JP2010137844A - ダクテッドファン無人航空システム用のハイブリッド動力 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直離着陸ダクテッドファン航空機用の推進系を提供すること。
【解決手段】この推進系は、内燃機関と、電動発電機を含む電動機と、電動機駆動装置と、電池とを備える。電動機駆動装置および電池は、航空機に組み込まれ、ダクテッドファン航空機に動力を供給する。電動機は、リングモータ発電機を備えることができる。動作の際には、こうした二重推進系は、重量節約の選択肢として働いて、ダクテッドファン無人航空機の２つの動力源を可能にする。
【選択図】図１

Description

政府の権利
本発明は、ＤＡＲＰＡによって授与された元請契約第ＭＤＡ９７２−０１−９−００１８号の下で政府支援によってなされたものである。政府は本発明のある一定の権利を有することができる。

本発明は、概して、無人航空機に関する。より詳細には、本発明は、無人ダクテッドファン垂直離着陸（ＶＴＯＬ）航空機で用いるハイブリッド動力に関する。

無人航空機（「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、ガスタービンまたは往復動内燃機関によって動力が与えられることが多い。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、有人航空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、擾乱、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。これらの航空機は、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。

ダクテッドファン垂直離着陸（ＶＴＯＬ）ＵＡＶは、従来の固定翼のＵＡＶと比べて特異な動作上の機能を提供する。こうした向上した機能は、ダクテッドファンＶＴＯＬ ＵＡＶがホバリングおよび凝視する能力に関連する。ホバリングおよび凝視の作戦行動では、ＵＡＶは、飛行中に停止することができ、ＵＡＶ上の任意のセンサを用いて、航空機を静止したままで対象の点を詳細に調査することができる。

典型的なミッションプロファイルは、ＵＡＶが特定の高度に上昇することで開始する。ＵＡＶは、特定の高度に達すると、特定の位置まで水平飛行し、その位置でホバリングする。水平飛行、ホバリング、および高度変更は、ミッション中に何度も起きることがある。ミッションプロファイルは、ＵＡＶが着陸位置まで水平飛行し、降下し、その位置で着陸することで完了する。ミッションプロファイルの異なる部分の期間では、異なる動力レベルが必要になる。現在では、ガスタービンエンジンまたは往復動内燃機関（ＩＣＥ）を用いて、ダクテッドファン推進式ＵＡＶの回転ファンを駆動する。ガスタービンおよびＩＣＥは、設計点と称されることが多い特定の動力および速度で、最大効率を生み出すように設計される。効率は、動力および速度が設計点とは異なるときに低下する。ミッションプロファイルを通して、エンジンは多くの異なる動力および速度条件で動作し、その結果プロファイルの特定の区間では最適効率より低くなる。エンジンが最適効率で動作しないときは、燃料消費量が高くなる。燃料消費量が高いと、ＵＡＶはミッションプロファイル全体を通してエンジンが設計点で動作する場合に可能な程度に遠くへまたは長く飛行することができない。

重量制限が原因で、ダクテッドファンＵＡＶは、典型的には、推進動力源を１つだけ有する。これは、上述の動力源のうち２つがＵＡＶ上にあると荷重が重くなりすぎ、その結果航空機の性能が低下するからである。しかし、１つの推進動力源がミッション中に動作しなくなるか、または低下した制御不能な状態で動作する場合は、飛行が制御不能になるかまたはそれどころか墜落が起きる恐れがある。

やはり重量による制約が原因で、ＩＣＥを有するダクテッドファンＵＡＶは、典型的には、電気始動機または発電機を有しない。その代わりに、搭載した電池から飛行用の電力が得られる。電池のレベルは、ミッション中にゆっくり消耗する。消耗すると飛行時間が制限され、したがって航空機の有益性を制限することがある。ＩＣＥは、始動できるようにクランクシャフトに加えられる非常に大きいトルクを必要とする。典型的な小型電動機は、高速であるが小さいトルクしか供給することができない。電気始動機なしでは、ダクテッドファンＵＡＶは、エンジンがＯＦＦの状態で遠隔位置に着陸し、次いで再び離陸を開始して、ミッションを再開するかまたは基地に戻ることができない。一般に「高所における停止および凝視」と称されるこうした能力は、映像および静止画像などのデータを操作者に伝達することが可能なまま、航空機が遠隔位置に飛行し着陸することが可能になるので望ましい。

本発明によれば、無人航空機用の二重推進系が提供される。この二重推進系は、ミッションプロファイル全体を通してダクテッドファン無人航空機が設計のピークで動作するようにその航空機に動力を供給できる、ハイブリッド動力をもたらす。

