JP3201100U - マルチローター可変ピッチヘリコプター - Google Patents

Abstract

【課題】故障時に、自動飛行制御装置のオートローテーション機能が操縦を自動的に引き継いで、機体と乗員を安全に着陸させるマルチローター可変ピッチヘリコプターの提供。【解決手段】ローター装置と操縦制御設備１４を備え、操縦制御設備１４が、操縦桿１４０、自動飛行制御装置１４６、ドライバ１４２を含み、操縦桿１４０への操作をドライバ１４２が制御信号としてケーブル１４４を介してローター装置へ伝送し、ローター装置は、ケーブル１４４に接続されて制御信号を受信するリニアサーボモーター１２２、プロペラ群１２４、上下移動によりプロペラ群１２４の旋回角度を制御する迎え角制御モジュール１２６、リニアサーボモーター１２２により制御されて迎え角制御モジュール１２６の上下移動を変化させる連結シャフト１２８を含み、自動飛行制御装置１４６に、操縦桿１４０による操縦と切り替えられ、操縦を補助するオートローテーションモジュールが組み込まれる。【選択図】図３

Description

本考案は、飛行制御システムがエンジン故障または機械故障を起こした時に自動的にオートローテーション（Ａｕｔｏ Ｒｏｔａｔｉｏｎ）モードになり、ヘリコプターと乗員を安全に着陸させ、死傷者を減らすことができる、マルチローター可変ピッチヘリコプターに関する。

ヘリコプターはこれまで最も便利な空中交通手段及び必須の空中戦闘力の１つとして広く運用されているが、その理由は、ヘリコプターには滑走路が必要なく、垂直に離陸し、垂直に着陸できるためである。
しかしながら、ヘリコプターには非常に重大な制限があり、この制限はヘリコプターの飛行原理に由来する。一般的なヘリコプターは主に軸心において約９０度で交わる一対のメインローターとテールローターが同一のエンジン動力で駆動され、その４つのメインローターの迎え角（ａｎｇｌｅ ｏｆ ａｔｔａｃｋ）を用いてヘリコプターの昇降及び前後左右と方向変換の飛行姿勢が制御される。

従来のヘリコプターは前方に向かって飛行するとき、パイロットが操縦桿を前方に向けて動かし、メインローター後方の迎え角を大きくして、メインローター後方に生じる気流を前方の気流より大きくすることにより、ヘリコプターを前進させる。反対に、後方に向かって飛行するときは、パイロットが操縦桿を後方に向けて動かし、メインローター前方の迎え角を大きくして、ヘリコプターを後進させる。しかしながら、エンジンの出力変化またはトルクの変化がヘリコプターに旋回を生じさせ、このためパイロットは時々テールローターを調整し、一定の方向を保持する必要がある。

エンジンが失効すると、パイロットは手動で「オートローテーション」を行う必要があるが、オートローテーションは高い技術を要する飛行テクニックであり、成功率が低く、墜落のリスクが非常に高い。
コックピットには集力桿（ｆｏｒｃｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｌｅｖｅｒ）が設置され、この集力桿は４つのメインローターの迎え角を同時に制御することができる。集力桿が４つのメインローターの迎え角を制御することができるのは、主に複雑な機械構造部品に依存しており、機械構造部品とパイロット自身の経験を通じて、メインローターの迎え角をいつ変化させる必要があるか、及び迎え角をどのくらい調整するか等を正確に把握することができるが、このような手動の操作方式には多くの不明確な要素がある。
例えば、パイロットの状態とその経験が充分であるか否か、及び機械構造部品が緊急状態のときに機械的問題を生じないかなどである。特に、機械構造部品は、ほとんどが外部に露出されて設置されているため、環境やメンテナンスの要因による影響を受けやすい。さらに、従来のヘリコプターは飛び降りて逃げたり、パラシュートを設置したりすることができないため、空中でエンジン故障が発生すると、通常は悪い結果になりやすい。

