JP2010036888A - 無人航空機のための統合ダクトデザイン - Google Patents

Abstract

【課題】無人航空機の収納を増加させるシステムを提供する。
【解決手段】装備品および電子機器のための、ダクト内側の増大した収納能力を備えるダクトファン付き航空機１は、外部ポッド内の積荷を保持するダクトファン付き航空機よりも、空気の流れおよびファン効率の改善する。ダクト３の外側は外側に延びてもよく、それにより装備品および電子機器を、ダクトに沿って一定間隔で配置されるダクトの内側の収納領域に収納することができる。収納領域は、円形の内側壁を備える四角形のダクトを形成することができる。さらに、収納領域は、ファンの回転軸の方向に延びることができ、ダクトの下縁の上に追加の収納部を提供する。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は概ね無人航空機のための統合ダクトデザインに関する。より詳細には、本発明はダクトの中に電子機器および装備品を保持することができるダクトを備える無人航空機（ＵＡＶ）に関する。

米国軍との契約Ｗ５６ＨＺＶ−０５−Ｃ−０７２４により、米国政府は本発明に関し権利を有する。
無人航空機は少なくとも１つのダクトファンおよびファンブレードを駆動するためのファンエンジンを備えることがある。ダクトファンは、ＵＡＶがホバーまたは地面に対して平行に運動することを可能にする空気の流れを生成する。

ＵＡＶは装備を輸送するため、監視を実行するため、センサから情報を得るため、センサまたはその他のペイロードを危険な領域またはアクセスできない領域に配置するため、または汚染試験を実行するために用いられることがある。目標地点に到達するために、および所望の課題を遂行するために、ＵＡＶはアビオニクス、制御装置、ペイロード、センサ装置のような装備を保持する必要がある。

いくつかのＵＡＶはこのような装備をダクトに取り付けられる外部ポッド内に保持することができる。これらのポッドは重心を移動させる原因となり、空気の吸気および排気をブロックすることによりダクト内の空気流の特性に対して悪影響を与えることがあり、また、ＵＡＶの飛行中に追加の抗力を形成することがある。さらに、追加された装備品の重量は、追加的なエンジン能力および燃料容量を必要とすることがある。追加的なエンジン能力および追加的な燃料はさらに重量追加させ、航空機の燃料効率を低下させることとなる。

代替的に、いくつかのＵＡＶはダクトの内側に装備品を保持することができる。ＵＡＶは典型的には円形のダクトを備える。ダクトの内側に装備品を保持することは、円形のダクトの厚さおよび直径を増大させる。円形ダクトの直径および厚さの増大は、重心、エンジンサイズ、推力、燃料要求、重量、制御等のようなＵＡＶの多くの設計基準に影響を与える。

従って、ダクトファンつき航空機の装備品を保持するための改良された手段に対する需要がある。

本開示は、ダクトの内側に装備品または貨物を保持するための空間を備える、ダクトファン付き無人航空機（ＵＡＶ）を説明する。ＵＡＶは機内にアビオニクス装置、制御装置、センサ、および燃料のような装備品を保持することができる。伝統的には、ＵＡＶに保持される装備品は、ＵＡＶのダクトに取り付けられる取り外し可能なまたは固定された収納ポッド内に保持される。これらの収納ポッドは空気の流れを妨害することがあり、ＵＡＶの周りの空気の流れの妨害により全体の効率の低下を引き起こすことがある。ＵＡＶに装備品およびペイロードを収納するための領域を大きくするための１つの方法は、内側に空間を備えるダクトを形成することであった。追加の収納部が必要であった場合は、円形のダクトの外径の寸法が広げられた。

