JP2020200940A - 空飛ぶ車等の推進機の外筒 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトカー程度の大きさの空飛ぶ車が高速飛行するには、下記等の課題がある。 ▲１▼現状の推進機のコンパクト化。 ▲２▼高速飛行するので、空気抵抗を低減。 ▲３▼ラジエータ流入の高速流を減速し、ラジエータ内での空気抵抗による圧力損失と冷却性能の両方を最適化する。 ▲４▼離着陸地は、都市内等では制約があるので、短距離離着陸性能が要る。【解決手段】空飛ぶ車の推進力向上のため、エジェクタ原理を有する外筒１に推進機２を収納する。また外筒１とその付属機器を空気力学的に洗練された形態や構造・機構にする。また外筒１にラジエータ内蔵や主翼フラップの境界層制御等の付加価値をつける。【選択図】図６

Description

空飛ぶ車（空陸両用車）や飛行機、更にドローン型空飛ぶ車（垂直離着陸）に関するものである。

本発明の外筒１にはエジェクタの原理を用いる。エジェクタは高速の噴流（空気や水、水蒸気）が駆動源であり、その負圧により周囲流体を加速・吸引して混合し、ディフューザ部５（拡大流路）で減速して動圧回収する。ポンプやファンの様な可動部がなく、また構造が簡単なため、使用条件の厳しい下水（水質が悪く腐食環境、また固液二相で夾雑物が多）や腐食性ガス、高温蒸気の排出や輸送等で使う。また曝気や真空ポンプ、最近ではエジェクタ冷凍サイクル等、様々の用途で使う。
自動車では、エンジンの冷却のためにラジエータを用いる。それは車体前部に設置するため、同部は流線形では無く、ブラフな形状となり空気抵抗係数Ｃｄが大きい。またラジエータ内部には車速と同速度の空気が流入する。これらは、高速飛行（時速２００ｋｍから７００ｋｍ程度）する空飛ぶ車では空気抵抗増大の大きな原因となる。

「曝気用水中エジェクタＢＥＲ型カタログ」、株式会社鶴見製作所 「学位論文、徳島大学、２００４年」、宮内直、補遺２、ｐ３５（拡散型ラジエータに関する記述・考察）

空飛ぶ車は下記理由から、ドローン型だけでなく、航続距離が３００ｋｍから８００ｋｍ、時速は２００ｋｍから７００ｋｍ程度の高速により都市間や地方間を往来する長距離・高速飛行型も実用化すると思われる。
（１）自動車を中心にした、大きな技術革新
▲１▼運転の安全性の大幅な向上
自動車のフェールセーフ性能（対物衝突の回避や運転ミスの防止等）はセンサー（レーザー、赤外線、超音波ソナー、ドップラーレーダー等）とそのテータ処理技術により、急速に向上し、空中や海上でも十分安全になっている。
▲２▼永久磁石同期モーターとその制御用の高性能高速インバータ（ＳｉＣ素子により、損失や周波数、容量等で、優れた特性を持つ）、また水素燃料エンジン等の様に、原動機や推進機は多様化かつ高性能化（高効率や高出力化、高速小型化、省エネ等）の技術革新が進行中。
（２）空飛ぶ車の大きな利点
▲１▼燃料代の縮減
空飛ぶ車は２地点間の最短距離（直線）を飛行できる。例えば新幹線の大阪・東京間の距離は５１５ｋｍであり、直線距離４００ｋｍより２５％以上も長い。
▲２▼空飛ぶ車の空路は３次元
自動車は２次元（地面）上、しかも限定された道路しか走れないが、空路は３次元である。しかも各高度に目的地や速度、用途（自家用／バス輸送／運送）を割振りできる。
▲３▼交通インフラ整備費の大幅縮減
高速道路も新幹線も膨大な初期費用と維持費用がかかる。また多数の高速道路は更新時期に来ている。
▲４▼新交通システムや新ライフスタイルの創出
・数１００ｋｍの距離間の、定員５０から１００人程度の高速バス、また定員２０人程度のマイクロバス相当の乗客輸送に有効である。高速バスの運転時間は１日９時間の上限があり、交代運転手の同乗義務があり、貸切観光バスの採算性（特に一泊観光）が低下している。一方、九州南端の佐多岬から北海道北端の宗谷岬までの直線距離は１８８８ｋｍなので、時速５００ｋｍの空飛ぶ車なら、４時間弱で行く事ができる。即ち、空飛ぶ車なら、日本各地への貸切観光が最大でも４時間となる。また大阪や東京から全国へ２時間程度で行ける様になる。このため、国内外の数１０人の団体観光客が全国各地（山中の秘境も含め）へ気軽に行ける様になり、その観光収入が大幅に向上しよう。また海や川や山等の地形の影響、また道路渋滞も回り道も無いので、運転手や観光客の疲労も小さい。
・空飛ぶ車は「空飛ぶ自家用車」として、近距離は自動車、遠距離は飛行機の利便性を兼ね備える。例えば住宅地の自宅や市内の事務所の車庫から近所へは地上走行、遠距離の目的地へは多車線の国道や高速道また河川敷等の数１００ｍの直線道路から離着陸して高速飛行をする。また大都市の１時間通勤圏が半径数１００ｋｍ程度まで広がり、環境の良い山中や里山、海辺に自宅を持てよう。
・地方有力都市（県庁所在地等）の求心力や商圏力や産業創出力、またその周辺地域の利便性も向上し地方の活性化につながる。また瀬戸内地方や島嶼部等の海の制約のある地域の利便性や一体性も向上しよう。

