JP2015000602A - 垂直離着陸機 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直離着陸機の小型化や低コスト化、及び機動性や姿勢安定性の向上を図る。【解決手段】垂直離着陸機１０は、それぞれ個別に鉛直方向の推力を発生する第１及び第２ダクトファン２０，３０と、鉛直方向及び水平方向の推力を発生する第３ダクトファン４０と、該第１乃至第３ダクトファンを駆動するエンジン発電機６０とを備える。該各ダクトファンの各回転中心Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、平面視二等辺三角形の各頂点となる位置に、それぞれ位置している。該垂直離着陸機を上から見て、該第１及び第３ダクトファンの各回転中心を結ぶ第１の線分Ｌ１の長さは、該第２及び第３ダクトファンの各回転中心を結ぶ第２の線分Ｌ２の長さに等しい。該第３ダクトファンの鉛直方向の高さは、該第１及び第２ダクトファンよりも高い。該エンジン発電機の鉛直方向の高さは、該第１及び第２ダクトファンよりも高く、且つ該第３ダクトファンよりも低い。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のダクトファンの推力によって飛行可能な垂直離着陸機の改良された技術に関する。

垂直離着陸機のなかには、複数のダクトファンから個別に鉛直方向の推力を発生することによって、垂直離着が可能な形式、いわゆるダクトファン式垂直離着陸機がある。このような垂直離着陸機は、例えば特許文献１〜３によって知られている。

特許文献１で知られている垂直離着陸機は、エンジンによって駆動される４つのダクトファンを備えている。該４つのダクトファンは、平面視で機体に対して前の左右と後の左右に位置している。該垂直離着陸機は、ロール方向とピッチ方向の安定性が比較的高い。しかし、機体の四方にダクトファンを配置しているので、機体の大型化及び機体重量の増加の要因となる。このため、機体の姿勢制御を行う上で、慣性マスが大きくなり、姿勢を変化させる動作が緩慢にならざるを得ず、急激な姿勢変化に対応するには改良の余地がある。つまり、機体の安定性は高いものの、運動性能が低く、機体も大型にならざるを得ない。

特許文献２で知られている垂直離着陸機は、前後に２つのダクトファンを備えている。特許文献３で知られている垂直離着陸機は、左右に２つのダクトファンを備えている。

特許文献２〜３で知られている垂直離着陸機は、ダクトファンが２つだけなので小型且つ軽量である。しかし、２つのダクトファンを平面視一列に配列するだけなので、機体の安定性を確保する上で不利である。詳しく述べると、機体の水平を保持したまま、垂直離着陸機が浮上する場合には問題ない。しかし、機体のロール運動に大きい変化があった場合には、該機体の姿勢を水平に戻すための負担が大きい。つまり、機体の、特にロール軸回りの制御性や安定性を確保する上で不利であり、また動作が緩慢なために運動性能も低い。

また、特許文献２で知られている垂直離着陸機は、各ダクトファンの下流に推力偏向板が配置されている。しかし、該推力偏向板では、ロール軸回りとピッチ軸回りの両方に、同時に推力ベクトルを発生するように、推力を偏向することはできない。また、ピッチ軸回りの制御については、比較的に制御性や安定性が高いものの、他の軸回りについては、推力を出しにくいので、制御性や安定性が低い。また、ピッチ軸回りについても、前後のダクトファン間の距離が近いので、機体の重心から各ダクトファンまでの距離が近くなる。このため、大きいピッチトルクを発生させることができず、動作も緩慢になるので、運動性能が低い。

また、特許文献３で知られている垂直離着陸機は、左右のダクトファンの回転数を制御するだけであり、推力を偏向させるための機構を有していないので、簡単な構成ではある。しかし、各ダクトファンの回転数の制御によって機体の姿勢を制御、例えば該各ダクトファンの回転トルクの複合トルクによって機体のヨー制御をするので、安定性や運動性能を確保する上では、上記特許文献２で知られている垂直離着陸機よりも、さらに不利である。しかも、推力を偏向させるための機構を有していないので、機体が、ある一定以上に傾いてしまうと、該機体の姿勢を水平に戻すための負担が大きい。

特開平３−０７０６９９号公報 特表２００４−５２６６３０号公報 特表２００８−５３１３７５号公報

本発明は、垂直離着陸機の小型化や低コスト化、及び機動性（運動性能）や姿勢安定性の向上を図ることができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明によれば、それぞれ個別に鉛直方向の推力を発生する第１及び第２ダクトファンと、鉛直方向及び水平方向の推力を発生する第３ダクトファンと、前記第１乃至第３ダクトファンを駆動するエンジン発電機とを備え、前記第１乃至第３ダクトファンの位置は、上から見て、前記第１及び第３ダクトファンの各回転中心を結ぶ線分を第１の線分とし、前記第２及び第３ダクトファンの各回転中心を結ぶ線分を第２の線分とし、前記第１及び第２ダクトファンの各回転中心を結ぶ線分を第３の線分として、前記第１の線分の長さと前記第２の線分の長さとが等しい二等辺三角形となる位置関係にあり、前記第３ダクトファンの高さは、前記第１及び第２ダクトファンよりも高く設定され、前記エンジン発電機の高さは、前記第１及び第２ダクトファンよりも高く、且つ前記第３ダクトファンよりも低く設定されている垂直離着陸機が提供されている。

