JP3774764B2

JP3774764B2 - 有人飛行船

Info

Publication number: JP3774764B2
Application number: JP2002013666A
Authority: JP
Inventors: 昌彦恩田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2022-01-23
Also published as: JP2003212190A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人間が乗って飛行する簡単な構造の小形の飛行船に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
空中を移動する手段としては、飛行機やヘリコプタ等のＨＴＡ（Ｈｅａｖｉｅｒ−Ｔｈａｎ−Ａｉｒ）航空機とよばれるエンジン等の推進手段を利用して移動と浮上を行うものや、飛行船等のＬＴＡ（Ｌｉｇｈｔｅｒ−Ｔｈａｎ−Ａｉｒ）とよばれる、例えばヘリウム等の空気より軽い浮揚ガスを利用して浮上するものがある。
上記ＨＴＡ航空機のうち、飛行機は、常に失速や飛行姿勢の適正な維持に注意するという高度な操縦技術が必要であるだけでなく、浮上のために長大な滑走路を必要とし、また、ヘリコプタは大形の回転翼を回転させて浮上するが、その回転翼の回転時に大きな騒音や振動が発生するため、いずれも自動車のような手軽な個人用あるいは自家用の移動手段としては問題を有する場合も多く、特に大都市での使用は不適な場合がある。さらに、上記ＨＴＡ航空機は、推進手段によって浮力（揚力）と推進力とを生み出しているため、この推進手段が停止した場合には墜落に直結する危険性を常に有している。
一方、上記ＬＴＡ航空機は、浮上のための滑走路を必要としないため、離着陸に関しては飛行機ほど場所的に制約されることがなく、また、浮上のために推進手段を特に必要としないため騒音や振動も生じない。さらに、基本的に浮力の発生と推進力の発生はそれぞれ独立した物理要因によって行われるので、この点においては、上記ＨＴＡ航空機に比べて安全性が高いという利点を有している。
【０００３】
上記ＬＴＡ航空機としての有人の飛行船は、通常、浮揚ガスが充填される気嚢により形成される飛行船本体の下部に、搭乗者を乗せるためのゴンドラが設けられている。しかしながら、飛行船全体としては非常に大形で、全体としての構造も複雑であり、運動性能も鈍重であるため、個人用あるいは自家用としての利用には不適であった。
したがって、この点を解消し、個人用あるいは自家用として自動車感覚の移動手段として手軽に利用することできるようにすることができれば、自動車に代わる交通手段として、大都市の昨今の交通事情の改善に大きな効果をもたらすものと考えられる。
さらに、従来より、人間は空を自由に飛び回りたいという欲求が少なからずあり、ＨＴＡ航空機が有する失速等の心配の無い飛行船を利用して、安全を確保した上で飛行船の運動性能を飛躍的に高めて自由な飛行とを実現すれば、娯楽的な意味においても、手軽にこの欲求を満たすことができると考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の技術的課題は、個人用にあるいは自家用の空中移動手段として手軽に利用することができ、また娯楽的な意味においても自由に且つ手軽に空中を飛行することができる有人飛行船を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の有人飛行船は、浮揚ガスが封入され、該浮揚ガスの浮力によって浮揚する気嚢により形成された飛行船本体に、該飛行船本