JP2021079905A - 飛行体 - Google Patents

Abstract

【課題】 飛行体において、比較的狭い場所であっても飛行体を目標位置で飛行させることができるとともに、飛行体の積載性を向上する技術を提供する。【解決手段】 線状部材に係留されている飛行体は、線状部材の端部に接続され、受けた風圧から揚力を発生させる翼部と、翼部を鉛直方向上方に移動させる推力を発生する動力部と、翼部と動力部とを接続する接続部であって、揚力を含む、翼部に発生する空気力の大きさに応じて、翼部と動力部を分離させる接続部と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、飛行体に関する。

従来から、ワイヤなどによって係留されながら上空を飛行する飛行体が知られている。飛行体を飛行させるとき、地表付近の風だけでは、飛行体を上空まで上昇させる揚力を発生することができないため、飛行体を上空まで上昇させる推力が必要となる。例えば、特許文献１および特許文献２には、飛行体に接続されたワイヤを牽引する牽引体で飛行体を引っ張ることで、飛行体を目標位置まで上昇させる技術が開示されている。また、特許文献３および特許文献４には、鉛直方向上向きの推力を発生する動力部を飛行体が備えることで、飛行体を目標位置まで上昇させる技術が開示されている。

特開平３−８２６９４号公報 特開平８−１３３１９７号公報 特開２０１６−１５５５４７号公報 特開２０１７―７４８６０号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の飛行体では、飛行体を牽引するために、水平方向に障害物がない広い場所が必要となる。このため、飛行体を離陸させることができる場所が限られ、飛行体を目標位置で飛行させることが困難な場合がある。また、特許文献３および特許文献４に記載の飛行体では、動力部を備えるため、飛行体の重量が重くなる。このため、例えば、動力を切った状態で飛行体によって大気の状態を観測する場合、搭載できる観測機器が制限されるなど、飛行体の積載性が低下する。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、飛行体において、比較的狭い場所であっても飛行体を目標位置で飛行させることができるとともに、飛行体の積載性を向上する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、線状部材に係留される飛行体が提供される。この飛行体は、前記線状部材の端部に接続され、受けた風圧から揚力を発生させる翼部と、前記翼部を鉛直方向上方に移動させる推力を発生する動力部と、前記翼部と前記動力部とを接続する接続部であって、前記揚力を含む、前記翼部に発生する空気力の大きさに応じて、前記翼部と前記動力部を分離させる前記接続部と、を備える。

この構成によれば、翼部に接続されている動力部が発生する推力によって翼部を鉛直方向上方に移動させることができるため、例えば、飛行体を牽引するためのスペースが確保できないような比較的狭い場所でも、翼部を目標位置で飛行させることができる。また、飛行している飛行体は、翼部に発生する空気力の大きさに応じて、翼部と動力部とを分離させる。これにより、比較的重量が大きい動力部が分離された翼部のみが目標位置を飛行することとなるため、目標位置を飛行する翼部に重いものや大型のものを積載することができる。したがって、飛行体の積載性を向上することができる。

（２）上記形態の飛行体において、前記接続部は、前記翼部の風圧を受ける側において、前記翼部と前記動力部とを接続し、前記翼部との接続面に対して垂直な方向の空気力が所定値より大きくなると、前記翼部と前記動力部とを分離させてもよい。この構成によれば、接続部は、翼部の風圧を受ける側において翼部と動力部とを接続しており、接続部が翼部と動力部とを接続する力は、翼部との接続面に対して垂直な方向に作用している。これにより、接続部は、接続面に対して垂直な方向の空気力が、所定値より大きくなると、翼部と動力部とを分離するため、翼部と動力部とが分離されるときの空気力を正確に見積もることができる。したがって、飛行体の飛行経路において、翼部と動力部とを狙った高さで分離させることができる。

（３）上記形態の飛行体において、前記動力部は、前記翼部の風圧を受ける側に配置されており、前記翼部と分離されると、前記線状部材に沿って移動してもよい。この構成によれば、翼部と分離された動力部は、線状部材に沿って移動する。線状部材に沿って移動する動力部は、例えば、線状部材の端部が地上に固定されていると、その固定された地点において動力部を回収することができる。すなわち、翼部と分離された動力部の落下地点を設定することができるため、動力部を安全に回収することができる。

（４）上記形態の飛行体において、前記接続部は、前記動力部に対する前記翼部の傾きの角度を調整する傾き角調整部を含んでいてもよい。この構成によれば、飛行体は、傾き角調整部によって、動力部に対する翼部の傾き角を調整することができる。これにより、飛行体が飛行するときの翼部の迎え角を調整することができるため、効率的に空気力を発生させることができる。したがって、飛行体の飛行の安定性が向上するとともに、風圧が弱いときでも翼部に発生する空気力が大きくなるため、動力部によって翼部を上昇させる距離を短くすることができる。

（５）上記形態の飛行体において、前記接続部は、前記動力部が向いている方向と前記翼部が向いている方向との間の角度を調整する方向角調整部を含んでいてもよい。この構成によれば、飛行体は、方向角調整部によって、動力部が向いている方向と翼部が向いている方向との間の角度を調整することができる。これにより、飛行体が飛行するとき、翼部が向く方向を風に対して正対させることができるため、効率的に空気力を発生させることができる。したがって、飛行体の飛行の安定性が向上するとともに、風圧が弱いときでも翼部に発生する空気力が大きくなるため、動力部によって翼部を上昇させる距離を短くすることができる。