一方、コンパクトカーやセダン程度の大きさの「空飛ぶ自家用車」が時速２００ｋｍから７００ｋｍ程度の高速飛行するには、下記等の課題がある。
▲１▼現状の推進機は大きすぎるので（セスナ１５２型のプロペラ直径でも１７５０ｍｍ）、コンパクト化の必要がある。
▲２▼高速飛行するので、外筒の一部または全部やその付属機器を翼型等の空気力学的に洗練した形状にして、高速流の中で発生する大きな空気抵抗を抑える。
▲３▼高速飛行するので、原動機の出力は自動車より大きくなり、ラジエータが大容量化する。また流入する高速流（時速６００ｋｍなら１６７ｍ／ｓ）を減速し、ラジエータ内での空気抵抗による圧力損失と冷却性能の両方をトレードオフして最適化する。
▲４▼離着陸地は、都市内等では制約があるので、短距離離着陸性能が要る。

空飛ぶ車の推進力の向上のため、エジェクタ原理を有する外筒１に推進機２を収納する。更に外筒１とその付属機器を空気力学的に洗練した形態や構造・機構にする。また外筒１にラジエータ内蔵や主翼フラップの境界層制御等の付加価値をつける。

外筒１のエジェクタ効果により、推進力が増大する。更に、上記の高速飛行するための課題の▲２▼▲３▼の解決手段となる。

発明を実施するための基本形態の概念図（断面図）である。 ラジエータを翼型横仕切板に内蔵した例の概念図（断面図）である。 ラジエータを外筒に内蔵した例の概念図（断面図）である。 実施例１である。 外筒の前後分割、後部可動の概念図（断面図）である。 実施例２である。

発明を実施するための形態や実施例

発明を実施するための基本形態

発明を実施するための、外筒１の基本形態（断面図）を図１に示す。そのエジェクタ効果は、以下の通りである。
▲１▼外筒１へ流入した空気（速度Ｃ１）の一部は原動機付推進機４へ入り、速度Ｃ２に加速され推進力を発生する。
▲２▼外筒１へ流入した残りの空気（速度Ｃ１）も、上記の原動機付推進機４の出口の高速流Ｃ２に吸引・加速され推進力を発生する。更に両者は混合しながら、ディフューザ部５の拡大流路で流出速度Ｃ３に減速され、その動圧回収により推進力は更に大きくなる。

請求項２の発明を実施するための形態１

ラジエータ６は、原動機また永久磁石同期モーターとその高電圧部品やパワー半導体機器（インバータ、ＤＣ−ＤＣジャンクションボックス、充電器等）等の冷却をする重要な機器だが、高速飛行により流入する高速流（時速６００ｋｍなら１６７ｍ／ｓ）を減速し、ラジエータ６内での空気抵抗による圧力損失と冷却性能の両方をトレードオフして最適化する必要がある（拡散型ラジエータ）。このため、レシプロエンジン飛行機では空気取入口からラジエータまでの流路をディフューザにして高速流を減速する事があるが、減速による流入境界層の発達・剥離の対策が非常に重要となる。