請求項２に記載のごとく、好ましくは、前記エンジン発電機は、上から見て前記二等辺三角形の重心、又は該重心よりも前記第３の線分寄りに位置している。

請求項３に記載のごとく、好ましくは、前記第３の線分の長さは、前記第１及び第２の線分の長さよりも短く設定されている。

請求項４に記載のごとく、好ましくは、前記第１ダクトファンの回転方向と、前記第２ダクトファンの回転方向とは、互いに逆方向に設定されている。

請求項５に記載のごとく、好ましくは、前記第３ダクトファンの定格出力は、前記第１及び第２ダクトファンの各定格出力よりも大きく、且つ前記第１及び第２ダクトファンの各定格出力の和よりも小さく設定されている。

請求項６に記載のごとく、好ましくは、前記第３ダクトファンは、鉛直方向の推力の少なくとも一部を、前記垂直離着陸機の水平方向の推力に偏向することが可能な推力偏向機構を備えている。

請求項７に記載のごとく、好ましくは、前記エンジン発電機は、動力を発するエンジンと、該エンジンが発する前記動力の少なくとも一部によって駆動される発電機とを含み、前記第１及び第２ダクトファンは、前記発電機から電力を供給されて各々のファンを回転するための電動モータを個別に有し、前記第３ダクトファンは、前記エンジンの出力軸に伝動軸を介して連結されている。

請求項１に係る発明では、垂直離着陸機は第１乃至第３ダクトファンと、該各ダクトファンを駆動するエンジン発電機とを備える。第１及び第２ダクトファンは、鉛直方向の推力を発生する。第３ダクトファンは、鉛直方向及び水平方向の推力を発生する。各ダクトファンの各回転中心は、平面視二等辺三角形の各頂点となる位置に、それぞれ位置している。垂直離着陸機を上から見て、第１及び第３ダクトファンの各回転中心を結ぶ第１の線分の長さは、第２及び第３ダクトファンの各回転中心を結ぶ第２の線分の長さに等しい。

このように、垂直離着陸機はダクトファンを３つのみ備え、該３つのダクトファンを平面視二等辺三角形の各頂点となる位置に配置した構成である。このため、請求項１に係る発明では、従来の４つのダクトファンを備えた垂直離着陸機に対して、ダクトファンの数が少ないので、垂直離着陸機の小型化や低コスト化を図ることができる。また、請求項１に係る発明では、従来の２つのダクトファンを備えた垂直離着陸機に対して、ダクトファンの数が１つ多いので、垂直離着陸機の機動性（運動性能）や姿勢安定性の向上を図ることができる。

第１の線分は、二等辺三角形の第１の辺に相当する。第２の線分は、二等辺三角形の第２の辺に相当する。第１及び第２ダクトファンの各回転中心を結ぶ第３の線分は、二等辺三角形の第３の辺に相当する。第３ダクトファンの回転中心と二等辺三角形の重心（３つの中線の交点）とを通る直線を、二等辺三角形の中心線とする。第１及び第２ダクトファンの各回転中心は、二等辺三角形の中心線に対して線対称の位置にある。このように該３つのダクトファンを配置することによって、二等辺三角形の中心線回りの垂直離着陸機の姿勢制御（ロール制御）や、二等辺三角形の中心線に対する上下方向の直線回りの垂直離着陸機の姿勢制御（ヨー制御）を容易に行うことができる。従って、垂直離着陸機の機動性や姿勢安定性の向上を、一層図ることができる。

さらには、垂直離着陸機のなかで、第３ダクトファンの高さは、第１及び第２ダクトファンよりも高い。エンジン発電機の高さは、第１及び第２ダクトファンよりも高く、且つ第３ダクトファンよりも低い。このため、平面視二等辺三角形の中心線に対する機体幅方向の直線回りの垂直離着陸機の姿勢制御（ピッチ制御）を容易に行うことができる。従って、垂直離着陸機の機動性や姿勢安定性の向上を、一層図ることができる。

請求項２に係る発明では、重量物であるエンジン発電機が、上から見て二等辺三角形の重心、又は該重心よりも第３の線分寄りに位置している。このため、垂直離着陸機のマス（質量）を該二等辺三角形のなかの第３の線分寄りに集中させることができる。従って、垂直離着陸機の機動性や姿勢安定性の向上を、一層図ることができる。

請求項３に係る発明では、第３の線分の長さは、第１及び第２の線分の長さよりも短く設定されている。この結果、二等辺三角形の重心から第３ダクトファンの回転中心までの距離は、該重心から第３の線分までの距離、つまり第１及び第２ダクトファンの各回転中心までの距離よりも大きくなる。従って、垂直離着陸機のピッチ制御を、一層容易に行うことができる。

請求項４に係る発明では、第１ダクトファンの回転方向と、第２ダクトファンの回転方向とは、互いに逆方向である。このため、第１及び第２ダクトファンは、各回転力を互いに打ち消し合う。二等辺三角形の中心線に対する上下方向の直線回りの垂直離着陸機の姿勢を、より安定させることができる。従って、垂直離着陸機のヨー制御を一層容易に行うことができる。

