JP2009051465A - テールロータ装置およびヘリコプタ - Google Patents

Abstract

【課題】 ホバリング時にメインロータの回転により発生するトルクを打ち消すとともに、前進飛行時に飛行速度の高速化を図ることができるテールロータ装置およびヘリコプタを提供する。
【解決手段】 機体の前後軸線に沿って延びる略板状の仕切部６と、仕切部６を間に挟み、前後軸線における前方向に向かってロータ回転面の間隔が狭くなる略Ｖ字状に配置された一のロータ８Ｌおよび他のロータ８Ｒと、が設けられ、一のロータ８Ｌは、仕切部６から離れる方向に推力を発生させ、他のロータ８Ｒは、推力を発生させる方向を仕切部６から離れる方向、および、仕切部６に向かう方向のいずれか一方向に切り替えることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、テールロータ装置およびヘリコプタに関する。

一般に、ヘリコプタにおける前進方向の推力は、メインロータにより発生される推力の方向を前進方向に傾けることにより得られている。このような構成のヘリコプタにおける最高速度は、約２６０ｋｍ／ｈから約２８０ｋｍ／ｈ（約１４０ｋｔから約１５０ｋｔ）程度である。
この最高速度はメインロータで推力を発生する機構における空力的な限界によって決まるものであって、これまでに、最高速度記録にチャレンジした機体であっても、約３７０ｋｍ／ｈ（約２００ｋｔ）が限界であった。
ヘリコプタの高速化が可能になると、移動に要する時間が短縮されることから、例えば離島への移動手段を従来の飛行機からヘリコプタに切り替え、飛行機を用いた場合より柔軟な運用ができる移動手段を確保できるという利点がある。さらに、ヘリコプタを用いた救難活動を、より迅速に行うことができるという利点がある。

上述の最高速度の向上を図るため、従来では、メインロータの回転により発生するトルクを打ち消す働きのみを果たしていたテールロータに、前進方向の推力を発生させたり、前進方向の推力を発生させるプロペラを別途配置したりする技術が提案されている（例えば、特許文献１および２参照。）。

具体的には、特許文献１には、主に前進方向の推力を発生するプロペラをテールブームの後端に設けて、メインロータの回転により発生するトルクを他の構成要素、例えば、機体の左右方向に延びる翼であって、メインロータにより形成される下方向に流れる空気の流れを用いて上記トルクを打ち消す翼等を設ける技術が記載されている。
一方、特許文献２には、ヘリコプタの機体前方に、前進方向の推力を発生するプロペラを設ける技術が記載されている。

さらには、テールロータの向きを、メインロータの回転により発生するトルクを打ち消す方向（以下、アンチトルク方向と表記する。）と、前進方向の推力を発生する方向との間で変更する技術も知られている。
米国特許第２００５／０１５１００１号明細書 米国特許第４，９２８，９０７号明細書

しかしながら、特許文献１および２に記載の技術などでは、前進飛行時またはホバリング時のいずれか一方でしか使用されない、もしくは使用されても補助的にしか使用されないものがあり、機体重量が増加するとともに、効率が低下するという問題があった。

例えば、特許文献１に記載の技術では、前進飛行時にはテイルファン（ｔａｉｌ ｆａｎ）が使用されず、かつ、メインロータ（ｍａｉｎ ｒｏｔｏｒ）は補助的にしか使用されていない。一方、ホバリング時にはトラクタプロペラ（ｔｒａｃｔｏｒ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ）および翼（ｗｉｎｇｓ）が使用されていなかった。
特許文献２に記載の技術では、前進飛行時にリフティングロータ（ｒｉｆｔｉｎｇ ｒｏｔｏｒ）が使用されていなかった。

