JP2011011614A - 平行回転翼を利用した流体機械 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】鳥の羽ばたき工程を複数の要素翼に置き換え、左右軸の周りに回転する円筒の稜線上に配置した。その際、各要素翼は、歯車機構により、公転しながら同じ角度自転して戻され、基本的に平行回転する。さらに、各要素翼は周期的な遥動を加えられて、失速を防きながら揚力と推力を発生する。この原理の最大のネックは回転翼によって惹起されるピッチング回転の制御の難しさであった。その解決策として、回転翼の中央に、前後に貫流する空気流を偏向させる静止翼を設けた。回転翼の駆動反力は水平尾翼の外側にもうけた外側翼によってバランスを取らせた。最近の著しく進歩した制御技術を用いれば、敢えてやや複雑なままに鳥を模擬したこの飛行機は、鳥の持つ様々な飛行を可能にする。
【選択図】図1
Description
また気流を吹き降ろすヘリコプターではローターコーンの下に大きな静止翼を張り出すことは吹き下し流を堰き止めるので考えられる設計ではない。
・ 工程中に、翼を付ける肩と腕と手の関節を利用して翼を捩じることにより、それぞれの部分に必要な迎角を得ている。図49を見よ。
・ 工程中に、空気力による羽根の撓みと捻れを利用して、風切り羽根の隙間を広げて空気を逃がし、あるいは閉じて流れを変えている。図53を見よ。
・ 鳥を前方から見た翼の展開形状を跳ね上げ工程では上凸にして空気を外に逃がし、打ち下し工程では空気を押し下げて翼上面に巻き込む。図54を見よ。
・ 跳ね上げ工程の速度と打ち下し工程の速度を変えて、上向きと下向きとで発生する空気力を変えている。ただし、必ずしも、常に、打ち下し速度を跳ね上げ速度より速くしているわけではない。
・ 鳥は、跳ね上げ用と打ち下し用で別の筋肉を使っているが、それらの筋肉の剛性の違いを利用して、翼の梁としての撓み形状を変えている。図54、図55を見よ。
・ 軟構造を利用して手や指の曲がりや捻れのタイミングを遅らせて空気力の急変を防止している。
・ 太陽歯車軸の回転角を調節することで全要素翼の取付け角γを同時に同量、同方向に増減できる。
・ 偏心-遥動変換機構と遊星歯車を用いて差動させる遥動付加機構によって偏心リングの偏心量eを変えることによって、打ち下し工程と跳ね上げ工程で、互いに反対方向に要素翼の遥動角δを増減できる。
・ 回転翼の回転速度を変えることにより、要素翼に入る空気の流入角度を調節できる。
・ 前側の要素翼の後流れによって、後側の要素翼に流入する流れが影響を受ける。この影響は中央静止翼により流れを偏向させることにより調節できる。
要素翼を構造解析上は扁平管のトルクチューブとし、その内側の結合部品である要素翼軸を翼ピニオンに回動不能に勘合し、要素翼を当て、翼ピニオンの内側から通しボルトで貫通させ、エンドケースのメネジで引き付けて要素翼軸系を一体に結合させた構造とした。そのために設計上、以下の事項を配慮して、軽量で高い要素翼剛性と高い結合剛性を持った要素翼ケージ構造を設計した。
・ 翼ピニオンの外側端には内歯歯形を形成し、要素翼軸の内側端に形成した外歯歯形と回動不能にスキマ勘合して、回転トルクの伝達と位置決めを図った。
・ 翼ピニオン、要素翼軸、トルクチューブ、エンドケースを全て端面で突き当てて、通しボルトで軸方向に締め切って、要素翼系の一体化を図り、曲げ/捻り剛性を高めた。
・ 要素翼の回転中心の位置の変更が、トルクチューブの長穴の範囲で、要素翼軸とエンドケースを変えるだけで、要素翼を変えずにできるようにした。
・ エンドケースの外側端には、与圧を掛けた2個のベアリングを勘着するハウジングを形成し、回転翼端盤との間で回動自在に高い結合剛性を確保できるようにした。
次の工夫により、偏心-遥動変換機構をコンパクトにし、レイアウトを改善した。その上で、歯車列で駆動された要素翼に連動する追従要素翼を追加することによって要素翼の数を倍増できる設計オプションも用意した。図01、図02、図23〜図25を見よ。