請求項５に係る発明では、第３ダクトファンの定格出力は、第１及び第２ダクトファンの各定格出力よりも大きい。このため、垂直離着陸機のピッチ制御を容易に行うことができる。また、第３ダクトファンの定格出力は、第１及び第２ダクトファンの各定格出力の和よりも小さい。第３ダクトファンの出力に上限値を設定することによって、該出力の増大に伴う第３ダクトファンの重量を抑制することができる。垂直離着陸機の重心が第３ダクトファン側に偏らない。該垂直離着陸機のピッチ制御を行うときに、余分なエネルギーを消費せずにすむ。この結果、垂直離着陸機の機動性や姿勢安定性の向上を図ることができる。このように、第３ダクトファンの定格出力を、第１及び第２ダクトファンの各定格出力よりも大きく、且つ第１及び第２ダクトファンの各定格出力の和よりも小さく設定したので、垂直離着陸機の機動性や姿勢安定性の向上を、一層図ることができる。

請求項６に係る発明では、第３ダクトファンは、鉛直方向の推力の少なくとも一部を、垂直離着陸機の水平方向の推力に偏向することが可能な推力偏向機構を備えている。つまり、第３ダクトファンは、鉛直方向及び水平方向の推力を発生することができる。このため、垂直離着陸機の向きを容易に変更することができる。

請求項７に係る発明では、第１及び第２ダクトファンは、発電機から電力を受ける各々の電動モータによって個別に駆動される。重量物である各電動モータが、上から見て二等辺三角形の第３の線分に位置している。このため、垂直離着陸機のマス（質量）を該二等辺三角形のなかの第３の線分寄りに集中させることができる。該垂直離着陸機のピッチ制御を行うときに、余分なエネルギーを消費せずにすむ。この結果、垂直離着陸機の機動性や姿勢安定性の向上を図ることができる。

一方、第３ダクトファンの回転軸は、伝動軸を介してエンジンの出力軸に接続されている。つまり、第３ダクトファンの回転中心が位置している部位には、エンジンは位置していない。垂直離着陸機のなかの、第３ダクトファンの回転中心にかかる重量を軽減することができる。従って、第３ダクトファンを支持するための機体の強度の軽減化を図ることによって、垂直離着陸機の軽量化を図ることができる。

本発明に係る垂直離着陸機の平面図である。 図１に示される二等辺三角形の模式図である。 図１に示される垂直離着陸機の側面図である。 図１に示される推力偏向機構の斜視図である。 図１に示される垂直離着陸機の模式的系統図である。

本発明を実施するための形態を添付図に基づいて以下に説明する。

実施例に係る垂直離着陸機について図面に基づき説明する。なお、「前」、「後」、「左」、「右」、「上」、「下」は垂直離着陸機の前進飛行方向を前側とした方向に従い、Ｆｒは前側、Ｒｒは後側、Ｌｅは左側、Ｒｉは右側を示す。

図１に示されるように、垂直離着陸機１０は機体１１と、第１乃至第３ダクトファン２０，３０，４０と、該第１乃至第３ダクトファン２０，３０，４０を駆動するエンジン発電機６０とを備えている。

該第１乃至第３ダクトファン２０，３０，４０は、一般にダクテッドファンとも言われており、小型であっても推力が大きい。詳しく述べると、該第１乃至第３ダクトファン２０，３０，４０は、それぞれ鉛直方向（機体１１に対して上下方向）を向いている円筒状のダクト２１，３１，４１の中に、プロペラ状のファン２２，３２，４２が設けられた構成である。各ファン２２，３２，４２の回転軸２３，３３，４３は、鉛直方向（機体１１に対して上下方向）を向いている。第１ダクトファン２０の回転中心Ｐ１は、第１回転軸２３の中心に位置する。第２ダクトファン３０の回転中心Ｐ２は、第２回転軸３３の中心に位置する。第３ダクトファン４０の回転中心Ｐ３は、第３回転軸４３の中心に位置する。

該第１及び第２ダクトファン２０，３０は、機体１１の前部の左右に取り付けられており、それぞれ個別に鉛直方向の推力を発生する。該第３ダクトファン４０は、機体１１の後部の中央に取り付けられており、鉛直方向の推力を発生する。さらに、該第３ダクトファン４０は、推力偏向機構５０を有しているので、鉛直方向の推力の一部を偏向することによって、水平方向の推力を発生する。

垂直離着陸機１０を上から見て、第１乃至第３ダクトファン２０，３０，４０の位置は、次の通りである。各ダクトファン２０，３０，４０の各回転中心Ｐ１〜Ｐ３は、平面視二等辺三角形Ｔｒの各頂点となる位置に、それぞれ位置している。

このように、垂直離着陸機１０はダクトファン２０，３０，４０を３つのみ備え、該３つのダクトファン２０，３０，４０を平面視二等辺三角形Ｔｒの各頂点となる位置に配置した構成である。このため、本実施例では、従来の４つのダクトファンを備えた垂直離着陸機に対して、ダクトファン２０，３０，４０が少ないので、垂直離着陸機１０の小型化や低コスト化を図ることができる。また、本実施例では、従来の２つのダクトファンを備えた垂直離着陸機に対して、ダクトファン２０，３０，４０の数が１つ多いので、垂直離着陸機１０の機動性（運動性能）や姿勢安定性の向上を図ることができる。

