JP2010132273A - Ｕａｖダクテッドファンのスウィープおよび傾斜した固定子の設計 - Google Patents

Abstract

【課題】騒音を低減したダクテッドファンを提供すること。
【解決手段】空気ダクトおよびファンを有するダクテッドファン型飛翔体が説明される。空気ダクトは、外側リムおよび内側リムを含み、ファンは、空気ダクト内に配置され、ある方向に回転する。ファンはさらに、ハブと、ハブから延び、空気ダクトの外側リムに隣接して配置された複数の支柱と、ハブから延び、空気ダクトの内側リムに隣接して配置された複数の固定子と、ハブから延び、複数の支柱と複数の固定子との間に配置された複数の回転羽根とを含む。固定子は、ダクテッドファン型飛翔体の騒音低減の最適な量を生み出すように、ファンの回転平面で傾斜し、ファンの回転に垂直な平面でスウィープしている。
【選択図】図１

Description

政府の権利
米国政府は、米国陸軍によって授与された契約書番号第ＭＤＡ９７２−０１−００１８号に従って本発明の一定の権利を獲得した。

本発明は、概して、ダクテッドファン型飛翔体に関し、より詳細には、ダクテッドファン型飛翔体の固定子または出口案内翼（ＥＧＶ）の設計および方向に関する。

無人機（ＵＡＶ）または垂直離着陸（ＶＴＯＬ）機などのダクテッドファン型飛翔体は、少なくとも１つのダクテッドファンと、ファン羽根を駆動するファンエンジンを有することができる。ダクテッドファン型飛翔体は、複数の飛行条件で動作性能についてよく知られている。例えば、ダクテッドファン型飛翔体は、前方に飛行する能力があり、静止ホバリングの空気力学的性能についてよく知られている。

図１は、典型的なダクテッドファン型飛翔体１００の図形表示である。ダクテッドファン型飛翔体１００は空気ダクト１０２を含み、その空気ダクト１０２は、その中にファン１０４が配置されている。ダクテッドファン型飛翔体は、中心本体部１０６を有することができる。その中心本体部１０６は、カメラなど、飛翔体１００の他の構成要素を収容するハウジングであってよい。中心本体部１０６はまた、飛翔体１００に動力を供給するエンジンを収容することもできる。中心本体部１０６は、航空電子システムなど、飛翔体の動作のための追加の構成要素を収容することができる。

ダクテッドファン型飛翔体１００は、固定子組立体１０８と、飛翔体１００の推力の方向を変更するための複数の固定式および／または可動式羽根１１０とを含むこともできる。固定子組立体１０８は、ファン１０４によって生成される渦流およびトルクを低減するかまたは無くすように、空気ダクト１０２内でファン１０４のすぐ下に配置することができる。推力の方向を変更する羽根１１０は、固定子のさらに下流で、空気ダクト１０２内またはその外側に配置することができる。例えば、羽根１１０は、空気ダクト１０２の出口部分の少し下に配置してよい。

ダクテッドファン型飛翔体１００はさらに、中心本体部１０６を支持する支柱２０２を含むことができる。支柱２０２はまた、ＵＡＶの着陸装置２０３のための連結部も提供する。

複数の飛行条件で効果的かつ制御可能にするには、飛翔体１００などのダクテッドファン型飛翔体は、好ましくは、複数の飛行条件で、クリーンで付着した空気流をダクト縁部の周りに有することができる。さらに、ダクテッドファン型飛翔体は、好ましくは、効果的かつ制御可能にするために好都合な重心を有する。ダクトとファンの相互作用の音響シグネチャを最小限に抑えるためには、ファンへの流入速度のプロフィールが一様であることも望ましい。

さらに、ダクテッドファン型飛翔体は、動作の際に様々な構成要素を運ぶ必要がある場合がある。例えば、動作の際に、ダクテッドファン型飛翔体は、限定されないが、視覚センサ、赤外線センサ、カメラ、無線通信装置、慣性センサ装置、地上高度センサ装置、および／またはペイロードを運ぶ必要がある場合がある。ダクテッドファン型飛翔体は寸法が制限されるので、ダクテッドファン型飛翔体に様々な装置を格納するためには、ダクテッドファン型飛翔体に取り付けられた外部ポッド中にそれらの装置を配置することができる。これらのポッドは、（ｉ）重心をずらし、（ｉｉ）空気の吸込みおよび排出をブロックすることによってダクト内の空気流の特徴とネガティブな干渉を生み出し、（ｉｉｉ）ＵＡＶが前方に飛行するときにＵＡＶにさらなる空気抵抗を与えることがある。さらに、機器の追加の重量により、エンジン容量および燃料格納容量を追加する必要性を生じる恐れがある。ダクテッドファン型飛翔体の空気力学的要件を維持しながら、外部ポッドの必要を減らすかまたは無くすためにダクト縁部内の容積を増大することが有益な場合がある。