そこで請求項２の発明を実施するための手段・形態の例として、図２の概念図の様に、翼型をした横仕切板７にラジエータ６を内蔵する。なお本板７は厚肉になるので、空気抵抗の小さい翼型等にして、高速流の中で発生する大きな空気抵抗を抑える。また本板７のラジエータ入口・出口対向部（図２の２点鎖線の部分）は、開口や多孔板（パンチングメタル等）、スリット付板にすると、下記の効果がある。なお、この多孔板の小孔の向きは板に垂直だが、負圧面側では高速流１５の下流の方向に向けても良い。
▲１▼翼型をした横仕切板７の圧力面に沿って流れる高速流の一部が、低速でラジエータ６に流入し（ラジエータ冷却流１６）、圧力の低い負圧面側へ吸出される。よって高速流１５はラジエータ６にそのまま流入しないので、ディフューザによる減速は不要になる。
▲２▼ラジエータ６の前面投影面積が小さいので、空気抵抗が小さい。
▲３▼原動機３の高出力化のためのラジエータ６の大容量化・大型化が、構造的また強度的また流体性能的（空気抵抗）に容易。

請求項２の発明を実施するための形態２

請求項２を実施するための他の手段・形態例として、円筒や円錐等の軸対称形状で構成す外筒１に、ラジエータ６を内蔵した概念図（断面図）を図３に示す。外筒１内を空洞にして、冷却流を内周面から吸込、外周面から吐出する円筒形のラジエータ６を内蔵する。ラジエータ６入口に対向する外筒１の内周面の２点鎖線部▲１▼を開口や多孔板、スリット付板にすると、ラジエータ冷却流１６が流入し、外筒１の外周面の２点鎖線部▲２▼（２点鎖線部▲１▼と同様の開口や多孔板、スリット付板）へ吸出される。なお２点鎖線部▲２▼は翼型の負圧面前部と似た形状にすれば大きな負圧が発生するので、この吸出効果が大きくなる。

またラジエータ６の出口部と外筒１上面で形成される流路▲３▼は、ラジエータ６からの流出空気の合流部になるが、本流路の断面積は吸出口（２点鎖線部▲２▼）に向かって拡大するので、この合流流れはほぼ等速になる。このため、ラジエータ６内の流速分布をほぼ一定にでき、その冷却効率は高く、圧力損失は小くなる。

なお本例には、下記の効果や利点もある。
▲１▼外筒１の入口部は流線形なので、空気抵抗が小さい。
▲２▼空飛ぶ車の上昇時等には外筒１上部の迎角が大きくなり剥離の可能性があるが、２点鎖線部▲２▼からの流出空気は前縁スラットと同様に、流れに運動量を供給して剥離を抑える。
▲３▼外筒の全周に空洞があるので、防音材を入れ、騒音を低減できる。

