JP2010149662A - 空中浮上体 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で操作性が良く安全な空中浮上体を提供する。
【解決手段】外縁部が下方に湾曲した笠形バケット１の軸心部にモーターベース４に固着して上部モータ５、上部プロペラファン６、下部モータ７、下部プロペラファン８を備え、上部モータ５、下部モータ７の周囲にはガイドベン９、ダクト１０を配し、上部プロペラファン６と下部プロペラファン８を上部モータ５と下部モータ７で回転させることによりダクト１０内に発生する垂直流をガイドベン９で水平放射流に変向して笠形バケット１の外周部から下方に噴出し、その反力により機体を浮上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空中を飛行する飛行体に関し、特に空中に浮上し静止することができる空中浮上体に関する。

従来、飛行体として一般的に飛行機とヘリコプターが用いられている。飛行機は、固定翼をもち、推進装置で機体が前進することにより発生する相対的な気流によって固定翼が揚力を得て、機体を浮上させる。飛行機は高速で空中を移動する手段として優秀であるが、離着陸するために長大な滑走路が必要であり、空中で静止することができないため、手軽な飛行や空中作業等には向いていない。

ヘリコプターは、大口径のローター翼を回転させることによりローター翼に相対的な気流を受けて揚力を得る。ローター翼が一基の場合、ローター翼の回転によるローター翼の垂直軸まわりのトルクをうち消すため、尾部側面に小ローターを設けている。ヘリコプターはある程度の広さのヘリポートがあれば、垂直に浮上及び着陸することができ、飛行機ほどではないが比較的高速で移動することもできる。また、空中で静止(ホバリング)して、人や荷物の吊上げ/吊降ろし作業ができる。しかし、大型のローター翼を高速回転させるためそのモーメントが大きく、複雑な制御が必要となるので、機構が大型、複雑になり操縦に熟練したパイロットが必要になる。また、半径の大きいローター翼がむき出しであるため、外部の構造物や立ち木等にローターを接触させる重大事故が絶えない。

他のホバリング方式の例として、垂直離着陸（ＶＴＯＬ）飛行機がある。ジェットエンジン等の推進用噴出流の吹き出し方向が可変になっており、離着陸時は噴出流を下方に噴出して浮上力を得、水平飛行時は噴出流を水平に噴出して推進力を得て飛行する。噴出流方向と推進力を調整してヘリコプターと同様にホバリングすることもできるが、その制御が極めて複雑であるため、軍事用等の特殊な用途に使用が限定されている。

空中に静止して比較的軽量の荷物を吊上げ吊降ろししたり、小人数の人間を搭載して限られたスペースで離着陸できる飛行体として、たとえば特許文献１にホバリング可能飛行体が開示されている。図４に示す通り、このホバリング可能飛行体は、飛行機の主翼と同形の断面を持つ環状の翼で軸部が欠けた中空円盤翼と、これに中心部から放射状に翼に気流を送風する送風機からなる。送風機は、プロペラをエンジン等の原動機で駆動して送風する方式や、ジェットエンジン等で発生させた噴出流を導入する方式が用いられる。図では、１機の送風機から発生する下降気流を変向板で放射状に変向させている。駆動体から送出され翼を通過する気流が、翼に揚力を生じさせ飛行体を浮上させる。翼には、気流を整える分流板や、風切音を軽減するマフラー等が設置されている。

特許文献１記載のホバリング可能飛行体は、空中に静止しての作業や、狭い市街地等での比較的近距離の移動に適しているとされている。しかし、翼が気流を受けて揚力を得る構造上、浮上に必要な揚力を得るために翼の長さを確保しなければならないため、円盤状の翼の半径が大きくなり、機体が大型化する問題がある。また、放射状の気流は翼の径が大きくなるに従って流速が低下し翼の外周部で揚力を確保することが難しい。さらに、翼の形状が水平移動に向いておらず、翼を通過する気流から揚力と水平方向の推進力を得るためには非常に複雑な制御が必要になる。
特開２００５−１１９６２２号公報

そこで、本発明は、小型で操作性が良く安全な空中浮上体を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の空中浮上体は周縁部が下方に湾曲した椀形の笠体、１対の送風機、気流変向機構で構成され、送風機が駆動機でプロペラを回転させて送風するものであって、笠体の軸心部で笠体を貫通し笠体上方から取り込んだ空気を笠体の下方に送出する第１送風機と、第１送風機の同軸下方に位置し上昇流を発生させる第２送風機からなり、第１送風機と第２送風機の回転方向が逆方向であって、気流変向機構が第１送風機と第２送風機の間に挿入されており、第１送風機から送出される下降風と第２送風機から送出される上昇風を気流変向機構が水平全周方向に変向させて笠体の下面に送出し、さらに笠体の下面で湾曲面に沿って変向させて下方への噴出流とし、噴出流の反力として浮上力を発生させて空中を飛行することを特徴とする。

