JP2020111225A - 航空機 - Google Patents

Abstract

【課題】航空機において、推力発生部の推力発生効率の向上を図る。【解決手段】推力発生部２０ａは、第１プロペラ３４と第１プロペラ３４の下方において第１プロペラ３４の回転軸と同軸上に配置される第２プロペラ３５とを有し、第１プロペラ３４と第２プロペラ３５とが互いに反対方向に回転する同軸二重反転ロータ３０と、第１プロペラ３４の周囲を囲う第１筒部４１と第２プロペラ３５の周囲を囲う第２筒部４２とを有するダクト４０と、第１筒部４１と第２筒部４２との間に設けられダクト４０の外側と内側との空気の通過を許容する通気部５０と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、航空機に関する。

特許文献１には、推力を効率よく発生させるために、同軸二重反転ロータをダクトで囲った推力発生装置が開示されている。

特開平１１−２１７０９９号公報

例えば、上方向に推力を発生させる複数の推力発生部を備えた航空機（いわゆるマルチコプタ）においても、上記推力発生装置を採用することが考えられる。

しかしながら、上記航空機においては、各推力発生部で発生する推力を変化させて姿勢を制御するので、制御性向上の観点から更なる推力発生効率の向上が求められている。また、推力発生部を複数備えない場合でも、推力発生効率の向上は好ましい。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、航空機において、推力発生部の推力発生効率の向上を図ることを目的とする。

本発明のある態様によれば、航空機であって、上方向に推力を発生させる推力発生部を備え、前記推力発生部は、第１プロペラと前記第１プロペラの下方において前記第１プロペラと同軸上に配置される第２プロペラとを有し、前記第１プロペラと前記第２プロペラとが互いに反対方向に回転する同軸二重反転ロータと、前記第１プロペラの周囲を囲う第１筒部と前記第２プロペラの周囲を囲う第２筒部とを有するダクトと、前記第１筒部と前記第２筒部との間に設けられ前記ダクトの外側と内側との空気の通過を許容する通気部と、を有する、ことを特徴とする航空機が提供される。

上記態様によれば、第１プロペラがダクトの内側へ送り込む空気の量が、第２プロペラがダクトの内側から下方へ送り出す空気の量に対して不足した場合でも、不足分の空気が通気部を通じてダクトの内側に取り込まれる。よって、第２プロペラの空気の送り出し能力を最大限に発揮させることができ、推力発生部の推力発生効率が向上する。

図１は、本発明の実施形態に係る航空機の概略斜視図である。 図２は、本発明の実施形態に係る推力発生部の概略斜視図である。 図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面模式図である。 図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面模式図である。 図５は、推力発生部の平面模式図である。 図６は、排出制御によって発生する推力について説明するための図である。 図７は、本発明の変形例に係る推力発生部について説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態に係る航空機１について説明する。

図１は、航空機１の概略斜視図である。航空機１は、図１に示すように、機体１０と、機体１０から延伸する支持部１１ａ〜１１ｄと、支持部１１ａ〜１１ｄにそれぞれ支持され、上方向に推力を発生する推力発生部２０ａ〜２０ｄと、各種センサから入力される信号に基づいて航空機１の各部の作動状態を制御する制御部としてのコントローラ６０と、を備える。航空機１は、いわゆるマルチコプタである。なお、航空機１は、無人航空機であってもよいし、有人航空機であってもよい。

機体１０は、図示しないバッテリーや、コントローラ６０等を収容する。

コントローラ６０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ６０は、複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。コントローラ６０は、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出して実行することで航空機１の各部の制御を行う。

支持部１１ａ〜１１ｄは、それぞれの一端側が機体１０の周囲に略等間隔をあけて接続されており、機体１０から放射状に延伸して設けられる。

支持部１１ａ〜１１ｄそれぞれの他端側には、推力発生部２０ａ〜２０ｄが設けられる。航空機１は、推力発生部２０ａ〜２０ｄで発生する推力を変化させることで姿勢を制御しつつ飛行することができる。

以下、図２を参照しながら、推力発生部２０ａ〜２０ｄについて説明する。図２は、推力発生部２０ａの概略斜視図である。

なお、推力発生部２０ａと推力発生部２０ｄとは、同様の構成を有する。また、推力発生部２０ｂ、２０ｃは、プロペラの形状及び回転方向が推力発生部２０ａと対称であり、その他の点においては推力発生部２０ａと同様の構成を有する。よって、以下では推力発生部２０ａについて説明を行い、推力発生部２０ｂ〜２０ｄについては説明を省略する。

