JP2016531799A - 無人航空機の電動発射装置 - Google Patents

Abstract

本発明の実施形態は、ＵＡＶ（無人航空機）発射システムの改良を提供する。開示の発射システムは、シャトルをランチャレールに沿って移動させる電動モータで駆動するテープをもたらすことによって、作動油液及び圧縮窒素又は空気の使用をなくすことができるものである。

Description

本願は、「ＵＡＶの電動発射装置」と題する２０１３年８月２７日に出願された米国仮出願第６１／８７０，２８１号の優先権を主張し、その内容の全てをここに援用して本文の記載の一部とする。

本開示の実施形態は、概して、無人航空機（ＵＡＶ）を発射するように設計された電動発射システムに関する。実施形態に示された電動発射システムは、一般に、現在の油圧・空気圧発射システムよりも軽量である。また、実施形態の電動発射システムは、発射プロセスに作動油液及びエンジン燃料を使用しない。従って、作動油及び燃料の漏れ、並びに煙霧をなくし得るので、環境に優しいシステムがもたらされる。駆動モータに結び付けられるフィードバック型制御を用いることによって、発射加速度プロファイルをプログラムすることができ、起こり得るＧ荷重のスパイクを軽減することができる。

無人航空機（ＵＡＶ）の発射システムは、無人航空機を空中に射出することができる十分な力及び速度を生じるように設計される。ＵＡＶ発射システムの背景にある一般概念は、破壊的な力を航空機に与えることなく、航空機を最小距離で静止状態から所望の飛行速度に到達させるものである。重量約１４ｋｇ以上の航空機用のＵＡＶ発射システムは、典型的に、空気圧システムまたは空気圧・油圧システムを、主な推進システムとして使用する。

多くの無人航空機の離陸（タキシング、加速、離昇、及び上昇を含む）の従来のやり方は、約６１ｍ以上の距離を必要とすることが多い。このような従来の離陸は、より長距離にわたって加速されることによって、航空機の加速度（Ｇ荷重）を最小化している。しかし、時には、約１５ｍ未満で所望の発射速度を得られるシステムを設計してほしいと所望される場合もある。例えば、船上での用途及び他の例においては、場所が限られているのかもしれない。また、滑走路での離陸動作及び着陸動作に関連する着陸装置は重量を増加させるため、飛行動作を維持するのに、より多くの動力と燃料が必要になってしまう。

しかしながら、（加速度がより大きいために）より短距離で飛行を実現することができる発射装置を使用することは、一般には、より大きいＧ荷重がかかることを意味する。無人航空機に搭載された高価な電子装置は、そのような大きいＧ荷重に耐えられないものが多い。発射パラメータについての他の制約には、最低発射速度または発射のための最大空間が含まれる。発射装置の設計及び最適化は、発射ストローク長、機体加速度、発射される機体の重量、及び発射角度とのバランスとなる。

これまでに設計されているＵＡＶ発射装置用の電源（動力源）は、典型的には、閉ループ油圧・空気圧システム方式の自給（内蔵）型の電源であった。その電源では、乾燥窒素が作動油液に送り出されることによってアキュムレータ内で圧縮されるときに、エネルギーが蓄えられる。油圧ポンプは、通常、電動モータ、ガソリンエンジン、または多種燃料エンジンによって駆動される。

歴史的には、閉ループ油圧・空気圧システムは、最も広範囲の環境条件の下で、最も信頼でき且つ繰り返しの使用に適していることが証明されている。極端な温度での凝縮を防ぐために、空気の代わりに乾燥窒素（ＧＮ_２）が用いられ、ピストン式アキュムレータの「（圧縮）空気が使用される“ｐｎｅｕｍａｔｉｃ”」側を満たしている。窒素は、所定の圧力に予め充填（プリチャージ）される。油圧ポンプはピストン式アキュムレータの油圧側を加圧し、それによって窒素を圧縮し発射圧力を上昇させる。最適な発射圧力に到達したならば、閉ループ油圧・空気圧システムは、発射が開始されるまで、チェックバルブを介して圧力を保持する。発射が開始されると、バルブが開き、窒素が膨張し、アキュムレータから作動油液が押し出されシリンダに入る。これによって、シリンダピストン、リービングケーブル、シャトル、及び機体（航空機）が加速される。

しかしながら、空気圧発射装置に関連したいくつかの制約及び問題がある。例えば、閉ループ油圧・空気圧システムに関連した典型的なアキュムレータにおいては、所定の重量の無人航空機の所望の発射速度を実現するために、特定の圧力にプリチャージされなくてはならない。仮に異なる速度が求められる場合、または、無人航空機の重量が異なる場合（燃料の搭載量または規則（法令）のため）、それにしたがってプリチャージ圧力を調整しなければならない。このため、一般には、気体（典型的には空気または乾燥窒素）が個別の気体容器を介して閉ループ油圧・空気圧システムから抜かれるかまたは該システムに加えられることが求められる。圧力の変動の必要性は、システムの複雑さを助長し、場合によってはシステムの全体重量を増加させてしまう（例えば、発射装置に搭載される気体容器が使用される場合）。

空気圧発射装置については、発射サイクルの開始時に圧力が機械駆動部品に放出されるとき、無人航空機に与えられるＧ荷重を制御することも難しいことがある。発射サイクルの開始時のＧ荷重のスパイクは、潜在的に、無人航空機、搭載電子装置、及び他のシステムに破滅的な衝撃を与える可能性がある。このような初期のＧ荷重のスパイクは、作動油液を制御されたやり方でアキュムレータから駆動シリンダに放出する制御バルブを通して軽減されることができる。しかしながら、このようなバルブは高価なことが多く、また、システム全体の重量を増加させてしまう。

さらに、ＵＡＶ発射装置の多くは遠征モードで用いられ、移動式であること及び配置場所への搬送が可能であることが求められる。場合によっては、発射装置は、トラックの後部に載せられるかもしれない。他の場合においては、発射装置はトレーラーに搭載され所定位置に牽引されるかまたは、ヘリコプタの下側から吊り下され所定位置まで空中を運ばれるかもしれない。大抵の場合、確実に特定の航空機または搬送コンテナ内に収まるように、発射システムの外形寸法および重量は最小化されなければならない。油圧・空気圧発射装置の主な駆動部品（アキュムレータ、ポンプ、発射シリンダ、気体容器、リザーバ等）は、システムにかなりの重量を加え、重量はシステムの可動性への主な制約になってしまう。