また、テールロータの向きを変更して、メインロータの回転により発生するトルクを打ち消す推力と、前進方向に推力とを発生させる技術では、テールロータの向きを変更させる複雑な機構を備える必要があり、機体重量が増加するという問題があった。
特に、ヘリコプタの重心位置から離れたテールブームの先端に、上述の変更機構を備えることとなるため、重量増加の影響が大きいという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、ホバリング時にメインロータの回転により発生するトルクを打ち消すとともに、前進飛行時に飛行速度の高速化を図ることができるテールロータ装置およびヘリコプタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のテールロータ装置は、機体の前後軸線に沿って延びる略板状の仕切部と、該仕切部を間に挟み、前記前後軸線における前方向に向かってロータ回転面の間隔が狭くなる略Ｖ字状に配置された一のロータおよび他のロータと、が設けられ、前記一のロータは、前記仕切部から離れる方向に推力を発生させ、前記他のロータは、推力を発生させる方向を前記仕切部から離れる方向、および、前記仕切部に向かう方向のいずれか一方向に切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、他のロータが発生する推力の方向を、仕切部から離れる方向と仕切部に向かう方向との間で切り替えることにより、一のロータおよび他のロータにより、メインロータの回転により発生するトルクを打ち消す推力と、前後軸線における前方向に向かう推力とを切り替えて発生させることができる。

具体的には、他のロータが仕切部に向かう方向に推力を発生させると、一のロータおよび他のロータの推力のうち、前後軸線に沿う方向の推力の分力は打ち消され、アンチトルク方向の分力は合成される。つまり、ホバリング等の際には、他のロータは仕切部に向かう方向に推力を発生させることにより、アンチトルク方向に推力を発生させることができる。

一方、他のロータが仕切部から離れる方向に推力を発生させると、一のロータおよび他のロータの推力のうち、アンチトルク方向の分力は打ち消され、前後軸線に沿う方向の分力は合成される。つまり、前後軸線における前方向に飛行する時では、他のロータは仕切部から離れる方向に推力を発生させることにより、前後軸線に沿う方向に推力を発生させることができる。

さらに、一のロータと他のロータとの間に仕切部が配置されているため、一のロータに係る流れと他のロータに係る流れとが切り離される。その結果、前後軸線に沿う方向の推力や、アンチトルク方向に推力が効率的に発生される。

つまり、一のロータおよび他のロータが仕切部に向かって推力を発生させている場合には、一のロータおよび他のロータから仕切部に向かう流れは、仕切部に沿って前後軸線における後方向に流れの向きを変えて流れる。そのため、前後軸線に沿う方向の推力が効率的に発生される。

一方、他のロータが仕切部から離れる方向に推力を発生させている場合には、一のロータから仕切部に向かう流れは仕切部における一のロータ側の面に沿って流れる。他のロータに流入する流れは、仕切部における他のロータ側の面に沿って流れた後に他のロータに流入する。そのため、アンチトルク方向に推力が効率的に発生される。

上記発明においては、前記仕切部は、略鉛直方向に延びる垂直安定板であることが望ましい。

本発明によれば、仕切部を垂直安定板として使用することにより、前後軸線における前方向に飛行する際に、アンチトルク方向に力を発生させることができる。そのため、一のロータおよび他のロータは、前後軸線に沿う方向の推力のみを発生させることができるため、効率的に前後軸線に沿う方向の推力のみを発生させることができる。

上記発明においては、前記仕切部における前記前後軸線における後方の縁部には、少なくとも前記他のロータ側に折れ曲がる略板状の後縁部が設けられていることが望ましい。

本発明によれば、例えば、他のロータが仕切部から離れる方向に推力を発生させている際に、後縁部を他のロータ側に折り曲げることにより、アンチトルク方向に働く推力を大きくすることができる。
具体的には、一のロータから仕切部に向かう流れは仕切部に沿って流れた後に、折れ曲がった後縁部に沿って流れ、アンチトルク方向の推力が大きくなる。
一方、他のロータに流入する流れは、仕切部に沿って流れた後に他のロータに流入するが、その流れは折れ曲がった後縁部により曲げられるため、アンチトルク方向の推力が大きくなる。

上記発明においては、前記仕切部と前記一のロータとの間、および、前記仕切部と前記他のロータとの間には、少なくとも前記一のロータおよび前記他のロータから前記仕切部に向かう流れを、前記仕切部に沿う方向に偏向させる整流部が設けられていることが望ましい。