一実施形態では、ダクテッドファン航空機用の推進系が提供される。この推進系は、内燃機関および電動発電機を備える。電動機は、航空機の推進ファンのシュラウドとダクトの両方に組み込まれる。電動機は、電動機駆動装置および電池を備え、ダクテッドファンＵＡＶに動力を供給する。エンジンもダクテッドファンＵＡＶに動力を提供する。

他の実施形態では、無人航空機が、推進ファンを備え、この推進ファンは、エンジンおよび電動発電機によって駆動される。この推進ファンは第１の面を含み、電動機部分を構成する電動発電機は、その第１の面に組み込まれる。電動発電機の電動機部分は、内燃機関によって得られる推進力に加えて推進力を提供する。

第３の実施形態では、ダクテッドファン航空機が提供され、この航空機は、エンジン、複数のファン羽根、および電動発電機を備える。複数のファン羽根はそれぞれ、第１の端部および第２の端部を備え、第１の端部は、ファン羽根車に装着され、第２の端部は外周を含む。電動発電機は、複数のファン羽根の第２の端部のうち少なくとも１つの外周に組み込まれる。エンジンおよび電動発電機はそれぞれ、ダクテッドファン航空機に動力を供給する。

本明細書で以下の図面を参照して様々な実施形態を説明する。図面の特定の面は、簡潔にするために簡略化して示す。図面には代替形態および選択肢の全てを示しているわけではなく、したがって本発明は、図面の内容の範囲に限定されるものではない。

本発明の一実施形態によるハイブリッド動力ダクテッドファン無人航空機の斜視図である。 ハイブリッド動力ダクテッドファン無人航空機のブロック図である。 ダクテッドファン無人航空機に関する例示的なミッションプロファイルである。 図３ａのミッションプロファイルに必要な動力を示す。 図３ｂのミッションプロファイルに関する動力の例示的な使用を示す。 電動機がリングモータの設計を含む、例示的なハイブリッド動力ダクテッドファン無人航空機である。 従来の電動機がシャフトに取り付けられた、例示的なハイブリッド動力ダクテッドファン無人航空機である。 電動機がベルトまたはチェーン駆動装置によってシャフトに連結された、例示的なハイブリッド動力ダクテッドファン無人航空機である。

図１に、本発明の一実施形態によるダクテッドファン無人航空機（「ダクテッドファンＵＡＶ」）１００の斜視図を示す。
ＵＡＶ１００は、空気ダクト１１０と、空気ダクト１１０内に配置されたファン１２０とを含む。ファン１２０は、複数のファン羽根１２２を含む。ＵＡＶは、着陸装置１３０、複数の操縦羽根１４０、エンジンシリンダー１５０、エンジンフィルタ１６０、ペイロードポッド１７０、およびアビオニクスポッド１８０を有することができる。ペイロードポッド１７０は、複数のアンテナ１７２を備えることができる。一実施形態では、エンジンは、ガスタービン内燃機関でよい。他の実施形態では、エンジンは、往復動内燃機関（ＩＣＥ）でよい。電動機が存在してもよい。電動機は、ＵＡＶ１００のファン羽根１２２の回転を制御する。電動機は、シャフト、変速機、ベルト、またはチェーンでエンジンおよびファン１２０に連結されてよい。

ペイロードポッド１７０およびアビオニクスポッド１８０は、ＵＡＶ１００に取り付けることができる単なる例示的なポッドにすぎない。様々な目的で使用することができる様々なポッドを使用してよい。

図２は、ハイブリッドダクテッドファンＵＡＶ２００のブロック図である。ＵＡＶ２００は、内燃機関２１０および電動機２２０を含む二重推進系ならびに電動機駆動装置２２２および電池２２４を示す。第１のシャフト２３０が、エンジン２１０を電動機２２０に連結する。第２のシャフト２４０が電動機２２０をファン羽根車２５０に連結する。代替の実施形態では、シャフトを１つのみ用いることができ、その単一のシャフトにエンジン２１０および電動機２２０を取り付けることができる。この実施形態では、単一のシャフトは、電動機をファン羽根車２５０に連結することができる。ファン羽根車２５０の複数のファン羽根２５２は、ダクト２６０内で時計回りまたは反時計回りの方向に動く。エンジン２１０および電動機２２０は、ダクト２６０に装着される。空気がファン羽根２５２を越えて流れ、ファン羽根が時計回りまたは反時計回りの方向に動くときに、ファン羽根車２５０が回転する。空気流の方向を矢印２７０で示す。電池２２４および電動機駆動装置２２２をダクト２６０に装着することができ、電動機２２０に連結することができる。ＵＡＶ２００は着陸装置を含むこともできる。

