JP2018008563A - 噴射ノズルからの空気で揚力を得る飛行体 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱の影響を受けにくい操作性の高い飛行体を可能にする。【解決手段】プロペラの回転により空気を下方に送風することで揚力を得る飛行体であり、発生させた気流を密閉した複数のノズル部から放出させる事で、飛行体を浮揚させる。ノズル部には下方に空気を噴射させ飛行体を浮揚させるための噴射口とは別に、浮揚した飛行体を水平に移動させる、あるいは姿勢を制御させるための噴射口を設ける。それぞれの噴射口には噴射させる空気量を独立に制御する制御弁を設ける事で、突然の突風などの外乱の影響をなくす。【選択図】図1

Description

本発明は、プロペラや回転翼といった回転羽根により空気を下方へ圧送することで揚力を得て、浮上する飛行体に関する。
前記圧送された空気は下方に送風され、そのほぼ全てが噴射ノズルから噴射されることで揚力を得る。

ドローンに代表される垂直離着陸機は、複数の回転羽根を回転させ、回転羽根の下方へ空気を送風することで、揚力を得て、浮上する仕組みである。また、ヘリコプターのように、大型のローターと呼ばれる一枚の回転羽根を回転させることで、浮上する。
従い、回転羽根が機体に占める割合が非常に大きくなり、高価であると同時に、大量の空気を広範囲に噴射する事で周辺への危険が高い。

空気を軸流方向に圧送する回転羽根からなる送風装置により、飛行体を浮遊させる技術が、例えば下記の特許文献１、２に記載されている。

特開2009-298248号 「飛行体」 特開2010-149662号 「空中浮上体」

特許文献１では、空気を軸流方向に圧送する回転羽根を回転させることで発生する風を、遠心方向に拡散するための円錐状のスカート形状の固定翼を設けることで、下方への空気は常にスカート状の固定翼の円周上に一定の空気量が掛かりつけることとなり、例え円錐面へ衝突する空気のバランスを変えたとしても、円錐面自体に境目がないため、突然の外気の乱れで飛行体が傾斜した場合、細かな制御が出来ない。さらに、特許文献１には、円錐面に衝突する空気のバランスをどのように制御するかの記載がない。

特許文献２では、上方から取り込んだ空気を下方へ送風する第一送風機と、下方から取り込んだ空気を上方へ送風する第二送風機が、互いに逆回転することで生じる気流を水平方向に噴出させ、飛行体を全周囲っている、周辺部が下方に湾曲した笠体の内面に沿って下方への気流を生じ、浮揚するものであるが、特許文献１と同様に、笠体の円周上に均一な放射状の遠心気流であり、突然の外気の乱れで飛行体が傾斜した場合、細かな制御が出来ない。

そこで、本発明の目的は、特許文献1、２とは異なる手段を用いることで、突然の外気の乱れで飛行体が傾斜した場合や、空中で敢えて飛行体を傾斜させる、あるいは停止させるといった細かな制御をすることができる飛行体を提供することにある。

本発明では上記課題を解決するために、空気を軸流方向に圧送する回転羽根からなる送風装置で発生した空気は、空気量を均等に仕切る仕切り部屋からそれぞれのノズル部に送られ、前記ノズル部に設けられた第１の噴射口から垂直方向に噴射させ揚力を発生させ、第２の噴射口から水平方向に噴出させることで水平移動を可能とし、第１、第２それぞれの噴出口から噴出される空気量を制御する、制御弁を設置し、上記送風装置の動作および上記制御弁を制御する制御装置と、飛行体が傾斜したことを検知するセンサー、及び上記送風装置を動かす動力源と、制御を行うための電源部とからなる。

前記第1の噴射口は通常は、3個以上からなり、飛行体の中心からの同心円上に均等な位置（例えば、３個であれば、120度ごとに、４個であれば、90度ごと）に配置されることで、傾きなく浮上できる。

さらには、飛行体の中心に１つの送風装置と、前記飛行体の円周に均等に配置された複数の前記ノズルからなる。前記第1の噴射口は通常は、3個以上からなり、飛行体の中心からの同心円上に均等な位置（例えば、３個であれば、120度ごとに、４個であれば、90度ごと）に配置されることで、傾きなく浮上できる。さらには、飛行体の円周に均等に配置された複数の送風装置と、複数の送風装置に独立の前記ノズルからなる。飛行体の操縦にはリモートコントローラを使用するのが一般的である。

