JP2005145264A - 垂直離着陸機 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直離着陸機において、推力を容易に、しかも迅速に変更することができる技術を提供する。
【解決手段】ダクテッドファン２を備えた垂直離着陸機１であって、ダクテッドファン２に導入される空気が流れる空気導入リップ部２３において、空気が流れるときに発生する負圧の大きさを変更する圧力変更手段２４を備える。空気導入リップ部２３を流れる空気の圧力分布を変化させることにより、該空気導入リップ部２３から発生する推力の大きさを変更する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ダクテッドファンを備えた垂直離着陸機に関する。

従来のヘリコプターにおいては、メインローターのピッチ角を変更するコレクティブピッチ制御により推力を調整していた。
このコレクティブピッチ制御では、エンジン回転数は一定とされ、メインローターのピッチ角の変更のみにより推力が調整される。しかし、ピッチ角を変更すると、メインローターの空気抵抗が変化するのでエンジンの負荷も変化してしまう。そのため、エンジン回転数が変動することがあり、これにより機体の高度が変動することがあった。

また、コレクティブピッチ制御では、操縦者の熟練した飛行技術を必要とし、操縦者が推力の変動を予測して推力の調整を行う必要があった。
ここで、大型のメインローターを備えたヘリコプター等では、該メインローターの慣性モーメントが大きいため、前記エンジン回転数の変動をある程度抑制することができた。

一方、トラフの空気偏向によってピッチおよびロール制御を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特表２００３−５１２２１５号公報

前記コレクティブピッチ制御を行うためには、複雑な機構を必要とし、そのため質量も大きくなる。また、メインローター中央部にコレクティブピッチ機構を備えると、その分メインローターの有効面積が減少してしまい、推力発生の効率が悪化する。そのため、エンジンに要求される出力も大きくなり、エンジンの大型化が必要となる。しかし、小型の垂直離着陸機では大型エンジンの搭載が困難なため、前記コレクティブピッチ制御を行うことも困難となる。

また、メインローターのピッチ角を変更することにより生じたエンジン回転数の変動を、エンジンの出力制御で補うことができる。しかし、エンジン回転数を変更しようとしてエンジン制御を行っても、エンジン回転数はすぐには変化せず、その間、機体の高度が変動してしまう。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、垂直離着陸機において、推力を迅速に変更することができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による垂直離着陸機は、以下の手段を採用した。すなわち、
ダクテッドファンを備えた垂直離着陸機であって、
前記ダクテッドファンに導入される空気が流れる空気導入リップ部において、空気が流れるときに発生する負圧の大きさを変更する圧力変更手段を備えることを特徴とする。

本発明の最大の特徴は、空気導入リップ部を流れる空気の圧力分布を変化させることにより、該空気導入リップ部から発生する推力の大きさを変更することにある。
ここで、空気導入リップ部は、ダクト部の最上流に位置し、ダクト部の中心側から外側へ、且つ、下流側から上流側へ広がるダクト部の内壁面により形成される。ダクテッドファンが作動すると、空気導入リップ部の面上に空気の流れが発生し、ダクト内に空気が流入する。そして、空気導入リップ部の面上では、空気の流れにより負圧が発生する。この負圧の発生した方向へ空気導入リップ部が引き寄せられ、この引き寄せる力は推力の一部となる。その点、本発明では、圧力変更手段を備えることにより、空気導入リップ部での負圧の大きさをコントロールすることができ、推力の大きさをもコントロールすることができる。

本発明においては、前記圧力変更手段は、機体を傾ける方向に位置する前記空気導入リップ部の箇所における負圧を他の箇所よりも相対的に小さくすることができる。
また、空気導入リップ部の一部の負圧を変更することにより、ダクテッドファンに回転力を与えることができ、姿勢制御を行うことが可能となる。

空気導入リップ部で発生する負圧の大きさを一部分で変更すると、負圧が小さい箇所では推力が小さくなり、負圧が大きい箇所では推力が大きくなる。これにより、モーメントが発生する。従って、ダクトを傾けたい方向に位置する箇所の負圧を相対的に減少させることによりモーメントを発生させて、ダクトを傾けることが可能となり、機体の姿勢制御が可能となる。なお、負圧を相対的に減少させるためには、傾けたい方向に位置する箇所の負圧を小さくしてもよく、また、傾けたい方向と逆方向に位置する箇所の負圧を大きくしても良い。

本発明においては、前記圧力変更手段は、前記空気導入リップ部で発生する負圧の大きさを減少させるときに該空気導入リップ部から突出する複数の突出手段からなるようにしても良い。