詳しく述べると、図１及び図２に示されるように、第１乃至第３ダクトファン２０，３０，４０の位置は、該第１及び第３ダクトファン２０，４０の各回転中心Ｐ１，Ｐ３を結ぶ線分を第１の線分Ｌ１とし、該第２及び第３ダクトファン３０，４０の各回転中心Ｐ２，Ｐ３を結ぶ線分を第２の線分Ｌ２とし、該第１及び第２ダクトファン２０，３０の各回転中心Ｐ１，Ｐ２を結ぶ線分を第３の線分Ｌ３として、該第１の線分Ｌ１の長さＬ１１と該第２の線分Ｌ２の長さＬ１２とが等しい（Ｌ１１＝Ｌ１２）、二等辺三角形Ｔｒとなる位置関係にある。

第１の線分Ｌ１は、二等辺三角形Ｔｒの第１の辺に相当する。第２の線分Ｌ２は、二等辺三角形Ｔｒの第２の辺に相当する。第３の線分Ｌ３は、二等辺三角形Ｔｒの第３の辺に相当する。第３ダクトファン４０の回転中心Ｐ３と二等辺三角形Ｔｒの重心Ｇｔ（３つの中線Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の交点Ｇｔ）とを通る直線Ｒａｘを、二等辺三角形Ｔｒの中心線Ｒａｘとする。該中心線Ｒａｘは、垂直離着陸機１０の前後方向に延びる。

図１に示されるように、該垂直離着陸機１０は、該前後方向の中心線Ｒａｘ回りに回転運動、つまりロール運動をすることが可能である。該中心線Ｒａｘのことを、適宜「ロール軸Ｒａｘ」という。

また、該垂直離着陸機１０は、該ロール軸Ｒａｘに対する上下方向の直線Ｙａｘ（図３参照）回りに回転運動、つまりヨー運動をすることが可能である。該上下方向の直線Ｙａｘのことを、適宜「ヨー軸Ｙａｘ」という。該ヨー軸Ｙａｘは、垂直離着陸機１０の重心Ｇｐに位置する鉛直線である。

第１及び第２ダクトファン２０，３０の各回転中心Ｐ１，Ｐ２は、二等辺三角形Ｔｒの中心線Ｒａｘに対して線対称の位置にある。このように該３つのダクトファン２０，３０，４０を配置することによって、ロール軸Ｒａｘ回りの垂直離着陸機１０の姿勢制御（ロール制御）や、ヨー軸Ｙａｘ回りの垂直離着陸機１０の姿勢制御（ヨー制御）を容易に行うことができる。従って、垂直離着陸機１０の機動性や姿勢安定性の向上を、一層図ることができる。

図１及び図２に示されるように、該第３の線分Ｌ３の長さＬ１３は、第１及び第２の線分Ｌ１，Ｌ２の長さＬ１１，Ｌ１２よりも短く設定されている（Ｌ１３＜Ｌ１１、Ｌ１３＜Ｌ１２）。この結果、二等辺三角形Ｔｒの重心Ｇｔから第３ダクトファン４０の回転中心Ｐ３までの距離Ｄ１は、該重心Ｇｔから第３の線分Ｌ３までの距離Ｄ２よりも大きくなる。従って、垂直離着陸機１０のピッチ制御を、一層容易に行うことができる。

第１ダクトファン２０の回転方向Ｒｕ１と、第２ダクトファン３０の回転方向Ｒｕ２とは、互いに逆方向に設定されている。例えば、第１ダクトファン２０の回転方向Ｒｕ１は平面視時計回り方向であり、第２ダクトファン３０の回転方向Ｒｕ２は、平面視反時計回り方向である。このため、第１及び第２ダクトファン２０，３０は、各回転力を互いに打ち消し合う。ヨー軸Ｙａｘ回りの垂直離着陸機１０の姿勢を、より安定させることができる。従って、垂直離着陸機１０のヨー制御を簡便に且つ一層容易に行うことができる。特に、垂直離着陸機１０のホバーリング（空中に浮いた状態）で静止したときには、垂直離着陸機１０の安定性が高い。第３ダクトファン４０の回転方向Ｒｕ３は任意であり、例えば平面視反時計回り方向である。

垂直離着陸機１０の前側の鉛直方向の推力は、２つのダクトファン２０，３０によって得られる。このため、第１及び第２ダクトファン２０，３０の個々の推力の定格出力（定格推力）Ｐｗ１，Ｐｗ２は、小さくてすむ。一方、垂直離着陸機１０の後側の鉛直方向の推力は、１つのダクトファン４０だけによって得られる。このため、第３ダクトファン４０の推力の定格出力（定格推力）Ｐｗ３は大きい。

第１ダクトファン２０の定格出力Ｐｗ１と第２ダクトファン３０の定格出力Ｐｗ２とは、同じに設定されている（Ｐｗ１＝Ｐｗ２）。第３ダクトファン４０の定格出力Ｐｗ３は、第１及び第２ダクトファン２０，３０の各定格出力Ｐｗ１，Ｐｗ２よりも大きく設定されている（Ｐｗ３＞Ｐｗ１、Ｐｗ３＞Ｐｗ２）。第３ダクトファン４０の定格出力Ｐｗ３が大きいので、垂直離着陸機１０のピッチ制御を容易に行うことができる。