無人機（「ＵＡＶ」）は、カメラ、センサ、通信装置または他のペイロードを運ぶことができる、遠隔操縦されるかまたは自己操縦される航空機である。ＵＡＶは、制御され維持された水平飛行を行うことができ、ジェットまたはエンジンによって動力が与えられる。ＵＡＶは、遠隔制御することもでき、予めプログラムされた飛行計画またはより複雑な動的自動システムに基づいて、自律的に飛行することもできる。

ＵＡＶは、有人機の使用が適切でないかまたは実現不能である様々な用途にますます使われるようになっている。こうした用途には、監視、偵察、目標捕捉、データ収集、通信中継、おとり、攻撃、または補給のための飛行など、軍用の状況が含まれてよい。これらの無人機は、人間の監視者が危険な状態になるときの消火活動、国内の騒乱または犯罪現場の警察による監視、自然災害の調査サポートおよびハリケーン内部からのデータ収集などの科学的調査など、増加する民間での用途でも使用される。

現在では、多種多様のＵＡＶの形状、寸法、および構成が存在する。典型的には、これは、航空機のペイロード、すなわち所望の製品であり、航空機自体ではない。ペイロードとは、航空機が運ぶものである。ＵＡＶは、ペイロードの配達システムであり、特定の用途および一連の要件を満たすように開発される。上記で言及したように、ＵＡＶを使用できる多くの用途がある。新規の用途それぞれで、様々なタイプのペイロードを使用することができる。異なるペイロードは異なる処理能力を必要とすることもあり、異なる寸法を含むこともあるので、典型的には、様々なＵＡＶを各タイプのペイロードのために開発しなければならないか、または、典型的には、完全に新しい航空機を設計しなければならない。新しい航空機を設計するかまたは現行使用しているＵＡＶの変形形態を開発することは、時間の浪費になりコストがかかる。

ダクテッドファンでは、ファンがダクト中に空気を押し込むことによって生じる渦流（すなわち流れの回転）を除去するために固定子が用いられる。渦流を除去すると、流れの渦エネルギーを推力に変換することによってファンの空気力学的性能が改善される。小型にするために、固定子は、一般に、ダクト内でファンの下流に近接して配置される（図２参照）。これは、構造的な観点から最も効率的な実装形態である。不都合なことに、固定子がファンに近接すると、空気力学的にかなりの騒音を発生する。騒音は、固定子とファン羽根によって生み出される伴流との相互作用によって発生する。この騒音源は、これらの飛翔体のステルスの特徴、したがってそれらの上首尾の実装を妨げる重要な技術的問題の１つである。したがって、騒音を低減したダクテッドファンを提供することが望ましい。

本開示は、最適な騒音低減のための傾斜およびスウィープした固定子の設計を有するダクテッドファン型飛翔体を説明する。ダクテッドファン型飛翔体は、外側リムおよび内側リムを含む空気ダクトと、複数の回転羽根を有し、ある方向に回転する空気ダクト内に配置されたファンとを備える。ファンはさらに、ファンに配置されたハブと、ハブから延び、空気ダクトの外側リムに隣接して配置された複数の支柱と、ハブから延び、空気ダクトの内側リムに隣接して配置された複数の固定子と、ハブから延び、複数の支柱と複数の固定子との間に配置された複数の回転羽根とを含む。複数の固定子は、ファンの回転平面で傾斜し、ファンの回転に垂直な平面でスウィープする。

ダクテッドファン型飛翔体に固定子を配置する方法も説明する。その方法は、外側リムおよび内側リムを含む空気ダクトを提供するステップと、空気ダクト内に配置され、複数の回転羽根を有し、ある方向に回転するファンを提供するステップと、ファンに配置されたハブを提供するステップと、ハブから延び、空気ダクトの外側リムに隣接して配置された複数の支柱を提供するステップと、ハブから延び、空気ダクトの内側リムに隣接して配置された複数の固定子を提供するステップと、ハブから延び、複数の支柱と複数の固定子との間に配置された複数の回転羽根を提供するステップとを含む。この方法はさらに、ダクテッドファン型飛翔体によって発生する騒音を低減するように、ファンの回転平面で複数の固定子を傾斜させるステップと、ファンの回転に垂直な平面で複数の固定子をスウィープさせるステップとを含む。

添付の図面を適切なときに参照して以下の詳細な説明を読むことによって、これらのならびに他の態様および利点が当業者には明らかになるであろう。さらに、この発明の概要は単なる一例にすぎず、請求する本発明の範囲を限定するものではないことが理解される。