どの油圧・空気圧システムについても、漏れは常に懸念事項である。気体圧力の損失または作動油液の漏れは、潜在的に、動作を停止させてしまう可能性がある。一度配置されたならば、システム内の漏れに対処するために気体シリンダにアクセスすることはまず起こり得ない。

油圧・空気圧システムにおいては、発射タイミングもまた問題になることがある。予圧と最終的な発射圧力との差、ポンプのサイズ、移動される作動油液の量によっては、システムが発射圧力に達するまでに数分かかることがある。無人航空機は典型的には発射装置に載せられ、そのエンジンは加圧時間の間に動作しているので、オーバーヒートの影響を受けやすくなってしまう。

リセットは、油圧・空気圧システムによって提示される別の難題になることがある。発射完了後に油圧・空気圧発射装置をリセットするためには、シャトルを発射位置に引き戻すことが必要になる。これには数分かかるであろう。なぜなら、シャトルを引き戻す際に、作動油液をシリンダから押し出しリザーバに戻す必要があるからである。シャトルを再配置するのに必要な時間は、全サイクル時間に悪影響を及ぼしてしまう。

油圧システムを使用しないある発射装置の設計が、米国特許第４６７８１４３号に記載されている。この特許に記載された発射装置は、フライホイールを使用して、発射過程に必要なエネルギーをもたらしている。フライホイールは、発電機によって動力を与えられる小型の電動モータによって回転される。発射サイクルが開始されると、電気クラッチがフライホイールと係合する。フライホイールは、発射過程の間にドラムにケーブルを巻くケーブルドラムを駆動する。この発射装置の短所の１つは、フライホイールが発射速度に達するまでに数分かかり得ることである。別の短所は、電源として、システムに多大な重量を加え得る発電機を必要とすることである。

従って、ＵＡＶ発射システムを改善することが望ましい。具体的には、作動油液及び圧縮窒素又は圧縮空気の使用をやめる改善が望ましい。発射過程にエネルギーをもたらすフライホイールの使用をやめる改善が望ましい。より軽量で、より信頼性があり、Ｇ荷重をより制御でき、漏れの懸念がないシステムであって、発射に数分かからず且つリセットに数分かからないシステムが望ましい。

ここに記載の実施形態では、ランチャレールと、ランチャレールに沿って移動するように構成されたシャトルと、シャトルをランチャレールに沿って移動させるための駆動機構とを用いる無人航空機用の発射システムが提供される。駆動機構は、シャトルに固定される１本のテープと、テープを動作させる電気駆動モータと、テープの一端が固定され、発射の間にテープがその周囲に巻かれる駆動リールとを含むことができる。テープは、ナイロン、ナイロン混紡、または他の任意の材料であってよい。電動モータは、直流モータまたは特定のシステムの重量及びサイズの要件に適合する他の任意のモータであってよい。電動モータは、バッテリ駆動式であってもよい。特定の設計では、電動モータは、リチウムイオンバッテリによって駆動される。

本開示は、電動発射部品のみを用いて発射をもたらすＵＡＶ発射システムであって、制動及び制御システムを含むＵＡＶ発射システムを提供するものである。漏れが発生した場合には環境問題を引き起こすだろう油圧システムは搭載されていない。ここに記載の発射システムは、土台または荷台に載せられてもよく、その土台または荷台は、ひいては、トレーラー、台車式ホイールベース、平台型トラック、平台型貨車、船のデッキ、または他の任意の適切な発射用の場所または平面に載せられることができる。また、使用される部品のモジュール性により、より高いエネルギーで無人航空機を発射するための拡張性がもたらされる。

図１は、テープに沿ってシャトルを移動させるための、電動モータ駆動の電動リール及び繰出リールを用いた発射システムの一実施形態の概略側面図である。

図２は、シャトルが所定位置にない状態の、ある角度のランチャレールの斜視図である。

図３Ａ〜３Ｃは発射の過程を示すものであり、無人航空機をシャトルから発射させる過程を示す。

図４は、図１の発射システムの概略側面図であり、シャトルがテープから分離された状態を示す。

図５は、テープの巻取りを制御する端部滑車（端部シーブ）を用いた発射システムの概略側面図である。

図６は発射システムの概略側面図であり、シャトルがテープに固定されている状態を示す。

図７は、電動リールを用いているが繰出リールを用いていない発射システムの概略側面図である。

図８は、モータによって駆動されるドラムに巻かれたケーブル及びシャトル上のプーリ（滑車）を用いた、発射システムの概略側面図である。

図９は、図８の実施形態の自由物体図である。

図１０は、レールを折り畳むためにテープを持ち上げるのに役立つパネルを有する、発射システムの側面図である。

図１１は、コンベヤベルトを用いた発射システムの概略側面図である。

図１２は、代替のコンベヤベルトシステムの側面図である。

図１３は、ドラムに巻かれ電動モータによって駆動されるスチールケーブルを用いた発射システムの側面図である。

図１４Ａは、発射システムに用いられ得るブレーキシステムの一実施形態であり、図１４Ｂは、図１４Ａのブレーキシステムの概略図である。

図１５は、使用中の発射システムの概略側面図である。

図１６は、ケーブルにシャトルを固定するのに用いられ得る機構の概略例である。

ＵＡＶ発射装置は、固定式でまたは可動式で、種々のレールオプション（伸縮式（入れ子式）レールまたは細長の固定レール）と共に、手動動作または自動動作で提供されてもよく、且つ、所望の性能及びサイクル時間に基づいて種々のＵＡＶ構成及び構造に設計されてもよい。ここに記載のシステムは、種々の発射システムのいずれにも使用され得る。一実施形態においては、ここに記載の発射システムは、自動車（動力車）に載せられてもよく、発射システムは所望の発射場所に搬送されることができる。発射は、発射システムが自動車に載せられている間に行ってもよい。または、発射システムは、発射のために自動車から降ろされてもよい。別の実施形態においては、ここに記載の発射システムは、固定の場所（位置）に取り付けられてもよい。