上述した本発明によると、送風装置で発生させた空気を、ノズルで制御できる、高精度な飛行体を実現できる。

本発明の飛行体の構造を示す正面断面図である。 同上、上面図である。 本発明の構成を示すブロック図である。 本発明のノズル図の構成を示す構造図である。 本発明のノズル図の構成を示す構造図である。 本発明の第2実施例を示す構成図である。 同上、上面図である。 本発明の第3実施例を示す構成図である。 本発明の仕切り構造を示す概略透視図である。 同上、正面図である。 本発明の制御弁の動きを示す図である。

以下本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図1は本発明の飛行体101の概略構造を表す断面図であり、複数の回転羽根104からなる送風装置102の、回転羽根104を高速回転させることで、上部から空気を取り込み、送風装置102の下部に空気を送風する。上記回転羽根104は軸103に固定される。

上記送風装置102で発生させた空気は、送風装置102の下部の密閉された空間に送られ、同じく密閉されたノズル部110、111を介して、第1の噴射口108、109から勢いよく噴射されることで、揚力を生じ、飛行体101を垂直方向に浮き上がらせる。

一旦浮き上がった飛行体101の姿勢を制御する場合、あるいは飛行体101を水平方向に移動させる場合、ノズル部110、111に設けた第2の噴射口106、107から噴射される空気量をそれぞれ独立に制御することで、水平移動や姿勢制御などの細かい制御を行う。

送風装置102の動力源105は例えば、モーターであり、このモーターを回転させることで、回転羽根が回転する仕組みである。もちろん、前記動力源105に制御関連の電気部材を含めることも可能である。

図2は、飛行体201を上部から見た概略構造図である。送風装置102の回転羽根、いわゆるプロペラ202（以下プロペラと呼ぶ）が回転することで、プロペラ202の下部に発生した気流は、どこにも漏れることなく、全て均等にノズル部203、204、205、206に送られる。図2は、概略図であり、プロペラの枚数や大きさ、ノズルの数は適時変更可能である。さらに、プロペラ202の下部に生じた空気流をそれぞれのノズル部203、204、205、206に均等に送り、かつ前記ノズル部間の空気流の干渉を防止するために、仕切り板207で均等に４つの扇型の仕切り部屋を設けている。これにより、例えばノズル部203から噴射される風量を変化させても、隣のノズル部204、206から噴射される風量が影響されない。

図3は、本発明のブロック図であり、制御装置303により、全ての制御が行われる。動力源302は、一般にはモーターであるが、ジェットエンジンであっても原理は同じである。制御装置のさらなる機能として、ノズルに設けた複数の制御弁を制御することで、噴射口から噴射される空気量を制御し、飛行体101を垂直方向や水平方向に移動することを可能とする。

センサー306は、飛行体101の姿勢を検出するためであり、ジャイロや角速度といった地球の地磁気を感知して水平状態を検出したり、飛行体101の姿勢をどれだけ傾斜させるかに役立てる。

電源部304は、制御装置の電源であると同時に、動力源302の電源であってもよい。一般に電源部304は、電池であり、動力源302のモーターはDCモーターであるが、動力源302がジェットエンジンなどガソリンを必要とする燃料エンジンであってもよい。

前記ノズル部に複数設けられた噴射口からの空気量を制御する制御弁307は、例えば小型モーター305で制御弁307を開閉させる。さらに、突風や気流の変化などで、飛行体101が空中で大きく傾いたり、流されたりした場合、センサー306がその傾きを検出することで、制御装置303は制御弁307を調整し、飛行体101の姿勢を安定に保つ。

また、一般に飛行体101を操縦するには、リモートコントローラと呼ばれる制御ユニット309で行い、操縦情報は無線で飛行体101の無線部308に送信され、飛行体のセンサ情報や電源情報はリモートコントローラに送信される。なお、リモートコントローラ自体は、一般に知り渡っている、ゲーム用のジョイスティックなどで、左右、上下への移動操縦を行う。

図４は、ノズル部401の構造図であり、飛行体101を揚力で垂直方向に浮かせる場合を示している。送風装置102で発生した空気流はノズル部401に送られる。ノズル401には、第1の噴射口403と第2の噴射口402が設けられ、それぞれに制御弁404、405が設けられる。垂直方向に浮上させる場合、図4に示した通り、制御弁405を開放し、制御弁404を閉じることで、すべての空気が第1の噴射口403から下方に噴射され、揚力を生じ、飛行体101は上方へ勢いよく浮上する。また、第1送風通路407は、送風装置102から送り出された空気のうち、第1の噴射口403に専用に空気を送るための専用の空気の通路であり、第2送風通路406は、同じく送風装置102から第2の噴射口402に専用に空気を送る通路のため、一方の噴射口から噴射される空気量が変化しても、他方の噴射口から噴射される空気量に大きな影響を及ぼさないと言った利点がある。