（６）上記形態の飛行体において、前記翼部は、複数のフレームと、前記複数のフレームの間に張られる膜体を有してもよい。この構成によれば、翼部は比較的軽量になるため、翼部を上昇させるための推力を低減することができるとともに、翼部により重いものを積載することができる。

（７）上記形態の飛行体において、前記動力部は、前記翼部の風圧を受ける側に配置され、前記翼部を上昇させる推力を発生する複数のロータを有しており、前記翼部と前記ロータとの間には、前記ロータの回転によって前記推力を発生させるための空気が流れる隙間が形成されていてもよい。この構成によれば、動力部は、推力を発生する複数のロータを有しており、翼部とロータとの間には、ロータの回転によって推力を発生させるための空気が流れる隙間が形成されている。これにより、動力部が発生する、翼部を上昇させるための推力を大きくすることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、飛行体を用いたシステム、および、飛行体の製造方法の形態でも実現することができる。

第１実施形態の飛行体の側面図である。 飛行体の上面図である。 飛行体の正面図である。 飛行体が備える翼部の側面図である。 翼部の上面図である。 翼部の正面図である。 飛行体が備える動力部および接続部の側面図である。 動力部および接続部の上面図である。 動力部および接続部の正面図である。 翼部の迎え角を調整したときの飛行体の側面図である。 翼部に発生する空気力を説明する図である。 翼部が向いている方向が変化するときの飛行体の側面図である。 翼部と動力部とが分離されたときの飛行体の側面図である。 分離された動力部が落下する状態を説明する模式図である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の飛行体１の側面図である。図２は、飛行体１の上面図である。図３は、飛行体１の正面図である。本実施形態の飛行体１は、大気の状態を観測するために用いられ、大気の状態を観測可能な観測機器が搭載されている。本実施形態では、飛行体１を比較的高高度の上空での所定の位置（目標位置）に滞在させることで、所定の位置の温度および風速の計測を行う。なお、飛行体１が適用される分野は、大気観測に限定されず、風を利用して比較的長時間上空に滞在させることで行える、例えば、上空からの目標物の撮影などにも利用される。本実施形態の飛行体１は、翼部１０と、動力部２０と、翼部１０と動力部２０とを接続する接続部３０を備え、翼部１０に発生する空気力の大きさに応じて、翼部１０と動力部２０とを分離する。なお、説明の便宜上、図１〜３において、翼部１０の先端が向いている方向をｘ軸方向とし、飛行前の翼部１０の膜体１５を含む平面においてｘ軸に垂直な方向をｙ軸方向とし、ｘ軸とｙ軸とに直交する方向をｚ軸方向とする。本実施形態では、飛行体１が飛行するときの鉛直方向は、ｚ軸方向となる。

図４〜６は、飛行体１において、動力部２０および接続部３０を外した翼部１０の状態を示す図である。図４は、翼部１０の側面図である。図５は、翼部１０の上面図である。図６は、翼部１０の正面図である。翼部１０は、例えば、フレキシブル翼のデルタカイトであって、複数のフレームとしてのスパイン１１、スプレッダ１２、および、一対のスパー１３、１４と、膜体１５と、キール１６と、ペイロード１７を有する。

スパイン１１は、ｘ軸方向における翼部１０の長さとほぼ同じ長さの棒状の部材であって、翼部１０においてｘ軸に沿って配置されている（図５参照）。スパイン１１の先端部１１ａは、膜体１５の先端部１５ａに固定されており、スパイン１１の後端部１１ｂは、膜体１５の後縁部１５ｂの中央に固定されている。これにより、スパイン１１は、膜体１５のｘ軸方向の張りを維持する。

スプレッダ１２は、スパイン１１と同様に、棒状の部材であって、翼部１０においてｙ軸に沿って配置されている。すなわち、スパイン１１とスプレッダ１２とは、翼部１０において直交するように配置されている（図５参照）。スプレッダ１２の２つの端部１２ａ、１２ｂは、膜体１５に形成されているスプレッダホルダ１５ｃ、１５ｄに収納されている。これにより、スプレッダ１２は、膜体１５のｙ軸方向の張りを維持する。

スパイン１１と、スプレッダ１２とのそれぞれは、膜体１５を挟むように配置されている。本実施形態では、スパイン１１は、膜体１５に対してｚ軸方向のマイナス側に配置され、スプレッダ１２は、膜体１５に対してｚ軸方向のプラス側に配置されている。

一対のスパー１３、１４は、いずれも棒状の部材であって、スプレッダ１２の両端におけるそれぞれの延長上に配置されている。一対のスパー１３、１４のそれぞれは、翼部１０の２つの前縁部１５ｅ、１５ｆのそれぞれに配置されている。スパー１３、１４の先端部１３ａ、１４ａは、スパイン１１の先端部１１ａよりもｘ軸方向のマイナス側であり、かつ、スプレッダ１２よりｘ軸方向のプラス側に位置し、膜体１５に形成されているスパーホルダ１５ｇ、１５ｈに収納されている。スパー１３、１４の後端部１３ｂ、１４ｂは、膜体１５の後縁部１５ｂの両端１５ｉ、１５ｊに位置し、膜体１５に形成されているスパーホルダ１５ｋ、１５ｌに収納されている。すなわち、スパー１３、１４の後端部１３ｂ、１４ｂと、スパイン１１の後端部１１ｂとは、膜体１５の後縁部１５ｂ上に並んで配置されている。スパー１３、１４の中心軸Ｃ１３、Ｃ１４は、スプレッダ１２の中心軸Ｃ１２に対して９０度未満となる角度αを形成している。