本考案が解決しようとする課題は、操縦制御設備中の操縦桿及び自動飛行制御装置を通じて離陸、ホバリング、自動安定飛行、着陸等を制御するとともに、最重要点として、機体機械の故障時に、自動飛行制御装置のオートローテーション機能が、パイロットの操縦を自動的に引き継いで、ヘリコプターを安定的かつ安全に着陸させることができる、マルチローター可変ピッチヘリコプターを提供することにある。

本考案のマルチローター可変ピッチヘリコプターは、前部区域と後部区域を含む機体と、前記機体上に設置された１つまたは２つ以上のローター装置と、前記機体の前部区域内部に設置された操縦制御設備と、を含み、前記操縦制御設備が、操縦桿と、自動飛行制御装置と、ドライバを含み、前記操縦桿への操作を前記ドライバが制御信号としてケーブルを介して各前記ローター装置に伝送し、各前記ローター装置が、ギアボックスと、前記ギアボックスの下方に設置され、かつ前記ケーブルに接続されて前記制御信号を受信するリニアサーボモーターと、前記ギアボックスの上方に枢設されたプロペラ群と、前記プロペラ群の上方に設置され、かつ上下移動により前記プロペラ群の旋回角度を制御する迎え角制御モジュールと、前記リニアサーボモーターにより制御され、かつ前記迎え角制御モジュールの上下移動を変化させる連結シャフトと、を含み、前記自動飛行制御装置に、前記操縦桿による操縦を切り替え、操縦を補助するオートローテーションモジュールが組み込まれる。

以下の構成を採用しても良い。
前記プロペラ群が、旋回盤と複数のプロペラを含み、各プロペラの一端に前記迎え角制御モジュールに連接されて連動する連接部が設置された構成。
この場合、前記迎え角制御モジュールに、それぞれ各前記連接部と連結され、かつ前記プロペラの旋回を駆動して迎え角を変化させることができる複数の連動棒が設置された構成。
各前記ローター装置がさらに、前記プロペラ群の旋回半径の外に周設されたアウターウィンドシールドを含む構成。

前記ギアボックス内に、前記リニアサーボモーターに連結された縦方向歯車が設置され、かつ前記縦方向歯車が前記連結シャフトに連結され、前記縦方向歯車と噛み合わされる横方向歯車がエンジンに連結された構成。
２つ以上のローター装置を備え、前記操縦制御設備がさらに、手動操作で上昇と下降を制御する集力桿、ローター装置間の迎え角の差異を制御するために用いるペダル、スロットルを含む構成。
前記機体にパラシュート設備が設置された構成。
前記ケーブルが伝送する制御信号はデジタル信号とアナログ信号である構成。
前記機体が船殻型である構成。

本考案によれば、エンジンや機械が故障した時に、自動飛行制御装置のオートローテーションモジュールが自動的にオートローテーションモードに入り、パイロットによる操縦桿での操縦を引き継いで、機体と乗員を安全に着陸させ、死傷者を減少させることができる。

本考案の実施例を示すマルチローター可変ピッチヘリコプターの斜視図である。 本考案の実施例に係るローター装置の一部を拡大した斜視図である。 本考案の実施例に係るギアボックスの模式図である。 操縦制御設備によるローター装置の制御を示すブロック図である。 本考案の実施例を示すマルチローター可変ピッチヘリコプターの一部を拡大した正面図である。 本考案の実施例を示すマルチローター可変ピッチヘリコプターのパラシュート使用状態における概略図である。 本考案の実施例を示すマルチローター可変ピッチヘリコプターの海上着水状態における概略図である。

以下、本考案の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１、図２、図３、図４は、それぞれ本考案のマルチローター可変ピッチヘリコプターの斜視図、ローター装置の部分拡大斜視図、ギアボックスの構造図、操縦制御設備によるローター装置の制御を示すブロック図である。
本考案のマルチローター可変ピッチヘリコプター１は、機体１０、１つまたは２つ以上のローター装置１２、操縦制御設備１４を備える。