・ ローラーアームとリテーナリングを一体化した。
・ ローラーを1個にして偏心リングの内周面を転導させた。
・ 全てのローラーの遊びを偏心リングの中心側から規制するランナーリングを新設した。
a. 要素翼が細長くなり、アスペクト比が大きくなり、翼型の空力性能が向上する。
b. 要素翼の軽量化により、回転数のアップが図れる。
c. 回転翼の脈動周波数を上げられ、回転をスムーズにできる。
d. 回転翼の中央部分に中央静止翼を設置するスペースが確保される。
e. 要素翼表面の空気の通過経路を短くし、通過時間中の迎角変化を小さくできる。
そのために、次のオイル潤滑を必要とする範囲を外部からシールできる回転ギアーケースに包み込んだ。偏心リング割出機構は、そのために新設計した。図01〜図02、図12〜16を見よ。
・ 太陽歯車から反転歯車までの歯車列
・ ローラーと偏心リングの接触点
・ 偏心リング割出機構
ラジアル方向では、転がり軸受けとスベリ軸受けを使い分けた。スラスト方向(幅方向)では、隣接して相対運動する部品の間に潤滑スペーサーを挟んだ。図01を見よ。
・ 斜め後下方に流出する前側の要素翼の後流れは、そのまま後側の要素翼に流入させると回転翼に発生する回転モーメントを過大にしてしまうことがあるので、中間で流れを偏向させてその影響を補償する。
・ 鳥は推力を分担する手の部分と揚力を分担する腕の部分を適度に捻ってそれぞれに最適な迎角を得ている。回転翼では、この機能を歯車機構により作り出している。即ち、打ち下し工程と跳ね上げ工程で要素翼を機械的に反対方向に遥動させ、両工程で適切な迎角を持って流入気流に向かわせる機構としている。しかし、この機構の機械的な動きなので、両工程で最適な迎角になるように調節し、また、状況に応じて制御することはできなかった。それを可能にするために中間で流れを可変に偏向させる機能を追加した。
上反り角は、回転翼と下側静止翼のどちらかまたは両方に付ける。下側静止翼には、オプションとして、折畳めるエキステンション(延長静止翼)を付けることもできる。
A.回転速度を、離陸回転速度にセットし、負荷に対して駆動力を増す制御をする。
B.取付け角を調節して、全ての要素翼の迎角を大きくし、揚力を大きくする。
C.遥動角を調節して、前後の要素翼の迎角を大きくし、推力を上げる。
D.中央静止翼の切り返し角を調節し、ピッチング回転モーメントを制御する。
着陸地点では、推力を下げ、徐々に迎角を大きくして揚力を維持しながら抗力を上げ、飛行速度を下げて、空中に停止し、その後は、迎角を小さくしながら回転速度を上げて軟着陸する。飛行速度が十分に下がっている場合は、着陸ポイントに降下し、惰走なしで停止できる。飛行速度を残して着陸する場合は、着陸後は制動を掛けながら惰走し停止する。地上では踏ん張れるので、負の揚力や失速で発生する大きな抗力を発生して急制動を掛けることもできる。
今はまだこのような条件を踏まえた流れの解析と翼型の設計理論ができていない。従って、実務的には、翼型の開発は、設計仕様に従って迎角の変化を設計し、基準翼型を仮設計して試作し、キャンバー、翼厚、回転中心などを、できれば風洞を使って実験しながら、チューニングしてゆくことで開発できるであろう。しかし、開発効率を高めるためには流体力学の専門家の解析とシミュレーションが必須である。ピッチング回転翼のための翼型設計理論の開発は今後の最も重要な設計準備課題として残されている。
(9)飛行機90に発生するローリング回転に対する静安定性の確保を狙って、短いスパンのであることを考慮して、従来の飛行機に倣って回転翼1そのものを上反り角度分傾斜させて取り付けた。また、オプションとして、回転翼1の下方に下側静止翼70を機体から外側に突き出して取り付けた場合には、この翼にも上反り角を付けるた。図21、図26、図29を見よ。