電動機２２０はリングモータ発電機でよい。リングモータは、ファン羽根２５２の外周に構築される電気機械であり、ファン羽根車２５０を回転させるように構成された磁気素子および巻線を備える。磁気素子は、回転するファンの外周に組み込むことができ、巻線は、ファンダクトに組み込むことができる。

電動発電機は、電動機としても発電機としても使用することができる単一の電気機械でよく、電力を機械動力に変換することができる。電動発電機は、機械動力を電力に変換することができる。電動発電機は、ダクト２６０に組み込むことができる。電動発電機は、エンジン２１０の動力増大のための電動機として動作することができる。この実施形態では、電動機駆動装置２２２は、電池２２４からの直流電力を用い、その直流電力を可変周波数に変換し、電動発電機を電動機として始動および駆動する。発電機の動力が必要なときは、電動機駆動装置２２２は、正確な電圧および電流で電池２２４に再充電のための電力を供給すると共に、搭載された電力の必要性に備えて電力を供給する、整流器および電圧調整器として働くことができる。

あるいは、電動機２２０は電動発電機でなくてもよく、その代わりに電動機を単独で備えることができる。電動機２２０は、磁界中で回転するコイル状のワイヤを有する直流電動機でよい。この場合、コイル中の電流は、割りリングとの可動接点を作る２つのブラシを介して供給することができる。コイルは定常磁界にあり、導電ワイヤにかかる力はコイルにトルクを生み出す。トルクは、ファン羽根車２５０を回転させるために使用できる機械エネルギーを生み出す。

電池２２４は、限定されないが、リチウムポリマーまたはニッケル水素など、軽量で再充電可能なタイプでよい。エンジン２１０は、発電機を駆動して電池２２４を再充電することができるが、光起電力など、他の手段を用いることができる。電池２２４は、航空機の寸法およびペイロード容量に応じて最大数時間、電動機駆動装置に電力を供給することができる。複数の電池２２４をＵＡＶ２００で使用することができる。

動作の際には、エンジン２１０をＯＮにしてＵＡＶ２００に動力を供給することができる。電動機２２０を用いて、エンジン２１０を単に始動するだけでもよく、エンジン２１０を同時に始動させ動作させることもでき、または電動機２２０をエンジン２１０より時間的に遅れて始動させることもできる。あるいは、エンジン２１０がＯＮではないときに電動機２２０をＯＮにすることができる。電池２２４は、電動機駆動装置２２２を充電して、電気エネルギーを電動機２２０に送る。電動機２２０は、その電気エネルギーを用いて、機械エネルギーを生成する。電動機駆動装置２２２は、電動機２２０の回転速度を制御することができる。一般に、ブラシレス直流電動機の回転速度およびトルクは、それに加えられる電圧、電流、および周波数に比例する。したがって、電動機駆動装置２２２からの整流周波数、電圧、および電流によって、速度の制御を実現することができる。エンジン２１０および電動機２２０はそれぞれ、ＵＡＶ２００に動力を供給して、地面からＵＡＶを離陸させ、空中で所定の位置まで移動させることができる。

図２に示す二重推進系により、エンジン２１０がミッションのほぼ全体を通して設計点でまたはその近くで動作することが可能になり、その結果エンジン効率が最大になり、したがって、燃料消費量が低減される。動作の際に、より高い動力が必要なときは、電動機２２０が作動してエンジン動力を増大する。図３ａに、離陸、上昇、水平飛行、ホバリング、水平飛行、下降、および着陸を含む典型的なミッションプロファイルを示す。図３ａでは、垂直軸は、フィートで測定した、ＵＡＶ１００が飛行している高度を表す。水平軸は、経過した時間を分で表す。図３ａに示すように、離陸および上昇には非常に短い時間しかかからないが、上昇する高度は非常に高く、６０．９６ｍ（２００フィート）に達する。水平飛行およびホバリングは、図３ａの例では３５分間継続する。下降および着陸には非常に短い時間しかかからないが、高度の変化は大きく６０．９６ｍ（２００フィート）下降する。これは多数のミッションプロファイルの一例であり、高度および時間が大幅に変わることがある。