機体１０は前部区域１００と後部区域１０２を含み、各ローター装置１２が機体１０上に設置される。
操縦制御設備１４は、機体１０の前部区域１００内部に設置され、操縦桿１４０とドライバ１４２を含む。操縦桿１４０への操作によってドライバ１４２が制御信号を演算し、この制御信号をケーブル１４４により各ローター装置１２へ伝送する。ケーブル１４４が伝送する制御信号はデジタル信号とアナログ信号とすることができる。

各ローター装置１２は、ギアボックス１２０、ギアボックス１２０の下方に位置するリニアサーボモーター１２２、ギアボックス１２０の上方に枢設されたプロペラ群１２４、プロペラ群１２４の上方に設置され、かつプロペラ群１２４の旋回角度を制御する迎え角制御モジュール１２６、リニアサーボモーター１２２により制御され、かつ迎え角制御モジュール１２６の上下移動を変化させることができる連結シャフト１２８を含む。
プロペラ群１２４はさらに旋回盤１２４０と複数のプロペラ１２４２を含み、各プロペラ１２４２の一端に、旋回盤１２４０内部に取り付けられる連接部１２４６が設置される。また、迎え角制御モジュール１２６には各連接部１２４６と相互に連結される複数の連動棒１２６０がそれぞれ設置され、これによりプロペラ１２４２を駆動して旋回させ、迎え角を変化させることができる。

これにより、操縦桿１４０を操作したときに生じる制御信号が、ドライバ１４２により演算されてケーブル１４４を介して各ローター装置１２へ伝送される。
この制御信号が迎え角を小さくする場合、リニアサーボモーター１２２を通じて連結シャフト１２８が上に押され（上下矢印は移動可能な方向を示す）、このとき迎え角制御モジュール１２６も同時に上に移動され、かつ連動棒１２６０が上に牽引され、これによりプロペラ１２４２上の連接部１２４６を動かしてプロペラ１２４２の迎え角角度を変化させ、各プロペラ群１２４中のプロペラ１２４２の迎え角を小さくする。
反対に、迎え角を大きくする場合は、連結シャフト１２８が下に引っ張られると同時に連動棒１２６０が下に牽引され、このとき迎え角制御モジュール１２６も同時に下に牽引されて各プロペラ群１２４中のプロペラ１２４２の迎え角を大きくする。
このように、デジタルとアナログのケーブル１４４で制御信号を伝送することでこれまでの複雑な機械制御に代替し、故障率を大幅に抑えることができる。

図４に示すように、操縦制御設備１４は機体１０の前部区域１００内部に設置される。図５に示すように、操縦制御設備１４は、操縦桿１４０を含み、さらに集力桿（ｆｏｒｃｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｌｅｖｅｒ）１４７、ペダル１４８、スロットル１４９、自動飛行制御装置１４６が設置される。
手動操作を行うとき、各ローター装置１２の迎え角制御モジュール１２６に連結された操縦桿１４０を通じて、各ローター装置１２の迎え角の差異を制御することができる。ペダル１４８は、左ペダル１４８０と右ペダル１４８２を含み、それぞれ２つの相互に対角を成すローター装置１２間の迎え角の差異を制御するために用いられる。ここでいう対角を成すローター装置１２とは、左前ローター装置と右後ろローター装置が対角を成し、右前ローター装置と左後ろローター装置が対角を成す。集力桿１４７は同時に４つのローター装置１２の迎え角を制御するために用いられる。自動飛行制御装置１４６は各飛行データの収集と演算に用いられ、各ローター装置１２のリニアサーボモーター１２２を駆動して、各ローター装置１２を独立制御する。また、自動飛行制御装置１４６にはオートローテーションモジュール１４６０が組み込まれ、操縦桿１４０による操縦はオートローテーションモジュール１４６０の補助操縦に切り替えることもできる。このオートローテーションモジュール１４６０により、飛行時にエンジンまたは機械の故障が発生したときコンピュータが自動的にオートローテーションモジュール１４６０のオートローテーションモードに入り、パイロットの緊張や経験不足による墜落をなくし、パイロットは目視で緊急着陸場所を探して機体をその方向に向かって飛行させればよい。