体の重心を通って上下に貫通しその上下に搭乗口として利用可能な大きさの外部に開放された開口を有する筒状空間を設け、上記筒状空間が、上記気嚢を構成する膜材によって気嚢内の浮揚ガスと仕切られ、該膜材によって仕切られた空間が上下方向に配設した複数の環状の保形部材によって保形されている筒状の空間であり、上記筒状空間内における上記飛行船本体の重心近傍に、操縦者を収容可能な操縦席を設け、上記気嚢を構成する膜材の全部または一部を、操縦席の操縦者が飛行船の外を視認可能な透明材で形成したことを特徴とするものである。
【０００６】
上記構成を有する有人飛行船は、飛行船本体の内部に操縦席を設けて、従来の飛行船が備えているゴンドラの装備を排除して構造を簡略化したことにより、全体を可能な限り軽量化し且つコンパクト化することができ、これにより、個人用あるいは自家用の空中移動手段として手軽に利用することが可能である。
また、上記操縦席を飛行船本体の重心近傍に設けて、該飛行船本体の内部で操縦者が飛行制御をするようにしたことにより運動性能が高まり、飛行船と操縦者との一体感が増すため、飛行船による娯楽的な飛行感覚を得ることもできる。この場合、ＨＴＡ航空機と異なり、失速や飛行姿勢等を気にすること無く飛行することができるため、安全を確保しながらもその飛行を楽しむことができる。
【０００７】
本発明においては、上記保形部材が、上記筒状空間の操縦席付近では密に配設され、上記筒状空間の上下の開口付近では粗に配設されのが望ましい。
【０００８】
また、本発明においては、上記有人飛行船が、上記操縦者の人力によって駆動するサイクロイダル・プロペラ等の推力方向可変の推進手段を備えているものとすることができる。ただし、動力による推進手設備を設けることもできる。
これにより、飛行船はより高度な運動性能を有することとなるため、操縦者が飛行船を自在に操縦することができ、結果として、飛行船との一体感が一層高まって自由な飛行感覚を気軽に楽しむことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１乃至図４は、本発明の有人飛行船の一実施例を示すもので、この実施例の飛行船は、浮揚ガス（この実施例の場合、ヘリウム）が封入され、該浮揚ガスの浮力によって浮揚する気嚢により形成された飛行船本体１と、該飛行船本体１の内部におけるその飛行船本体１の重心近傍に設けられた、操縦者３を収容可能な操縦席２とを備えている。
【００１０】
上記飛行船本体１は、全体として略回転楕円体状に成形されたもので、この飛行船本体１における気嚢を構成する膜材及び操縦席２の周囲の膜材の少なくとも一部は、操縦席２の操縦者３が飛行船の外を視認可能に透明材で形成されている。
また、上記飛行船本体１の後方には、尾翼安定板４が４枚設けられ、さらに、この飛行船本体１の重心から離れた該飛行船本体１の側方の前方寄りの部分には、人力で駆動する飛行船本体１の飛行制御手段も兼ねる一対の推進手段５，５が設けられている。
【００１１】
上記飛行船本体１は、加圧した膜構造であり、補強のための固くて重い材料の使用は最小限度に抑えられている。
今、飛行船本体１内の内圧をΔｐとすると、飛行船本体１の気嚢のフープ方向の張力Ｔは経線方向の張力の２倍となり、
Ｔ＝Δｐ・ｒ
で与えられる。ここで、ｒは飛行船本体１の半径である。したがってＴ_ＭＡＸはｒ_ＭＡＸの時に最大となるので、Δｐ＝２０（ｍｍＡｑ）＝２０（ｋｇｆ／ｍ^２）、ｒ_ＭＡＸ＝３（ｍ）とすれば、Ｔ_ＭＡＸ＝６０（ｋｇｆ／ｍ）＝０．６（ｋｇｆ／ｃｍ）となる。
したがって、引張強度が３ｋｇｆ／ｃｍの膜材を使えば安全率は５となる。面密度４０μｍのナイロン・フィルムの破断強度はこの程度あるので、これと同等以上の膜材を使用すれば良い。