図２に示すように、推力発生部２０ａは、同軸二重反転ロータ３０と、ダクト４０と、通気部５０と、を有する。

同軸二重反転ロータ３０は、第１モータ３２と、第２モータ３３と、第１プロペラ３４と、第２プロペラ３５と、を有する。

第１モータ３２と第２モータ３３とは、それぞれの回転軸３２ａ、３３ａが同軸上に位置するように、支持部１１ａの他端側先端に設けられる。

第１プロペラ３４は、第１モータ３２の上側において、第１モータ３２の回転軸３２ａに取り付けられる。第２プロペラ３５は、第２モータ３３の下側において、第２モータ３３の回転軸３３ａに取り付けられる。

同軸二重反転ロータ３０は、第１モータ３２の回転方向と第２モータ３３の回転方向とが異なる。つまり、第１プロペラ３４と第２プロペラ３５とが、互いに反対方向に回転する。

本実施形態では、推力発生部２０ａ、２０ｄにおいては、第１プロペラ３４が上方から見て時計回り方向に回転し、第２プロペラ３５が上方から見て反時計回り方向に回転する。一方、推力発生部２０ｂ、２０ｃにおいては、第１プロペラ３４が上方から見て反時計回り方向に回転し、第２プロペラ３５が上方から見て時計回り方向に回転する。

ダクト４０は、第１筒部４１と、第２筒部４２と、壁部４３と、を有する。

第１筒部４１は、円筒状であって、上端にテーパー部を有する。第１筒部４１の内径は、第１プロペラ３４の外径よりもわずかに大きく設定される。

第２筒部４２は、円筒状であって、上端にテーパー部を有する。第２筒部４２の内径は、第２プロペラ３５の外径よりもわずかに大きく設定される。

壁部４３は、第１筒部４１と第２筒部４２との間に、第１筒部４１と第２筒部４２との外周形状に沿って設けられる。壁部４３は、上端が第１筒部４１と接続され、下端が第２筒部４２と接続されている。なお、本実施形態では、第１筒部４１、第２筒部４２、及び壁部４３を一体に設けている。第１筒部４１、第２筒部４２、及び壁部４３を個別の部材として設けておき、それぞれを接続してもよい。

壁部４３は、支持部１１ａが貫通しており、かつ、支持部１１ａと接続されている。これにより、ダクト４０は、壁部４３を介して支持部１１ａに支持され、第１筒部４１が第１プロペラ３４の周囲を囲う位置に位置決めされ、第２筒部４２が第２プロペラ３５の周囲を囲う位置に位置決めされる。

通気部５０は、図２に示すように、第１筒部４１と第２筒部４２との間に形成される。通気部５０では、ダクト４０の外側と内側との空気の通過が許容される。

続いて、推力発生部２０ａ〜２０ｄが通気部５０を有することの作用効果について、図３を参照しながら推力発生部２０ａを例として説明する。

図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面模式図である。図３に示す実線の矢印は、推力発生部２０ａの作動中の空気の流れを模式的に示したものである。

第１プロペラ３４が回転することで、第１プロペラ３４の下方、すなわちダクト４０の内側へ、第１筒部４１によって垂直下方向に整流されつつ空気が送り込まれる。

第１プロペラ３４によってダクト４０の内側に送り込まれた空気は、第２プロペラ３５が回転することで、第２プロペラ３５の下方へ、第２筒部４２によって垂直下方向に整流されつつ送り出される。これにより、上方向の推力が発生する。

ここで、推力発生部２０ａの作動状態によっては、第１プロペラ３４がダクト４０の内側へ送り込む空気の量が、第２プロペラ３５がダクト４０の内側から下方へ送り出す空気の量に対して不足することが考えられる。この場合は、第２プロペラ３５による空気の送り出し能力が十分に発揮されず、推力発生部２０ａで発生する推力を最大化することができない。

これに対して、本実施形態の推力発生部２０ａは、通気部５０を有する。これによれば、第１プロペラ３４がダクト４０の内側へ送り込む空気の量が、第２プロペラ３５がダクト４０の内側から下方へ送り出す空気の量に対して不足した場合でも、図３に矢印で示すように、不足分の空気が通気部５０を通じてダクト４０の内側に取り込まれる。よって、第２プロペラ３５の空気の送り出し能力を最大限に発揮させることができ、推力発生部２０ａの推力発生効率が向上する。