このような突出手段が、空気導入リップ部から突出すると、該空気導入リップ部を流れる空気の流れを妨げる。そのため、突出手段よりも外側での空気導入リップ部では、負圧の発生が抑制される。これにより、推力を減少させることが可能となる。また、突出手段が空気導入リップ部から突出していなければ、該空気導入リップ部の広い範囲を空気が流れ、大きな負圧が発生する。従って、大きな推力を得ることが可能となる。

本発明においては、前記圧力変更手段は、前記空気導入リップ部を流れる空気中に高圧ガスを噴射する複数の高圧ガス噴射手段からなるようにしても良い。
高圧ガス噴射手段から高圧ガスを噴射することにより、空気導入リップ部での負圧の発生が抑制される。これにより、推力を減少させることが可能となる。また、高圧ガスを噴射する際の反動により推力を減少させることができる。

本発明に係る垂直離着陸機では、ダクテッドファンの空気導入リップ部を流通する空気の負圧の発生を抑制することにより、推力を速やかに減少させることができる。これにより、機体の姿勢制御や高度制御をより精度良く行うことができる。

以下、本発明に係る垂直離着陸機の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る垂直離着陸機の斜視図である。
垂直離着陸機１の前部および後部には、夫々ダクテッドファン２が２つずつ設けられて
いる。

また、図２は、本実施例に係る他の垂直離着陸機の斜視図である。
このように、垂直離着陸機１の前部および後部に、夫々ダクテッドファン２を１つずつ設けるようにしても良い。

垂直離着陸機１の中央部には、該垂直離着陸機１を操縦する操縦者Ｈが着座するための乗員席４が設けられている。また、乗員席４の下には、駆動源３が配置されている。
ダクテッドファン２の駆動方式としては、例えば、高圧ガス、電力、原動機軸出力等を採用可能であり、駆動方式に応じて駆動源３および駆動力をダクテッドファン２に伝達する伝達系の構成も異なる。

ダクテッドファン２は、駆動源３から供給された駆動力により高速で回転し、機体下方への空気流を生み出すことで、機体に対してほぼ垂直上方に推力を発生する。このダクテッドファン２の推力によって、垂直離着陸機１は、垂直方向に離陸／着陸することができる。

図３は、本実施例に係るダクテッドファンの概略構成を示した上面図である。
ダクテッドファン２は、駆動源３から供給された駆動力により高速回転するローターハブ部２１、ローターハブ部２１に接続された４枚のダクトローター２２、ダクトローター２２に空気を導く空気導入リップ部２３、空気導入リップ部２３の表面上で開閉する複数のシャッター２４を備えて構成されている。

ここで、図４は、シャッター２４が閉じられているときの空気導入リップ部２３の状態を示した図であり、図３に示した切断線Ａ−Ａにより切断したときの空気導入リップ部の断面図である。また、図５は、シャッターが閉じられているときの該シャッター２４の斜視図である。さらに、図６は、シャッターが閉じられているときの図３に示した切断線Ａ−Ａと直行する線により切断した断面図である。

空気導入リップ部２３には、複数の穴２９が設けられ、その穴を塞ぐようにシャッター２４が設置されている。シャッター２４が閉じているときの該シャッター２４の上面（外側の面）は、空気導入リップ部２３の上面とほぼ同一の面上にある。シャッター２４は、接続部２５を介して回転軸２６に接続されている。回転軸２６は、該回転軸２６の軸方向が空気導入リップ部２３の表面上を流通する空気の流通方向と直角となるように設置される。回転軸２６の両端は、穴２９の側面で支持されている。また、回転軸２６はギア２７を介してモータ２８の出力軸と接続されている。該モータ２８は、直流電源（図示省略）と電気的に接続され該電源から電力の供給を受けて作動する。

なお、シャッター２４は、ケーブル、油圧リンク、空気圧を用いて作動させても良い。
また、モータ２８には、該モータ２８を制御するＥＣＵ５が電気的に接続されている。ＥＣＵ５からの信号によりモータ２８が制御され、以てシャッター２４の開閉制御がなされる。

図４における矢印は、空気導入リップ部２３の表面上に発生する負圧の大きさを示している。この矢印の長さが長いほど負圧が大きいことを示している。そして、破線は、空気導入リップ部２３の表面における負圧の大きさの分布を示している。

一方、図７は、シャッター２４が開けられているときの空気導入リップ部２３の状態を示した図であり、図３に示した切断線Ａ−Ａにより切断したときの空気導入リップ部の断面図である。また、図８は、シャッター２４が開けられているときの該シャッター２４の
斜視図である。さらに、図９は、シャッター２４が開けられているときの図３に示した切断線Ａ−Ａと直行する線により切断した断面図である。