図１に示すように、一実施形態においては、シャトル組立体１４に取り付けられたモータ駆動のベルトまたはテープ機構１２を用いる発射システム１０が提供される。シャトル１４は、発射に必要なエネルギーを無人航空機に運ぶ運搬装置である。図２に示すように、シャトル１４は１本のランチャレール１６に沿って移動し得る。ランチャレール１６は典型的には傾斜している。この傾斜は、表面に置かれるかまたは表面に固定される支柱１８によってもたらされてもよい。支柱は、土台または荷台に固定されてもよく、その土台または荷台は、トレーラー、ホイールベース、平台型トラック、平台型貨車、船のデッキ、または他の任意の発射用に設計された表面または乗り物に載せられ得る。あるいは、支柱は地面に置かれてもよい。ランチャレール１６は、固定長さの固定走路であってもよいし、または、レールを延長する伸縮ブーム（張り出し棒）を有してもよい。例えば、伸縮ブームは、それが折り畳まれることができるように且つその長さが典型的な搬送方法の障害にならないように、ヒンジで動いてもよい。別の実施形態においては、伸縮ブームは格納位置から引き出されてもよいし、または、必要に応じてランチャレール１６を延長して伸長された走路にするために、他の任意の適切なやり方で拡張されてもよい。ランチャレール１６の長さは、典型的には、無人航空機の所定のＧ荷重の閾値を超えることなく所望の最終発射速度を実現するのに必要な距離、並びに、シャトルを停止させるのに必要な距離次第である。図２は、さらに、１つ以上のバッテリ６４が、１つ以上のモータ制御部品６８に沿って、ベース６６に配置され得ることを示している。

ランチャレール１６は、シャトル１４を、レール１６の駆動長さ２０に沿って図１の矢印で示される発射方向に案内するように用いられ得る。（見やすくするために、図１は、一般には最終発射システムに組み込まれているだろうランチャレールまたは傾斜面を示していない）。シャトル１４がレール１６に沿って動くとき、シャトル１４の動きは発射速度を無人航空機に伝達する。（図１はシャトル１４に固定された無人航空機を示していない。図３Ａ〜３Ｃは、予測される発射過程を示している。）

シャトルの前部にケーブルを固定するという、最新の発射システムの作動方法ではなく、シャトル１４はランチャレール１６に沿って動くテープ１２に固定されている。より具体的には、ベルトまたはテープ１２を用いることによって、シャトル１４をランチャレール１６に沿って移動させる。シャトル１４は、一般には、シャトルとテープとの界面２２でテープ１２に固定されている。界面２２は、任意の適切な連結であってよい。一実施形態においては、シャトルとテープとの界面２２は、シャトル１４上の対応する構造と協働する、テープに付属のピン２４として提供され得る。この実施形態は、図３Ａ〜３Ｃ及び図１５に示されている。例えば、シャトルの下部構造（車台）は、フック２６、または、ピン２４と協働する、シャトルの下部構造に付属の他の任意の取り外し可能な連結機構を有してもよい。別の実施形態においては、界面２２は、テープ１２に設けられ、且つ、シャトルに設けられた下方突起またはフックと協働するように成形された任意の種類の上方突起２８から形成されてもよい。別の実施形態においては、界面２２は、シャトルとテープの間の分離不能の連結部であってもよい。別の実施形態においては、界面はクランプ（締め金）として形成されてもよく、その形態においては、シャトルはテープの２つの端部を、シャトルのある位置で互いに固定する。他の連結が、本開示の範囲内で実行可能である。

使用時には、図３Ａ〜３Ｃに示すように、無人航空機がシャトル１４の上面に固定される。シャトル１４への無人航空機の取り付けは、現在使用されている任意の適切な連結部、または、開発され得る場合は上述のオプションのいずれを含む任意の適切な連結部を介してよい。シャトル１４の突然の停止によって、無人航空機がシャトル１４から発射する。

テープ１２は、ランチャレール１６の駆動長さ２０に沿って動いてもよい。一実施形態においては、図１、図４〜６、及び図１５に示すように、テープ１２の端部は、一般には、繰出リール３６及び／又は電動リール３０の１つ以上に固定される。別の実施形態においては、図７に示すように、テープ１２の一端はシャトルに取り外し可能に固定されてもよく、他端は電動リールに固定される。別の実施形態においては、図８及び図９に示すように、ケーブルが使用され、そのケーブルはモータによって駆動されるドラムに巻かれる。別の実施形態においては、図１１及び図１２に示すように、テープ１２は、ランチャレールに沿ってコンベヤベルトとして動く連続したテープである。別の実施形態においては、図１３に示すように、スチールケーブルまたはロープが一対のドラム９０に巻かれてもよい。別の実施形態においては、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、代替のブレーキシステムがもたらされてもよい。これらの実施形態のさらなる詳細は、それぞれ、以下に説明される。

テープ１２は、典型的な発射システムで用いられるケーブルよりも、より弾力性又は伸縮性がある材料から形成されてもよい。例えば、テープ１２はナイロン、ナイロン混紡、または他の合成材料から形成されてもよい。ある実施形態においては、テープは固有の伸縮量を有する材料から形成されてもよい。使用される材料の固有の伸縮性は、発射荷重の初期の印加の間に重力を軽減するのに役立つ。だが、材料の伸縮性は必須ではない。別の実施形態においては、金属強化用繊維を含むテープまたはベルトを用いてもよい。電動モータと連動する電子制御システムは、発射サイクルの加速度プロファイルを厳しく制御するために用いられることができる。

図１に示す実施形態においては、テープ１２の一端が、電動モータ３４の駆動軸３２に装着された電動リール３０に取り付けられている。電動モータの詳細は後述するが、一実施形態では、電動モータ３４は直流モータであってよい。電流モータ３４によって、テープ１２が駆動される。使用時には、電動モータ３４は、ランチャレール１６及び残りのシャトル案内部品に対し静止している。

テープ１２の他端は、繰出リール３６に取り付けられてもよい。図１に示すように、繰出リール３６は、一般には、バッテリ位置端部３８の付近に位置付けられてもよく、且つ、電動リール３０は、一般には、発射システム１０の発射地点４０の付近に位置付けられる。電動モータ３４が通電されると、モータによって電動リール３０が回転し、テープ１２を繰出リール３６から巻き取る。このテープ１２の巻き取りによって、テープ１２に取り付けられたシャトル１４が加速する（ひいては、シャトル１４に取り付けられた無人航空機が加速する）。繰出リール３６は、少なくとも、シャトル３４がレール上を最大限に移動することを可能にするテープ１２の十分な長さを含むものである。