本発明によれば、一のロータおよび他のロータから仕切部に向かう流れが、整流部により仕切部に沿う方向、つまり前後軸線における後方向に偏向される。その結果、流れの乱れなどによる損失の発生が抑えられるため、前後軸線における前方向に向かう推力を効率的に発生させることができる。
一方、他のロータが仕切部から離れる方向に推力を発生させる場合、つまり仕切部から他のロータに向かって流れが発生している場合には、仕切部に沿った流れは、整流部により他のロータに向かう方向に偏向される。その結果、流れの乱れを抑えることができ、アンチトルク方向に働く推力を効率的に発生させることができる。

本発明のヘリコプタは、上記本発明に記載のテールロータ装置が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、他のロータが発生する推力の方向を、仕切部から離れる方向と仕切部に向かう方向との間で切り替えることにより、一のロータおよび他のロータにより、メインロータの回転により発生するトルクを打ち消す推力と、前後軸線における前方向に向かう推力とを切り替えて発生させることができる。

本発明のテールロータ装置およびヘリコプタによれば、他のロータが発生する推力の方向を、仕切部から離れる方向と仕切部に向かう方向との間で切り替えることにより、一のロータおよび他のロータにより、ホバリング時にメインロータの回転により発生するトルクを打ち消すとともに、前進飛行時に飛行速度の高速化を図るという効果を奏する。

この発明の一実施形態に係るヘリコプタについて、図１から図９を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るヘリコプタの概略を説明する模式図である。
本実施形態のヘリコプタ１は、図１に示すように、乗員が乗り込むキャビンなどが設けられた機体２と、機体２の後方に延びるテールブーム５の端部に配置されたテールロータ部（テールロータ装置）３と、機体２内に配置されたエンジン（図示せず）により回転駆動されるメインロータ４と、が設けられている。

機体２には、上述のように、キャビンやエンジンが設けられているとともに、機体２の後部には、前後軸線（図１の左右方向）に沿って延びるテールブーム５が設けられている。テールブーム５の後端には、テールロータ部３が設けられている。

図２は、図１のテールロータ部の構成を説明する部分拡大図である。
テールロータ部３は、例えば、ホバリング時や離着陸時に、メインロータ４の回転により発生するトルクを打ち消す推力を発生し、前進方向（図１の左方向）に飛行する時、特に高速で前進飛行する時に、前進方向に推力を発生するものである。
テールロータ部３には、図１および図２に示すように、テールブーム５から略鉛直に上下方向に延びる垂直安定板（仕切部）６と、テールブーム５から略水平に左右方向に延びる水平安定板７と、水平安定板７の両端部に配置されたダクテッドファン（一のロータ）８Ｌ、ダクテッドファン（他のロータ）８Ｒと、が設けられている。

垂直安定板６および水平安定板７は、ヘリコプタ１が前進飛行する際に、ヘリコプタ１の姿勢を安定させるとともに、姿勢を制御するものである。垂直安定板６および水平安定板７の後縁（図２の右側の縁）には、それぞれ、左右方向および上下方向に折れ曲がり、ヘリコプタ１の姿勢を制御する方向舵（後縁部）９および昇降舵１０が設けられている。

ダクテッドファン８Ｌ，８Ｒは、エンジンから延びる駆動軸１１により回転駆動され、推力を発生させるものである。
ダクテッドファン８Ｌは水平安定板７の左側の端部に、後述するファン１３の回転面が垂直安定板６に対して略平行な姿勢から、前方向（図２の左方向）に傾いた姿勢で配置されている。一方、ダクテッドファンダクテッドファン８Ｒは水平安定板７の右側の端部に、ファン１３の回転面が垂直安定板６に対して略平行な姿勢から、前方向（機首方向）に傾いた姿勢で配置されている。言い換えると、ダクテッドファン８Ｌ，８Ｒは、前方向に向かってファン１３の回転面の間隔が狭くなる略Ｖ字条に配置されている。