図７における矢印は、空気導入リップ部２３の表面上に発生する負圧の大きさを示している。この矢印の長さが長いほど負圧が大きいことを示している。そして、破線は、空気導入リップ部２３の表面における負圧の大きさの分布を示している。

シャッター２４が閉じた状態でモータ２８に通電すると、モータ２８および回転軸２６が回転し、その結果シャッター２４が回転軸２６を中心に回転して該シャッター２４が開かれる。これにより、シャッター２４は空気導入リップ部の面上から突出することとなる。また、モータ２８に電力を供給する電源の極性を入れ替えることにより、開いたシャッター２４が閉じられる。

図４に示される負圧分布と図７に示される負圧分布とを比較して分かるように、シャッター２４が閉じられている状態のほうがより大きな負圧が発生する。これは、シャッター２４が開かれている場合には、空気導入リップ部２３上の空気の流れが、該シャッター２４により遮られ、負圧の発生が抑制されるからである。このように、シャッター２４が閉じていると空気導入リップ部２３上の負圧が大きくなり、ダクテッドファン２の上方に該ダクテッドファン２を吸い上げる力が大きくなる。その結果、垂直離着陸機１の推力が大きくなる。一方、シャッター２４が開いていると空気導入リップ部２３上の負圧が小さくなり、ダクテッドファン２の上方に該ダクテッドファン２を吸い上げる力が小さくなる。その結果、垂直離着陸機１の推力が小さくなる。

このように、シャッター２４の開閉により垂直離着陸機１の推力を調整することができ、しかも、推力の調整にかかる時間は、シャッター２４の開閉にかかる時間のみであり、応答性が良い。

ここで、図１０は、従来のコレクティブピッチ制御による推力の減少、及び本実施例による推力の減少を行った場合の推力の時間推移を示したタイムチャート図である。
従来のコレクティブピッチ制御では、エンジン回転数を一定に維持しつつローターのピッチ角を変更することにより、ローターから得られる推力を増減している。

しかし、ローターのピッチ角を変更すると、該ローターの空気抵抗が増減し、ローターの回転数、すなわちエンジン回転数が変動してしまう。そして、エンジン回転数の変動を抑制しようとエンジンの出力制御が行われるが、エンジン回転数の増減が検出されてから、このエンジン回転数の増減を打ち消すためのエンジンの出力制御が完了するまでには時間がかかる。これにより、ローターから得られる推力が変動し、目標推力に収束するまでに時間がかかっていた。

その点、本実施例によるシャッター２４の開閉により推力の調整をすれば、応答性が良く、従って速やかに目標推力に収束させることができる。
また、本実施例によるダクテッドファン２によれば、従来のコレクティブピッチ制御により推力を増減させるものと比較して、ローターハブ部２１を小型化することができる。これにより、ダクトローター２２の有効面積を広くすることができ、ダクテッドファン２からより多くの推力を得ることができるので、効率が高い。従って、低出力のエンジンで垂直離着陸機１を飛行させることができる。

なお、本実施例によるシャッター２４と、従来のコレクティブピッチ制御を行うダクトローターとを組み合わせて使用しても良い。
また、シャッター２４の開度を検出するセンサを取り付け、該シャッター２４の開度を
調整することにより、推力を調整するようにしても良い。すなわち、シャッター２４の開度（空気導入リップ部２３からの突出量）が大きくなるほど、負圧が小さくなるので、要求される推力に応じてシャッター２４の開度を調整するようにしても良い。

図１１は、本実施例に係るダクテッドファンの概略構成を示した上面図である。
本実施例によるダクテッドファン２は、空気導入リップ部２３に高圧ガス噴射孔２０１を複数備えている。その他の構成は、実施例１のものと同様であるため、以下では相違する部分を中心に説明する。

空気導入リップ２３には、ダクテッドファン２の上方へ向けて開けられた高圧ガス噴射孔２０１が複数備えられている。そして、高圧ガス噴射孔２０１には、高圧ガス通路６が接続されている。この高圧ガス通路６には、高圧ガス供給源７が接続されている。高圧ガス供給源７は、例えば、ガスタービンエンジン、コンプレッサー、蓄圧タンク等を用いることができ、ガスタービンエンジンからの抽気、コンプレッサーにより圧縮された空気、蓄圧タンクからの空気等が高圧ガス通路６に供給される。

