JP2020111091A - 飛行体 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、図1〜図10を参照して、飛行体の実施の形態を説明する。
図1は、飛行体1の外観図である。飛行体1は、左前ロータ101と、右前ロータ102と、左後ロータ103と、右後ロータ104と、可動翼201と、第1固定翼202と、第2固定翼203と、上部カウル251と、下部カウル252と、を備える。また上部カウル251の後方であって、左後ロータ103および右後ロータ104の前方に人間などのペイロードを搭載可能なスペースである搭載空間10が設けられる。以下では、飛行体1に搭乗する人間を「ユーザ」と呼ぶ。上部カウル251の内部には駆動装置群2が格納される。また第1固定翼202と上部カウル251は一体に成形されている。
図6は、図1〜図5を参照して説明した飛行体1の構成の概要図である。飛行体1は、左前ロータ101、右前ロータ102、左後ロータ103、および右後ロータ104を備える。左前ロータ101および右前ロータ102は、底面領域130に含まれる。左後ロータ103および右後ロータ104は、背後領域140に含まれる。底面領域130と背後領域140との間に、人間などのペイロードを搭載可能なスペースである搭載空間10を有する。底面領域130と背後領域140のなす角は90度よりも大きく180度未満、たとえば120度である。
図7は駆動装置群2の構成を示す図である。駆動装置群2は、内燃機関301と、発電機302と、AC/DCコンバータ303と、DC/DCコンバータ304と、速度制御部305と、電動機306と、発電制御部307と、飛行制御部308と、バッテリ管理部309と、入力部310と、可動翼制御部311とを備える。
図8(a)は水平飛行時の飛行体1の飛行姿勢を示す図であり、図8(b)は垂直飛行時の飛行体1の飛行姿勢を示す図である。以下では、図8(a)に示す姿勢を「水平姿勢」と呼び、図8(b)に示す姿勢を「垂直姿勢」と呼ぶ。なお水平飛行時は、第1固定翼202および第2固定翼203から揚力が得られるが、垂直飛行時にはそれらは得られない。なお符号Gで示す位置は、飛行体1の重心である。
図9は、水平飛行時における第1固定翼202の作用効果を示す図である。これまで第1固定翼202の位置を詳しく説明していなかったが、本実施の形態における第1固定翼202は、重心Gよりも前方に配される。図10では水平飛行時に左後ロータ103および第1固定翼202により生じる力を示している。左後ロータ103および右後ロータ104により発生する推進力103fは重心Gよりも上方に位置するので、この推進力103fは飛行体1を重心Gを中心として図10において反時計回りに回転させる回転力103rとなる。
飛行体1による姿勢制御の概要を説明する。以下に説明する姿勢制御は、たとえば飛行制御部308において実行可能である。飛行制御部308は次に説明する第1ステップ〜第3ステップを短い時間周期、たとえば10ミリ秒ごとに繰り返す。飛行制御部308は第1ステップでは、目標とする飛行体1の姿勢角(以下、「目標姿勢角」とよぶ)および目標とする飛行体1の位置(以下、「目標位置」と呼ぶ)と、現在の姿勢角および位置との差分を算出する。
図10は、左右方向への水平加速を示す図であり、図10(a)〜(b)は飛行体1を用いる場合を示し、図10(c)〜(e)は比較例飛行体1Zを用いる場合を示す図である。図4に示したように、左前ロータ101と右前ロータ102との間にはあらかじめ角度がつけられている。図10(a)に示すように、左右方向への加速を行わない場合は、左前ロータ101および右前ロータ102の出力を等しくすることで、飛行体1の左方向への推進力と飛行体1の右方向への推進力とが相殺される。そしてたとえば飛行体1の左方向へ水平方向に加速するためには、右前ロータ102の出力を左前ロータ101の出力よりも大きくすればよい。これにより左右方向の推進力のバランスが崩れて左方向への推進力が残るので、飛行体1は左方向へ加速する。
飛行体1は化石燃料、たとえばガソリンとバッテリ309Aの2つのエネルギー源を有する。内燃機関301の始動時には、バッテリ309Aに貯蔵されたエネルギーを用いて内燃機関301を始動させる。垂直飛行時、すなわち上昇、下降、ホバリングの場合は、主に発電機302から供給されるエネルギーを用いてロータ100を動作させる。ただし突風が吹いた場合などはバッテリ309Aに貯蔵されたエネルギーも補助的に用いて期待を安定させる。
(1)飛行体1は、複数のロータ100を備える。飛行体1は、1以上のロータ100を含む底面領域130と、1以上のロータ100を含む背後領域140との間にペイロードを搭載可能な搭載空間10を有する。搭載空間10を挟む底面領域130と背後領域140とのなす角は90度よりも大きく180度未満である。そのため、水平飛行時および垂直飛行時の両方の場面で4つのロータ100の発生させる推進力を有効に利用できる。
搭載空間10にはユーザが搭乗しなくてもよい。その場合はたとえば、搭載空間10にはカメラや計測器などの各種センサを搭載する。なお必要に応じてその他の運搬物を搭載してもよい。
飛行体1の寸法は特に制限がない。たとえば搭載空間10に人間が搭乗できるようにロータ100の直径を2メートル以上にしてもよいし、無人の小型飛行体として使用するためにロータ100の直径を100ミリ以下にしてもよい。
駆動装置群2には、内燃機関301および発電機302が含まれなくてもよいし、バッテリ309Aおよびバッテリ管理部309が含まれなくてもよい。たとえば飛行体1は、内燃機関301および発電機302が含まれず動力としてバッテリ309Aのみを有する構成でもよい。