図5は、図4と同じノズル部501の構造図であるが、浮上した飛行体101を水平方向に移動させる場合を示している。一旦、空中に浮上した飛行体101は、制御弁505を徐々に閉じることで、飛行体101の重量と揚力が一致した時点で、空中に停止する、いわゆるホバリング状態となる。この状態で、制御弁504を開放すると、第2の噴射口502から水平方向に空気が噴射され、飛行体は横への移動を行う。もちろん、第2の噴射口から噴射される空気量により、揚力が減少するので、飛行体が高度を下げない程度に、制御弁505を細かく開閉する必要がある。第1送風通路507及び第2送風通路506の役割は、上記図4で明記した通りで
一方の噴射口から噴射される空気量が変化しても、他方の噴射口から噴射される空気量に大きな影響を及ぼさないと言った利点がある。

上記問題点を解消するための１つの方法として、図4、図5に示した通り、第1の噴射口403、503と第2の噴射口402、502に送られる空気の通路を分岐することで、相互の空気量の干渉を抑えることが可能となる。

図6は、本発明の第2実施例を示したものであり、安価な構造であれば、図1に示した通り、飛行体の中心部に１つの送風装置と複数のノズル部で構成することになるが、重たいものを運搬する目的の場合や、外乱に影響されにくく、細かな姿勢を求められる場合、送風装置を複数設け、それぞれの送風装置に独立のノズル部と制御弁を設けることで可能となる。全てを制御する制御部612は飛行体601の中心部に設けてもよい。

図7は、図6の構造体を上部から見た外観図である。それぞれの送風装置は支持部710に取り付けられ、それぞれのノズル部の先端は、図2同様に同心円の円周上に均等に配置される。

図8は、本発明の第3実施例であり、送風装置として、２つのプロペラを用いたもので、第1のプロペラ802と第2のプロペラ803は同じ軸に固定され、第1のプロペラ802は上部からの空気を下部に取り込み、第2のプロペラ803は、第1のプロペラ802とは逆に回転することで、下部からの空気を上部に取り込む。これにより、密閉内に取り込まれた空気は、プロペラ１つの場合に比べ、2倍の空気量を取り込むことが可能となる。取り込まれた空気は、第1のプロペラ802と第2のプロペラ803の中間に設けられた複数のノズル部804、805から噴出されることで、非常に強い揚力を生じる。

２つのプロペラで圧送された空気は、ノズル部804、805を介して、第1の噴射口808、809から噴射させるために、水平方向に噴射する目的の第2の噴射口806、807からの噴射を停止させるため、制御弁810、811を閉じ、一方、制御弁812、813を開放することで、下方に空気が噴射され、揚力を得る。飛行体801の水平方向への移動や、姿勢の制御を行うための方法や、上記で述べた実施例と同じである。また、第1の噴射口と第2の噴射口から噴射される空気量が相互に影響を受けないために、上記で説明した通り、第1の噴射口808、809及び第2の噴射口806、807に専用の送風通路を設けてもよい。

図9は、上述した、仕切り板と仕切り部屋を透視した構造図である。仕切り板908、909は軸中心に均等な扇型となるように設計され、それぞれ密閉した４つの扇型の仕切り部屋904、905、906、907を構成する。それぞれの仕切り部屋にノズル部が接続され、均等に分けられた空気量が独立して、仕切り部屋からノズル部に圧送されることで、それぞれのノズル部からの空気の噴射量が互いに干渉されにくいといったメリットがある。図9では、作図上の都合で、仕切り部屋905のノズル部902と、仕切り部屋907のノズル部903を記載する。

図１０は、図9の仕切り部屋構造を正面から見た概略図であり、送風装置11で下方に圧送された空気が仕切り板14で仕切られた仕切り部屋15、16に送られ、ノズル部12、13に接続されていることを示している。

図１１は、飛行体101が、高度な姿勢制御を行う場合の、制御弁の働きを示した図である。例えば、空中で飛行体101の姿勢の左を下にした、斜めの姿勢に保つ場合、先ず、制御弁11A、11Cを閉じる。そして、制御弁11Bを若干閉じることで、左側の揚力が減少し、飛行体101は、左側を下方に下げることで斜めの姿勢を形成できる。または、制御弁11Dを若干開放することで、右側の揚力が増加し、同様に右側が上方に上がることで斜めの姿勢を形成できる。