ここで、添付の図面に関連して好ましい実施形態を以下で説明する。様々な図で同様の参照番号は同様の要素を指す。

典型的なダクテッドファン型飛翔体の正面図である。 典型的なダクテッドファン型飛翔体の固定子の構成の斜視図である。 図３Ａは図２の固定子の構成の上面図である。図３Ｂは本出願のダクテッドファン型飛翔体の固定子の構成の上面図である。 図４Ａは本出願のダクテッドファン型飛翔体の固定子の構成を示す斜視図である。図４Ｂは図４Ａに示す空気ダクトの側面図である。 本出願の固定子の構成の、代替実施形態の斜視図である。 本出願の固定子の構成の、代替実施形態の側面図である。

ダクテッドファン型飛翔体は、空気力学的な優れた静止ホバリング性能、３次元の正確な位置保持、低速飛行、正確な垂直離着陸（「ＶＴＯＬ」）および近距離での安全な動作に関して知られている。ダクテッドファン型飛翔体は、自律的に動作を行うように予めプログラムしてもよく、人間の操作者によって制御してもよい。したがって、ダクテッドファン型飛翔体は、無人機（「ＵＡＶ」）でよい。

ＵＡＶは、ＵＡＶの飛行および動作を制御するために航空電子機器を搭載することができる。例えば、航空電子機器は、方角、飛行、安定性の補償、および飛行制御の他の面を制御することができる。さらに、ＵＡＶは、ＵＡＶが遂行するように割り当てられたミッションに合わせた様々な機器を搭載して運ぶことができる。ＵＡＶは、周囲の情報を得るためにセンサを搭載して運ぶこともでき、目標位置に降ろすペイロードを運ぶこともできる。ＵＡＶを駆動するＵＡＶのエンジンは、燃料をＵＡＶに搭載して運ぶ必要がある。航空電子機器、センサ、ペイロード、および燃料を、ＵＡＶに格納することができる。

複数の飛行条件で効果的かつ制御可能にするには、ダクテッドファン型飛翔体は、好ましくは、複数の飛行条件で、クリーンで付着した空気流をダクト縁部の周りに有することができる。さらに、ダクテッドファン型飛翔体は、好ましくは、効果的かつ制御可能にするために好都合な重心を有する。ダクトとファンの相互作用の音響シグネチャを最小限に抑えるためには、ファンへの流入速度のプロフィールが一様であることも望ましい。

本発明は、実施面では、最大の騒音低減を得るように、ＵＡＶの空気ダクト内に配置された固定子および／または支柱を傾斜させると共にスウィープさせることによって実装される。スウィープ（ｓｗｅｅｐ）は、全長に沿って変化する固定子前縁の軸方向の変位として定義される。同様に、傾斜（ｌｅａｎ）は、固定子の円周方向の変位として定義される。スウィープおよび傾斜の効果の理由は、それが吹上げ速度に位相変化を生じ、それにより騒音が引き起こされ、その結果、固定子の全長に沿った異なる位置からの騒音場への寄与を強力に相殺することである。

最適な騒音低減をもたらす傾斜とスウィープの特定の組合せがある。この最適な構成は、ファンの設計、ファンの速度、直径、ファン羽根の数、および固定羽根の数など、それぞれ特定の航空機の特徴にシステム依存する。

図２を参照すると、ダクテッドファン型飛翔体のファン１０４または回転子が示されている。ファン１０４は、矢印αで示した方向に回転する。ファン１０４は、空気ダクト１０２内に配置され、その空気ダクト１０２は、外側リム１０５および内側リム１０７を含む。ファンはハブ２００を含み、そのハブ２００は、いくつかのセグメントの取付け点として働く。それらのセグメントは、複数の支柱２０２、複数の固定子２０４、および複数のファンまたは回転羽根２０６を含むことができる。セグメントはそれぞれ、ハブ２００に溶接されてもよく、あるいは任意の適切な取付け手段によってハブ２００に取り付けてもよい。この実施形態では、５枚の回転羽根２０６および９枚の固定子２０４と共に４本の支柱が用いられている。しかし、他の数の支柱、回転羽根、および固定子を用いることができる。最適な数は、ファンの設計、ファンの速度、直径、ファン羽根の数、および固定羽根の数など、様々な要因に応じて変わる。ハブ２００上の回転羽根２０６と固定子２０４との間隔は、２．５４ｃｍ（１インチ）から１０．１６ｃｍ（４インチ）までの範囲でよい。

支柱２０２は、概して、空気ダクト１０２の外側リム１０５の近くでファン１０４の上流に近接して配置される。それらの支柱は、空気ダクトの外側リム１０５に取り付けることもできる。支柱は、中心本体部１０６を支持するように機能し、さらに着陸装置２０３に連結部を設ける。支柱２０２は、さらに、中心本体部１０６と空気ダクト１０２を相互に連結する。