ＵＡＶに装備品を収納するための改良されたシステムおよび方法は、ダクトの円周に沿って所定の間隔でダクトの内壁と外壁との間の追加の空間を形成する。これは、増大した収納能力を備えるダクト上に「角部」を形成する。ＵＡＶのダクト上のこれらの角部を用いることで、ポッドがＵＡＶのダクトの周縁に取り付けられるような他のシステム、あるいは追加の装備品をダクトの内側に収容するためにダクトの外径を増大させたような他のシステムよりも、ＵＡＶの燃料効率および推力が改善され得る。

さらに、装備品を収納するのに用いられるダクト上の領域は、ダクトの角部をファンの回転軸に実質的に平行な方向に高くすることでさらに増大させることができる。
ＵＡＶのダクトの周辺部に位置する角部においてダクトの内側に空間を形成し、また、ダクトの角部をファンの回転軸に平行な方向に高くすることで、ダクトの外周が円形である同等の積荷能力を備えるシステム、または、ＵＡＶのダクトの外側周縁に取り付けられる収納ポッドを備える同等の積荷能力を備えるシステムよりも、効率が増し、乱流が減少し、また、推力が改善される。

本開示の他の目的、利点、および新規な特徴、さらなる応用範囲は、添付図面とともに以下の詳細な説明において一部が説明され、また一部は、当業者が以下の開示を試験することにより明らかになり、また、本開示内容を実行することにより知ることができるであろう。さらに、この概要は単なる例示であり、特許請求の範囲に記載された発明の範囲を限定することを意図するものではないことを理解されたい。

以下に、好ましい実施形態が添付図面とともに説明される。様々な図面において、同様な参照符号は同様の要素を参照する。

実質的に四角の外形のダクトを備えるダクトファン付きＵＡＶの上面図の一例である。 実質的に四角の外形のダクトを備えるダクトファン付きＵＡＶの斜視図の一例である。 実質的に四角の外形のダクトを備えるダクトファン付きＵＡＶの側面図の一例である。 実質的に四角の外形のダクトを備えるダクトファン付きＵＡＶの側面図の一例であり、図１ｃの図から回転軸の周りに４５°回転させた状態を示す図である。 実質的に四角の外形を備えるＵＡＶのダクトの２つの断面のグラフの一例である。 実質的に四角の外形および高くされた角部を備えるダクトファン付きＵＡＶの上面図の一例である。 実質的に四角の外形および高くされた角部を備えるダクトファン付きＵＡＶの斜視図の一例である。 実質的に四角の外形および高くされた角部を備えるダクトファン付きＵＡＶの側面図の一例である。 実質的に四角の外形および高くされた角部を備えるダクトファン付きＵＡＶの側面図の一例であり、図２ｃから回転軸の周りに４５°回転させた状態を示す図である。 実質的に四角の外形および高くされた角部を備えるＵＡＶのダクトの２つの断面のグラフの一例である。

ダクトファン付きＵＡＶは、静止した空気動力学的ホバリング性能、三次元的な位置保持の正確性、低速飛行、正確な垂直離着陸（ＶＴＯＬ）、および安全な近接範囲の操作、に優れていることが知られている。ダクトファン航空機は、操作を自律的に行うために予めプログラムすることができ、または、人間の操作者により制御することができる。それゆえ、ダクトファン付き航空機は無人航空機とすることができる。

ＵＡＶは飛行および操作を制御するために、機内にアビオニクス機器を備えることができる。たとえば、アビオニクスは、方向、飛行、安定性補正、および他の飛行制御の要素を制御するものとすることができる。さらに、ＵＡＶは、ＵＡＶに割り当てられた任務を達成するために必要な様々な機器を機内に保持することができる。ＵＡＶは周囲の情報を得るために機内にセンサを備えることができ、また、ＵＡＶは目的地に運ばれるペイロードを備えることができる。ＵＡＶを駆動するためのＵＡＶエンジンは、燃料がＵＡＶに保持されることを必要とする。アビオニクス機器、センサ、ペイロード、および燃料はＵＡＶに収納される。