また、第３ダクトファン４０の定格出力Ｐｗ３は、第１及び第２ダクトファン２０，３０の各定格出力Ｐｗ１，Ｐｗ２の和よりも小さく設定されている（Ｐｗ３＜Ｐｗ１＋Ｐｗ２）。第３ダクトファン４０の推力（出力）に上限値を設定することによって、該推力の増大に伴う第３ダクトファン４０の重量を抑制することができる。このため、垂直離着陸機１０の重心Ｇｐは、第３ダクトファン４０側に偏らない。該垂直離着陸機１０のピッチ制御を行うときに、余分なエネルギーを消費せずにすむ。この結果、垂直離着陸機１０の機動性や姿勢安定性の向上を図ることができる。

このように、第３ダクトファン４０の定格出力Ｐｗ３を、第１及び第２ダクトファン２０，３０の各定格出力Ｐｗ１，Ｐｗ２よりも大きく、且つ第１及び第２ダクトファン２０，３０の各定格出力Ｐｗ１，Ｐｗ２の和よりも小さく設定したので、垂直離着陸機１０の機動性や姿勢安定性の向上を、一層図ることができる。

重量物であるエンジン発電機６０は、上から見て前記二等辺三角形Ｔｒの重心Ｇｔ、又は該重心Ｇｔよりも第３の線分Ｌ３寄りに位置している。つまり、エンジン発電機６０の重心Ｇｅ（図１参照）は、二等辺三角形Ｔｒの重心Ｇｔよりも第３の線分Ｌ３寄りに位置する。この結果、垂直離着陸機１０の重心Ｇｐは、二等辺三角形Ｔｒの重心Ｇｔよりも第３の線分Ｌ３寄りに位置する。垂直離着陸機１０の重心Ｇｐから第３ダクトファン４０の回転中心Ｐ３までの距離Ｌｒ（後側距離Ｌｒ）は、該重心Ｇｐから第３の線分Ｌ３までの距離Ｌｆ（前側距離Ｌｆ）よりも大きい。

言い換えると、後側距離Ｌｒは、垂直離着陸機１０の重心Ｇｐから第１ダクトファン２０の回転中心Ｐ１までの第１の距離Ｘ１や、該重心Ｇｐから第２ダクトファン３０の回転中心Ｐ２までの第２の距離Ｘ２よりも大きい。第１の距離Ｘ１は第２の距離Ｘ２と同じである。距離Ｘ１，Ｘ２は次式によって求められる。
Ｘ１＝Ｘ２＝（Ｌｆ^２＋（Ｌ１３／２）^２）^１／２

このため、垂直離着陸機１０のマス（質量）を該二等辺三角形Ｔｒのなかの第３の線分Ｌ３寄りに集中させることができる。従って、垂直離着陸機１０の機動性や姿勢安定性の向上を、一層図ることができる。

図３に示されるように、第１及び第２ダクトファン２０，３０に対し、第３ダクトファン４０及びエンジン発電機６０は、高低差を有する。詳しく述べると、垂直離着陸機１０に対して、第１及び第２ダクトファン２０，３０は下部に位置し、第３ダクトファン４０は上部に位置している。より具体的には、垂直離着陸機１０のなかで、第３ダクトファン４０の高さは、第１及び第２ダクトファン２０，３０よりも、高さＨ１だけ高く設定されている。エンジン発電機６０の高さは、第１及び第２ダクトファン２０，３０よりも高さＨ２だけ高く、且つ第３ダクトファン４０よりも高さＨ３だけ低く設定されている。

このため、図１に示される平面視二等辺三角形Ｔｒの中心線Ｒａｘに対する機体幅方向の直線Ｐａｘ回りの垂直離着陸機１０の姿勢制御、つまりピッチ制御を容易に行うことができる。従って、垂直離着陸機１０の機動性や姿勢安定性の向上を、一層図ることができる。該機体幅方向の直線Ｐａｘのことを、適宜「ピッチ軸Ｐａｘ」という。該ピッチ軸Ｐａｘは、垂直離着陸機１０の重心Ｇｐに位置する。

さらには、図３に示されるように、第１及び第２ダクトファン２０，３０よりも上位に第３ダクトファン４０が位置するので、垂直離着陸機１０の着地状態において、該第３ダクトファン４０の下には比較的高い空きスペースＳｐを確保することができる。この空きスペースＳｐを利用して、該第３ダクトファン４０の推力下流、つまり下部に推力偏向機構５０を設けることができる。従って、垂直離着陸機１０の離陸前に、推力偏向機構５０を予め制御して、垂直離着陸機１０の姿勢を設定しておくことができる。