膜体１５は、略三角形状の薄膜であって、例えば、布などの軟質材料から形成されている。膜体１５は、飛行前では略三角形状の平面である本体部１５ｍと、スパイン１１を収容する胴体袋部１５ｎを有する。本体部１５ｍにおけるｘ軸方向のプラス側には、膜体１５の先端部１５ａから後縁部１５ｂにわたって、袋状の前縁袋部１５ｏ、１５ｐが形成されている。前縁袋部１５ｏ、１５ｐは、スパー１３、１４、および、スパーホルダ１５ｇ、１５ｈ、１５ｋ、１５ｌを収容する。本体部１５ｍにおいて、前縁袋部１５ｏと前縁袋部１５ｐとの間には、スプレッダホルダ１５ｃ、１５ｄが配置されている。胴体袋部１５ｎは、本体部１５ｍに対して、スプレッダ１２が配置されている側とは反対側に配置されている。胴体袋部１５ｎは、スパイン１１を収容する。

キール１６は、胴体袋部１５ｎにおいて、本体部１５ｍに接続する側と反対側に配置される。キール１６は、三角形状の膜であって、本体部１５ｍから張り出すように形成されている（図４参照）。

ペイロード１７は、箱状の部材であって、キール１６の先端部１６ａに配置されている。本実施形態では、ペイロード１７には、例えば、大気の温度を計測する温度センサや風速を計測する風速センサなどの大気の状態を観測する観測機器や、翼部１０の高度を計測する高度センサが収納されている。これらの観測機器が計測し収集したデータは、無線または有線によって、例えば、地上の図示しないデータ取得装置に送信される。なお、上述した翼部１０の構成は、一例であり、フレームの数や構成、膜体の形状、および、ペイロード１７の場所などはこれに限定されない。

翼部１０の風圧を受ける側には、ワイヤ４１の一方の端部４１ａが接続されている。金属製のワイヤ４１の他方の端部４１ｂは、地上に配置されている固定部材４２に固定されている。本実施形態では、固定部材４２は、動力部２０が落下するときの衝撃を吸収する緩衝材を有する。ワイヤ４１は、上空を飛行する翼部１０を係留し、飛行体１の飛行範囲を、固定部材４２上の上空周辺の一定の範囲に留めておく。ワイヤ４１は、特許請求の範囲の「線状部材」に相当する。

図７は、飛行体１が備える動力部２０および接続部３０の側面図である。図８は、動力部２０および接続部３０の上面図である。図９は、動力部２０および接続部３０の正面図である。動力部２０は、いわゆる、マルチコプタであって、ベース部２１と、腕部２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｅと、モータ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄと、ロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄと、ガード２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄと、制御部２６と、ガイドパイプ２７を有する。動力部２０は、飛行体１において、翼部１０におけるｚ軸方向のマイナス側に配置されている。

ベース部２１は、平面状の部材であって、ｚ軸方向のマイナス側にｘｙ平面に略平行な主面２１ａを有する。主面２１ａにおける、ｘ軸方向のプラス側の端部と、ｙ軸方向のプラス側の端部と、ｙ軸方向のマイナス側の端部と、ｘ軸方向のマイナス側の端部とのそれぞれに、腕部２２ａと、腕部２２ｂと、腕部２２ｃと、腕部２２ｄが配置されている（図８参照）。ベース部２１の中央には、ベース部２１をｚ軸方向に貫通する貫通孔２１ｂが形成されている。

腕部２２ａは、一端がベース部２１に固定された状態でｘ軸のプラス方向に突出している棒状の部材である。腕部２２ａの他端には、制御部２６に接続するモータ２３ａと、モータ２３ａが出力する回転トルクによって回転するロータ２４ａが配置されている。ロータ２４ａは、ｚ軸に略平行な回転軸を有しており、回転すると、ｚ軸方向のプラス側からマイナス側への空気の流れを形成する。ガード２５ａは、腕部２２ａに配置されており、ロータ２４ａを保護する。

腕部２２ｂは、一端がベース部２１に固定された状態でｙ軸のプラス方向に突出している棒状の部材である。腕部２２ｂの他端には、制御部２６に接続するモータ２３ｂと、モータ２３ｂが出力する回転トルクによって回転するロータ２４ｂが配置されている。ロータ２４ｂは、ｚ軸に略平行な回転軸を有しており、回転すると、ｚ軸方向のプラス側からマイナス側への空気の流れを形成する。ガード２５ｂは、腕部２２ｂに配置されており、ロータ２４ｂを保護する。

腕部２２ｃは、一端がベース部２１に固定された状態でｙ軸のマイナス方向に突出している棒状の部材である。腕部２２ｃの他端には、制御部２６に接続するモータ２３ｃと、モータ２３ｃが出力する回転トルクによって回転するロータ２４ｃが配置されている。ロータ２４ｃは、ｚ軸に略平行な回転軸を有しており、回転すると、ｚ軸方向のプラス側からマイナス側への空気の流れを形成する。ガード２５ｃは、腕部２２ｃに配置されており、ロータ２４ｃを保護する。