ダクテッドファン８Ｌ，８Ｒには、略円筒状のダクト１２と、ダクト１２内に配置されたファン１３とが設けられている。ファン１３には、それぞれテールブーム５および水平安定板７を介して駆動軸１１が接続されており、駆動軸１１により回転駆動されている。
ダクテッドファン８Ｌに設けられたファン１３は、回転駆動されることにより、前方向に向かって垂直安定板６から離れる方向に働く推力を発生するものである。一方、ダクテッドファン８Ｒに設けられたファン１３は、回転駆動されることにより、前方向に向かって垂直安定板から離れる方向に働く推力と、尾翼方向（図２の右方向）に向かって垂直安定板６に向かう方向に働く推力を切り替え可能に発生するものである。具体的には、ファン１３のピッチ角を変えることにより、上述のように推力の発生方向を切り替えるものである。

ここで、前方向に向かって垂直安定板６から離れる方向に働く推力は、前方向に働く分力と、垂直安定板６から離れる方向に働く分力とを有する推力であり、前方向に向かって垂直安定板６に向かう方向に働く推力は、尾翼方向に働く分力と、垂直安定板６に向かう方向に働く分力とを有する推力である。

次に、上記の構成からなるヘリコプタ１における作用について説明する。
図３は、前進飛行時のテールロータ部が発生する推力の方向を説明する模式図である。図４は、図３におけるテールロータ部周りの流れを説明する模式図である。
まず、ヘリコプタ１が前進飛行、特に高速で前進飛行している場合のテールロータ部３の働きについて、図３および図４を参照しながら説明する。その後、ヘリコプタ１がホバリングや離着陸する場合のテールロータ部３の働きについて説明する。

本実施形態のヘリコプタ１が前進飛行する際には、テールロータ部３のダクテッドファン８Ｌ，８Ｒは、図３に示すように、前方向に向かって垂直安定板６から離れる方向に推力を発生させる。
すると、ダクテッドファン８Ｌの発生する推力のうちの垂直安定板から離れる方向の分力と、ダクテッドファン８Ｒの発生する推力のうちの垂直安定板から離れる方向の分力とは、互いに打ち消しあう。その結果、ダクテッドファン８Ｌ，８Ｒにより、前方向のみに働く推力が発生される。

このとき、テールロータ部３周りには、図４に示すような流れが発生する。つまり、ダクテッドファン８Ｌにより尾翼方向に向かって垂直安定板６に向かう流れが発生する。この流れは、垂直安定板６に沿って流れ、ヘリコプタ１の後方に向かう流れに偏向されるため、ダクテッドファン８Ｌにより発生される前方向に働く推力の分力が大きくなる。この作用は、ダクテッドファン８Ｒにより発生される流れについても同様である。

なお、ヘリコプタ１が前進飛行している際、メインロータ４の回転により発生するトルクは、垂直安定板６およびダクテッドファン８Ｌ，８Ｒの推力差により打ち消される。

図５は、ホバリング時にテールロータ部が発生する推力の方向を説明する模式図である。図６は、図５におけるテールロータ部周りの流れを説明する模式図である。
本実施形態のヘリコプタ１が、ホバリングや離着陸する際には、図５に示すように、テールロータ部３のダクテッドファン８Ｌは、前方向に向かって垂直安定板６から離れる方向に推力を発生させ、ダクテッドファン８Ｒは、尾翼方向に向かって垂直安定板６に向かう方向に推力を発生させる。つまり、ダクテッドファン８Ｒにおけるファン１３のピッチを変更して、発生させる推力の向きを反転させる。

すると、ダクテッドファン８Ｌの発生する推力のうちの前方向の分力と、ダクテッドファン８Ｒの発生する推力のうちの尾翼方向の分力とは、互いに打ち消しあう。その結果、ダクテッドファン８Ｌ，８Ｒにより、メインロータ４の回転により発生するトルクを打ち消す方向（図５の下方向）に働く推力が発生される。

このとき、テールロータ部３周りには、図６に示すような流れが発生する。つまり、ダクテッドファン８Ｌにより尾翼方向に向かって垂直安定板６に向かう流れが発生する。この流れは、垂直安定板６に沿って流れ、ヘリコプタ１の後方に向かう流れに偏向される。一方、ダクテッドファン８Ｒに流入する流れは、垂直安定板６に沿って流れ、その後にダクテッドファン８Ｒに流入する。
つまり、ダクテッドファン８Ｌに係る流れと、ダクテッドファン８Ｒに係る流れとは、垂直安定板６により仕切られ、ダクテッドファン８Ｌからダクテッドファン８Ｒに直接流れが流入することがない。