図１及び図３に示されるように、機体１１は、前部機体１２と後部機体１３とからなる。前部機体１２と後部機体１３は、軽量化のために例えばパイプ材を組み合わせたパイプフレームである。該前部機体１２は、第１及び第２ダクトファン２０，３０の各ダクト２１，３１間を一体的に繋いでいる、左右に細長い部材である。該前部機体１２の後端には、エンジン発電機６０の前部が一体的に取り付けられている。後部機体１３は、該エンジン発電機６０の後端と第３ダクトファン４０のダクト４１の前端とを、一体的に繋いでいる、前後に細長い部材である。以上の説明から明らかなように、エンジン発電機６０（特にハウジング）は、機体１１の一部を構成している。なお、前部機体１２に対して、後部機体１３は一体に構成してもよい。

さらに、機体１１は、左右の脚部１４，１４を備えている。該左右の脚部１４，１４は、垂直離着陸機１０の着地の際の脚となる部材であって、例えばエンジン発電機６０の下部に取り付けられている。後部機体１３の下部には、エンジン発電機６０のための燃料タンク１５が取り付けられている。

上述のように、第３ダクトファン４０は、垂直離着陸機１０の水平方向の推力を偏向することが可能な推力偏向機構５０を有している。このため、垂直離着陸機１０の向きを容易に変更することができる。

詳しく述べると、図１及び図４に示されるように該推力偏向機構５０は、第３ダクトファン４０の鉛直方向の推力の少なくとも一部を、前後左右に偏向することが可能な機構である。より具体的には、該推力偏向機構５０は、第３ダクトファン４０のダクト４１の下部に設けられており、複数のルーバ５１，５１，５２，５２を平面視で前後左右方向のグリッド状に配列した構成である。該複数のルーバ５１，５１，５２，５２は、複数の電動モータ５３，５４（複数の偏向用モータ５３，５４）によって駆動される。

例えば、平面視左右に延びている前後２列のルーバ５１，５１は、第１偏向用モータ５３によって駆動される。また、平面視前後に延びている左右２列のルーバ５２，５２は、第２偏向用モータ５４によって駆動される。推力偏向機構５０のシステムにおいて、該第１偏向用モータ５３と該第２偏向用モータ５４とは、互いに独立して制御されて駆動する。

該前後２列のルーバ５１，５１が、前後方向にスイングすることによって、第３ダクトファン４０の鉛直方向の推力の少なくとも一部は、前後方向に偏向される。また、該左右２列のルーバ５２，５２が、左右方向にスイングすることによって、第３ダクトファン４０の鉛直方向の推力の少なくとも一部は、左右方向に偏向される。

図５は、垂直離着陸機１０の模式的系統を示している。エンジン発電機６０は、動力を発するエンジン６１と、該エンジン６１が発する動力の少なくとも一部によって駆動される発電機６２とを含む。

第１ダクトファン２０は、ファン２２を回転するための第１の電動モータ２４を有する。第１の電動モータ２４は、回転軸２３に連結されている。第２ダクトファン３０は、ファン３２を回転するための第２の電動モータ３４を有する。第２の電動モータ３４は、回転軸３３に連結されている。

第３ダクトファン４０は、エンジン６１の出力軸６１ａに伝動軸４４を介して連結されている。詳しく述べると、該エンジン６１の出力軸６１ａは後方へ水平に延び、伝動軸４４を介して第３ダクトファン４０の回転軸４３に接続されている。該伝動軸４４の一端は、エンジン６１の出力軸６１ａに例えば電磁クラッチ４５を介して連結される。該伝動軸４４の他端は、ギヤ機構４６を介して第３ダクトファン４０の回転軸４３に連結される。

垂直離着陸機１０の模式的系統を、より詳しく説明する。エンジン発電機６０は、エンジン６１と発電機６２と始動装置６３とスロットル弁６４とスロットル弁用制御モータ６５とスロットル開度センサ６６とエンジン回転センサ６７とを有している。

該発電機６２は、第１及び第２の電動モータ２４，３４に電力を供給する電力源であり、例えばエンジン６１の出力の一部によって交流電力を発電するオルタネータによって構成される。該発電機６２によって発電された交流電力は、電源回路７１により整流されて直流電力に変換された上で、第１及び第２電動モータ２４，３４や制御部７２等の電装品に供給される。各電動モータ２４，３４には、発電機６２からモータドライバ７３，７４を介して電力が供給される。

このように、該電装品には発電機６２から電力を供給されるので、垂直離着陸機１０にバッテリを備える必要がない。従って、垂直離着陸機１０の軽量化を図ることができるとともに、重量物を垂直離着陸機１０の重心Ｇｐ（図１参照）の周りにまとめることができる。

始動装置６３は、例えばセルスタータやリコイルスタータによって構成される。スロットル弁６４は、エンジン吸気系６８に備えている。スロットル弁用制御モータ６５（以下「制御モータ６５」と言う。）は、スロットル弁６４を開閉駆動するアクチュエータであり、例えばステップモータによって構成される。

スロットル開度センサ６６は、スロットル弁６４の開度を検出し、検出信号を制御部７２に発するものである。エンジン回転センサ６７は、エンジン６１の回転速度を検出し、検出信号を制御部７２に発するものである。

エンジン発電機６０は、制御部７２によって制御される。つまり、該制御部７２は、少なくともスロットル開度センサ６６、エンジン回転センサ６７及び操作部７５の各信号を受けて、エンジン６１を所定の制御モードで制御する電子制御ユニットであり、例えばマイクロコンピュータからなる。