図１に示すように、シャトル１４は、テープ上の接続部材２２に取り付けられるフック２６を介して（または、シャトル１４の下部構造に設けられた他の任意の取り外し可能な連結を介して）、テープ１２に連結されてもよい。図示の実施形態においては、接続部材２２は、ピン、突起２８、またはシャトルのフックと接続可能な他の起立構造としてもたらされる。電動モータ３４の作動によって、シャトル１４が動力区間１００に沿って移動する。シャトル１４は、動力区間１００内でテープ１２の全長にわたって発射速度まで加速する。尚、レールは図１に示されていないこと、並びに、シャトルを突然停止させるために、レールはシャトルとテープの分離点４０を超えた十分な長さを有するであろうことを理解されたい。

図３Ａ〜図３Ｃは、無人航空機７０がその上に位置付けられたシャトル１４及びテープ１２に沿ったシャトル１４の移動についての一連の過程を示す。図３Ａは、シャトル１４のレール１６に沿った移動を示す。図３Ｂは、シャトル１４が拘束ストラップ７２と係合している様子を示す。拘束ストラップ７２は、シャトル１４の前方への動き（勢い）を止めるように機能する。図３Ｂでは、シャトル１４は拘束ストラップ７２と係合されたところであって、無人航空機７０はシャトル１４から外れる準備ができている。図３Ｃでは、拘束ストラップ７２が伸長してシャトルのエネルギーを吸収しており、無人航空機７０は発射されている。

いくつかの例においては、シャトル１４がシャトルとテープの分離点４０又は別の発射地点に到達するとき、シャトル１４はテープ１２から解放されてもよい。一般には、図４に示すように、この解放はテープ上の接続部材２２が電動リール３０の端部に巻かれることによって起こる。

図４の実施形態では、シャトル１４はテープ１２から解放されている。テープは特定の地点で停止する必要がないため、テープ１２から分離するシャトル１４は、正確なタイミングを必要としない。取り外されたシャトル１４を停止させることは、拘束ストラップ、レールの端部のブレーキ機構、シャトルに搭載されたブレーキシステム、または他の任意の適切なシステムを介して実現されてもよい。図４に示すように（また図３Ａ〜図３Ｃの発射過程にも示すように）、シャトルブレーキ区間１０２におけるシャトル１４の突然の停止によって、無人航空機はシャトル１４から発射し得る（シャトル１４だけでなく、テープ１２からも解放され得る）。

図５に示す実施形態では、テープの軌道をもたらす端部滑車またはプーリが、ランチャレール１６上に装着されるか、ランチャレール１６の下方に装着されるか、またはランチャレール１６に別のやり方で装着され得る。第１滑車４６が、バッテリ位置端部３８に装着され得る。第２滑車４８は、発射端部４０にまたは発射端部４０の付近に装着され得る。別の実施形態では、シャトル１４を動力行程の終わりで拘束するための距離をもたらすために、第２滑車４８は、ランチャレール１６の発射端部４０からある程度の距離の前方に装着され得る。使用時には、第１滑車４６が繰出リール３６からテープ１２を送って、テープ１２は、ランチャレール１６の上水平面５０を通って、第２滑車４８に着く。そして、テープ１２は、第２滑車４８を通って、電動リール３０に至ってもよい。図５に示すように、電動リール３０及び繰出リール３６は、ランチャレール１６の下側に装着されてもよい。代替の実施形態では、電動リール３０及び繰出リール３６は、ランチャレール１６が装着され得るベースに装着されてもよい。

第１滑車４６及び第２滑車４８を使用することによって、発射システム１０に利点をもたらすことができる。例えば、動力行程の間に電動リール３０に巻かれるテープ１２によって電動リール３０の直径が増加すると、シャトル１４に対する障害になってしまう恐れがある。テープ１２が端部滑車４８を通ること、及び、電動リール３０がランチャレールの下側に位置することによって、積み重なって嵩が増したテープ１２が、シャトル１４の移動に影響を及ぼす見込みを減じることができる。尚、同様の事情が繰出リール３６側にあるが、繰出リール３６上のテープ１２の直径は、テープ１２が繰出リール３６から引き出されるために、動力行程の間に小さくなる。これによっても、テープ１２はランチャレール１６の障害になり得る。また、繰出ロール３６をランチャレール１６の下側に位置付けることによって、レールのバッテリ位置端部３８に空間がもたらされ、その空間で無人航空機がシャトル１４のキャリッジに載せられる。さらには、端部滑車４８と電動リール３０の間の距離を追加することによって、シャトルとテープとの接続部材２２が電動リール３０に巻かれるよりも前に、動力行程を停止させることができる。テープ１２が接続部材２２に巻かれると、テープを劣化させる可能性がある。

図６に示す別の実施形態においては、シャトル１４は取り外しができないようにテープ１２に固定されていてもよい。例えば、シャトル１４の下部構造は、シャトルとテープとの接続部材２２を完全に捉える連結機構を特徴としてもよく、そのような接続部材は、ピンまたはテープ１２に固定される他の構成要素であってよい。テープ１２は、材料の連続した一片から製造されてもよい。別の例においては、テープ１２は、材料の連続していない片から製造されてもよい。例えば、テープ１２が、単独の連続した一片から作られていないならば、２つの部分を用いてテープ接続部材２２に連結することができる。２つのテープ部分を用いることによって、以下のような利点を有し得る。ブレーキリールに連結される部分を、より高い強度がありそうな別の材料から作ることによって、シャトルの重量にブレーキをかけるのに役立つことが可能である。この接続部材２２は、一般には、シャトル１４がテープ１２から外れることを防止する。図示のように、シャトル１４はレールの端部の前のブレーキ区間１０２で停止する。無人航空機は、このブレーキ区間１０２でシャトル１４から発射される。繰出リール３６に収められているブレーキシステム５４を介してシャトル１４を拘束するように、テープ１２を用いてもよい。一実施形態では、作動油液または空気式ブレーキの使用を禁じるために、電気作動ブレーキを用いてもよい。シャトル１４の拘束を強化するために、（先に説明の）任意の拘束ストラップまたは第２のブレーキシステムを用いてもよい。