上記の構成によれば、ダクテッドファン８Ｒが発生する推力の方向を、垂直安定板６から離れる方向と垂直安定板６に向かう方向との間で切り替えることにより、ダクテッドファン８Ｌ，８Ｒにより、メインロータ４の回転により発生するトルクを打ち消す推力と、前後軸線の前方向に向かう推力とを切り替えて発生させることができる。

具体的には、ダクテッドファン８Ｒが垂直安定板６に向かう方向に推力を発生させると、ダクテッドファン８Ｌおよびダクテッドファン８Ｒの推力のうち、前後軸線に沿う方向の推力の分力は打ち消され、メインロータ４の回転により発生するトルクを打ち消す方向の分力は合成される。つまり、ホバリング等の際には、ダクテッドファン８Ｒは垂直安定板６に向かう方向に推力を発生させることにより、メインロータ４の回転により発生するトルクを打ち消す方向に推力を発生させることができる。

一方、ダクテッドファン８Ｒが垂直安定板６から離れる方向に推力を発生させると、ダクテッドファン８Ｌ，８Ｒの推力のうち、メインロータ４の回転により発生するトルクを打ち消す方向の分力は打ち消され、前後軸線に沿う方向の分力は合成される。つまり、前後軸線における前方向に飛行する時では、ダクテッドファン８Ｒは垂直安定板６から離れる方向に推力を発生させることにより、前後軸線に沿う方向に推力を発生させることができる。

さらに、ダクテッドファン８Ｌ，８Ｒとの間に垂直安定板６が配置されているため、ダクテッドファン８Ｌに係る流れとダクテッドファン８Ｒに係る流れとが切り離される。その結果、前後軸線に沿う方向の推力や、メインロータ４の回転により発生するトルクを打ち消す方向に推力が効率的に発生される。

つまり、ダクテッドファン８Ｌ，８Ｒが垂直安定板６に向かって推力を発生させている場合には、ダクテッドファン８Ｌ，８Ｒから垂直安定板６に向かう流れは、垂直安定板６に沿って前後軸線における後方向に流れの向きを変えて流れる。そのため、前後軸線に沿う方向の推力が効率的に発生される。

一方、ダクテッドファン８Ｒが垂直安定板６から離れる方向に推力を発生させている場合には、ダクテッドファン８Ｌから垂直安定板６に向かう流れは垂直安定板６におけるダクテッドファン８Ｌ側の面に沿って流れる。ダクテッドファン８Ｒに流入する流れは、垂直安定板６におけるダクテッドファン８Ｒ側の面に沿って流れた後にダクテッドファン８Ｒに流入する。そのため、メインロータ４の回転により発生するトルクを打ち消す方向に推力が効率的に発生される。

前後軸線における前方向に飛行する際に、垂直安定板６および方向舵９により、メインロータ４の回転により発生するトルクを打ち消す方向に力を発生させることができるため、ダクテッドファン８Ｌ，８Ｒは、前後軸線に沿う方向の推力のみを発生させることができる。そのため、効率的に前後軸線に沿う方向の推力のみを発生させることができる。

図７は、図６のテールロータ部周りの別の流れを説明する模式図である。
なお、ホバリング時などに、上述のようにダクテッドファン８Ｌ，８Ｒを作動させてもよいし、図７に示すように、ダクテッドファン８Ｌ，８Ｒを作動させるとともに、垂直安定板６の方向舵９をダクテッドファン８Ｒ側に曲げてもよく、特に限定するものではない。

このようにすることにより、テールロータ部３は、メインロータ４の回転により発生するトルクを打ち消す方向に働く推力を大きくすることができる。
具体的には、ダクテッドファン８Ｌから垂直安定板６に向かう流れは垂直安定板６に沿って流れた後に、折れ曲がった方向舵９に沿って流れるため、メインロータ４の回転により発生するトルクを打ち消す方向の推力が大きくなる。
一方、ダクテッドファン８Ｒに流入する流れは、垂直安定板６に沿って流れた後にダクテッドファン８Ｒに流入するが、その流れは折れ曲がった方向舵９により曲げられるため、メインロータ４の回転により発生するトルクを打ち消す方向の推力が大きくなる。