次に、推力発生部２０ａ〜２０ｄが壁部４３を有することの作用効果について、コントローラ６０が実行する制御の内容と併せて図４〜図６を参照しながら説明する。

図４は、図２のＩＶ―ＩＶ線に沿う断面模式図である。なお、図４では、支持部１１ａは記載を省略している。図５は、推力発生部２０ａの平面模式図である。図４、図５に示す実線の矢印は、コントローラ６０が後述する排出制御を実行した場合の空気の流れを模式的に示したものである。また、図５に示す破線の矢印は、第１プロペラ３４の回転方向を示したものである。

航空機１は、ヨー軸周り方向の回転動作（以下、ヨー回転という。）を行う際は、推力発生部２０ａ〜２０ｄそれぞれが備える第１プロペラ３４及び第２プロペラ３５の回転速度を選択的に変化させることで発生するトルク反力を利用する。しかしながら、トルク反力だけでは、ヨー回転の応答性が十分に確保できない場合がある。

そこで、本実施形態のコントローラ６０は、航空機１をヨー回転させる指示があった場合に、回転方向に応じた所定の推力発生部２０ａ〜２０ｄについて、ダクト４０内の空気圧が高くなるように同軸二重反転ロータ３０を作動させて通気部５０を通じてダクト４０の外側へ空気を排出する排出制御を実行する。

具体的には、排出制御が実行された場合は、第１プロペラ３４の回転速度が第２プロペラ３５の回転速度に対して相対的に上昇するように、同軸二重反転ロータ３０が作動する。これにより、第１プロペラ３４によってダクト４０の内側に送り込まれる空気の量が第２プロペラ３５によってダクト４０の内側から下方へ送り出される空気の量に対して多くなり、ダクト４０の内側の空気圧が上昇する。

なお、排出制御は飛行中の他の制御に重畳して実行されるので、第１プロペラ３４の回転速度が上昇せずに下降する場合がある。同様に、第２プロペラ３５の回転速度が下降せずに上昇する場合がある。

圧力が上昇した第１プロペラ３４と第２プロペラ３５との間の空気は、第２プロペラ３５によってダクト４０の下方に送り出される一方で、その一部は、通気部５０を通じて、ダクト４０の内側よりも空気圧が低いダクト４０の外側へ排出される。

ここで、図４、図５に示すように、ダクト４０の外側へ向かう空気の一部は、壁部４３によって流れが妨げられる。壁部４３により流れが妨げられた空気は、流れる方向が変化して、通気部５０を通じてダクト４０の外側へ排出される。

排出制御が実行された推力発生部２０ａでは、図５に示すように、通気部５０から排出された空気の流れによって、白抜き矢印で示す方向に、略水平方向の推力が発生する。つまり、推力発生部２０ａは、壁部４３の位置に応じて、排出制御の実行時に発生する推力の方向が定まる。

図６は、排出制御によって発生する推力について説明するための図である。図６に示す白抜き矢印は、推力発生部２０ａ〜２０ｄにおいて排出制御を実行した場合にそれぞれ発生する推力の方向を示したものである。また、図６に示す破線の矢印は、推力発生部２０ａ〜２０ｄそれぞれの第１プロペラ３４の回転方向を示したものである。

図６では、推力発生部２０ａ、２０ｄで発生する推力の方向は、推力発生部２０ａの中心、推力発生部２０ｄの中心、及び航空機１の重心Ｏを通る線（破線Ｘ）と交差し、且つ、重心Ｏを中心とした反時計回りの方向に沿う方向となっている。すなわち、排出制御を実行した場合に推力発生部２０ａ、２０ｄで発生する推力は、航空機１の反時計回りのヨー回転を助長する方向である。

また、推力発生部２０ｂ、２０ｃで発生する推力の方向は、推力発生部２０ｂの中心、推力発生部２０ｃの中心、及び航空機１の重心Ｏを通る線（破線Ｙ）と交差し、且つ、重心Ｏを中心とした時計回りの方向に沿う方向となっている。すなわち、排出制御を実行した場合に推力発生部２０ｂ、２０ｃで発生する推力は、航空機１の時計回りのヨー回転を助長する方向である。

例えば、反時計回りのヨー回転指示があった場合は、コントローラ６０は、推力発生部２０ａ、２０ｄの少なくとも一方について排出制御を実行することで、航空機１のヨー回転を助長させる推力を発生させる。これにより、航空機１は、ヨー回転の応答性が向上する。なお、推力発生部２０ａ、２０ｄの両方について排出制御を実行した場合は、いずれか一方について排出制御を実行した場合よりも応答性をより向上させることができる。