集力桿１４７は主に手動で上昇と下降を制御できる。集力桿１４７を利用して上昇と下降を制御する際、集力桿１４７を上に引くと、４つのローター装置１２のリニアサーボモーター１２２が同時に迎え角を大きくし、浮力が増加して、機体１０が浮き上がる。反対に下降するときは、集力桿１４７を下に押すと、４つのローター装置１２のリニアサーボモーター１２２が同時に迎え角を小さくし、浮力が減少して機体１０が下がる。

また、ギアボックス１２０内にはリニアサーボモーター１２２に連結された縦方向歯車１２０１が設置され、縦方向歯車１２０１は連結シャフト１２８に連結される。縦方向歯車１２０１に横方向歯車１２０２が噛み合わされ、横方向歯車１２０２はエンジン（図示しない）に連接される。
機体１０が正常な状態で飛行しているとき、すべてのローター装置１２においてエンジンからの動力が横方向歯車１２０２に伝達され、各プロペラ１２４２が回転する。
機体１０が動力を失うと、機体１０は気流等の状況により傾斜して落ちるが、このとき自動飛行制御装置１４６がオートローテーション機能を作動させ、ドライバ１４２に接続して、プロペラ１２４２の迎え角を調整することで機体１０の水平を保ち、プロペラ１２４２を制御して逆パドルさせ、安定した状態で下降させて回転エネルギーを蓄積する。レーダーがまもなく地上であると検出すると、プロペラ１２４２を制御して正パドルさせ、浮力を発生し、さらに操縦桿１４０を引くことにより、機首を上げ、着陸時に機首を水平に保ち、円滑に着陸を達成する。この間、着陸に適した地点を見つける必要があるが、数秒という短い間にすべての動作を行い、困難に対応する必要があり、これに鑑みて、自動飛行制御装置１４６を通じた操作による電子計器の精密な計算と制御で、着陸を成功させる確率を大幅に高めることができる。

以上のように、操縦制御設備１４中の操縦桿１４０、集力桿１４７、ペダル１４８、スロットル１４９、自動飛行制御装置１４６は、離陸、ホバリング、自動安定飛行、着陸等を制御することができ、最も重要なのは、機体の機械が故障したときに自動飛行制御装置１４６がパイロットの操縦を自動的に引き継いで、安定した状態で安全に着陸させることができる点である。

自動飛行制御装置１４６はさらに、例えば、姿勢の状況を検出するジャイロスコープ、現在の飛行方角を検出する地磁気センサー（電子コンパス）、ヘリコプターの動態反応を検出する三軸加速度センサー、現在の高さを測定する高度計、対気速度を測定する対気速度計、現在の経緯度を知ることができるＧＰＳ（全地球測位システム）、機体付近の障害物と地面までの距離を測定するレーダー、燃料計、ガスメーター、エンジンタコメーター等、多くの飛行に関連したセンサーを含むことができるが、ここでは説明を省略する。これらのセンサーはいずれも信号が１４ビットのデジタル信号であり、毎秒数十回の速度で更新され、飛行制御システムは毎秒数百回の速度で上述のすべてのセンサーのデータを収集する。

図１から分かるように、各ローター装置１２には、プロペラ１２４２の旋回半径の外にウィンドシールド１７が環状に設けられる。ウィンドシールド１７はプロペラ１２４２を保護できるほか、飛行時の対気速度のローター装置１２に対して生じる影響を減少し、ローター装置１２間の対気速度を抑制すると同時に、騒音を抑えることができる。さらに、ウィンドシールド１７を設置することにより、ヘリコプター１が高対気速度で飛行しているときに送り風方向によりローター装置１２が失速するリスクを減少できる。

図６は、マルチローター可変ピッチヘリコプター１にパラシュート２を使用した状態の概略図である。
パラシュート２は機体１０の上方に設置され、ローター装置１２が動力を失ったとき、パイロットがパラシュート２を作動させ、パラシュート２を利用してゆっくりと着陸することができ、人と機体１０の安全な着陸の効果を達することができる。
また、オートローテーションでも状況を挽回できないときは、飛行制御システムがパラシュート２を作動させ、機体を安全に着陸させて墜落に至らせない。