図３ｂに、図３ａの飛行パターンに必要な動力を示す。図３ｂは、図３ａの飛行パターンを通して経過した時間に対する、馬力で測定した動力を垂直軸に示す。飛行に必要な動力ライン３１０を図３ｂに示す。飛行に必要な動力ライン３１０によると、上昇、下降、およびホバリング中に必要な動力は水平飛行中に必要な動力より大きい。離陸および上昇の瞬間に約２．０５ｋＷ（２．７５馬力）から２．２４ｋＷ（３馬力）超、動力の上昇を見ることができる。ＵＡＶ１００が水平飛行高度に達すると、必要な動力は、２．０５ｋＷ（２．７５馬力）未満の値に急激に低下し、次いで、約１０分目までより緩やかな形で減少し続ける。次に、ＵＡＶ１００は、ＵＡＶがホバリングモードに変わるときに、必要な動力が少し増大し、次いで、２５分目までホバリング中に緩やかに減少し続け、ＵＡＶが水平飛行モードに切り替わるときに動力が急に低下する。ＵＡＶは、水平飛行モードではより少ない動力を使用し続け、ミッションプロファイルの下降の段階で必要な動力は少しだけ急に増大する。

図３ｃは、図３ａのミッションプロファイルに関するハイブリッド二重動力系統で利用する動力を示すグラフである。図３ｃには３本の線、３１０、３２０および３３０がある。ＩＣＥの動力ライン３２０に、設計点での連続した機能を可能にするために必要とされる、ＩＣＥからの一定の動力を示す。電動機の動力ライン３３０に、電動機の使用から生成される動力を示す。その動力は、ＩＣＥが発電機を駆動して電池を再充電させる期間はゼロより下に下がる。飛行に必要な動力ライン３１０は、図３ｂのプロファイルに必要な動力と同じである。図３ｃに示すように、エンジンは、設計点で最大効率を実現するように設計され、ミッションプロファイルのほとんどの期間でその設計点で動作するようになる。上昇、下降、およびホバリング中により大きい動力が必要になるときは、電動機がエンジンと並行して作動し、動力を追加供給して、より高い必要な全動力を実現する。必要な動力が小さいときは、電動機はＯＦＦになり、発電機として動作し、機械動力を電力に変換して、電池を再充電する。

効率を向上させることに加えて、電動機２２０は、エンジン２１０が故障した場合に推進に利用可能な第２の動力源を提供する。電動機２２０は、最低でも、ファン羽根車２５０が十分に速く回転することを可能にし、制御面（例えば羽根）に十分な空気流を供給して、制御された下降を有効にしかつ可能にする。クラッチシステムを用いて、焼き付いたエンジンを切り離すことができ、電動機がファンを回転させることを可能にする。クラッチは、遠心クラッチまたは電動機からエンジンを切り離す電気係合クラッチでよい。

電動機２２０が電動発電機である場合は、その電動発電機は電動機としても発電機としても動作することができる。上昇中など、より大きい動力が必要な場合は、電動機２２０は、エンジン２１０動力を増大するために電動機として動作することができる。必要な動力が小さいときは、電動機２２０は、発電機として動作することができ、搭載した負荷のために動力を供給し、電池を再充電する。さらに、地上のときは、電動発電機としての電動機２２０は、エンジンによって駆動し、ＵＡＶ２００の外部の他の動力の必要性に備えて補助発電機として動作することができる。

図４ａ〜図４ｃに、電動機２２０の代替の実施形態を示す。図４ａは、例示的なハイブリッド動力ダクテッドファンＵＡＶであり、電動機は、リングモータの設計を含む。ハイブリッドＵＡＶは、電池の動力または他の動力源を用いてエンジンを遠隔で始動させるために、エンジン始動機として働くことができる。この実施形態の場合は、電動機２２０はリングモータの設計を含むことができ、ファン羽根２５２の外周に配置された磁気素子４１０は、ダクト２６０近くに配置された巻線によって推進されることになる。リングモータの設計を用いることによって、電動機の直径が大きくなるが、電動機の体積は小さくなる。直径が大きいと、エンジン２１０を始動するのに必要なトルクが大きくなる。

追加の実施形態は、図４ｂに示すようにシャフト上でエンジン２１０の後ろに取り付けられた従来の電動機２２０を含むことができるか、または電動機２２０は、図４ｃに示すようにベルトまたはチェーン駆動装置４２０を介してシャフトに連結することができる。あるいは、図４ｂの電動機２２０は、シャフト上でエンジン２１０の前に取り付けられてもよい。