小型化するために、固定子２０４は、概して、空気ダクト１０２の内側リム１０７の近くでファン１０４の下流に近接して配置される。固定子２０４は、ファンがダクト中に空気を押し込むことによって生じる渦流（すなわち流れの回転）を除去するように機能する。渦流を除去すると、流れの渦エネルギーを推力に変換することによってファンの空気力学的性能が改善される。固定子２０４は、例えば、中心本体部１０６と空気ダクト１０２を構造的に相互連結することによってシステムに構造的な完全性も与える。

ファン１０４は、回転羽根２０６を収容し、その回転羽根２０６は、空気ダクト１０２に関して非常に適切に中心合わせする必要がある。回転羽根２０６は、概して、支柱２０２と固定子２０４との間に配置される。回転子は推力を供給するように機能し、そのため飛翔体は浮上、ホバリング、巡航などをすることができる。動力装置またはエンジン（図示せず）は、空気を回転させダクトを通す必要がある。

従来のＵＡＶでは、図３Ａに示すように、固定子２０４は、径方向に直線の構成で配置される。本出願の設計では、固定子２０４は、図３Ｂに示すファンの回転平面で傾斜（回転）している。固定子を傾斜させると、回転羽根からの伴流が固定子前縁に沿うのと同時に固定子に当たるのが防止される。固定子が傾斜するときは、伴流が連続して固定子に当たり、したがって騒音が低減される。効果的にするには、固定子２０４の傾斜は、矢印αで示したファンの回転方向にすべきである。ある方向は騒音を低減するが、反対の方向は騒音を増大するので、回転方向は重要である。最適な回転角度は、特定のＵＡＶそれぞれに応じて変わるが、概して、騒音の低減を最大にするのは２０度程度である。

他の実施形態では、固定子２０４の傾斜は、固定子２０４を湾曲させることによって実装することができる。製造プロセスが単純なので、固定子は図３Ａに示すように概して直線である。しかし、騒音を低減する他の形は、図５に示すように固定子２０４を曲げて、湾曲した固定子２０４’を作ることによるものである。湾曲した固定子２０４’は、１０度から３０度の範囲のある角度で湾曲してよい。

固定子２０４はまた、図４Ａおよび図４Ｂに示すようにファンの回転に垂直な平面でスウィープする。固定子は、回転羽根２０６との干渉を防止するように下流に角度βだけスウィープする。こうした構成を用いた騒音の低減は、傾斜と同様にして働く。図４Ｂは、従来の固定子と本出願の固定子２０４との違いを示す。固定子２０４は、０度から２０度の範囲の任意の角度βだけスウィープしてよい。最適なスウィープ角度は、特定のＵＡＶそれぞれに応じて変わるが、概して、約２０度の角度が騒音を最大限低減する。

他の実施形態では、固定子２０４は、図６に示すように、固定子のうちハブに連結する方の端部をハブ２００の下流に移動することによってスウィープすることができる。そのとき、固定子２０４は、０度から２０度の範囲のある角度で上流にスウィープする。

さらに、飛翔体の組立てを簡単にするために、複数の固定子２０４、ハブ２００、および空気ダクト１０２を単一の構成要素として製造して、ＵＡＶに組み込むことができ、組み立てる必要がある１組の個別の固定子を有する場合と比較して、しっかりとした構造となる。

明細書で詳細に本出願の特定の特徴および実施形態を説明してきたが、この出願が以下の特許請求の範囲および精神に包含される全ての改変形態および強化形態を含むことを理解されたい。

１００ ダクテッドファン型飛翔体
１０２ 空気ダクト
１０４ ファン
１０５ 外側リム
１０６ 中心本体部
１０７ 内側リム
１０８ 固定子組立体
１１０ 固定式および／または可動式羽根
２００ ハブ
２０２ 支柱
２０３ 着陸装置
２０４ 固定子
２０４’ 固定子
２０６ 回転羽根

Claims (3)

1. 外側リムおよび内側リムを含む空気ダクトと、
   前記空気ダクト内に配置されたファンであって、複数の回転羽根を有し、ある方向に回転するファンと、
   前記ファンに配置されたハブと、
   前記ハブから延び、前記空気ダクトの前記外側リムに隣接して配置された複数の支柱と、
   前記ハブから延び、前記空気ダクトの前記内側リムに隣接して配置された複数の固定子と、
   前記ハブから延び、前記複数の支柱と前記複数の固定子との間に配置された複数の回転羽根と
   を備えるダクテッドファン型飛翔体であって、
   前記複数の固定子が、ファンの回転面で傾斜し、ファンの回転に垂直な面でスウィープする、ダクテッドファン型飛翔体。
2. 前記複数の固定子が、ファンの回転方向にスウィープする、請求項１に記載のダクテッドファン型飛翔体。
3. 前記複数の固定子、前記ハブ、および前記空気ダクトが単一の構成要素として製造される、請求項１に記載のダクテッドファン型飛翔体。

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