腕部２２ｄは、一端がベース部２１に固定された状態でｘ軸のマイナス方向に突出している棒状の部材である。腕部２２ｄの他端には、制御部２６に接続するモータ２３ｄと、モータ２３ｄが出力する回転トルクによって回転するロータ２４ｄが配置されている。ロータ２４ｄは、ｚ軸に略平行な回転軸を有しており、回転すると、ｚ軸方向のプラス側からマイナス側への空気の流れを形成する。ガード２５ｄは、腕部２２ｄに配置されており、ロータ２４ｄを保護する。

本実施形態では、ロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄのそれぞれと翼部１０の間には、ロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの回転によって推力を発生させるための空気が流れる隙間が形成されている（図１および図３の両端矢印Ｓ１参照）。これにより、ロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの回転によって、ロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄのｚ軸方向のプラス側からマイナス側に向かって十分な空気の流れが形成される。

制御部２６は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、ＣＰＵを含んで構成されるコンピュータと、バッテリと、受信器を有している。制御部２６は、受信器が受信する指令に応じて、モータ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄのそれぞれを駆動し、ロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄのそれぞれの回転を制御する。バッテリは、受信器が受信する指令に応じて、モータ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを駆動する電力をモータ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄに供給する。

動力部２０は、ロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの回転によってｚ軸方向のプラス側からマイナス側への空気の流れを形成し、鉛直方向上向きの推力を発生する。これにより、飛行体１では、接続部３０を介して動力部２０に接続する翼部１０を上空まで上昇させることができる。

ガイドパイプ２７は、ベース部２１の主面２１ａにおいて、内側が貫通孔２１ｂに連通するように接続されている。ガイドパイプ２７には、翼部１０を係留するワイヤ４１が挿通される（図１および図３参照）。

接続部３０は、翼部１０と動力部２０との間において動力部２０に設けられており、翼部１０と動力部２０とを接続する。接続部３０は、フレーム部３１と、迎角回転軸３２と、風見回転軸３３と、翼支持部３４と、接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄと、垂直尾翼部３６を有する。迎角回転軸３２と翼支持部３４は、特許請求の範囲の「傾き角調整部」に相当する。風見回転軸３３と垂直尾翼部３６は、特許請求の範囲の「方向角調整部」に相当する。

フレーム部３１は、ｙ軸方向から見ると、略Ｌ字状に形成されている部材であって、ｘ軸に沿うように形成されている第１フレーム３１ａと、ｙ軸に沿うように形成されている第２フレーム３１ｂを有する。第１フレーム３１ａにおけるｘ軸方向のプラス側の端部には、第２フレーム３１ｂの端部が固定されている。第２フレーム３１ｂの第１フレーム３１ａと接続する側とは反対側の端部には、迎角回転軸３２が配置されている。第１フレーム３１ａの動力部２０側には、ｘｙ平面において、フレーム部３１と動力部２０との相対回転を可能とする風見回転軸３３が配置されている。第１フレーム３１ａおよび風見回転軸３３には、動力部２０が有するベース部２１に形成されている貫通孔２１ｂに連通する貫通孔３１ｃが形成されている。

翼支持部３４は、第２フレーム３１ｂの第１フレーム３１ａと接続する側とは反対側の端部と連結している。翼支持部３４は、４本の支持フレーム３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄを有する。

支持フレーム３４ａ、３４ｂは、一方の端部が第２フレーム３１ｂに連結されており、ｚ軸に沿うように形成されている。支持フレーム３４ａ、３４ｂにおけるｚ軸方向のプラス側の先端部には、翼部１０と接触する接続面３５ａ、３５ｂが形成されている。接続面３５ａ、３５ｂは、面ファスナとなっており、翼部１０の膜体１５と接続可能となっている。

支持フレーム３４ｃ、３４ｄは、一方の端部が第２フレーム３１ｂに連結されており、ｚ軸に対して略６０度の角度で傾斜するように配置されている。支持フレーム３４ｃ、３４ｄにおけるｚ軸方向のプラス側の先端部には、翼部１０と接触する接続面３５ｃ、３５ｄが形成されている。接続面３５ｃ、３５ｄは、面ファスナとなっており、翼部１０の膜体１５と接続可能となっている。

翼支持部３４が有する４本の支持フレーム３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、一体となって、迎角回転軸３２を回転中心として、回転可能に設けられている。翼支持部３４は、接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄと翼部１０の膜体１５との接続によって、翼部１０を回転可能な状態で、支持する。

垂直尾翼部３６は、第１フレーム３１ａにおけるｘ軸方向のマイナス側の端部に配置されている。本実施形態では、垂直尾翼部３６は、第１フレーム３１ａにおけるｚ軸方向のプラス側とｚ軸方向のマイナス側とに配置されている。垂直尾翼部３６に外力が作用すると、作用した外力の方向に応じて、風見回転軸３３を回転中心として、フレーム部３１が動力部２０に対して回転する。