別の実施形態においては、図７に示すように、繰出リール３６を設けなくてもよい。この実施形態では、電動リール３０を用いて、シャトル１４及びテープ１２を加速する。上述のように、電動リール３０は電動モータ３４と連動してもよい。シャトル１４が外れた後は、接続部材２２またはピンを含むテープが、電動リール３０に完全に巻かれるであろう。シャトル１４の拘束は、拘束ストラップ、レールに設けられたブレーキ、または内蔵のシャトルブレーキを通して行ってもよい。

別の実施形態においては、モータ８４によって駆動されるドラム８２に巻かれるケーブル７８を用いてもよい。図８及び図９にその一例を示す。この実施形態では、シャトル１４は、その下面に設けられた２つのプーリ７４、７６を有する。プーリ７４は、ケーブル７８の発射ガイドとして機能し得る。もう一方のプーリ７６は、拘束ガイドとして機能し得る。ブレーキドラム８０は、発射のためのアンカーポイント（固定金具）として機能し得る。巻取ドラム８２は、ケーブル７８を巻き取り、シャトル１４をレール１６の下流に進ませる。２つの固定式プーリアセンブリ１２０、１２２が、レール１６に沿って配置され、レール１６の両側に装着されてもよい。図示のように、固定式プーリアセンブリ１２０、１２２のそれぞれは、実際には、２つ以上のプーリを有してもよい。図示のように、固定式プーリアセンブリ１２０、１２２は、ブレーキドラム８０及び巻取ドラム８２からケーブルが進入するレール１６上の位置に、それぞれ置かれてもよい。ブレーキドラム８０及び巻取ドラム８２からケーブルが進入するレール１６上の位置をシャトル１４が横断するまでは、ケーブル７８は（シャトルの）プーリ７６を引っ張る。上記レール１６上の位置をシャトル１４が横断するとき、ケーブル７８は、ブレーキ作用のために、シャトルのプーリ７４の方に動く。これを、「屈曲“ｆｌｅｘｉｎｇ”」と呼んでもよい。従って、シャトル１４が、２つの固定式プーリアセンブリ１２０、１２２が置かれているレール１６上の地点を横断するときに、ケーブル７８は、シャトルの発射プーリ７６からシャトルの拘束プーリ７４に移行する。巻取ドラム８２は、ブレーキで停止され得る。ブレーキドラム８０によって、シャトル１４を停止させる際にケーブル７８がある程度繰り出されることが可能になる。図８は、レール１６沿いの適所にある拘束ストラップ７２も示している。拘束ストラップ７２は、中心ストラップ部７３がレールを跨いでいる状態で、レールの両側に沿って延在する。

具体的には、ケーブル７８として合成ロープを用いてもよい。これによって、小さいプーリの周囲でスチールケーブルを曲げて、屈曲の方向を突然逆にすることで起こり得る問題を緩和し得る。

ここに記載されている個別の設計の多くは、通常、ランチャレール１６のほぼ全長２０に渡って動く平坦なテープ１２を用いるものである。ある実施形態では、搬送のときにレール１６を折り曲げる必要があるかもしれない、そして、テープは、折り曲げの方向と直交して置かれるかもしれない。このような場合には、レール１６のヒンジと隣接する部分に追加され得る、一組の「パドル“ｐａｄｄｌｅｓ”」８６を設けることができる。図１０は、その一例を示す。テープ１２の一縁をレールフランジ１７の上方に上げるためにパドル８６を設けて、テープ１２の傾いた部分を通じてレール１６を容易に折り畳めるようにしてもよい。パドル８６によって、テープ１２がある角度で傾斜することができ、その傾いた部分を通じてテープ１２を折り畳むことが可能になる。別の例では、ヒンジが回転する面内にテープ１２の平坦面が存在するように、テープ１２はこの設計に対して約９０度で装着されることができるだろう。

図１１に示すさらなる実施形態では、コンベヤ構成を使用してもよい。この実施形態では、１つ以上の電動モータ３４が、連続したループ状のベルトまたは鎖５６を動かすプーリを駆動する。連続したループ状のベルトまたは鎖５６は、上述のいずれかのやり方で、シャトル１４と係合することができる。シャトル１４が動力行程の終わりに到達すると、シャトル１４はベルト５６から外れる。シャトル１４は、拘束ストラップまたは他の任意のブレーキシステムを介して拘束されてもよい。別の実施形態では、シャトルは接続部材２２に確実に取り付けられてもよく、制動力はコンベヤベルトを通って加えられてもよい。

図１２は、代替のコンベヤ構想の概略図である。この構想においては、連続したループをもたらすテープ１２としての駆動ベルト５６に拘束されたシャトル１４が用いられている。シャトル１４は、ベルトの端部を抑えるクランプ（固定部）としても機能し得る。駆動モータ３４は入力軸１０４に連結されてもよい。駆動プーリ１０６は、鎖歯車及び鎖を介して、駆動モータ出力軸に連結されるかまたは、駆動モータ出力軸に直接連結されてもよい。シャトルの制動は、種々の電動制動によって、種々の拘束ストラップによって、または他の任意の適切な方法によって実現され得る。この実施形態では、シャトルはベルトに直接連結されて連続したループを形成している。これは、シャトルが、発射過程中に端部プーリ１０８に到着する前に停止され得るかまたは、シャトルが端部プーリ１０８に巻き付こうとするだろうことを意味している。別の実施形態においては、シャトル１４は端部プーリ１０８に到着する前に駆動ベルトから切り離されてもよい。

図１３は、代替の発射の実施形態を示す。この構想においては、一対のドラム９０に巻かれた連続したスチールロープ８８を使用し得る。ドラム９０はばね張力を有し、ばね張力によってドラム同士が空間的に分離され、スチールロープ８８とドラム９０の間の摩擦を増やす力がもたらされる。ドラムの一方は、ベルトまたは鎖を通って駆動モータアセンブリ９２に連結されてもよい。これによって、キャプスタンドラム９０をレールに装着することが可能になり、発射角度を調整するためにレールを容易に傾斜できる。シャトル１４は、スキーリフトに用いられるものと同様の機構１２６によってロープ８８に取り付けられてもよい。行程の終わりでは、種々のシャトルホイールの案内空間によって、クランプ機構を開くことが可能になり、シャトル１４は拘束ストラップの中へ惰性で動くことができる。