さらに、斜めの姿勢のままで、横方向に移動する場合、例えば、制御弁11Aを開放すれば、飛行体101は右方向に移動する。このように、前述した第1の制御弁と第2の制御弁を細かく制御することで、飛行体101はどのような姿勢も保てる。また、突風などで飛行体101の姿勢が一時的に不安定になっても、水平を感知するセンサー306がどの位置の傾きか検出すると、制御装置がその傾きを無くそうと、全てのノズル部にある、全ての制御弁を制御することで、水平な安定姿勢が保てる。

本図は送風装置が1つの場合の説明であるが、送風装置が複数の場合、例えば、図７の場合、それぞれのノズル部703、705、707、709の制御弁が同様の働きをする。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々変更できることは勿論である。
例えば、送風装置として小型ジェットエンジンを利用すれば、重たい機材なども運搬可能となり、また台風など風力が強い環境下にあっても、ノズル部からの噴射のため、プロペラやプロペラの下方の気流変化に影響を受けない災害対策用途にも応用できる。

上述の発明は、ホビーとしての飛行体だけでなく、物資や機材を運搬するビジネス用途や人命救助用途、さらには、将来、人間を運搬する飛行体として利用可能である。

101飛行体 102送風装置 103軸 104回転羽根（プロペラ） 105モーター部（動力源） 106、107第2の噴射口
108、109第1の噴射口 110、111ノズル部

201飛行体 202プロペラ 203、204、205、206ノズル部 207仕切り板 208同心円

301送風装置 302動力源 303制御装置 304電源部 305小型モーター 306センサ 307制御弁 308無線部
309制御ユニット 310制御部

401ノズル部 402第2の噴射口 403第1の噴射口 404、405制御弁 406第2送風通路 407第1送風通路

501ノズル部 502第2の噴射口 503第1の噴射口 504、505制御弁 506第2送風通路 507第1送風通路

601飛行体 602、607送風装置 603、608動力源 604、609ノズル部 605、610第2の噴射口 606、611第1の噴射口
612制御部

701飛行体 702、704、706、708送風装置 703、705、707、709ノズル部 710支持部

801飛行体 802第1のプロペラ 803第2のプロペラ 804、805ノズル部 806、807第2の噴射口 808、809第1の噴射口
810、811、812、813制御弁

901飛行体 902、903ノズル部 904、905、906、907仕切り部屋 908、909仕切り板

10飛行体 11送風装置 12、13ノズル部 14仕切り板 15、16仕切り部屋

11A、１１B、１１C、１１D制御弁 １１E、１１Fノズル部

Claims (4)

1. 空気を軸流方向に圧送する回転羽根からなる送風装置と、該送風装置から圧送された空気を噴射する噴射ノズル部とからなり、該圧送された空気は、上記噴射ノズル部を介して、前記回転羽根の中心から放射同心円上に均等に配置された第1の噴射口より下方に噴射されることで、揚力を発生させ浮上することを特徴とする飛行体。
   
2. 空気を軸流方向に圧送する回転羽根からなる送風装置において、上方の空気を下方に圧送する第1の回転羽根と、下方の空気を上方に圧送する第2の回転羽根と、前記第1の回転羽根と第2の回転羽根の間に圧送された空気を送風する噴射ノズル部と、前記圧送された空気を噴射する噴射口からなり、前記第1の回転羽根と第2の回転羽根は同軸位置に固定され、互いに逆方向に回転することを特徴とする飛行体。
   
3. 前記送風装置で発生させた空気は、上記噴射ノズル部ごとに、前記回転羽根の中心から放射同心円上に均等に配置された仕切り板により、独立した仕切り部屋に均等に送風され、上記噴射ノズル部は、上記圧送された空気を下方に噴射する前記第1の噴射口とは別に、前記送風装置と前記第1の噴射口との間に、水平方向に空気を噴射させる第2の噴射口を設け、上記噴射ノズル部は第1の噴射口および第2の噴射口それぞれに専用の第1送風通路おおび第2送風通路を持つことを特徴とする、請求項１又は請求項２の飛行体。
   
4. 空中に浮遊した前記飛行体を水平方向あるいは垂直方向に移動させるか、該飛行体を空中で停止させるか、該飛行体の姿勢を傾斜させるために、前記第1および第2の噴射口から噴射させる空気量を制御するための制御弁を設け、さらには、該飛行体の姿勢や高度を検出するセンサーを設け、前記制御弁は、無線式の制御ユニットで制御されることを特徴とする、請求項１又は請求項２の飛行体。
   

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