高圧ガス通路６の途中には、ソレノイドバルブ８が設けられている。このソレノイドバルブ８は、ＥＣＵ５と電気的に接続され、該ＥＣＵ５からの信号により作動する。ＥＣＵ５からの信号により、ソレノイドバルブ８が開かれると、高圧ガス通路６に高圧ガスが流通し、高圧ガス噴射孔２０１から高圧ガスが噴射される。

ここで、図１２は、高圧ガス噴射孔２０１から高圧ガスが噴射されていないときの空気導入リップ部２３の状態を示した図であり、図１１における切断線Ｂ−Ｂにより切断したときの空気導入リップ部の断面図を示している。また、図１３は、高圧ガス噴射孔の斜視図である。さらに、図１４は、高圧ガス噴射孔が設けられている箇所における空気導入リップ部の斜視図である。

図１２における矢印は、空気導入リップ部２３の表面上に発生する負圧の大きさを示している。この矢印の長さが長いほど負圧が大きいことを示している。そして、破線は、空気導入リップ部２３の表面における負圧の大きさの分布を示している。

一方、図１５は、高圧ガス噴射孔２０１から高圧ガスが噴射されているときの空気導入リップ部２３の状態を示した断面図である。
図１５における矢印は、空気導入リップ部２３の表面上に発生する負圧の大きさを示している。この矢印の長さが長いほど負圧が大きいことを示している。そして、破線は、空気導入リップ部２３の表面における負圧の大きさの分布を示している。

図１２に示される負圧分布と図１５に示される負圧分布とを比較して分かるように、高圧ガス噴射孔２０１から高圧ガスが噴射されていない状態のほうがより広い範囲で負圧が発生する。これは、高圧ガス噴射孔２０１から高圧ガスが噴射されている場合には、この高圧ガスの圧力により、負圧が打ち消されるからである。このように、高圧ガス噴射孔２０１から高圧ガスが噴射されていないと空気導入リップ部２３の広い範囲で負圧が発生するため、空気導入リップ部２３全体として負圧が大きくなり、ダクテッドファン２の上方に該ダクテッドファン２を吸い上げる力が大きくなる。その結果、垂直離着陸機１の推力が大きくなる。一方、高圧ガス噴射孔２０１から高圧ガスが噴射されていると空気導入リップ部２３上の負圧が小さくなり、ダクテッドファン２の上方に該ダクテッドファン２を持ち上げる力が小さくなる。その結果、垂直離着陸機１の推力が小さくなる。

また、高圧ガスの噴射により、ダクテッドファン２に下方向の推力を与えることもでき
る。これにより、機体を下降させることができる。
このように、高圧ガス噴射孔２０１から高圧ガスが噴射するか否かにより垂直離着陸機１の推力を調整することができ、しかも、推力の調整にかかる時間は、ソレノイドバルブ８の開閉にかかる時間のみであり、応答性が良い。

また、本実施例によるダクテッドファン２によれば、従来のコレクティブピッチ制御により推力を増減させるものと比較して、ローターハブ部２１を小型化することができる。これにより、ダクトローター２２の有効面積を広くすることができ、エンジン出力に対して発生するダクテッドファン２の推力を向上させ、効率を高くすることができる。従って、小さい出力のエンジンで垂直離着陸機１を飛行させることができる。

なお、本実施例による高圧ガス噴射と、従来のコレクティブピッチ制御を行うダクトローターとを組み合わせて使用しても良い。
また、高圧ガスの噴射圧力を調整することにより、推力を調整するようにしても良い。すなわち、高圧ガスの噴射圧力が大きくなるほど、負圧が小さくなるので、要求される推力に応じて高圧ガスの噴射圧力を調整するようにしても良い。

本実施例では、前記実施例にて説明したダクテッドファン２を用いて、図２に示した垂直離着陸機１の姿勢制御を行う。なお、本実施例では、実施例１によるシャッター２４を用いた垂直離着陸機１の姿勢制御について説明するが、実施例２による高圧ガスの噴射を用いても同様な制御が可能である。

図１６は、本実施例に係る垂直離着陸機１の姿勢制御を行っているときのシャッターの状態を示したダクテッドファンの上面視である。
また、図１７は、図１６に示した切断線Ｃ−Ｃによりダクテッドファンを切断した断面図であり、空気導入リップ部に発生する負圧の状態を示した図である。