ツルのような大型の渡り鳥の水平飛行では、翼を構成する羽根自体の弾性の非線形性や非対称形状を利用して、打ち下ろし工程で発生する揚力が跳ね上げ工程で発生する揚力より大きくなる非対称な羽ばたき運動が起されているが、この間には回転モーメントも両工程で相殺されていると推察される。
(1)要素翼1の枚数を増すための偏心-遥動変換機構24の再設計について、図01〜図05、図10〜図12、図15、図16を用いて説明する。
歯車列8の中で太陽歯車11から反転歯車16までは歯車を用い、オイル潤滑可能な回転ギアーケース41の中に収める。反転歯車16から同軸に突き出されて取り付けられた反転ピニオン17から要素翼ピニオン18まではタイミングベルトを用いる。アイドラーは無しにしているが、その実用性の確立は将来の技術的な課題である。シャフト駆動とすればアイドラーは不用となるが、その代替案への採用は現段階では見合わせておく。
飛行機90のローリング回転に対する静安定性を確保する機構としては、従来の飛行機に準じて、回転翼1を、機体外側を上げる方向に傾斜させて取り付けて上反り角を確保する設計とした。また、回転翼1の下方に下側静止翼70を付ける場合には、この翼にも上反り角を付ける。
(b)舞い上がり/舞い降りモード(離陸と着陸)
(c)空中加/減速モード(加速と減速)
(d)滑空モード
地上では機体が停止しているので、起動時の空気の流入速度はゼロであるが、回転翼の運転によって流入気流は徐々に加速され、舞い上がりに必要な回転速度と流入速度が得られ、駆動系に回転エネルギーが蓄えられる。起動時には、遥動角を最大にして回転翼を回転させ、前方から空気を吸い込み後方に送り出し、その後、遥動角を徐々に戻しながら回転速度を上げ、回転翼を貫流する空気流を加速し、舞い上がりに必要な気流速度と回転速度を確保する。この間、機体は地面に支えられており、踏ん張りが効くので、その範囲内で、大きな回転モーメントが発生しても耐えられる。
2 回転ユニット
3 支持ユニット
4 回転翼盤
5 回転翼端盤
6 要素翼
7 要素翼軸
8 歯車列
9 偏心リング割出機構
10 ボディー
11 太陽歯車
12 従動歯車
13 内歯歯車
14 リテーナリング
15 遊星歯車
16 反転歯車
17 反転ピニオン
18 翼ピニオン
19 遊星歯車ジョイントピン
20 偏心リング
21 ローラーアーム
22 ジョイントピン
23 ローラー
24 偏心-遥動変換機構
25 差動機構
26 太陽歯車軸
27 ランナーリング
28 追従要素翼
29 タイミングベルト
30 内側用アンギュラー玉軸受
31 外側用アンギュラー玉軸受
32 通しボルト
33 ボルト
34 タングA
35 ツバ付ボス
36 リングナット
37 エンドケース
38 エンドリング
39 トルクチューブ
40 タングB
41 回転ギアーケース
42 タイミングベルトA
43 タイミングベルトB
44 中間ピニオンA
45 中間ピニオンB
46 取り付け台
47 要素翼ケージ
48 回転翼中心軸
49 スラストパッキン
50 中央静止翼
51 メタルブッシュA
52 メタルブッシュC
53 中央静止翼支持軸
54 メタルブッシュB
55 メタルブッシュD
56 静止翼ケージ
57 中央静止翼フィン
58 円盤
59 楕円盤
60 内側偏心ディスク
61 外側偏心ディスク
62 中継歯車
63 駆動歯車
64 偏心ディスク転がり軸受
65 エレベーター
66 外側翼
67 水平尾翼
68 垂直尾翼
69 ラダー
70 下側静止翼
71 下側静止翼エキステンション
72 回転翼盤X
73 通しボルトA
74 ボルトB
75 ツバ付ブッシュA
76 ツバ付ブッシュB
77 エンドケース
78 リングナット
79 ツバ付ボスA
80 回転翼X
81 歯車列X
82 太陽歯車X
83 反転歯車X
84 従動歯車X
85 回転翼端盤X
86 要素翼X
87 トルクチューブ
88 エンドリング
89 機体
90 飛行機
e 偏心量
η 偏心角度
α 要素翼の傾斜角
β 偏心軸傾斜角
γ 取付け角
δ 要素翼の遥動角