さらに、制御部７２は、操作部７５の信号を受けて、第１及び第２電動モータ２４，３４、電磁クラッチ４５及び第１及び第２偏向用モータ５３，５４を制御する。電磁クラッチ４５をオン作動させることにより、エンジン６１の動力が第３ダクトファン４０に伝わる。なお、電磁クラッチ４５の有無は任意である。

該操作部７５は、垂直離着陸機１０を操作するように、制御部７２に操作信号を発するものであり、該垂直離着陸機１０に搭載又は該垂直離着陸機１０の外部に別個に位置する。該操作部７５が垂直離着陸機１０の外部に位置する場合には、該操作部７５から制御部７２へ無線通信又は有線通信によって信号が送信される。

このように、制御部７２は、図示せぬ点火装置を制御し、さらに、検出されたエンジン６１の回転速度及びスロットル弁６４の開度の各データに基づき、所定の制御モードで制御モータ６５を介してスロットル弁６４の開度を制御することによって、エンジン６１の回転速度が目標回転数と一致するように電気的に制御する。

第１及び第２の電動モータ２４，３４の駆動制御方式は、例えば、モータ端子にパルス電圧を供給するパルス幅変調方式（ＰＷＭ方式）である。制御部７２の制御信号に応じて、モータドライバ７３，７４はパルス幅が制御されたパルス信号を発して、第１及び第２の電動モータ２４，３４の回転を制御することができる。

以上の説明から明らかなように、エンジン６１は電子式ガバナ７６（電気式ガバナ、電子式調速機とも言う。）を備えている。該電子式ガバナ７６は、制御部７２の制御信号に基づいて、制御モータ６５によってスロットル弁６４の開度を自動的に調整することにより、エンジン６１の回転速度及び出力を制御するものであって、スロットル弁６４、制御モータ６５、スロットル開度センサ６６、エンジン回転センサ６７、制御部７２の組合せからなる。

次に、垂直離着陸機１０の姿勢制御の一例について、図１〜図３を参照しつつ説明する。

先ず、垂直離着陸機１０が通常の水平姿勢の状態で、そのまま垂直に離着する場合（浮上する場合）には、各ダクトファン２０，３０，４０は次の式（１）〜（５）が成立するように制御される。この場合には、推力偏向機構５０の全てのルーバ５１，５１，５２，５２は下向きであり、第３ダクトファン４０が発生する鉛直方向の推力を偏向していない。

但し、
Ｐｗ１１；第１ダクトファンが発生する鉛直方向の推力
Ｐｗ１２；第２ダクトファンが発生する鉛直方向の推力
Ｐｗ１３；第３ダクトファンが発生する鉛直方向の推力
Ｗｐ；垂直離着陸機の総重量（垂直離着陸機にかかる外部重量を含む）
Ｇｐ；垂直離着陸機の重心
Ｌｆ；前側距離
Ｌｒ；後側距離
Ｔ１；重心Ｇｐに対して第１・第２ダクトファンが発生する上下方向の合成トルク
Ｔ２；重心Ｇｐに対して第３ダクトファンが発生する上下方向のトルク

Ｐｗ１１＝Ｐｗ１２ ・・・（１）
Ｐｗ１１＋Ｐｗ１２＋Ｐｗ１３＞Ｗｐ ・・・（２）
Ｔ１＝（Ｐｗ１１＋Ｐｗ１２）・Ｌｆ ・・・（３）
Ｔ２＝Ｐｗ１３・Ｌｒ ・・・（４）
Ｔ１＝Ｔ２ ・・・（５）

その後、垂直離着陸機１０が浮上した姿勢のままで前方へ飛行、つまり水平飛行をする場合には、上記式（１）〜（５）が成立している状態を維持するとともに、推力偏向機構５０を偏向制御する。つまり、推力偏向機構５０の前後２列のルーバ５１，５１を後下方へ傾けることによって、第３ダクトファン４０の鉛直方向の推力の一部を後方へ偏向させる。この結果、反力によって、垂直離着陸機１０は前下方へ多少傾きつつ、前方へ飛行する。

また、水平飛行状態の垂直離着陸機１０が、ロール運動をする場合には、「Ｐｗ１１≠Ｐｗ１２」の関係となるように制御する。つまり、第１ダクトファン２０が発生する鉛直方向の推力Ｐｗ１１と、第２ダクトファン３０が発生する鉛直方向の推力Ｐｗ１２とが異なるように制御する。この結果、垂直離着陸機１０はロール軸Ｒａｘ回りに傾く、つまりロール運動をする。例えば、「Ｐｗ１１＞Ｐｗ１２」なら、垂直離着陸機１０は右側が持ち上がる。

また、水平飛行状態の垂直離着陸機１０が、ヨー運動をする場合には、推力偏向機構５０を左右方向に偏向制御する。つまり、推力偏向機構５０の左右２列のルーバ５２，５２を左右方向へ傾けることによって、第３ダクトファン４０の鉛直方向の推力の一部を左右方向へ偏向させる。この結果、反力によって垂直離着陸機１０はヨー軸Ｙａｘ回りに傾く、つまりヨー運動をする。例えば、左右２列のルーバ５２，５２を左へ傾けることによって、垂直離着陸機１０は左が持ち上がる。