気流変向機構は、たとえば平板の上面及び下面の同軸上にそれぞれ錐面を持つ形態とし、上昇流および下降流を錐面で受けて水平方向に変向させる形態とすればよい。また、重心が浮上力の中心より下方にある形態や、重心移動装置を備え重心を移動させて機体を傾けることにより水平方向に移動する形態や、笠体の下面に流入する水平全周方向気流を遮風装置で不均衡にすることにより機体を水平方向に移動させる形態や、笠体の周にフラッパーなどを組み込んで婉曲面噴出流の向きを部分的に変えることにより水平移動させる形態とすることができる。また、送風機を駆動する駆動機は、機上に搭載した電池から供給される電力により駆動することができる。

本発明の空中浮上体は、２機の送風機で発生する気流を笠体周縁部で下方に噴出させ、その反力として浮上力を得て浮上・飛行する。送風機の出力を増減し、噴出流を調整することで機体の総重量と浮上力のバランスを制御して浮上、降下する。総重量と浮上力を均衡させることで、空中でホバリングすることも可能である。

本発明は、２機の送風機を機体の中心軸に沿って点対称に配しているため、駆動体がプロペラを回転させる際に発生する軸周りのモーメントが相殺される。そのため、機体に不要なモーメントがかからず、制御が非常に容易である。また、浮上力の中心より機体の重心を低い位置に設定すると、飛行中に機体が傾いたときに自律的に姿勢を回復するため、安定した飛行が可能になる。

以上のように、本発明の空中浮上体では、小型のプロペラを駆動体で回転させることで飛行の動力を得るため、回転体が外部に接触する恐れがなく、機構上安全性が高い。また、軸周りのモーメントなど浮上力以外の作用が発生しないため、制御が容易である。機上の電池や発電機を搭載して、機上で供給される電力により送風機を駆動するようにすれば、地上と動力供給線を繋いでおく必要がないので、機体の浮上や移動の自由度が増し、また無線操縦や、機上の操縦者による制御が可能になる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は本実施例の空中浮上体の中心を通る面で切断した断面図である。笠形バケット１の軸心部に駆動ユニット２が接続金具３を介してとりつけられている。図２は笠形バケット１の断面図である。笠形バケット１は、周縁部が下方に湾曲した回転体図形をした円盤体であり、中心部に孔が設けられている。孔の円周部に適当な間隔で取付金具３が固設されている。なお、笠型バケット１の周縁部の湾曲部には、進行方向を選択することができるように適当な位置にフラッパー１３を設けてもよい。

図３は駆動ユニット２の拡大断面図である。モータベース４の上面に上部モータ５と上部プロペラファン６が設置され、下面に下部モータ７と下部プロペラファン８が設置されている。上部モータ５、上部プロペラファン６と、下部モータ７、下部プロペラファン８は同一規格のものが用いられ、それぞれモータの底部をモータベースに固着して上部モータ５は上向き、下部モータ７は下向きに点対称に設置されている。

上部プロペラファン６は、順方向の回転で下方に送風するように設置され、下部プロペラファン８は順方向の回転で上方に送風するように配されている。両プロペラファンの順方向の回転はモータに対して同方向であり、機体からみるとそれぞれ逆方向に回転する。たとえば上部プロペラファン６が機体の上方から見て右回転であれば、下部プロペラファン８は機体の上方から見て左回転で回転するように組み立てられる。

上部モータ５および下部モータ７の周囲にはそれぞれモータベース４を底面とする錐体形のガイドベン９が設けられている。ガイドベン９は、上部プロペラファン６から送風される下降流と下部プロペラファン８から送風される上昇流を、それぞれ中心から外縁側に放射状に流れる、周方向にほぼ均等な水平風に変向させる。

上部モータ５および下部モータ７の周囲にはダクト１０が設けられている。ダクト１０は、プロペラファンの回転により発生した気流をガイドベン９に導くようになっている。ダクト１０とモータベース４の間には隙間が開いていて、ガイドベン９で変向された水平流が笠形バケット１の下面に向けて噴出するようになっている。
また、モータベース４には取付金具３に接続するための取付ボルト１１およびスペーサ１２が配されている。さらに、図示しない電池、制御装置、重心移動装置、操縦装置等が備えられる。大型の機体の場合には操縦席、客室等も備えられる。