続いて、本発明の変形例に係る推力発生部８０について、図７を参照しながら説明する。

図７に示すように、推力発生部８０は、壁部７０が翼形状を有する複数の壁部材７１により構成されている点が推力発生部２０ｂ、２０ｃと異なり、その他の構成については推力発生部２０ｂ、２０ｃと同様である。

複数の壁部材７１は、第１筒部４１と第２筒部４２との間において、互いに間隔をあけて、ダクト４０の周方向に沿って配置される。また、各壁部材７１は、第１プロペラ３４の回転方向に向かってダクト４０の外側から内側へ延伸するように設けられる。

図７において、推力発生部８０の第１プロペラ３４は、破線の矢印で示すように、上方から見て反時計回り方向に回転する。よって、推力発生部８０に排出制御が実行された場合、ダクト４０の内側の空気は、上方から見て反時計回り方向に旋回しながら、ダクト４０の外側へ向かう。これに対して、壁部材７１は、空気の流れの方向（反時計回り）に沿い、且つダクト４０の外側から内側へ延伸するように設けられているので、ダクト４０の内側から外側へ向かおうとする空気の一部は、複数の壁部材７１、すなわち壁部７０によってダクト４０の内側から外側への通過を妨げられる。

実線の矢印で示すように、壁部７０により通過を妨げられた空気は、流れる方向が変化し、通気部５０を通じてダクト４０の外側へ排出される。よって、推力発生部８０によれば、推力発生部２０ａ〜２０ｄと同様に、排出制御によって略水平方向の推力（白抜き矢印）を発生させることができる。すなわち、航空機１のヨー回転の応答性を向上させることができる。

一方で、通常の作動時において、第１プロペラ３４がダクト４０の内側へ送り込む空気の量が、第２プロペラ３５がダクト４０の内側から下方へ送り出す空気の量に対して不足した場合は、通気部５０からだけでなく、破線の矢印で示すように、壁部７０からも、ダクト４０の内側の空気の流れの方向に沿って空気が取り込まれる。

これによれば、第１プロペラ３４がダクト４０の内側へ送り込む空気の量が、第２プロペラ３５がダクト４０の内側から下方へ送り出す空気の量に対して不足した場合に、壁部４３を備える推力発生部２０ａ〜２０ｄよりも効率よく不足分の空気をダクト４０の内側に取り込むことができる。よって、航空機１のヨー回転の応答性を向上させることができ、さらに、推力発生効率をより向上させることができる。

壁部材７１の大きさ、数、形状、位置は、第１プロペラ３４の回転方向に向かってダクト４０の外側から内側へ延伸するものであれば、適宜変更可能である。例えば、壁部７０を１つの壁部材７１で構成してもよい。

以上述べたように、本実施形態に係る航空機１は、上方向に推力を発生させる推力発生部２０ａ〜２０ｄ、８０を備え、推力発生部２０ａ〜２０ｄ、８０は、第１プロペラ３４と第１プロペラ３４の下方において第１プロペラ３４と同軸上に配置される第２プロペラ３５とを有し、第１プロペラ３４と第２プロペラ３５とが互いに反対方向に回転する同軸二重反転ロータ３０と、第１プロペラ３４の周囲を囲う第１筒部４１と第２プロペラ３５の周囲を囲う第２筒部４２とを有するダクト４０と、第１筒部４１と第２筒部４２との間に設けられダクト４０の外側と内側との空気の通過を許容する通気部５０と、を有する。

これによれば、推力発生部２０ａ〜２０ｄ、８０は、第１プロペラ３４がダクト４０の内側へ送り込む空気の量が、第２プロペラ３５がダクト４０の内側から下方へ送り出す空気の量に対して不足した場合でも、不足分の空気が通気部５０を通じてダクト４０の内側に取り込まれる。よって、第２プロペラ３５の空気の送り出し能力を最大限に発揮させることができ、推力発生部２０ａ〜２０ｄ、８０の推力発生効率が向上する。

また、推力発生部２０ａ〜２０ｄ、８０は、第１筒部４１と第２筒部４２との間に設けられダクト４０の内側から外側へ向かう空気の通過を妨げる壁部４３、７０を有する。

コントローラ６０は、航空機１をヨー軸周り方向に回転させる指示があった場合に、第１プロペラ３４と第２プロペラ３５との間の空気圧が高くなるよう同軸二重反転ロータ３０を作動させ、通気部５０を通じてダクト４０の外側へ空気を排出する排出制御を行う。