図７に、マルチローター可変ピッチヘリコプター１が海上に着水したときの概略図を示す。
機体１０は船殻型とすることができ、これにより、海面上に緊急着水するときも、機体１０の船殻型の形状によって、機体１０を安全に海面上に浮かせ、乗員の海面上における安全を確約することができる。

１ マルチローター可変ピッチヘリコプター
１０ 機体
１００ 前部区域
１０２ 後部区域
１２ ローター装置
１２０ ギアボックス
１２０１ 縦方向歯車
１２０２ 横方向歯車
１２２ リニアサーボモーター
１２４ プロペラ群
１２４０ 旋回盤
１２４２ プロペラ
１２４６ 連接部
１２６ 迎え角制御モジュール
１２６０ 連動棒
１２８ 連結シャフト
１４ 操縦制御設備
１４０ 操縦桿
１４２ ドライバ
１４４ ケーブル
１４６ 自動飛行制御装置
１４６０ オートローテーションモジュール
１４７ 集力桿
１４８ ペダル
１４８０ 左ペダル
１４８２ 右ペダル
１４９ スロットル
１７ ウィンドシールド
２ パラシュート

Claims (9)

1. 前部区域と後部区域を含む機体と、
   前記機体上に設置された１つまたは２つ以上のローター装置と、
   前記機体の前部区域内部に設置された操縦制御設備と、を含み、
   前記操縦制御設備が、操縦桿と、自動飛行制御装置と、ドライバを含み、前記操縦桿への操作を前記ドライバが制御信号としてケーブルを介して各前記ローター装置に伝送し、
   各前記ローター装置が、ギアボックスと、前記ギアボックスの下方に設置され、かつ前記ケーブルに接続されて前記制御信号を受信するリニアサーボモーターと、前記ギアボックスの上方に枢設されたプロペラ群と、前記プロペラ群の上方に設置され、かつ上下移動により前記プロペラ群の旋回角度を制御する迎え角制御モジュールと、前記リニアサーボモーターにより制御され、かつ前記迎え角制御モジュールの上下移動を変化させる連結シャフトと、を含み、前記自動飛行制御装置に、前記操縦桿による操縦と切り替え可能で、操縦を補助するオートローテーションモジュールが組み込まれたことを特徴とする、マルチローター可変ピッチヘリコプター。
2. 前記プロペラ群が、旋回盤と複数のプロペラを含み、各プロペラの一端に前記迎え角制御モジュールに連接されて連動する連接部が設置されたことを特徴とする、請求項１に記載のマルチローター可変ピッチヘリコプター。
3. 前記迎え角制御モジュールに、それぞれ各前記連接部と連結され、かつ前記プロペラの旋回を駆動して迎え角を変化させることができる複数の連動棒が設置されたことを特徴とする、請求項２に記載のマルチローター可変ピッチヘリコプター。
4. 各前記ローター装置がさらに、前記プロペラ群の旋回半径の外に周設されたアウターウィンドシールドを含むことを特徴とする、請求項１に記載のマルチローター可変ピッチヘリコプター。
5. 前記ギアボックス内に、前記リニアサーボモーターに連結された縦方向歯車が設置され、かつ前記縦方向歯車が前記連結シャフトに連結され、前記縦方向歯車と噛み合わされる横方向歯車がエンジンに連結されたことを特徴とする、請求項１に記載のマルチローター可変ピッチヘリコプター。
6. ２つ以上のローター装置を備え、前記操縦制御設備がさらに、手動操作で上昇と下降を制御する集力桿、ローター装置間の迎え角の差異を制御するために用いるペダル、スロットルを含むことを特徴とする、請求項１に記載のマルチローター可変ピッチヘリコプター。
7. 前記機体にパラシュート設備が設置されたことを特徴とする、請求項１に記載のマルチローター可変ピッチヘリコプター。
8. 前記ケーブルが伝送する制御信号はデジタル信号とアナログ信号であることを特徴とする、請求項１に記載のマルチローター可変ピッチヘリコプター。
9. 前記機体が船殻型であることを特徴とする、請求項１に記載のマルチローター可変ピッチヘリコプター。

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