ζ リテーナリングの遥動角
Vt 飛行速度
Vr 要素翼の公転速度
θ 要素翼の公転角度
Claims (8)
- 機体外側の端に内歯歯形を形成した翼ピニオンの穴に、機体内側から挿入した通しボルトを、機体内側の端に翼ピニオンの内歯歯形と回動不能にスキマ勘合する外歯歯形を形成し、機体外側の端に扁平な突起部分を持つ要素翼軸を貫通させ、更に、要素翼の心金を形成する中空長穴断面を有する管であるトルクチューブを貫通させ、機体内側の端にトルクチューブに勘合する扁平な突起部分を持ち、機体外側の端にベアリングの外輪を勘合させる穴を形成したエンドケースの機体内側の端に形成されたメネジ部に締結して一体化する結合構造としたことを特徴とする平行回転翼を利用した流体機械。
- 円筒面の稜線を回転軸とする複数の要素翼軸を回転翼盤上に配置した回転ユニットを支持ユニットの筒部に回動自在に勘着した回転翼において、それぞれの要素翼軸が、支持ユニットに連結されて静止している太陽歯車の周りを、太陽歯車と噛み合いそれぞれの要素翼軸に回転角度を伝達する歯車列によって、公転しながら同じ回転角度自転して戻るようにした平行回転翼において、支持ユニットの筒部の外筒側に太陽歯車と偏心リングを割出す機構を勘着し、筒部の内筒側に、太陽歯車と噛み合う複数の歯車列を取り付けた回転翼盤を回動自在に勘着し、各歯車列の中の複数の遊星歯車を回動自在に勘着したリテーナリングから突出されたアーム部分の先端部にジョイントピンで回動自在に勘着されたローラーを偏心リングの内筒面に接触させて、太陽歯車の中心と偏心リングの中心とローラーの中心とリテーナリングの中心とで4節リンクを形成し、回転翼盤の回転に伴って発生するリテーナリングの遥動回転を遊星歯車の遥動回転に変換し、歯車列の中で末端の翼ピニオンの遥動回転に変換し、回転円盤が1回転する間に1回転戻る翼ピニオンの回転に遥動回転を付加する機構を設けたことを特徴とする平行回転翼を利用した流体機械。
- 外歯歯車を持った駆動歯車を太陽歯車軸に勘合させ、その外歯歯車と噛み合う中継歯車をオフセットさせて回動自在に勘着し、外周にオフセットした軸受軸面を形成した内側偏心ディスクを勘着し、中継歯車と噛み合う内歯歯車を持ち、外筒部に偏心リングを形成した外側偏心ディスクを内側偏心ディスクの軸受軸面と回動自在に結合する軸受穴面に勘着させた偏心リング割出機構とし、内側偏心ディスクと駆動歯車の軸筒をそれぞれに回転させることにより偏心リングの偏心方向と偏心量を任意に割出せる機構を設けたことを特徴とする回転翼を利用した流体機械である。
- 偏心リングの内径側に、偏心リングの内径からローラーの外径の2倍を差し引いた外径を持ったランナーリングを、スベリ隙間を持たせて回動自在に勘着したことを特徴とする請求項1、2、3に記載の回転翼を利用した流体機械である。
- 太陽歯車と噛み合う歯車列によって駆動されて回転する要素翼に加えて、それらの要素翼と連結されて回転する追従要素翼を追加して要素翼の枚数を増やした回転翼を取付けたことを特徴とする請求項1、2、3、4に記載の回転翼を利用した流体機械である。
- 支持ユニットの筒部の穴に回動自在に勘着された回転翼盤の中心の穴に回動自在に勘着された中央静止翼の軸筒の機体外側の端に、内盤と外盤の間に要素翼とほぼ同じ長さの翼を挟んで一体化した静止翼ケージを固定し、軸筒の機体内側の端を回転させて回転角度位置を調節できる中央静止翼を設けたことを特徴とする請求項1,2,3、4、5に記載の回転翼を利用した流体機械。
- 水平尾翼の機体外側の端に機体内側に向けて明けられた穴に、軸部を回動自在に勘着した外側翼を設けたことを特徴とする請求項1,2,3,4,5、6に記載の回転翼を利用した流体機械。
- 静止翼を回転翼の下方に機体から外側に突き出して装着したことを特徴とする請求項1,2,3,4,5,6、7に記載の回転翼を利用した流体機械。
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