これによれば、壁部４３、７０によりダクト４０の内側から外側への流れが妨げられた空気は、流れる方向が変化して、通気部５０を通じてダクト４０の外側へ排出される。これにより、推力発生部２０ａ〜２０ｄ、８０は、壁部４３、７０の位置に応じて、略水平方向の推力を発生させることができる。

排出制御の実行時にダクト４０の外側へ排出される空気によって発生する推力の方向は、航空機１のヨー軸周り方向の回転を助長する方向である。

これによれば、航空機１のヨー軸周り方向の回転の応答性を向上させることができる。

壁部７０は、第１プロペラ３４の回転方向に向かってダクト４０の外側から内側へ延伸する。

これによれば、航空機１のヨー回転の応答性を向上させることができ、さらに、推力発生効率をより向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の１つを示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

本実施形態では、４つの推力発生部２０ａ〜２０ｄを備える航空機１について説明した。しかしながら、航空機の推力発生部の数はこれに限定されるものではない。例えば、航空機が備える推力発生部が１つであってもよい。推力発生部を１つ備える場合は、航空機の重心から離間した位置に推力発生部を設けることで、ヨー回転の応答性を一方向につき向上させることができる。

本実施形態のダクト４０は、壁部４３を介して支持部１１ａ〜１１ｄに支持される。しかしながら、例えば、壁部４３に代えて別の支持部材を用いて、ダクト４０の第１筒部４１及び第２筒部４２を支持してもよい。また、ダクト４０を機体１０に直接接続してもよい。

本実施形態の同軸二重反転ロータ３０は、第１プロペラ３４及び第２プロペラ３５が固定ピッチとされる。しかしながら、本願発明は、例えば、第１プロペラ３４及び第２プロペラ３５に可変ピッチ機構を設けた場合でも適用可能である。この場合は、第１プロペラ３４及び第２プロペラ３５の回転速度に代えて、又は回転速度と共に、ピッチ角が制御される。

本実施形態では、反時計回りのヨー回転指示があった場合に、推力発生部２０ａ、２０ｄについて排出制御を実行する態様について説明した。しかしながら、推力発生部の数や配置によって、排出制御を実行する組み合わせは適宜設定可能である。

本実施形態において、壁部４３は、第１筒部４１及び第２筒部４２の外周面に沿うように設けられている。しかしながら、壁部４３の形状や配置は、図示されるものに限定されない。また、壁部４３をダクト４０と分離して設けてもよい。

１ 航空機
２０ａ 推力発生部
２０ｂ 推力発生部
２０ｃ 推力発生部
２０ｄ 推力発生部
３０ 同軸二重反転ロータ
３４ 第１プロペラ
３５ 第２プロペラ
４０ ダクト
４１ 第１筒部
４２ 第２筒部
４３ 壁部
５０ 通気部
６０ コントローラ（制御部）
７０ 壁部（壁部材）
８０ 推力発生部

Claims (5)

1. 航空機であって、
   上方向に推力を発生させる推力発生部を備え、
   前記推力発生部は、
   第１プロペラと前記第１プロペラの下方において前記第１プロペラと同軸上に配置される第２プロペラとを有し、前記第１プロペラと前記第２プロペラとが互いに反対方向に回転する同軸二重反転ロータと、
   前記第１プロペラの周囲を囲う第１筒部と前記第２プロペラの周囲を囲う第２筒部とを有するダクトと、
   前記第１筒部と前記第２筒部との間に設けられ前記ダクトの外側と内側との空気の通過を許容する通気部と、
   を有する、
   ことを特徴とする航空機。
2. 請求項１に記載の航空機であって、
   前記推力発生部は、
   前記第１筒部と前記第２筒部との間に設けられ前記ダクトの内側から外側へ向かう空気の通過を妨げる壁部を有する、
   ことを特徴とする航空機。
3. 請求項２に記載の航空機であって、
   前記航空機をヨー軸周り方向に回転させる指示があった場合に、前記第１プロペラと前記第２プロペラとの間の空気圧が高くなるよう前記同軸二重反転ロータを作動させ、前記通気部を通じて前記ダクトの外側へ空気を排出する排出制御を行う制御部を備える、
   ことを特徴とする航空機。
4. 請求項３に記載の航空機であって、
   前記排出制御の実行時に前記ダクトの外側へ排出される空気によって発生する推力の方向は、前記航空機の前記ヨー軸周り方向の回転を助長する方向である、
   ことを特徴とする航空機。
5. 請求項２から４のいずれか１つに記載の航空機であって、
   前記壁部は、前記第１プロペラの回転方向に向かって前記ダクトの外側から内側へ延伸する、
   ことを特徴とする航空機。

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