本発明は、所定の内側径のＵＡＶのダクトのための、ＵＡＶの収納を増加させるシステムおよび方法を説明する。ＵＡＶのダクトは、ダクトの周縁に沿って所定間隔でダクトの内壁と外壁との間の大きな領域を形成することにより、ダクトの内壁と外壁との間に追加の収納部を提供するように形状付けられる。

たとえば、図１ａに示されるように、ファンの回転軸に実質的に垂直な平面上のダクト３の断面は、実質的に四角形である。ＵＡＶ１のダクト３の内側直径は円形を保っており、ダクトの外側外形は四角形である。ダクトの内壁と外壁との間に形成される追加の内側空間は、ＵＡＶ１上に保持される装備品のための追加の収納部を提供する。図１ａ−１ｄに示されるダクト３は、実質的に四角の周縁を備える。しかし、ダクト３は他の数の角部５を備えることもできる。

図１ａ−１ｄのＵＡＶ１は、ファンエンジン７により駆動されるファンブレード９を備えるファンを有する。ファン固定子１１は、ファンエンジン７に対して静止させるようにダクト３を保持することができる。ダクト３はダクト角部５およびダクト側壁１３を備える。ダクト側壁１３はダクト角部５よりも薄くすることができる。ダクト角部５の増大した厚さは、ＵＡＶ１に収納する装備品のための追加の収納空間を提供する。

図１ｂはＵＡＶ１の側面を示す。着陸ギア２３はＵＡＶ１の基部に位置させることができ、着陸時のＵＡＶ１の安定性を増加させることができる。図１ｂに示すように、ダクト３の頂部表面は実質的に平坦な外形を備える。

図１ｃおよび１ｄはＵＡＶ１の側面図を示しており、１つの角部５から反対側の角部５までの長さ２と、１つのダクト側壁１３から反対側のダクト側壁１３までの長さ４との差を示している。

図１ａ−１ｄに示されるＵＡＶ１の長さ２は、長さ４よりも約２７％大きい。しかし、長さ２、４は変更することができ、長さ２は理想的には長さ４より１０％−４０％大きい長さの範囲である。長さ２、４の差は、ファンの回転軸に実質的に垂直な方向における、ＵＡＶ１上に位置する積荷空間の総量に影響を与え、また、航空機の全体の性能に影響を与える。従って、長さ２、４の差は、ＵＡＶの収納要求および望まれる航空機の性能仕様に基づいて変更することができる。

ダクト３の厚さは、基部６に向かって薄くなるようにすることがでｓきる。このテーパー形状は航空機の改良された性能を提供でき、図１ｅとともにさらに議論する。
研究室での試験において、ＵＡＶ１は、推力、燃料効率、および安定性について、ダクト角部５を備えない従来の円形ダクトで得られる値と同様の値を返した。いくつかの試験シナリオにおいて、ＵＡＶ１は実際に推力の改善を示した。これは、角部５を備える四角のダクトの内側に収納部を提供することは、空気の流れ特性およびＵＡＶ１のファンの効率に有意な悪影響を与えずに収納空間を提供できる、ということを意味する。たとえば、研究室における試験における１４インチ平方の寸法および約１８．６ポンドの重量を備えるＵＡＶ１において、実験データは、ホバリングさせたときに、ファンにより得られる推力が従来の円形のダクトを備えるＵＡＶよりも改善されたことを示した。前進飛行において、四角形のＵＡＶ１は従来の円形ダクトよりも僅かに低い性能を示した。

推力の増加は、ダクト角部５の厚い領域上を流れるときの、空気の流れのスピードの増加に貢献する。空気は、ダクト３のリップ部上で、ファンの吸気部に対して長い距離を移動するので、空気のスピードは増加し、角部５における圧力が減少する。これらの要素は、ＵＡＶ１の総合的な推力の改善に貢献する。