実施例１を図４に示す。外筒１のエジェクタ効果による推進力向上と共に、本実施例には下記の効果がある。
▲１▼車体上面後部の傾斜部１３は曲がりディフューザ相当の流路形状なので、大規模剥離や逆流が生じ易いが、本実施例では外筒１の一部なので、内部流となりその対向壁の壁効果によりこれらは抑制される。ただし本傾斜部１３はデフューザ拡大角が大きくなり易いので、必要なら横仕切板（曲げ薄板）１７を取付け、剥離・逆流の発生を抑える。
▲２▼仕切板を横仕切板（翼型）１８にして、その負圧面に沿って流れる壁噴流のコアンダ効果により、大きな揚力を発生させ、主翼１０の補助とする。なお同板の取付角は可変にして、大揚力が必要な離着陸時等に同角を大きくする。なお図５の概念図で示す様に、外筒１を前部と後部に分割し、後部は可動にして流れを下方に偏流させても、同様の効果が得られる。
▲３▼ディフューザ内は減速流なので、拡大角が大きいと剥離が生じ易いが、本外筒のディフューザ部５はプロペラ出口からの旋回流による遠心力により流れは内壁に押付けられるので、剥離は生じ難い。
・ただし外筒１内面に螺旋溝等をつけ、流れに旋回を与えて剥離を更に抑制し、拡大角を更に大きくしても良い。
・逆に、プロペラの旋回流を動圧回収するために、本ディフューザ部５をファンやポンプと同様の案内羽根（静翼）にしても良い。
▲４▼本例の推進機２はケーシングに収納するダクテッドプロペラであり、下記の利点が従来プロペラよりある。
・プロペラ外端とケーシング間の隙間を小さくでき（プロペラ直径の０．３％程度）、同外端の圧力面から負圧面への翼端渦による漏れ流れ損失が大幅に小さくなる。
・全圧分布を半径方向に一定（自由渦形）に設計可能なので、出力や効率が増大する。
・ケーシング後部を円錐形に絞り流路断面積を小さくすると、プロペラからの高速流が更に大きくなりエジェクタ効果が増す。

また本実施例は下記の機能や形態・構造も有する。
▲１▼推進機２（ダクテッドプロペラ）が車体１２から離れており、車体１２上面で発達する低エネルギで速度欠損のある境界層を吸込まない。
▲２▼離着陸時等の高揚力確保のため、主翼１０のフラップ１１の下げ角は最大４５°程度とする。一方、地上走行時にダウンフォースを発生させるために、フラップ１１の上げ角は最大３０°程度とする。フラップ１１は駆動後輪の近くにあり、ダウンフォースはそのグリップに有効に働く。
▲３▼垂直尾翼１４の一部（付根前方）が請求項１の外筒の一部を構成し、仕切板としての整流効果を有する。
▲４▼垂直尾翼１４の方向舵１９が推進機２に近いので、その高速噴流のコアンダ効果により、舵の効きが良くなる。
▲５▼推進機２では無く、車輪で地上走行するのは、市内や住宅地での騒音等への配慮である。
▲６▼地上走行では、プロペラ後方に取付の原動機３（モーター）が歯車機構を介して後輪を駆動する。
▲７▼原動機３が大きい場合は車体後部に取付け、歯車機構等を介して後輪とプロペラを駆動する（その場合、プロペラ後方の原動機３は歯車室になる）。

実施例２を図６に示す。流路断面が長方形で構成される外筒１に、推進機２（ダクテッドプロペラ）を２台収納する。また推進機２は実施例１よりさらに車体１２の後部に取付けて、推進機２の車体上面からの飛出しを抑えた。本例での効果は以下の通りである。なお本例では外筒１のディフューザ部５の流路断面積の拡大は、車体上面後部の傾斜部１３のみによる。
▲１▼外筒１の入口から推進機２の入口までは絞り流路なので、流路断面積は減少する（各々の断面積をＡｉ、Ａｍとすると、本例ではＡｉ／Ａｍ＝２）。このため流入した流れは加速され、その乱れは小さくなり整流されて推進機に流入する。また車体１２の上面で発達した境界層はこの増速流により薄くなり（著しい場合は、再層流化）、その更なる発達や剥離を抑制できる。なお必要なら下記の様な境界層制御を行う。
・小翼９（２点鎖線▲１▼、その幅は外筒１の幅以下）を車体上面後部の傾斜開始部にその近傍流れが加速する角度で取付け、境界層を薄くする。
・境界層吸込分離板８（２点鎖線▲２▼、その幅は外筒１の幅以下）を車体近傍、流れ方向には推進機２の入口付近まで取付けて、外筒１に流入する境界層を吸込み分離する。
▲２▼プロペラの推進力はその流量と出入口の速度差に比例するが、上記▲１▼の外筒１の入口部の絞り流路化により、ダクテッドプロペラ等の推進機２に流入する流量を、外筒１が無い場合より大きくして、推進力を増大できる（請求項３）。
▲３▼外筒１の上面前半部２１は翼型なので、下記の利点がある。
・上面前半部２１が平板なら、時速２００ｋｍから７００ｋｍ程度の高速流に対する大きな迎角により大きな空気抵抗を発生するが、翼型なので空気抵抗が小、また揚力を発生する。
・同部２１の肉厚を大きくできるので、内部にラジエータ６を収納可能。更に、広い空間を確保できるので、原動機３の高出力化のためのラジエータ６の大容量化・大型化が、構造的また流体性能的（空気抵抗）に容易。
・空飛ぶ車の飛行速度が大きく、プロペラ流入流量が多くなる場合、同部２１の後部にあるフラップ１１を開けて、流入流量の調整が可能。
▲４▼離着陸時等に、外筒１内での加速や昇圧により高エネルギを得た空気の一部を空気取入口２３（幅は外筒１より小）から取込み、図４の主翼１０のフラップ１１の前縁負圧面側に噴出させると、壁噴流のコアンダ効果により、大きな下げ角でも負圧面に沿って流 れ大揚力を発生させる（請求項２。ＶＴＯＬ機と同様の機構の境界層制御）。
▲５▼着陸時に、この高エネルギ空気を車体下面へ導き、緩衝・衝撃吸収に用いる事も可能。エアベアリング式のホバークラフトに相当する構造・機構だが、そのためのスカートは図４の車体下部の薄板の側板２２である。本板２２は全周に取付けるが、車体前面と後面は飛行時には閉じる。