なお、膜材の接合部はテープ補強で接合強度の低下を補う。膜材の厚みを増すか目の荒い高強度繊維をラミネートすれば引張強度をさらに高め安全率を高めることができる。
【００１２】
上記操縦席２は、飛行船本体１を上下に貫通し、且つ該飛行船本体１のほぼ中心に位置する重心を中心軸線が通る筒状空間となっていて、この操縦席２に搭乗している操縦者３が飛行船の上記推進手段５，５を駆動すると共に飛行制御、すなわち操縦を行うことができるようになっている。
この操縦席２は、搭乗する操縦者３が飛行船本体１の重心位置と浮心位置の双方に位置するようになっているのが望ましく、それにより操縦者３が飛行船の飛行姿勢を、上記推進手段５，５と操縦操作により自分の思う通りに自由に変えられ、宙返り等のアクロバット飛行も自在に行うことができる。
【００１３】
上記操縦席２の空間は、図４に示すように、複数の円環状の保形部材６で保形されている。この操縦席２の空間の体積Ｑ_ＰＩＬは、空間の直径をＤ_ＰＩＬとすると、単純には、
Ｑ_ＰＩＬ＝π・（Ｄ_ＰＩＬ ^２／４）・２ｂ＝π・Ｄ_ＰＩＬ ^２・ｂ／２
であるが、前述の面積の場合と同様、飛行船本体１のガス圧により空間の曲面がその空間内に押し出されることになるため、この保形部材６で押し出された面を一定の径にまで押し返し、操縦席２全体として操縦者３の搭乗する適度なスペースを確保する必要がある。
【００１４】
上記操縦席２の空間は、使用する保形部材６の数が多くなれば真の円筒状に近づいてくるが、保形部材６の数を可能な限り少なくして全体の重量を小さくするため、図４に示すように、操縦者３が位置する部分には、操縦者３のためのスペースをを確実に確保するために保形部材６を密に配置し、上下の開口付近は、下側の開口は操縦者３の搭乗口としての用を果たせばよく、上側は万一飛行船本体１から浮揚ガスが漏出した場合にそのガスが抜けるだけの空間があれば十分なので、全体として粗に配設する。
さらに、上記空間の軸線方向に上記保形部材６を所定の間隔で支持するため、骨材としてジュラルミン・パイプ等を用いることが望まれる。
【００１５】
また、上記操縦席２の空間は、飛行船本体１の最大径に近い位置にあり、上記保形部材６で保形をしない限りは、上述のように、膜材が空間内に半円弧状に押し出される状態となる。
この空間の保形部材６が飛行船本体１に入り込み、隣接する保形部材６，６間の隙間にできるラッパ状の曲面部分が形成されるが、操縦者３とその座席や推進のための駆動機構の重量をまとめて、Ｗ_ＣＫＰＴ＝１３０（ｋｇｆ）とすると、重力に打ち勝って円環を吊り下げる張力は膜材の強度を上回る可能性が大であるため、円筒状の側面にあるすべての保形部材６をケーブルで気嚢に多数懸架支持することが必要になる。
【００１６】
上記尾翼安定板４は、単なる固定式のものであって、可動の制御翼の部分はない。また、この安定板４は、上記飛行船本体１と同様に、すべて加圧膜構造であり、飛行船全体の軽量化に資すると同時に、他の物体との接触した場合の安全性を考慮した点で有利である。
【００１７】
この実施例では、飛行船本体１を推進させるための上記推進手段５，５として、図５及び図６に示すような、人力駆動のサイクロイダル・プロペラが適しているが、これに代えてベクタード・ダクテド・ファン（図示省略）を適用することができる。
上記ベクタード・ダクテド・ファンを用いた場合、該ダクテド・ファンをチルト機構で支持することにより上記飛行船本体１の推進方向や飛行制御を制御可能とするのが通常である。しかしながら、上記チルト機構は、ファンの回転からくるジャイロ効果や、方向を変化させる時の反力を受けるためにウォーム・ギア機構を用いることから、制御に対する応答が若干遅いといわれている。