ダクト３の角部５における容量が増加するので、ＵＡＶ１の重心はダクト３の頂部表面に対して下方向に移動する。ＵＡＶ１の安定性を維持するために、この重心の移動は、回転軸に沿って上方にエンジン７を移動させることにより補正され、または、ダクト角部５内に収納される装備により重心移動を補正するために、ＵＡＶ１の他の部品を上方に移動させる。

図１ｅは、側壁１３および角部５におけるダクト３の断面を示している。角部５において増大したダクト３の厚さは、ＵＡＶ１上の電子機器およびその他の装備品のための追加の収納空間を提供する。空気は厚いダクト角部５上を通過するので、空気のスピードは、薄いダクト側壁１３上を通過する空気に比べて増加する。これは、ダクト角部５において、相対的に低い圧力であり且つ高い空気スピードの領域を形成し、ＵＡＶ１の空気の流れおよび推力の改善に貢献する。さらに、ダクト角部５とダクト側壁１３の両方の断面図は、翼（airfoil）の断面に類似した断面形状を示す。ダクト３の湾曲した部分における空気速度の増加による圧力の低下により、回転軸に垂直な方向において揚力を形成する。前進飛行において、ＵＡＶ１は、ダクトの角部５における厚さの増大による揚力の増加により利益を得る。ＵＡＶ１が前進飛行するときに、ＵＡＶ１の前進端の反対側に位置する角部５は、少なくとも部分的に上方への揚力を受ける。ＵＡＶ１の前進端の角部５は、少なくとも部分的に下方向の揚力を受ける。しかし、前進飛行するときＵＡＶ１は、ＵＡＶ１の前進端部上の角部５によるダクト角部の外側壁１７を打つ空気の流れにより、進行方向の反対側に空気抵抗を受け、また、ＵＡＶ１の前進端部の反対側の角部５のためのダクト角部の内側壁１５を打つ空気の流れによる小さな広がりにより、空気抵抗の側方の影響は、ＵＡＶ１の前進端部の角部５を流れる空気の流れによる負の揚力を低減し、ＵＡＶ１の前進端部の反対側の角部５の正の揚力を増加させる。それゆえ、正味の揚力は正になる。

図２ａを参照すると、ＵＡＶ１０は高くなった角部を備える。ダクト３１の断面は、ファンの回転軸に垂直な平面内において実質的に四角形である。代替的に、角部２５は回転軸からさらに離れて延びてもよく、回転軸に垂直な平面の方向に追加の収納空間を提供する。

ＵＡＶ１０のダクトの内径は円形でありダクト３１の外周は実質的に四角形であるので、ダクト３１の内壁と外壁との間の空間は、ＵＡＶ１０に収納空間を提供する。高くなった角部は、平坦なダクト３のＵＡＶ１の場合よりも大きな収納部を提供することができる。さらに、角部２５が回転軸から外側に延びる場合、回転軸に実質的に垂直な平面の方向における角部２５において、追加の収納空間が得られる。図２ａ−２ｄに示されるダクト３１は、実質的に四角の周縁を備える。しかし、ダクト３１は他の数の角部２５を備えるようにしてもよく、また、回転軸から外側に延びる角部２５を備えるようにしてもよい。

図２ａ−２ｄのＵＡＶ１０は、ファンブレード９を備えるファン、ファンエンジン７、固定子１１、および図１ａ−１ｄにおいて説明した機能を持つ着陸ギア２３を有する。
ダクト３１はダクト角部２５とダクト側壁１３とを有する。ダクト側壁１３はダクト角部２５より薄くすることができる。さらに、図２ｂに示されるように、角部２５は回転軸の方向に高くすることができる。回転軸方向のダクト３１の追加の高さは、ＵＡＶ１０上に装備品のための追加の収納部を提供する。回転軸に平行な平面内のダクト３１の形状は、推力およびファン効率にプラスの影響を与え、これについて図２ｃ−２ｄとともにさらに説明される。ダクト角部２５の増大した厚さは、ＵＡＶ１０上に収納される装備品のための追加の収納空間を提供する。