１ 外筒
２ 推進機
３ 原動機
４ 原動機付きの推進機
５ ディフューザ部
６ ラジエータ
７ 横仕切板
８ 境界層吸込分離板
９ 小翼
１０ 主翼
１１ フラップ
１２ 車体
１３ 車体上面後部の傾斜部
１４ 垂直尾翼
１５ 高速流
１６ ラジエータ冷却流
１７ 横仕切板（曲げ薄板）
１８ 横仕切板（翼型）
１９ 方向舵
２０ 水平尾翼
２１ 外筒上面前半部（翼型）
２２ 車体下部側板
２３ 空気取入口

Claims (3)

1. エジェクタの原理を有する外筒に、１台または複数台の推進機とその付属機器を収納して、推進力を上げる。本形態・機構は車体の上下・側方また主翼の上下の任意の場所に設置する。またその断面形状は複数の円形または直線または円弧と直線または自由曲線の組合せである。またその一部が車体または主翼か水平・垂直尾翼であっても良い。なお推進機はダクテッドプロペラやウィングレット付プロペラや一般的なプロペラ、また斜流・軸流ファン（単段または多段の動翼と静翼で構成され、円筒形ケーシング内に収納）等である。また推進機を駆動する原動機はレシプロエンジンや水素燃料エンジンやモーター、またジェットエンジン等である。原動機は推進機の前方か後方に設置する。または車体内等、外筒の外部へ置き推進機を歯車機構等を介して駆動する。なお外筒内に横や縦また十字の仕切板（平板または翼型）、または小翼を並べた翼列を取付けて整流を行っても良い。またこれらにより、主翼の車体接続部や圧力上昇する負圧面後部、また車体上面後部の傾斜部等に発生し易い境界層の発達や低エネルギ流体の集積による逆流や剥離を抑制しても良い。
2. 請求項１の外筒内の空気は加速や昇圧により高エネルギを得るので、その一部を推進力以外の用途に使う。即ち原動機またパワー半導体や高電圧機器等の冷却機器（ラジエータ等）の冷却空気、また液体水素の気化器の熱源に用いる。また主翼フラップ等の境界層制御（噴流のコアンダ効果により高揚力を発生）に用いる。なお、これらを内蔵した外筒やその付属機器が厚肉になる場合は、空気抵抗の小さい翼型等の流線形にして、時速２００ｋｍから７００ｋｍ程度の高速流の中で発生する大きな空気抵抗を抑える。
3. 請求項１の外筒の入口部の絞り流路化により、ダクテッドプロペラ等の推進機に流入する流量を、外筒が無い場合より大きくして、推進力を上げる。なお、外筒入口部の上面は高速流に対して斜めになるので、空気抵抗の小さい翼型等の流線形にして、時速２００ｋｍから７００ｋｍ程度の高速流の中で発生する大きな空気抵抗を抑える。