また、垂直離着陸機１０が水平飛行状態でピッチ運動をする場合には、「Ｔ１≠Ｔ２」の関係となるように制御する。つまり、垂直離着陸機１０の重心Ｇｐに対して第１及び第２ダクトファン２０，３０が発生する上下方向の合成トルクＴ１と、該重心Ｇｐに対して第３ダクトファン４０が発生する上下方向のトルクＴ２とが、異なるように制御する。この結果、垂直離着陸機１０はピッチ軸Ｐａｘ回りに傾く、つまりピッチ運動をする。例えば、「Ｔ１＜Ｔ２」なら、垂直離着陸機１０は後側が持ち上がる。

垂直離着陸機１０をピッチ運動させる場合には、「Ｔ１≠Ｔ２」の制御と、推力偏向機構５０の前後２列のルーバ５１，５１の偏向制御とを、併用することも可能である。

本発明では、垂直離着陸機１０は、無人用と有人用のどちらの構成でも可能である。

本発明の垂直離着陸機１０は、災害監視や災害時の被災者捜索用に採用するのに好適である。

１０…垂直離着陸機
１１…機体
２０…第１ダクトファン
２４…第１の電動モータ
３０…第２ダクトファン
３４…第２の電動モータ
４０…第３ダクトファン
４４…伝動軸
５０…推力偏向機構
５１…前後２列のルーバ
５２…左右２列のルーバ
５３…電動モータ（第１偏向用モータ）
５４…電動モータ（第２偏向用モータ）
６０…エンジン発電機
６１…エンジン
６１ａ…エンジンの出力軸
６２…発電機
Ｇｔ…二等辺三角形の重心
Ｈ１…第１及び第２ダクトファンに対する第３ダクトファンの高さ
Ｈ２…第１及び第２ダクトファンに対するエンジン発電機の高さ
Ｈ３…エンジン発電機に対する第３ダクトファンの高さ
Ｌ１…二等辺三角形の第１の線分
Ｌ２…二等辺三角形の第２の線分
Ｌ３…二等辺三角形の第３の線分
Ｌ１１…第１の線分の長さ
Ｌ１２…第２の線分の長さ
Ｌ１３…第３の線分の長さ
Ｐ１…第１ダクトファンの回転中心
Ｐ２…第２ダクトファンの回転中心
Ｐ３…第３ダクトファンの回転中心
Ｐａｘ…ピッチ軸
Ｐｗ１…第１ダクトファンの定格出力
Ｐｗ２…第２ダクトファンの定格出力
Ｐｗ３…第３ダクトファンの定格出力
Ｒａｘ…ロール軸
Ｒｕ１…第１ダクトファンの回転方向
Ｒｕ２…第２ダクトファンの回転方向
Ｔｒ…二等辺三角形
Ｙａｘ…ヨー軸

Claims (7)

1. それぞれ個別に鉛直方向の推力を発生する第１及び第２ダクトファンと、
   鉛直方向及び水平方向の推力を発生する第３ダクトファンと、
   前記第１乃至第３ダクトファンを駆動するエンジン発電機とを備え、
   前記第１乃至第３ダクトファンの位置は、上から見て、
   前記第１及び第３ダクトファンの各回転中心を結ぶ線分を第１の線分とし、
   前記第２及び第３ダクトファンの各回転中心を結ぶ線分を第２の線分とし、
   前記第１及び第２ダクトファンの各回転中心を結ぶ線分を第３の線分として、
   前記第１の線分の長さと前記第２の線分の長さとが等しい二等辺三角形となる位置関係にあり、
   前記第３ダクトファンの高さは、前記第１及び第２ダクトファンよりも高く設定され、
   前記エンジン発電機の高さは、前記第１及び第２ダクトファンよりも高く、且つ前記第３ダクトファンよりも低く設定されている垂直離着陸機。
2. 前記エンジン発電機は、上から見て前記二等辺三角形の重心、又は該重心よりも前記第３の線分寄りに位置していることを特徴とする請求項１記載の垂直離着陸機。
3. 前記第３の線分の長さは、前記第１及び第２の線分の長さよりも短く設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の垂直離着陸機。
4. 前記第１ダクトファンの回転方向と、前記第２ダクトファンの回転方向とは、互いに逆方向に設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の垂直離着陸機。
5. 前記第３ダクトファンの定格出力は、前記第１及び第２ダクトファンの各定格出力よりも大きく、且つ前記第１及び第２ダクトファンの各定格出力の和よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の垂直離着陸機。
6. 前記第３ダクトファンは、鉛直方向の推力の少なくとも一部を、前記垂直離着陸機の水平方向の推力に偏向することが可能な推力偏向機構を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の垂直離着陸機。
7. 前記エンジン発電機は、動力を発するエンジンと、該エンジンが発する前記動力の少なくとも一部によって駆動される発電機とを含み、
   前記第１及び第２ダクトファンは、前記発電機から電力を供給されて各々のファンを回転するための電動モータを個別に有し、
   前記第３ダクトファンは、前記エンジンの出力軸に伝動軸を介して連結されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の垂直離着陸機。

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