図２ｃおよび２ｄは、ＵＡＶの側面を示し、１つの角部２５から反対側の角部２５までの長さ１２の幅と、１つのダクト側壁１３から反対側のダクト側壁１３までの間の長さ１４との差を示している。

図２ａ−２ｄに示されるＵＡＶ１０の１つの角部２５から反対側の角部２５までの長さ１２は、１つのダクト側壁１３から反対側のダクト側壁１３までの長さ１４よりも約２５％大きい。しかし、長さ１２、１４の間の差は変更することができ、理想的には１０％−４０％の範囲とすることができる。長さ１２、１４の間の差は、ファンの回転軸に実質的に垂直な平面におけるＵＡＶ１０上に位置する積荷空間の総量に影響を与える。それゆえ、長さ１２、１４の差は、ＵＡＶ１０の収納要求および所望のファン性能仕様に基づいて変更できる。

図２ａ−２ｄに示されるＵＡＶ１０の長さ１８は、ダクト側壁１３の下点と基部１６との間の長さであり、角部２５の頂部と基部との間の長さ２０の方が約１７％大きい。長さ１８、２０の差は変更することができ、理想的には５％−３０％の範囲とすることができる。

長さ１２、１４の差は、ファンの回転軸に実質的に垂直な方向におけるＵＡＶ１０上に配置される積荷空間の総量に影響を与える。長さ１８、２０の差は、ファンの回転軸に実質的に平行な方向におけるＵＡＶ１０上に配置される積荷空間の総量に影響を与える。さらに、長さ１２、１４の差、および長さ１８、２０の差は、空気の流れ、推力、およびファンの効率に影響を与え、これについては図２ｅととのにさらに説明される。それゆえ、長さ１２、１４の差、および長さ１８、２０の差は、ＵＡＶ１０の収納要求および望まれるファンの性能仕様に基づいて変更することができる。

研究室内での試験において、ＵＡＶ１０は推力および燃料効率において、ダクト角部２５を備えない従来の円形ダクトで得られる値よりも改善された値を示した。これらの実験は、高くなった角部２５を備える四角のダクトの内側にＵＡＶ１０の収納部を設けることは、空気流特性およびＵＡＶ１０のファン効率に影響を及ぼす実質的な有意なマイナスの影響を与えることなく、ＵＡＶ１０に収納空間を提供することを可能にすることを示しており、また、ＵＡＶ１０の総合的な性能を改善し得ることを示している。たとえば、研究室内での試験において、約１４インチ平方の寸法、約１８．６ポンドの重量を備えるＵＡＶ１０において、実験データは、ＵＡＶ１０により得られた推力は、ホバーモードにおいて約８％改善され、前進飛行で約１６％改善されたことを示した。

増加した推力は、ダクト角部の厚い領域を流れる時の空気スピードの増加によるものである。空気は、ファンの吸気部に対して、ダクト３１の高くなった角部にわたって長い距離を進むので、空気の速度は増加して角部２５の圧力が減少する。また、空気は、低く薄いダクト側壁１３の短い距離を進むので、空気のスピードは角部２５の頂部における空気のスピードよりも相対的に小さく、圧力は角部２５の頂部における圧力よりも相対的に高くなる。これらの要因は、ＵＡＶ１０の総合的な推力の改善に貢献する。

ダクト３１の角部２５における収納能力の増加により、ＵＡＶ１０の重心は、角部２５の寸法および長さ１２、１４の差、および長さ１８、２０の差に応じて、ダクト側壁１３の頂部表面に対して上方に移動する。これは、ＵＡＶ１０が前進飛行するときに頂部に取り付けられるエンジン７の傾きモーメントが減少するので、総合的なＵＡＶ１０の安定性が改善するという利点を提供する。さらに、高くなった角部２５は、エンジン７のためのエンジン取り付け部を接続するための理想的な場所を提供し得る。エンジン７のためのエンジン取付部をエンジン７の基部に対して高く配置することは、エンジン７の基部に配置されたエンジン取り付け部を備えるエンジンの場合と比べて、エンジン７の傾きモーメントが減少するので安定性を増加させられ、エンジン取り付け部の寸法を小さくし得る。従って、ＵＡＶ１０の総合的な重量を小さくできる。さらに、図２ｅに関し、ダクトのテーパー付けられた形状は、前進飛行におけるＵＡＶ１上の揚力を形成する。