図４は、本実施例の空中浮上体が浮上・飛行するメカニズムを説明する断面図である。
本実施例の空中浮上体は、モータがプロペラファンを回転して作る気流により飛行する。上部モータ５が上部プロペラファン６を回転することにより、笠形バケット１の上方から空気を取り込み、ダクト１０内に下降流を形成する。下降流はガイドベン９に達して水平流に変向され、モータベース４の上面に中心から外周に向かう放射状の遠心気流になる。下部プロペラファン８から発生する上昇流も、同様にモータベース４の下面に放射状の遠心気流を形成する。

なお、ダクト１０とモータベース４の間に開いた隙間から噴出する水平方向気流は、周辺から気流を誘い込んで随伴流とし、気流量を増大して笠形バケット１の下面を沿流するようになる。また、笠形バケット１の軸心部に形成された開口の縁と上部モータ５の周囲に設けられるダクト１０との間にも開口が設けられている。この開口も、上部プロペラファン６により形成される水平流に対する随伴流を生成して、遠心気流に巻き込まれて気流量を増大させる効果を有する。

モータベース４の上面、下面に形成された遠心気流はモータベース４から笠形バケット１の下面を沿流して、湾曲部で下降流に変向され、笠形バケット１の端部から下方に噴出する。この下方への噴出流の反力として機体が浮上力を得る。
モータの出力を増大させて気流の流速を上昇させ、得られる浮上力が機体の総重量を上回ると、機体は離陸、上昇する。モータの出力を抑え、浮上力を機体の重量より小さくすると、機体が下降する。また、浮上力を機体の重量と均衡させると、空中で静止することができる。

水平移動する際は、重心移動装置により移動したい方向に重心を移動すると、機体が傾いて気流が斜方に噴出されるようになり、それにより得られる水平分力により浮上力を確保しながら水平に移動できる。重心移動装置は図示しないが、たとえば重量物とアクチュエータからなり、静止時は機体の軸心に位置する重量物をアクチュエータで任意の方向に移動することで機体の重心を偏心させるものである。

水平移動する方法として、重心移動装置を備える他に、モータベース４に可動の整流翼を備えてもよいし、ガイドベン９の軸心をずらして水平流の流量を変化させ、機体から下方への噴出流の流量を変化させることで水平分力を得ることもできる。
また、駆動気流の風路中に障害物を介装した遮風装置を備えて、円周上の障害物の位置を通る風量を他と比べて減少させることにより、推進力に不均衡をもたらして、機体を水平方向に移動させることもできる。障害物は、風を妨げるものであれば有効で、たとえば、平板を軸の周りに回動させて風を遮ぎる面積を変化させるものであってもよい。また、風路の脇から遮風板を挿入する機構であってもよい。障害物は、たとえばダクト１０とモータベース４の間に開いた隙間の適宜の位置に設けることができる。

あるいは、図２に点線で表示したように、笠型バケット１の周縁部の湾曲部における適当な位置に、フラッパー１３を設けてもよい。フラッパー１３の開き具合で笠型バケット１の内面で変向する気流の噴出方向や噴出速度を調整して、円盤体を水平移動させることができる。フラッパー１３は、機体の水平進行方向を適宜選択することができるように、適当な数を適当な位置に配置される。

本実施例の空中浮上体は、翼による揚力でなく、噴出流の反力を利用して飛行するため、翼の長さに関わらずモータの出力のみで浮上力を得ることができる。したがって、翼の半径を大きくとらなくても十分な浮上力を得ることができるため、機構上、機体を大幅に小型化することができる。

また、同規格のモータおよびプロペラファンを２機備え、同軸上に点対称に配置しているため、プロペラファンの回転によって機体に発生する軸周りのモーメントが上下プロペラファンの対称的な回転により打ち消される。また、上部プロペラファン６からの下降流により発生する機体を降下させる力が、下部プロペラファン８からの上昇流により打ち消される。したがって、本実施例の空中浮上体は、飛行時に笠形バケット１に生じる浮上力以外の作用が発生しないため、制御が非常に容易である。また、モーメントを打ち消すために小型ロータなどを備える必要がないため、機体が大型化、複雑化することもない。

なお、上部モータ５と下部モータ７の出力は常に等しくして運転することが好ましい。ただし、方向転換などのため機体を回転させたいときは、上下モータの出力を変化させ、機体に生じるモーメントが異なるようにすることにより機体を回転させることができる。

なお、図示していないが、下部モータおよび制御装置、電池、客室などの重量構成物を機体の下方に配置して、機体の重心を浮上力の合力の中心より下方にすることにより、機体が傾いたときに自己復元性を確保することができる。機体の水平移動時も、機体の重心を中心に戻すと傾いた機体が自律的に水平姿勢に戻るため安全性が高く、操縦が極めて容易である。

本実施例の空中浮上体では、回転部であるプロペラファンが比較的小型であり、外部に大きく露出しないため、巻き込み事故を起こす恐れが少ない。空気の取入口に安全ネットを取付け、異物との接触を防止する構造とすると、さらに安全性が向上する。