図１６におけるダクテッドファン２の中心線Ｄよりも左側に位置しているシャッター２４が全て開かれ、右側に位置しているシャッター２４は全て閉じられている。シャッター２４をこのような状態とすると、空気導入リップ部２３上に発生する負圧は図１７に示すダクテッドファン２の左側が小さくなり、右側が大きくなる。このように、空気導入リップ部２３上に圧力分布が生じ、図１７に示したダクテッドファン２の右側の推力が左側よりも大きくなるため、ダクテッドファン２を左回りに回転させるモーメントが発生する。これにより、ダクテッドファン２は、図１７の左側へ向けて傾く。

このように、ダクテッドファン２を傾けたい方向に位置するシャッター２４を開いて負圧を減少させることにより、ダクテッドファン２を任意の方向に傾けることができる。これにより、機体の姿勢制御や斜め方向への移動を容易に行うことができる。

なお、シャッター２４の開度を検出するセンサを取り付け、該シャッター２４の開度を調整することにより、推力を調整するようにしても良い。すなわち、シャッター２４の開度（空気導入リップ部２３からの突出量）が大きくなるほど、負圧が小さくなるので、モーメントが大きくなり、ダクテッドファン２の傾き角を大きくすることができる。

また、シャッター２４の代わりに高圧ガス噴射孔２０１を備えている場合には、傾けたい方向に位置する高圧ガス噴射孔２０１から高圧ガスを噴射して、ダクテッドファン２を任意の方向に傾けることができる。

本発明の実施例に係る垂直離着陸機の斜視図である。 本発明の実施例に係る他の垂直離着陸機の斜視図である。 実施例１に係るダクテッドファンの概略構成を示した上面図である。 シャッターが閉じられているときの空気導入リップ部の負圧の状態を示した図であり、図３に示した切断線Ａ−Ａにより切断したときの空気導入リップ部の断面図である。 シャッターが閉じられているときの該シャッターの斜視図である。 シャッターが閉じられているときの図３に示した切断線Ａ−Ａと直行する線により切断した断面図である。 シャッターが開けられているときの空気導入リップ部の負圧の状態を示した図であり、図３に示した切断線Ａ−Ａにより切断したときの空気導入リップ部の断面図である。 シャッターが開けられているときの該シャッターの斜視図である。 シャッター２４が開けられているときの図３に示した切断線Ａ−Ａと直行する線により切断した断面図である。 従来のコレクティブピッチ制御による推力の減少、及び実施例１による推力の減少を行った場合の推力の時間推移を示したタイムチャート図である。 実施例２に係るダクテッドファンの概略構成を示した上面図である。 高圧ガス噴射孔から高圧ガスが噴射されていないときの空気導入リップ部の負圧の状態を示した図であり、図１１における切断線Ｂ−Ｂにより切断したときの空気導入リップ部の断面図を示している。 高圧ガス噴射孔の斜視図である。 高圧ガス噴射孔が設けられている箇所における空気導入リップ部の斜視図である。 高圧ガス噴射孔から高圧ガスが噴射されているときの空気導入リップ部の負圧の状態を示した断面図である。 実施例３に係る垂直離着陸機の姿勢制御を行っているときのシャッターの状態を示したダクテッドファンの上面視である。 図１６に示した切断線Ｃ−Ｃによりダクテッドファンを切断した断面図であり、空気導入リップ部に発生する負圧の状態を示した図である。

符号の説明

１ 垂直離着陸機
２ ダクテッドファン
３ 駆動源
４ 乗員席
５ ＥＣＵ
６ 高圧ガス通路
７ 高圧ガス供給源
８ ソレノイドバルブ
２１ ローターハブ部
２２ ダクトローター
２３ 空気導入リップ部
２４ シャッター
２５ 接続部
２６ 回転軸
２７ ギア
２８ モータ
２９ 穴
２０１ 高圧ガス噴射孔
Ｈ 操縦者

Claims (4)

1. ダクテッドファンを備えた垂直離着陸機であって、
   前記ダクテッドファンに導入される空気が流れる空気導入リップ部において、空気が流れるときに発生する負圧の大きさを変更する圧力変更手段を備えることを特徴とする垂直離着陸機。
2. 前記圧力変更手段は、機体を傾ける方向に位置する前記空気導入リップ部の箇所における負圧を他の箇所よりも相対的に小さくすることを特徴とする請求項１に記載の垂直離着陸機。
3. 前記圧力変更手段は、前記空気導入リップ部で発生する負圧の大きさを減少させるときに該空気導入リップ部から突出する複数の突出手段からなることを特徴とする請求項１または２に記載の垂直離着陸機。
4. 前記圧力変更手段は、前記空気導入リップ部を流れる空気中に高圧ガスを噴射する複数の高圧ガス噴射手段からなることを特徴とする請求項１または２に記載の垂直離着陸機。

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