一例においては、図１６に示すように、クランプ機構１２６をシャトル底部に装着し、シャトルをケーブルに固定するために用いてもよい。クランプ（固定）された位置では、クランプ機構を拘束するために車輪１２８がレール溝内で動いてもよい。上方レールガイド１３４は、ケーブル挟持部１３２によってケーブル８８が覆われて固定されるように、ケーブル挟持部１３２を閉じた状態に保ってもよい。解放された位置では、ケーブル８８はケーブル挟持部１３２から解放されている。これは、ばね荷重車輪であり得る車輪１２８が、上方レールガイド１３４を超えて進んだときに実現されることができる。一実施形態では、上方レールガイドはレールの長さに沿って先細にされており、開位置からクランプ位置への変化が可能になる。

別の実施形態では、代替のブレーキ機構が設けられ得る。図１４Ａ及び図１４Ｂは、その一例を示す。この変更例においては、シャトルに取り付けられ得る拘束テープ９７が設けられている。例えば、シャトル１４の後端を、シャトルの後を追う拘束テープ９７に連結してもよい。拘束テープ９７は、クラッチ、ブレーキ、及び巻戻しモータを有するテープリール９６に巻かれることができる。発射テープ１２は、ここに記載の任意の選択肢を用いてシャトル１４に固定され得る。発射テープは、ここに記載するように、レール１６に沿ってシャトル１４を動かすために、駆動モータアセンブリ９４によって駆動されてもよい。駆動リール９２は、ブレーキリール９６のすぐ右側に示されており、鎖歯車駆動リール１２４は駆動リール９２のすぐ下に示されている。図示のように、鎖歯車１２４及び鎖は、モータ９４及び駆動リール９２の間で用いられてもよい。図１４Ｂは、このオプションのブレーキの概略図である。

発射テープ１２及び拘束テープ９７は、異なる動作特性を得るために、異なる材料から作られてもよい。これによってシステムに牽引が加わるかもしれないが、自動巻戻しを可能にし、「ハンズオフ“ｈａｎｄｓ−ｏｆｆ”」構成をもたらすことができる。これによって、自動展開発射装置になり得る発射システムを提供し得る。

このブレーキについての実施形態に関しては、拘束過程に対する発射のタイミングが重要かもしれない。発射から拘束への変移が起こる場合、シャトル１４は、１秒当たり最高約４３〜４４ｍ進むことができる。発射信号のタイミングは、ブレーキと係合している間にモータを動力発射から惰力走行に変えるために、プログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）から駆動制御装置に伝えられ得る。確実に成功させるために、高速応答で繰り返し可能なブレーキを設けてもよい。本システムは、油圧ブレーキシステムの必要性をなくすために、電動ブレーキを有してもよい。しかしながら、油圧ブレーキを用いてもよい。ブレーキは、異なる重量及び速度に適応するために可変であってよい。

図１５は、ランチャレール１６が上向きの角度に傾斜し、シャトル１４がレール１６のテープ１２上に位置づけられている発射システム１０の一実施形態を示す。この実施形態では、シャトル１４がバッテリ位置または発射前位置にあるときに作動されるバッテリ位置センサ５８がもたらされる。シャトル１４がバッテリ位置に引き戻されると、センサ５８が作動する。センサ５８が作動すると、繰出リール３６のブレーキが作動して、テープをピンと張った状態に保つ（一部の実施形態では、安全性のために、シャトルがバッテリ位置に固定されていないのであれば、発射過程を開始することができない）。発射が開始されると、電動モータ３４が通電され、繰出リール３６のブレーキが外される。ブレーキを外すことによって、シャトル１４がレール１６に沿って動くことが可能になる。モータ３４はテープを巻き取るために電動リール３０を駆動させ、それによってテープ１２及び取り付けられたシャトル１４が移動する。電動リール停止センサ６０が、レール１６に沿って発射端部４０に向かって位置付けられ得る。シャトル１４がこのセンサ６０に到達すると、信号がモータ３４に送られて電動リール３０の動きを停止させる、且つ／または、繰出リール３６のブレーキを作動させる。電動リール３０の停止及び／又は繰出リール３６のブレーキ作用によって創生されたテープ１２の張力は、シャトルを急停止させ、それによって無人航空機の発射をもたらす。シャトルがテープ１２から取り外される実施形態を用いるのであれば、シャトルは、拘束ストラップ又は他の停止機構によって停止されてもよく、それによってシャトルを急停止させ、無人航空機の発射をもたらす。

上述の実施形態の多くでは、モータが動力を供給し続けないように、そしてシャトルまたは駆動機構を損傷させないように、電動モータ３４は、シャトル１４の拘束の直前に停止される。また、別の無人航空機がすぐに装着されて発射の準備ができるように、繰出リール３６は、テープ１２をバッテリ位置（または発射位置）に戻すことができる巻戻しモータに連結されていてもよい。テープ１２をこのようなやり方で巻き取ることによる動力行程を利用して発射速度を実現することは、他のいかなる市販の発射装置で採用されていない。

ある実施形態では、直流モータが所望の駆動特徴及び駆動速度をもたらすことが分かっている。可搬性を向上するために、電動モータが、バッテリシステムと連動して使用され得る。バッテリは、リチウムイオンバッテリシステムであってよい。また、電動モータは、プログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）と連動して使用されてもよい。ＰＬＣによって、モータの毎分回転数（ＲＰＭ）が発射過程を通じて必要に応じて調整され、制御された加速をもたらすことが可能になる。それによって、油圧・空気圧システムに特有の、初期の高いＧスパイクを軽減する。また、ＰＬＣを用いることによって、発射荷重にダイヤル接続することが可能になり、それによって、重量または速度の変動に対する調整を容易にし、且つ、発射前の圧力を、システムにガスを加えるかまたはガスを除去することによって、時間をかけて変化させる必要性がなくなる。例えば、重力は、制御装置で重力曲線の形状をプログラミングすることによって、最小化されてもよい。