図８は、別の実施形態に係るテールロータ部の構成および前進飛行時におけるテールロータ部周りの流れを説明する模式図である。図９は、ホバリング時における図８のテールロータ部周りの流れを説明する模式図である。
なお、上述の実施形態のようにダクテッドファン８Ｌ，８Ｒと垂直安定板６との間に何も配置しなくてもよいし、図８および図９に示すように、ダクテッドファン８Ｌ，８Ｒと垂直安定板６との間に整流板（整流部）２１を配置してもよく、特に限定するものではない。

整流板２１は、ダクテッドファン８Ｌ，８Ｒから垂直安定板６に向かう流れを、垂直安定板６に沿う方向に偏向させる曲面を有する板状の部材である。そのため、ダクテッドファン８Ｌ，８Ｒから垂直安定板６に向かう流れは、図８に示すように、垂直安定板６に沿う方向に偏向され、流れの乱れなどによる損失の発生が抑えられるため、前後軸線における前方向に向かう推力を効率的に発生させることができる。
一方、図９に示すように、ダクテッドファン８Ｒが垂直安定板６から離れる方向に推力を発生させる場合、つまり垂直安定板６からダクテッドファン８Ｒに向かって流れが発生している場合には、垂直安定板６に沿った流れは、整流板２１によりダクテッドファン８Ｒに向かう方向に偏向される。その結果、流れの乱れを抑えることができ、メインロータ４の回転により発生するトルクを打ち消す方向に働く推力を効率的に発生させることができる。

なお、上述のようにテールロータ部３は一対のダクテッドファン８Ｌ，８Ｒを備える構成とされてもよいし、ダクテッドファンの代わりにプロペラを用いてもよく、特に限定するものではない。

本発明の一実施形態に係るヘリコプタの概略を説明する模式図である。 図１のテールロータ部の構成を説明する部分拡大図である。 前進飛行時のテールロータ部が発生する推力の方向を説明する模式図である。 図３におけるテールロータ部周りの流れを説明する模式図である。 ホバリング時にテールロータ部が発生する推力の方向を説明する模式図である。 図５におけるテールロータ部周りの流れを説明する模式図である。 図６のテールロータ部周りの別の流れを説明する模式図である。 別の実施形態に係るテールロータ部の構成および前進飛行時におけるテールロータ部周りの流れを説明する模式図である。 ホバリング時における図９のテールロータ部周りの流れを説明する模式図である。

符号の説明

１ ヘリコプタ
３ テールロータ部（テールロータ装置）
６ 垂直安定板（仕切部）
８Ｌ ダクテッドファン（一のロータ）
８Ｒ ダクテッドファン（他のロータ）
９ 方向舵（後縁部）
２１ 整流板（整流部）

Claims (5)

1. 機体の前後軸線に沿って延びる略板状の仕切部と、
   該仕切部を間に挟み、前記前後軸線における前方向に向かってロータ回転面の間隔が狭くなる略Ｖ字状に配置された一のロータおよび他のロータと、
   が設けられ、
   前記一のロータは、前記仕切部から離れる方向に推力を発生させ、
   前記他のロータは、推力を発生させる方向を前記仕切部から離れる方向、および、前記仕切部に向かう方向のいずれか一方向に切り替えることを特徴とするテールロータ装置。
2. 前記仕切部は、略鉛直方向に延びる垂直安定板であることを特徴とする請求項１記載のテールロータ装置。
3. 前記仕切部における前記前後軸線における後方の縁部には、少なくとも前記他のロータ側に折れ曲がる略板状の後縁部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のテールロータ装置。
4. 前記仕切部と前記一のロータとの間、および、前記仕切部と前記他のロータとの間には、
   少なくとも前記一のロータおよび前記他のロータから前記仕切部に向かう流れを、前記仕切部に沿う方向に偏向させる整流部が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のテールロータ装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のテールロータ装置が設けられていることを特徴とするヘリコプタ。

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