次に、本実施形態の飛行体１を用いた大気観測の方法について説明する。最初に、図１および図２を用いて、離陸する前の飛行体１の状態を説明する。離陸する前の飛行体１では、翼部１０と動力部２０が接続部３０によって接続されており、一体となっている。具体的には、接続部３０の接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄと翼部１０の膜体１５とが、接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄの面ファスナによって接続されている。本実施形態では、離陸する前の飛行体１では、翼部１０は、動力部２０の鉛直方向上方に位置しており、ロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄのそれぞれと翼部１０の間には、隙間Ｓ１が形成されている。翼部１０に接続するワイヤ４１は、貫通孔３１ｃ、２１ｂ、および、ガイドパイプ２７の内側に挿通され、地上３において、他端が固定部材４２に固定されている（図１参照）。

本実施形態では、離陸する前の飛行体１では、翼部１０が向いている方向と動力部２０が向いている方向とがほぼ同じになっている。ここで、翼部１０が向いている方向を、スパイン１１が翼部１０の後縁部１５ｂから先端部１５ａに向かう方向とする。また、動力部２０が向いている方向を、ロータ２４ｄからロータ２４ａに向かう方向とする。本実施形態では、図２に示すように、翼部１０が向いている方向（図２の点線矢印Ｄ１）と、動力部２０が向いている方向（図２の点線矢印Ｄ２）とは、重なる状態となっている。

図１０は、翼部１０の迎え角を調整したときの飛行体１の側面図である。本実施形態では、飛行体１の離陸前に、翼支持部３４を用いて、動力部２０に対する翼部１０の傾きの角度、すなわち、飛行中の風の流れ（図１０の一点鎖線矢印Ｗ１）に対する迎え角を調整する。この動力部２０に対する翼部１０の傾きの角度の調整について、図１０を用いて説明する。ここで、動力部２０について、４つの腕部２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｅを含む平面Ｐ２を仮定する（図１０参照）。また、翼部１０については、一対のスパー１３、１４（図３参照）を含む平面を仮定する。図１０では、翼部１０で仮定する、一対のスパー１３、１４を含む平面について、平面Ｐ２に対して略平行な平面Ｐ１０と、平面Ｐ２に対して傾いている平面Ｐ１１とを仮定する。本実施形態では、離陸する前の飛行体１において、迎角回転軸３２と翼支持部３４を用いて、翼部１０を動力部２０に対して傾けることで、平面Ｐ１０と平面Ｐ２との関係から、平面Ｐ１１と平面Ｐ２との関係に変更する。これにより、飛行体１が飛行するとき、効率的に空気力を発生させることができる。図１０の状態の飛行体１において空気力が発生する現象の詳細については、後述する

次に、離陸して上昇する飛行体１の状態を説明する。図１０の状態にセッティングされた飛行体１は、動力部２０のロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄが発生する推力によって、ワイヤ４１の一方の端部４１ａを引き上げながら上昇する。このとき、飛行体１は、大気中の風の圧力、すなわち、風圧を受けることで、翼部１０に空気力が発生する。

図１１は、翼部１０に発生する空気力を説明する図である。ここで、翼部１０に発生する空気力について、迎え角βの飛行体１が飛行しているときの空気力を説明する。迎え角βは、上述した迎角回転軸３２と翼支持部３４によって、翼部１０の平面Ｐ１０と動力部２０の平面Ｐ２との関係を、翼部１０の平面Ｐ１１と平面Ｐ２との関係に変更することによって形成される角度である（図１０参照）。迎え角βで飛行している飛行体１では、翼部１０において、接続部３０の接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄが接触している側の翼面ＷＳ１に、風Ｗ１による風圧を受ける。なお、翼部１０は、本体部１５ｍの風圧を受ける側に胴体袋部１５ｎを有しているが、ここでは、便宜的に、本体部１５ｍの風圧を受ける側の面のみを翼面ＷＳ１とする。翼面ＷＳ１は、特許請求の範囲の「翼部の風圧を受ける側」に相当する。

翼部１０では、翼面ＷＳ１に受ける風圧によって、翼面ＷＳ１とは反対側の翼面ＷＳ２に、空気力Ａ１が発生する。具体的には、空気力Ａ１を鉛直方向でもあるｚ軸方向と、水平方向でもあるｙ軸方向とに分解した力が、飛行体１を鉛直方向に上昇させる揚力Ａｆ１と抗力Ａｄ１となる（図１１参照）。なお、実際には、翼面ＷＳ１、ＷＳ２の断面形状は、風Ｗ１の風圧によって複雑な形状となるが、ここでの空気力の説明、および、図１１においては、便宜上、直線形状とした。したがって、上述した空気力についての考察は、翼部１０の断面において、前縁と後縁とを結ぶことで形成されるコード線ＷＳを用いて説明しても同様である。

本実施形態の飛行体１では、図１０を用いて説明したように、迎角回転軸３２と翼支持部３４を用いた動力部２０に対する翼部１０の傾きの角度を変更することで、図１１に示す迎え角βを変更することができる。これにより、翼部１０に発生する空気力Ａ１、および、空気力Ａ１の分力である揚力Ａｆ１の大きさを変更することができる。