図２ｅは、ダクト３１の側壁１３および角部２５における断面を示している。角部２５におけるダクト３１の増大した厚さは、ＵＡＶ１０上に電子機器および他の装備品のために追加の収納空間を提供する。空気が厚く高くなったダクト角部２５を通過するので、空気のスピードは、薄いダクト側壁１３を通過する空気よりも増加する。これは、角部２５において相対的に低い圧力および高い空気速度を生じさせ、ＵＡＶ１０の空気の流れおよび推力の改善に貢献する。ダクト３１の角部２５と側壁１３との間の空気速度および圧力の差は、空気がファンの吸気部に到達するために進む距離が大きいので、ＵＡＶ１の角部２５と側壁１３との間の空気速度および圧力の差よりも大きい。

さらに、ダクト角部２５とダクト側壁１３の両方の断面図は、図１ｅに関して説明したように、翼（airfoil）の形状に類似した断面形状を示している。図１ｅとともに説明したように、ダクト角部２５上の増加した空気速度によるダクト３１の湾曲した部分上の小さな空気の圧力により、回転軸に垂直な方向に揚力が形成される。前進飛行において、ＵＡＶ１０は、ダクト角部２５における増加した厚さおよび増加した高さにより増加した揚力により利益を受ける。ＵＡＶ１０が前進飛行するとき、ＵＡＶ１０の前進端部の反対側に位置する角部２５は、少なくとも部分的に上方に揚力を受ける。ＵＡＶ１０の前進端部に位置する角部２５少なくとも部分的に下方向に揚力を受ける。しかし、ＵＡＶ１０が前進飛行するとき、ＵＡＶ１０の前進端部の角部２５のためにダクト角部の外壁１７を打つ空気の流によりＵＡＶ１０は進行方向と反対方向に空気抵抗を受け、ＵＡＶ１０の前進端部の反対側の角部２５のためにダクト角部の内側壁１５を打つ空気の流れによる小さな広がりのために、空気の流れの横方向の力は、ＵＡＶ１０の前進端部の角部２５による負の揚力を低減し、前進端部の反対側の角部２５の正の揚力を増加させる。それゆえ、正味の揚力は正になる。

図示された実施形態は例示であり、本発明の範囲を制限するものではないことを理解されたい。特許請求の範囲は明示しない限り説明した理論または素子に限定して解釈されるべきではない。それゆえ、添付の特許請求の範囲の範囲および趣旨およびその均等物の範囲内にあるあらゆる実施形態は、本発明として請求される。

Claims (3)

1. ダクトファン付き航空機のためのダクトであって、
   実質的に円形の断面を備える内側ダクト壁と、
   前記内側ダクト壁と協働的に係合して少なくとも部分的に囲まれた空間を形成する外側ダクト壁と、
   前記少なくとも部分的に囲まれた空間の複数の拡大領域と、を有し、前記複数の拡大領域はファンの回転軸に垂直な方向に延びる、ダクト。
2. 請求項１に記載のダクトであって、前記ダクトは４つの拡大領域を備え、
   前記４つの拡大領域は前記外側ダクト壁上に位置し、
   前記４つの拡大領域は前記外側ダクト壁の実質的に四角形状を形成する、ダクト。
3. 請求項１に記載のダクトでって、前記回転軸と前記複数の拡大領域における前記外側ダクト壁との間の距離が、前記回転軸と前記内側ダクト壁との間の距離よりも１０パーセントから４０パーセント大きい、ダクト。