ＵＡＶ１００は、バックパックで搬送するように設計することができる。モジュール式軽量荷重運搬装備パック（「ＭＯＬＬＥ」）は陸軍および海兵隊のバックパックである。ＭＯＬＬＥパックは、完全一体型のモジュール式荷重運搬システムであり、バットパックを有する荷重運搬ベスト、支持ポーチを有する主リュックおよび外部フレームに装着された寝袋区画から構成される。荷重運搬容量を追加するために主リュックとは別個にまたはそれと組み合わせて使用できるパトロールパックもある。ＭＯＬＬＥは、ミッションの荷重処理需要に合うようにいくつかの異なる変形形態で構成することができる。荷重運搬ベストは、典型的には、着用されるものであり、弾倉および手榴弾のためのポケットを保持する。ＵＡＶ１００は好ましくはＭＯＬＬＥパック内に収まるように設計されるが、いくつかの他のバッグまたはバックパックに適合することもできる。ＵＡＶ１００は、軍事用途以外の用途で用いることができ、これらの用途の場合はパック内に収容されなくてよい。

ＵＡＶ１００の重さは約７．３ｋｇ（１６ポンド）〜８．２ｋｇ（１８ポンド）である。しかし、ＵＡＶ１００は、使用する材料およびＵＡＶの寸法に応じて、この値より重くても軽くてもよい。ＵＡＶは、地上３０．４８ｍ（１００フィート）から１５２．４ｍ（５００フィート）の高度で動作することができ、典型的には、ＵＡＶは、地上３．０４８ｍ（１０フィート）と１５２．４ｍ（５００フィート）の間で飛行するが、より高い高度で飛行することもできる。ＵＡＶは、前方および下方を見た昼間もしくは夜間映像または静止画像を提供することができる。ＵＡＶは、雨および穏やかな風を含む様々な天候条件で動作することができる。このシステムは、必要とする操作者訓練が最小限である。移動式地上局を用いて、航空機を案内し、カメラから画像を受信することができる。地上局は、ＵＡＶの飛行経路をプログラムするかまたはそれを手動で制御するために利用することができる。航空機は、昼間の動作のための電気光学カメラまたは夜間ミッションのための赤外線カメラを備えることもできる。

ＵＡＶ１００は、プログラムまたは偵察などの単純なミッションを実行しながら自立的に動作してもよく、乗務員の制御の下で動作してもよい。乗務員は、パイロットおよびセンサ操作者を含むことができる。パイロットは、Ｃバンド見通し線データリンク、またはＫｕバンド衛星リンク、あるいは他のデータリンクで指令を伝達する制御装置を用いて、航空機を操縦することができる。航空機は、Ｌ−３コミュニケーションズの衛星データリンクシステムを介して命令を受信することもできる。パイロットおよび他の乗組員は、航空機から受信した画像およびレーダーを用いてＵＡＶの制御に関する決定を行う。

図示の実施形態は単なる例にすぎず、本発明の範囲を限定するものとしてとらえるべきではないことを理解されたい。請求項は、その旨記述した場合を除いて、説明した順番または要素に限定されるものとして読むべきではない。したがって、以下の特許請求の範囲および趣旨に包含される全ての実施形態およびその等価物を本発明として特許請求する。

１００ ダクテッドファン無人航空機（ダクテッドファンＵＡＶ）
１１０ 空気ダクト
１２０ ファン
１２２ ファン羽根
１３０ 着陸装置
１４０ 操縦羽根
１５０ エンジンシリンダー
１６０ エンジンフィルタ
１７０ ペイロードポッド
１７２ アンテナ
１８０ アビオニクスポッド
２００ ハイブリッドダクテッドファンＵＡＶ
２１０ 内燃機関、エンジン
２２０ 電動機
２２２ 電動機駆動装置
２２４ 電池
２３０ 第１のシャフト
２４０ 第２のシャフト
２５０ ファン羽根車
２５２ ファン羽根
２６０ ダクト
２７０ 矢印
３１０ 飛行に必要な動力ライン
３２０ ＩＣＥの動力ライン
３３０ 電動機の動力ライン
４１０ 磁気素子

Claims (3)

1. エンジンと、
   ダクテッドファン航空機のファン羽根車および前記エンジンに連結された電動機であって、電動機駆動装置および電池を備える、電動機と
   を備える垂直離着陸ダクテッドファン航空機用の推進系であって、
   前記エンジンおよび前記電動機がそれぞれ、ダクテッドファン航空機に動力を供給する、推進系。
2. 前記電動機が電動発電機である、請求項１に記載の推進系。
3. 前記ダクテッドファン航空機が、ミッションプロファイルを完了し、前記ミッションプロファイルは、離陸、上昇、水平飛行、ホバリング、下降、および着陸を含む、請求項１に記載の推進系。

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