぞれ動力伝達機構を介して連結され、自転用モ
ータ１３及び公転用モータ１４など回転駆動手段の要部
は回転駆動ユニット３０内に収容している。

【００２９】自転側の動力伝達機構は、各従動傘歯車１
０が直交状に配置した主動傘歯車１５に噛合されてお
り、主動傘歯車１５が固着される回転筒１６は中間を軸
受部材１７で回転可能に支持されると共に、基部側は従
動プーリ１８に連結され、従動プーリ１８はＶベルト１
９を介して主動プーリ２０に連結され、主動プーリ２０
は軸受部材２１で回転可能に支持された回転軸２２に固
着され、回転軸２２はカップリング２３を介して自転用
モータ１３の出力軸に連結されている。

【００３０】公転側の動力伝達機構は、中間を回転部材
１２に固着された連結軸１１の両端が、各従動傘歯車１
０を遊嵌状に挿通して支持部材９，９に枢着され、先端
が連結軸１１と直角状に回転部材１２と固着された回転
軸２４は、主動傘歯車１５内に設けた軸受部材２５を介
して回転可能に支持されると共に、回転筒１６及び従動
プーリ１８内へ遊嵌状に挿通され、カップリング２６を
介して公転用モータ１４の出力軸に連結されている。

【００３１】回転翼１は、外周を平滑面にして先端側を
次第に拡径させた中空の円周台形状であって、縮径した
基端側の延長線が垂直軸線ｙ上で収斂する傾斜角度で外
周テーパ面が形成されていると共に、外周の一個所には
回転翼１と同一部材又は別部材によって円弧状の突条部
３を外周テーパ面に沿って設けている。

【００３２】また回転翼１の内部には、連結軸１１先端
側の延長線上に延在させて内端が回転翼１の基部を固着
した支持部材９で支持される支持軸２７を装着すると共
に、先端に開口を塞ぐ閉塞部材２８を設けて支持軸２７
の外端を固着させ、支持部材９と閉塞部材２８の間には
支持軸２７の外周を取り囲む態様で連結筒２９が設けら
れている。

【００３３】公転用モータ１４を回転させると、回転軸
２４を介して回転部材１２及び連結軸１１が連動回転
し、回転翼１はもちろん回転筒１６を除いた上部側の各
回転機構部分の全体が垂直軸線ｙの周りで回転（公転）
し、揚力の発生に必要な流体の流れを造るが、回転翼１
の公転する方向は時計方向又は反時計方向のいずれでも
良い。

【００３４】自転用モータ１３を回転させると、主動及
び従動プーリ２０，１８を介して回転筒１６が連動回転
し、主動傘歯車１５とこれに噛合した従動傘歯車１０，
１０とが回転することによって回転翼片１Ａ，１Ｂが垂
直軸線ｘの周りで回転（自転）するが、自転する方向は
先に述べた理由から反時計方向に設定する。

【００３５】以上に説明した揚力発生装置は、所望の飛
行体の揚力発生装置として機体の上部に装着して使用す
るものであり、例えば図１３で示すように、ヘリコプタ
ーの如き飛行機体３１の天井部に対して、プロペラの代
わりに一対の回転翼片１Ａ，１Ｂからなる回転翼１と回
転駆動ユニット３０を前後に２組装着し、飛行機体３１
内にはエンジンその他の飛行に必要な制御装置３２を設
け、この制御装置３２を機長や乗務員又は自動で所望に
操作して回転翼１，１の回転駆動ユニット３０を制御す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術によるマグナス効果を利用した揚力発
生手段の原理的説明図であり、（ａ）は回転翼の回転方
向を中心とした斜視図を、（ｂ）は回転翼に対する流体
の流れを中心とした側面図を示す。

【図２】本発明による揚力発生手段の原理的説明図であ
り、（ａ）は回転翼の回転方向を中心とした斜視図を、
（ｂ）は回転翼に対する流体の流れを中心とした側面図
を示す。

【図３】本発明による揚力発生手段の理論解明用説明図
であり、本発明が主要な構成要件とする突条部のない回
転翼に対する流体の流れを中心とした側面図を示す。

【図４】図３における流体の流れを流線図で示す。

【図５】図３における流体の流れを圧力分布図で示す。

【図６】従来公知のクッター・ジューコフスキーの定理
に基づく、流線型状のジューコフスキー翼における流体
の流れを流線図で示す。

【図７】図６における流体の流れで生ずる揚力の説明図
を示す。

【図８】本発明による揚力発生手段の理論解明用説明図
であり、本発明が主要な構成要件とする突条部を設けた
回転翼に対する流体の流れを中心とした側面図を示す。

【図９】本発明による揚力発生手段の有効性確認テスト
に用いた回転翼の構成を正面図で示す。

【図１０】図９の回転翼を用いて行った有効性確認テス
トで得られた揚力特性図を示す。

【図１１】本発明による揚力発生装置の実施形態を示す
正面図である。

【図１２】図１１における揚力発生装置の要部拡大断面
図である。

【図１３】本発明による揚力発生装置を飛行体に装着し
た実施例図である。

【符号の説明】

ｘ，ｙ，ｚ 軸線 Ｒｅ 公転 Ｒｏ１ 自転（時計方向） Ｒｏ２ 自転（反時計方向） １ 回転翼 ６ ジューコフスキー翼 １Ａ，１Ｂ 回転翼片 ２ 流体の流れ ３ 突条部 ４，７ 正圧力領域 ５，８ 負圧力領域 ９ 支持部材 １０ 従動傘歯車 １１ 連結軸 １２ 回転部材 １３ 自転用モータ １４ 公転用モータ １５ 主動傘歯車 １６ 回転筒 １７，２１，２５ 軸受部材 １８ 従動プーリ １９ Ｖベルト ２０ 主動プーリ ２２，２４ 回転軸 ２３，２６ カップリング ２７ 支持軸 ２８ 閉塞部材 ２９ 連結筒 ３０ 回転駆動ユニット ３１ 飛行機体 ３２ 制御装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 垂直軸線から水平軸線方向へ延在させた
   複数の各回転翼片で回転翼を構成し、この回転翼を回転
   駆動手段によって垂直軸線の周りで回転（公転）させる
   と共に、各回転翼片を水平軸線の周りで回転（自転）さ
   せて揚力を発生する装置であって、前記回転翼片は先端
   側を次第に拡径させた円錐台状で外周テーパ面に沿った
   突条部を備え、各回転翼片は前記回転駆動手段によって
   反時計方向へ回転（自転）させることを特徴とした飛行
   体の揚力発生装置。
2. 【請求項２】 前記回転翼は、水平軸線上へ直線状に配
   置した一対の各回転翼片で構成される請求項１に記載し
   た飛行体の揚力発生装置。
3. 【請求項３】 前記各回転翼片は、中空で外周を平滑面
   に形成した請求項１又は２に記載した飛行体の揚力発生
   装置。
4. 【請求項４】 前記突条部は、各回転翼片の外周１個所
   にそれぞれ設けた請求項１〜３のいずれかに記載した飛
   行体の揚力発生装置。