図１２は、翼部１０が向いている方向が変化するときの飛行体１の側面図である。本実施形態の飛行体１は、風の風圧を垂直尾翼部３６に受けることで、翼部１０の先端部１５ａを、風に対して正対するように、飛行する。例えば、図１２に示すように、翼部１０および動力部２０が風Ｗ１１に対して正対するように飛行しているとき、翼部１０が向いている方向を点線矢印Ｄ１１とし、動力部２０が向いている方向を点線矢印Ｄ２とする。風の方向が点線矢印Ｃ１のように風Ｗ１１から風Ｗ１２に変化すると、垂直尾翼部３６が受ける風圧が変化する。この風圧の変化によって、接続部３０および接続部３０と接続している翼部１０には、回転モーメントＣ２が発生する。これにより、翼部１０は、風見回転軸３３を回転中心として動力部２０に対して回転するため、向いている方向が点線矢印Ｄ１２となり、翼部１０が風Ｗ１２に対して正対する。翼部１０が風Ｗ１２に対して正対すると、風Ｗ１２の風圧によって、翼部１０に効率的に揚力を発生させることができる。このとき、動力部２０が向いている方向（図１２の点線矢印Ｄ２）は変化しない。飛行体１では、このようにして、風の方向に対して翼部１０が向いている方向を変更し、効率的に空気力を発生させることができる。

飛行体１が上昇し、風速が速い空域に入ると、翼部１０の翼面ＷＳ１が受ける風圧は大きくなるため、翼部１０で発生する空気力Ａ１は大きくなる。本実施形態の飛行体１では、接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに対して垂直な方向の空気力が所定値より大きくなると、翼部１０は、接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄとの接続が解除され、翼部１０と動力部２０とは狙った高さで分離される。

ここで、飛行体１が飛行しているとき、翼部１０と動力部２０とが分離する条件を説明する。飛行体１が動力部２０によって推力を発生しつつ飛行しているとき、飛行体１では、翼部１０に空気力が作用する（図１１参照）。このとき、翼部１０側には、主に、空気力Ａ１と、翼部１０の重力Ｍｗと、接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄによって動力部２０および接続部３０の方向に引っ張られる力が作用している。一方、動力部２０および接続部３０側には、主に、動力部２０による推力Ｔと、動力部２０および接続部３０の重力Ｄｗと、接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄによって翼部１０の方向に引っ張られる力が作用している。翼部１０に作用する接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄによって動力部２０および接続部３０の方向に引っ張られる力と、動力部２０および接続部３０に作用する接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄによって翼部１０の方向に引っ張られる力の大きさは同じである。したがって、飛行体１全体としては、空気力Ａ１と、推力Ｔと、飛行体１の重力（Ｍｗ＋Ｄｗ）が作用している。飛行体１は、これらの力のバランスによって上昇したり下降したりする。なお、ここでは、空気力Ａ１、重力Ｍｗ、Ｄｗ、および、推力Ｔの値は、鉛直方向上向きをプラスとする。すなわち、飛行体１が上昇しているとき、空気力Ａ１および推力Ｔは、プラスの値となり、重力Ｍｗ、Ｄｗは、マイナスの値となる。

飛行体１が上昇しているとき、接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに作用する力は、翼部１０に作用する力のうちの接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに垂直な成分Ｆ１と、動力部２０および接続部３０に作用する力のうちの接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに垂直な成分Ｆ２との差となる。したがって、接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄの面ファスナの最大保持力Ｐｈとすると、接続部３０が翼部１０と動力部２０とを分離させる条件は、式（１）となる。
Ｆ１−Ｆ２＞Ｐｈ・・・（１）
ここで、Ｆ１は、接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに対して垂直な方向の空気力Ａ１ｃと、翼部１０の重力Ｍｗの接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに垂直な方向の分力Ｍｗｃの合計である。また、Ｆ２は、接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに対して垂直な方向の推力Ｔｃと、動力部２０および接続部３０の重力Ｄｗの接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに垂直な分力Ｄｗｃの合計である。

式（１）より、接続部３０が翼部１０と動力部２０とを分離する直前の接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに対して垂直な方向の空気力Ａ１ｓは、以下の式（２）となる。
Ａ１ｓ＝Ｐｈ＋Ｔｃ＋Ｄｗｃ−Ｍｗｃ・・・（２）
したがって、接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに対して垂直な方向の空気力Ａ１ｃが、（Ｐｈ＋Ｔｃ＋Ｄｗｃ−Ｍｗｃ）の値より大きくなると、接続部３０は、翼部１０と動力部２０とを分離させる。（Ｐｈ＋Ｔｃ＋Ｄｗｃ−Ｍｗｃ）は、特許請求の範囲の「所定値」に該当する。

図１３は、翼部１０と動力部２０とが分離されたときの飛行体１の側面図である。図１３において、接続部３０から分離された翼部１０は、風Ｗ１の風圧を受けて発生する空気力のうちの揚力によって、さらに上昇を続ける（図１３の白抜き矢印ｕ１）。一方、翼部１０と分離された動力部２０および接続部３０では、ロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄによって発生していた推力を小さくすることで、重力によって下降する（図１３の白抜き矢印ｄ１）。

動力部２０が分離された翼部１０は、風圧を受けて発生する揚力によって上昇し、所定の位置に到達する。所定の位置に到達した翼部１０は、ペイロード１７に収容されている温度センサなどの観測機器によって大気の状態に関する情報を収集し、大気観測を行う。