ＰＬＣの機能は、駆動制御機能に組み込まれる可能性があり、１つの装置に組み合わせられる可能性がある。あるいは、ＰＬＣは、システムに任意に追加されることができる分離された構成要素であってもよい。

電動発射装置と共に用いられ得るモータのある具体的な実施形態は、直流モータ推進システム及び制御装置である。このモータは、リチウムイオンバッテリによって駆動されることができる。他の種類の電動モータを用いてもよい。例えば、同様のトルク出力を有する交流モータを使用してもよい。しかしながら、このような交流モータは直流モータよりもかなり大型で且つ重いものであろうと考えられる。交流電源からは典型的には得られないサージ電流を供給するというバッテリの能力に基づき、直流モータが初期の印加用に選ばれた。あるいは、好適な変圧器及び放電能力を有する交流モータを用いて、直流モータを稼働させることができる。

さらには、１つ以上のモータを用いて発射に必要な荷重をもたらすことができる。より重量の大きな無人航空機、または、より大きな力がより高速の発射速度をもたらすのに必要な無人航空機に対応するように、モジュール分割法によって、多数のモータを用いてシステムを拡大することができる。

１つ以上の電動モータを用いることは、油圧・空気圧システムでは必要とされる複雑な制御バルブ及びマニホルドなしで、得られる加速度を、動力行程の全長に沿って厳しく制御することができることを意味する。空気圧システム及び空気圧・油圧システムでは、最大加速度は、典型的には、システム圧力が最大になる発射の開始時に起こる。気体が膨らんでシリンダに入る際に、圧力が低下し、シャトルに印加される力が低下する。一方、ここに記載の電動モータ駆動のテープが用いられる発射行程においては、その全体にわたって等加速度をもたらすことができる。なぜなら、モータの毎分回転数（ＲＰＭ）を、行程を通して増加させることができるからである。ＰＬＣと連動して直流モータを使用して正確に発射プロファイルを制御することは、市販の発射システムに関連する多くの上述の問題に特有のものである。

ナイロンまたは他の任意の合成材料から製造され得るテープ１２を使用することは、この種の材料には固有の伸縮量があるため、発射荷重の初期の印加の間に、ある程度のクッション作用をもたらす。油圧・空気圧システムの多くは、スチールケーブルを介して、駆動シリンダをシャトルに連結させる。スチールケーブルは、荷重が加えられている間にテープと同程度の伸展性または伸縮性をもたらさず、予想されるＧ荷重のスパイクを増幅させる可能性がある。ある程度のクッション性、撓み性、伸縮性、または他の特徴があるテープを用いることによって、僅かな伸長を許容することになり、また、材料の収縮は、開示された発射システムに有益なはずである。しかしながら、合成テープ又はベルトにおいて伸縮性は必要不可欠ではないことに注意されたい。さらに、伸縮性を弱めるかまたはそれをなくすだろう鋼強化用繊維を含むテープまたはベルトを用いてもよい。シャトルとテープとの接続部材を用いることによって、発射速度をプログラムで増加させることによる加速度の制御が可能になる。これは、他のシステムで発生するＧ荷重のスパイクをなくすのにかなり役立つ。

リチウムイオンバッテリ式電源及び電動モータを駆動機構として用いることによって、必須の油圧・空気圧部品（アキュムレータ、ポンプ、発射シリンダ、気体容器、リザーバ、作動油液の重量、等）を含む類似のシステムと比べると、システム全体の重量を大きく減少させることができる。さらには、システムのレイアウトにかなりの融通性を許容し、且つ、一部のサブシステムを潜在的にモジュール化することができる。使用される部品はより小型であってよく、加圧された作動油液または気体を送るための大型のチューブまたはパイプを必要としない。コネクタを含む電力ケーブルまたはフレキシブルバスバーを用いて、直流電流をバッテリからモータに送ることができる。これによって、放電バッテリ部の迅速な交換が可能になる。

しかしながら、バッテリはリチウムイオンである必要がないことを理解されたい。必要な荷重及び放電率をもたらすことができる他の任意のバッテリシステムを用いてもよい。リチウムイオンは、低重量であって急速放電特性を有するため、初期の印加用に選ばれた。しかしながら、他の種類のバッテリ及びシステムを、本開示と関連して用いてもよい。

本開示では圧力容器を用いていないので、気体または油圧リークの問題がなくなり、システムの全体的な安全性が向上する。多くの油圧・空気圧システムにおいては、シリンダ、及び場合によってはアキュムレータがレールに取り付けられる。アキュムレータは、加圧されたＧＮ_２を保存するリザーブ容器として機能する大型の気体容器まで配管されていることが多い。種々の油圧部品間及び空気圧部品間の配管のために、発射角度の調整が所望されていたとしても、レールがベースに対して動くことは困難であろう。一方、ランチャレール１６の下側で、ベースプレートまたは荷台に、駆動モータ３４及び繰出リールアセンブリ３６を搭載できることによって、レールを過剰な重量及び複雑性から解放することができる。レール上で２つの端部滑車４６、４８の周囲を通るテープ通路を用いることによって、レールが軸６２を中心に枢動することが可能になり、発射角度を調整することができる。代替の実施形態においては、駆動プーリが、鎖歯車及び鎖を介してモータによって駆動され得る。図１４はその一例を示す。

多くの運用仕様においては、発射システムの配備及び解体時間が重要なパラメータとなる。システムを配置し、システムをレディモードにし、発射を行い、そしてその後の発射のためにシステムをリセットするための時間が重要である。本願のバッテリ・モータ・テープの組み合わせを用いる場合には、加圧サイクルまたはフライホイールの回転に関係する時間がないため、システムの配置に続くレディ信号を実現する一式のコンデンサの充電を含む、システムに給電する時間が最小限になる。バッテリは、再充電が必要となる前に多数の発射を実現する寸法にすることができる。特定の実施形態では、バッテリは、再充電の前にまたはバッテリ交換が必要とされる前に、４回の発射が可能な寸法にすることができる。選ばれたバッテリの寸法、発射される無人航空機の重量、及び必要とされるモータの速度に応じて、より多数かまたは少数の発射を充電１回あたりにもたらし得る。追加のバッテリパックを別に充電することができ、搭載のバッテリの再充電のために待機することなく、現場で操作を続けるために交換することができる。一実施形態では、プロセス中にバッテリ交換を迅速に行うように、迅速な切断がもたらされてもよい。より大型のバッテリ構成を用いると、より多数の発射が可能になり得るが、それはシステムの重量に影響を及ぼすだろう。発射サイクルに対する重量は、顧客の要求に基づいて最適化することができる。