飛行体1は、可動翼201、第1固定翼202、および第2固定翼203の少なくとも1つを備えなくてもよい。また飛行体1の姿勢を安定させるために固定翼をさらに備えてもよい。
左前ロータ101および右前ロータ102は、同一平面内に存在してもよい。すなわち左前ロータ101および右前ロータ102の上反角がゼロ度でもよいし、負の値でもよい。左前ロータ101および右前ロータ102の上反角が負の値の場合は、左前ロータ101と右前ロータ102のなす角は搭載空間10側で180度を超える。
左後ロータ103および右後ロータ104は、同一平面内に存在してもよい。すなわち左後ロータ103および右後ロータ104の上反角に相当する角度がゼロ度でもよいし、負の値でもよい。左後ロータ103および右後ロータ104の上反角に相当する角度が負の値の場合は、左後ロータ103および右後ロータ104のなす角は搭載空間10側で180度を超える。
それぞれのロータ100同士は、外周が接していなくてもよい。また特定のロータ100のみ外周が接していてもよい。たとえば左前ロータ101と右前ロータ102とは外周が接し、左後ロータ103と右後ロータ104とは外周が接するが、左前ロータ101と左後ロータ103とは外周が接せず、右前ロータ102と右後ロータ104とは外周が接しなくてもよい。
上述した実施の形態では、それぞれのロータ100は同方向に回転する回転翼を2つ備えた。しかしそれぞれのロータ100に備えられる回転翼の回転方向は異なっていてもよい。この場合のロータ100は、「二重反転ロータ」と呼ぶことができる。なお上述した実施の形態では左前ロータ101と右前ロータ102の回転方向は逆であったが、本変形例では両者の回転方向は同一でよい。
上述した実施の形態では、底面領域130および背後領域140にそれぞれ2つのロータ100が配置された。しかしそれぞれの領域に配置されるロータ100の数は1でもよい。この場合は、底面領域130および背後領域140に配されるロータ100は、ロータ100の中心線と、図6に示した飛行体1の中心線Cとが一致するように配置される。すなわち本変形例ではロータ100の数が少なく構成がシンプルになる利点を有する。また上述した実施の形態と同様に、水平飛行時および垂直飛行時の両方の場面でロータ100の発生させる推進力を有効に利用できる。ただし上述した実施の形態とは異なり、上反角を設けることができないので左右方向への加速についての利点は有さない。
上述した実施の形態では、底面領域130および背後領域140にそれぞれ2つのロータ100が配置された。しかしそれぞれの領域に配置されるロータ100の数は3以上でもよい。この場合には、上述した実施の形態のように上反角、および上反角に相当する角度を有するようにそれぞれのロータ100を配置することが望ましい。また底面領域130に含まれるロータの数と背後領域140に含まれるロータ100の数が一致しなくてもよい。以下では底面領域130に含まれるロータ100の相互位置関係を説明するが、背後領域140に含まれるロータ100の相互位置関係も同様である。
10…搭載空間
100…ロータ
101…左前ロータ
102…右前ロータ
103…左後ロータ
104…右後ロータ
130…底面領域
140…背後領域
201…可動翼
202…第1固定翼
203…第2固定翼
251…上部カウル
252…下部カウル
301…内燃機関
302…発電機
309A…バッテリ
Claims (8)
- 複数のロータを備える飛行体であって、
1以上の前記ロータを含む底面領域と、1以上の前記ロータを含む背後領域との間にペイロードを搭載可能な搭載空間を有し、
前記搭載空間を挟む前記底面領域と前記背後領域とのなす角は90度よりも大きく180度未満である飛行体。 - 請求項1に記載の飛行体において、
前記底面領域には第1ロータおよび第2ロータが含まれ、
前記背後領域には第3ロータおよび第4ロータが含まれる飛行体。 - 請求項2に記載の飛行体において、
前記底面領域において前記第1ロータおよび前記第2ロータは略同一平面に配置され、
前記第1ロータおよび前記第2ロータは当該飛行体の中心線に対して左右対称な位置に配置され、
前記第1ロータおよび前記第2ロータは、上反角を有する飛行体。 - 請求項2または請求項3に記載の飛行体において、
前記背後領域において前記第3ロータおよび前記第4ロータは略同一平面に配置され、
前記第3ロータおよび前記第4ロータは当該飛行体の中心線に対して左右対称な位置に配置され、
前記第3ロータおよび前記第4ロータは、上反角に相当する角度を有する飛行体。 - 請求項2から請求項4までのいずれか一項に記載の飛行体において、
前記第3ロータおよび前記第4ロータは、操舵可能な翼である可動翼を前記搭載空間とは逆側に備える飛行体。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の飛行体において、
化石燃料を動力とする内燃機関、バッテリ、および前記内燃機関の出力を用いて前記バッテリを充電可能なコンバータをさらに備え、
前記複数のロータは、前記内燃機関の出力および前記バッテリの出力により動作可能な飛行体。 - 請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の飛行体において、
前記搭載空間を挟む前記底面領域と前記背後領域とのなす角は120度である飛行体。 - 請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の飛行体において、
前記搭載空間に操舵不可能な固定翼を有する飛行体。
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