直径１ｍ位までの機体では、リチウム・ポリマー電池を動力源として、操縦はリモートコントロールと、地上と機体を繋ぐ操作ラインを併用して、設定した高度からカメラ、ビデオによる地上の俯瞰撮影をしたり、取得した映像を基地局に送信したりすることができる。

直径３ｍ位までの機体では、リチウム・イオン電池を動力源として、少し広い地域を全地球測位システム(ＧＰＳ)を利用した自動操縦により移動し、対象とする現場をカメラ、ビデオによる地上の俯瞰撮影や、映像を基地局に送信するなどができる。
さらに、大型の機体では、リチウム・イオン電池を動力源として、操縦士による有人運転、あるいはＧＰＳを利用した自動操縦によって、アクセスが難しい湿地帯や山岳地帯等の現場に対して、人員、資材の搬入搬出や、伐採した木材を集積地に運搬、またクレーンが持ち込めない建設現場での資材の吊上げ吊降ろし等の建設作業ができる。

なお、本実施例では気流の生成に電池駆動のモータを用いたが、ジェットエンジン等を用いることができることは言うまでもない。
以上のように、本実施例の空中浮上体は、限られた離陸スペースから垂直に離陸し、空中を自由に移動できる空中浮上体であって、機体が小型、簡素で、安全性、操縦性が極めて高い。

本発明は、空中での撮影や、農薬散布、資材の吊上げ吊降ろし、物資や人間の輸送に利用することができる。
たとえば、小型の機体では、リモートコントロールにより、現場上空から地上の俯瞰撮影をして映像を基地局に送信することができる。中型の機体では、ＧＰＳを利用した自動操縦により移動して、地上の俯瞰撮影をしたりすることができる。さらに大型の機体では、操縦士による有人運転、遠隔自動操縦などによって、アクセスが難しい現場に対して、人員、資材の搬入搬出や、伐採した木材を集積地に運搬したり、またクレーンが持ち込めない建設現場での資材の吊上げ吊降ろし等の建設作業ができる。

本発明の１実施例における空中浮上体の概略断面図である。 本実施例における笠形バケットの断面図である。 本実施例における駆動ユニットの断面図である。 本実施例の空中浮上体が浮上・飛行するメカニズムを説明する断面図である。 従来型の空中浮上体の概念図である。

符号の説明

１ 笠形バケット
２ 駆動ユニット
３ 接続金具
４ モータベース
５ 上部モータ
６ 上部プロペラファン
７ 下部モータ
８ 下部プロペラファン
９ ガイドベン
１０ ダクト
１１ 取付ボルト
１２ スペーサ
１３ フラッパー

Claims (7)

1. 周縁部が下方に湾曲した椀形の笠体、１対の送風機、気流変向機構で構成され、前記送風機が駆動機でプロペラを回転させて送風するものであって、前記笠体の軸心部で該笠体を貫通し該笠体上方から取り込んだ空気を下方に送出して下降風とする第１送風機と、該第１送風機の同軸下方に位置し上昇流を発生させる第２送風機からなり、該第１送風機と該第２送風機の回転方向が逆方向であって、前記気流変向機構が該第１送風機と該第２送風機の間に挿入されており、該第１送風機から送出される下降風と該第２送風機から送出される上昇風を前記気流変向機構が水平全周方向に変向させて前記笠体の下面に送出し、さらに該笠体の下面で湾曲面に沿って変向させて下方への噴出流とし、該噴出流の反力として浮上力を発生させて空中を飛行することを特徴とする空中浮上体。
2. 前記気流変向機構が平板の上面及び下面の同軸上にそれぞれ錐面を持つ形態であり、該錐面で前記第１送風機から送出される下降風と前記第２送風機から送出される上昇風を受けて水平全周方向に変向させることを特徴とする請求項１に記載の空中浮上体。
3. 前記空中浮上体全体の重心が浮上力の中心より下方にあることを特徴とする請求項１または２に記載の空中浮上体。
4. さらに、重心移動装置を備え、重心を移動させて機体を傾けることにより水平方向に移動す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空中浮上体。
5. さらに、前記送風機により生成される気流が前記気流変向機構により水平全周方向に変向されて前記笠体の下面に送出される間の気流経路に、１個以上の遮風装置を設けて、該遮風装置で所定位置の気流を妨げることにより、前記機体を水平方向に移動させ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空中浮上体。
6. 前記笠体は、湾曲面の位置に前記湾曲角を部分的に変更する部材を設けて、該部材を操作して該笠体の周方向における前記噴出流の噴出方向を調整することにより適宜の方向に水平移動させ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空中浮上体。
7. 前記駆動機は、機上に搭載した電池により駆動されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の空中浮上体。

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