図１４は、分離された動力部２０が落下する状態を説明する模式図である。上空において、翼部１０から分離された動力部２０および接続部３０は、図１４に示すように、ワイヤ４１に沿って、ｚ軸方向下方に移動、すなわち、落下する（図１４の白抜き矢印ｄ２）。ワイヤ４１の他方の端部に接続する地上３の固定部材４２には、緩衝材が設けられており、落下する動力部２０および接続部３０の固定部材４２との衝突による衝撃を吸収する。これにより、動力部２０および接続部３０を安全に着陸させることができる。

以上説明した、本実施形態の飛行体１によれば、翼部１０に接続されている動力部２０が発生する推力によって翼部を鉛直方向上方に移動させることができるため、例えば、飛行体１を牽引するためのスペースが確保できないような比較的狭い場所でも、翼部１０を目標位置で飛行させることができる。また、飛行する飛行体１は、翼部１０に発生する空気力に大きさに応じて、翼部１０と動力部２０とを分離させる。これにより、比較的重量が大きい動力部２０が分離された翼部１０のみが目標位置を飛行することとなるため、目標位置を飛行する翼部１０に重いものや大型のものを積載することができる。したがって、飛行体１の積載性を向上することができる。

また、本実施形態の飛行体１によれば、接続部３０は、翼部１０の風圧を受ける側において、翼部１０と動力部２０とを接続している。接続部３０は、接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに対して垂直な方向の空気力が所定値より大きくなると、翼部１０と動力部２０とを分離する。翼部１０と動力部２０および接続部３０とを接続する力である接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄの面ファスナの保持力は、接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに対して垂直な方向に作用している。これにより、翼部１０と動力部２０とを分離するため、翼部１０と動力部２０とが分離されるときの空気力を正確に見積もることができる。したがって、飛行体１の飛行経路において、翼部１０と動力部２０とを狙った高さで分離させることができる。

また、本実施形態の飛行体１によれば、動力部２０は、翼部１０の風圧を受ける側に配置されており、翼部１０と分離されると、ワイヤ４１に沿って移動する。ワイヤ４１に沿って移動する動力部２０は、地上３に固定されているワイヤ４１の端部４１ｂにおいて回収することができる。すなわち、翼部１０と分離された動力部２０の落下地点を設定することができるため、動力部２０を安全に回収することができる。

また、本実施形態の飛行体１によれば、接続部３０は、動力部２０に対する翼部１０の傾きの角度を調整する。これにより、飛行体１が飛行するときの翼部１０の迎え角を調整することができるため、効率的に空気力を発生させることができる。したがって、飛行体１の飛行の安定性が向上するとともに、風圧が弱いときでも翼部１０に発生する空気力が大きくなるため、動力部２０によって翼部１０を上昇させる距離を短くすることができる。

また、本実施形態の飛行体１によれば、接続部３０は、風の方向に応じて、翼部１０が向いている方向と動力部２０が向いている方向との間の角度を調整する。これにより、飛行体１が飛行するとき、図１２に示すように、翼部１０が向いている方向Ｄ１を風に対して正対させることができるため、効率的に空気力を発生させることができる。したがって、飛行体１の飛行の安定性が向上するとともに、風圧が弱いときでも翼部１０に発生する空気力が大きくなるため、動力部２０によって翼部１０を上昇させる距離を短くすることができる。

また、本実施形態の飛行体１によれば、翼部１０は、複数のフレームとしてのスパイン１１、スプレッダ１２、および、一対のスパー１３、１４と、複数のフレームの間に張られる膜体１５を有している。これにより、翼部１０は、比較的軽量になるため、翼部１０を上昇させるための推力を低減することができるとともに、翼部１０により重いものを積載することができる。

また、本実施形態の飛行体１によれば、動力部２０は、翼部１０の風圧を受ける側に配置され、翼部１０を上昇させる推力を発生する複数のロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを有している。翼部１０とロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄとの間には、ロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの回転によって推力を発生させるための空気が流れる隙間Ｓ１が形成されている。これにより、動力部２０が発生する、翼部１０を上昇させるための推力を大きくすることができる。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

［変形例１］
上述の実施形態では、飛行体１は、翼面に対して垂直な方向の空気力が所定値より大きくなると、翼部１０と動力部２０とを分離するとした。しかしながら、翼部１０と動力部２０とを分離するタイミングは、これに限定されない。翼部１０に発生する空気力の大きさに応じて翼部１０と動力部２０を分離させればよい。

［変形例２］
上述の実施形態では、飛行体１は、ワイヤ４１によって係留されるとした。しかしながら、飛行体１を係留する「線状部材」はこれに限定されない。ロープや糸など上空を飛行する飛行体１を係留できるものであればよく、材料は、金属に限定されない。

［変形例３］
上述の実施形態では、接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄは、膜体１５と接続する面ファスナであるとした。しかしながら、接続面３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄは、例えば、磁石であってもよく、翼部１０に発生する空気力の大きさに応じて、翼部１０と動力部２０とを自力で分離させることができる接続方法であればよい。また、翼部１０と動力部２０とを分離させる空気力の「所定値」は、上述した式（２）に限定されない。

［変形例４］
上述の実施形態では、動力部２０は、翼部１０と分離されると、ワイヤ４１に沿って落下するとした。しかしながら、動力部２０は、ワイヤ４１に沿って移動しなくてもよい。例えば、上空を飛行する翼部１０と分離された動力部２０は、パラシュートなどによって落下させてもよいし、自律飛行によって着陸してもよい。