発射時間の短縮に加えて、開示されたシステムのリセット時間がより短縮される。なぜなら、開示のシステムは、シャトルを元に戻すために、油圧・空気圧発射装置に特有の、作動油液のリザーバに戻るための移動を必要としないからである。リセット時間をさらに向上させるためには、繰出ロール３６にモータを取り付けて、シャトル１４をバッテリ位置３８に戻すことができる。

記載のシステムの一例では、操作者の作業場（ステーション）が有線接続されていてもよいが、発射装置からは離れている。別の例では、操作者の作業場はワイヤレスで接続されてもよい。システムは、無人航空機と共に設置されたならば遠隔操作され得るように、設計されてもよい。

変更、改変、追加、及び削除が、本発明の範囲又は精神及び特許請求の範囲から逸脱することなく、上述し図示した構造及び方法になされてもよい。

Claims (27)

1. 無人航空機用の発射システムであって、
   （ａ）ランチャレールと
   （ｂ）前記ランチャレールに沿って移動するように構成されたシャトルと
   （ｃ）前記ランチャレールに沿って前記シャトルを移動させる駆動機構であって、（ｉ）前記ランチャレールに沿って動く一本のテープであって、前記シャトルに固定されるかまたは取り外し可能に前記シャトルに固定される接続部材を有するテープと、（ｉｉ）前記テープを動かす電気駆動モータと、（ｉｉｉ）前記テープの一端が固定され、前記テープが発射の間に巻かれる駆動リールとを備える駆動機構とを備える発射システム。
2. 前記テープは、発射の間に前記駆動リールに巻かれて、前記シャトルを加速する請求項１に記載の発射システム。
3. 前記テープの他端が固定される繰出リールをさらに備える請求項１又は２に記載の発射システム。
4. 発射過程の後に、前記繰出リールを用いて前記テープを巻き戻す請求項３に記載の発射システム。
5. 前記繰出リールは、モータが取り付けられているかまたは手動で回転される請求項３又は４に記載の発射システム。
6. 前記繰出リールは、前記ランチャレールの下方でベースプレート上に位置付けられる請求項１〜５のいずれか一項に記載の発射システム。
7. 前記シャトルは、発射の間に前記テープから分離する請求項１〜６のいずれか一項に記載の発射システム。
8. シャトルとテープの接続部材をさらに備える請求項１〜７のいずれか一項に記載の発射システム。
9. 前記シャトルとテープの接続部材は、前記シャトルの下部構造（車台）に設けられたフックと、前記テープに設けられた対応の突起とを含む請求項８に記載の発射システム。
10. 前記シャトルとテープの接続部材は、前記シャトルの前部又は後部に設けられた連結部と、前記テープに設けられた対応の連結機構とを含む請求項８に記載の発射システム。
11. 前記シャトルとテープの接続部材は、前記シャトルに設けられた連結部を含み、前記連結部は、不連続であり得る前記テープの２つの端部を互いに固定する請求項８に記載の発射システム。
12. 前記電気駆動モータは、使用時に、前記ランチャレールに対して静止している請求項１〜１１のいずれか一項に記載の発射システム。
13. 前記ランチャレールの第１端部及び第２端部に位置付けられた第１滑車及び第２滑車をさらに備え、前記テープは第１滑車及び第２滑車を超えて動かされる請求項１〜１２のいずれか一項に記載の発射システム。
14. 前記テープは、発射荷重の初期の印加の間に、ある程度のクッション性をもたらす材料からなる請求項１〜１３のいずれか一項に記載の発射システム。
15. 前記テープは、ナイロンまたはナイロン混紡を含む請求項１〜１４のいずれか一項に記載の発射システム。
16. 前記電気駆動モータは直流モータである請求項１〜１５のいずれか一項に記載の発射システム。
17. 前記電気駆動モータは、バッテリによって駆動される請求項１〜１６のいずれか一項に記載の発射システム。
18. 前記バッテリは、リチウムイオンバッテリを含む請求項１７に記載の発射システム。
19. 前記電気駆動モータ及び前記駆動リールは、前記ランチャレールの下方で、ベースプレートに位置付けられる請求項１〜１８のいずれか一項に記載の発射システム。
20. 前記テープは、前記シャトルの前部に固定される発射テープである第１構成部分、及び、前記シャトルの後部に固定される拘束テープである第２構成部分を含む請求項１〜１９のいずれか一項に記載の発射システム。
21. 前記ランチャレールは、傾斜路である請求項１〜２０のいずれか一項に記載の発射システム。
22. 無人航空機用の発射システムであって
    （ａ）ランチャレールと
    （ｂ）前記ランチャレールを移動するように構成されたテープと
    （ｃ）シャトルとテープの接続部材で前記テープに固定されるシャトルと
    （ｄ）電気駆動モータによって駆動され、前記テープを移動させる電動リールと
    （ｅ）繰出リールとを備える発射システム。
23. 前記繰出リールによって、前記発射過程の間に制御されたやり方で前記テープを繰り出すことができ、且つ、前記テープに制動力がもたらされる請求項２２に記載の発射システム。
24. 発射後に前記繰出リールを用いて前記テープを巻き戻し、その後の発射サイクルのために前記システムをリセットするための時間を減少させる請求項２２又は２３に記載の発射システム。
25. 無人航空機用の発射システムであって
    （ａ）ランチャレールと
    （ｂ）前記ランチャレールに沿って移動するように構成されたシャトルと
    （ｃ）前記ランチャレールに沿って前記シャトルを移動させる駆動機構であって、（ｉ）前記ランチャレールに沿って動くベルトであって、前記シャトルに固定される接続部材を有するベルトと、（ｉｉ）前記ベルトを動かす電気駆動モータと、（ｉｉｉ）前記ベルトをループ内で動かすコンベヤとを備える駆動機構とを備える発射システム。
26. 前記ループは連続したループを含む請求項２５に記載の発射システム。
27. 前記ループは不連続のループを含む請求項２５又は２６に記載の発射システム。

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