［変形例５］
上述の実施形態では、飛行体１が飛行しているときの翼部１０の迎え角は、翼支持部３４を用いて、離陸する前に調整するとした。しかしながら、迎え角を調整する方法は、これに限定されない。例えば、翼支持部３４の回転を駆動可能なモータを迎角回転軸３２に配置し、飛行体１の飛行中に、風速に合わせて、翼部１０の迎え角を適宜調整してもよい。また、翼支持部３４はなくてもよい。例えば、制御部２６が有するコンピュータによって、ロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを制御し、飛行体１の飛行を制御してもよい。

［変形例６］
上述の実施形態では、飛行している飛行体１は、風見回転軸３３と垂直尾翼部３６を用いて、風の方向に応じて、翼部１０および接続部３０が向いている方向を、風に対して正対させるとした。しかしながら、風見回転軸３３と垂直尾翼部３６はなくてもよく、例えば、制御部２６が有するコンピュータによって、ロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを制御し、飛行体１全体が風に対して正対するように、飛行体１が回転してもよい。

［変形例７］
上述の実施形態では、翼部１０は、フレキシブル翼のデルタカイトであって、複数のフレームと、薄膜の膜体１５とを有するとした。しかしながら、翼部１０の構成は、これに限定されない。リジット翼でもよい。また、グライダであってもよい。

［変形例８］
上述の実施形態では、翼部１０の膜体１５は、薄膜であるとした。しかしながら、メッシュ状の材料から形成されていてもよい。膜体１５をメッシュ状の材料とすると、膜体１５を通る空気によって、ロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの回転によるｚ軸方向のプラス側からマイナス側への空気の流れを形成しやすくなる。これにより、ロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄのそれぞれと翼部１０の間の隙間Ｓ１を短くすることができるため、飛行体１のｚ軸方向の長さを短くすることができる。

［変形例９］
上述の実施形態では、動力部２０は、いわゆる、マルチコプタであるとした。しかしながら、動力部２０の構成は、これに限定されない。ロケットエンジンであってもよく、翼部１０を鉛直方向上方に移動させる推力を発生すればよい。

［変形例１０］
上述の実施形態では、ロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄのそれぞれと翼部１０の間には、ロータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの回転によって推力を発生させるための空気が流れる隙間Ｓ１が形成されているとした（図１参照）。しかしながら、隙間はなくてもよい。

［変形例１１］
上述の実施形態では、ペイロード１７には、温度センサ、風速センサ、および、高度センサが収容されるとした。しかしながら、ペイロード１７の利用方法は、これに限定されない。エアロゾルセンサや、湿度センサ、気圧センサ、撮影用カメラなど、飛行体１の利用方法に応じたものが収納されていればよい。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１…飛行体
３…地上
１０…翼部
１１…スパイン
１２…スプレッダ
１３，１４…スパー
１５…膜体
１６…キール
１７…ペイロード
２０…動力部
２１…ベース部
２１ｂ，３１ｃ，４１ｃ…貫通孔
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ…腕部
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ…モータ
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ…ロータ
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ…ガード
２６…制御部
２７…ガイドパイプ
３０…接続部
３１…フレーム部
３１ａ…第１フレーム
３１ｂ…第２フレーム
３２…迎角回転軸
３３…風見回転軸
３４…翼支持部
３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ…支持フレーム
３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ…接続面
３６…垂直尾翼部
４１…ワイヤ
４２…固定部材
５０…翼本体部
Ａ１…空気力
Ａｄ１…抗力
Ａｆ１…揚力
Ｃ２…モーメント
Ｓ１…隙間
Ｗ１，Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ２…風
ＷＳ１，ＷＳ２…翼面

Claims (7)

1. 線状部材に係留される飛行体であって、
   前記線状部材の端部に接続され、受けた風圧から揚力を発生させる翼部と、
   前記翼部を鉛直方向上方に移動させる推力を発生する動力部と、
   前記翼部と前記動力部とを接続する接続部であって、前記揚力を含む、前記翼部に発生する空気力の大きさに応じて、前記翼部と前記動力部を分離させる前記接続部と、を備える、
   飛行体。
2. 請求項１に記載の飛行体であって、
   前記接続部は、前記翼部の風圧を受ける側において、前記翼部と前記動力部とを接続し、前記翼部との接続面に対して垂直な方向の空気力が所定値より大きくなると、前記翼部と前記動力部とを分離させる、
   飛行体。
3. 請求項１または請求項２に記載の飛行体であって、
   前記動力部は、
   前記翼部の風圧を受ける側に配置されており、
   前記翼部と分離されると、前記線状部材に沿って移動する、
   飛行体。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の飛行体であって、
   前記接続部は、前記動力部に対する前記翼部の傾きの角度を調整する傾き角調整部を含む、
   飛行体。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の飛行体であって、
   前記接続部は、前記動力部が向いている方向と前記翼部が向いている方向との間の角度を調整する方向角調整部を含む、
   飛行体。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の飛行体であって、
   前記翼部は、複数のフレームと、前記複数のフレームの間に張られる膜体を有する、
   飛行体。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の飛行体であって、
   前記動力部は、前記翼部の風圧を受ける側に配置され、前記翼部を上昇させる推力を発生する複数のロータを有しており、
   前記翼部と前記ロータとの間には、前記ロータの回転によって前記推力を発生させるための空気が流れる隙間が形成されている、
   飛行体。

Images