これに対し、上記サイクロイダル・プロペラは、タグ・ボートや高速船等の海上船舶に使用され、慣性の大きな船体の速応性の高い制御に効果があるものであり、本発明においても好適に利用することができる。
【００１８】
上記推進手段５，５として利用するサイクロイダル・プロペラは、例えば、回転軸１２に９０度間隔に取付けられた４本のアーム１３の先端にそれぞれ回転翼を取付け、それらを上記回転軸１２に対して対称に位置する２組の対称翼１４，１５として構成し、これらの対称翼１４，１５の迎え角を各回転翼の後部に連結したチルトリンク１６により瞬時に変化させることにより、望む方向に大きな推力を得ることができるものである。例えば、図６に示すように、サイクロイダル・プロペラの回転時に、対称翼１４を図示の位置で迎え角を変化させることによりＦ方向の推力が発生し、他方の対称翼１５を同じ位置で迎え角を順次変化させることによりＦ方向の推力が持続することになる。
なお、サイクロイダル・プロペラを用いた場合、回転方向と反対の向きに反力が生じるので、これを打ち消すために重心位置を工夫したり、ヘリコプターのテール・ロータのような働きをするスラスタが必要である場合がある。また、上記サイクロイダル・プロペラの回転翼の数は４枚に限らず、任意の枚数に決定することができる
【００１９】
これら推進手段５，５は、上記操縦者３が操縦席２において人力の駆動装置を駆動させることにより動作する。この駆動装置は、自転車の駆動部と同様のペダルを漕ぐことによって推進手段５，５であるサイクロイダル・プロペラの回転軸１２と通じる駆動シャフト７，７を回転させるもので、操縦者３が座るサドル８と、該サドル８を操縦席２に支持するフレーム９と、該フレームに取付けられた上記ペダルとからなる操縦座と、ペダルからの伝達機構１０と、該伝達機構１０からの回転力を駆動シャフト７，７の回転力に変換して伝達するギア・ボックス１１とを備えている。
上記実施例では、推進手段５，５を操縦者３の人力によって駆動するものとしているが、これに限らず、エンジンやモータ等の各種動力による推進設備を備えた推進手段とすることができる。
【００２０】
ところで、浮揚ガスで満した飛行船本体１自体が持つ浮力Ｂは、上記操縦席２の空間分の体積を考慮しない場合の飛行船本体１の排除体積をＱとし、空気密度と浮揚ガスであるヘリウムの密度をそれぞれρ_ＡＩＲ、ρ_ＨＥとすると次式で表される。
Ｂ＝Ｑ（ρ_ＡＩＲ−ρ_ＨＥ）
空気密度は標準大気でρ_ＡＩＲ＝１．２２５（ｋｇ／ｍ^３）、ヘリウムの密度はは標準状態でρ_ＨＥ＝０．１７９ｋｇ／ｍ^３なので、排除体積Ｑで得られる全浮力Ｂ_ＴＯＴは、Ｂ_ＴＯＴ＝１．０５Ｑ(ｋｇｆ)となる。
一方、飛行船本体１の排除体積Ｑは近似的に回転楕円体として、その長軸半径をａ、短軸半径をｂとすると次式で表される。
Ｑ＝（４／３）π・a・b^２
ヘリウムの温度は時々刻々と変わるので、この範囲をｔ_ＭＡＸ＝４０（℃）からｔ_ＭＩＮ＝１５（℃）とすると、温度変化Δｔは、Δｔ＝ｔ_ＭＡＸ−ｔ_ＭＩＮ＝４０−１５＝２５（℃）となり、ガス膨張率ΔＱ／Ｑは、
ΔＱ／Ｑ＝２５／（２７３＋１５）×１００（％）＝８．７（％）となる。Ｑ＝１５０ｍ^３とし、ΔＱ／Ｑ＝１０（％）とすると、膨張・収縮するのは１５ｍ^３の体積となるので、これがバロネット体積となる。
したがって操縦席２のある部位を真の円筒形と見なし、その直径をＤ_ＰＩＬとした場合の飛行船本体１の排除容積の浮力B_ＴＯＴは、１０％のバロネット体積を考慮して、

となる。全長、最大径が９ｍ、６ｍの飛行船本体１を考えると、全浮力はＢ_ＴＯＴ＝（１７０−４．７）・０．９＝１４８．８（ｋｇｆ）となる。
【００２１】
ここで、上記浮力と関係して、飛行船本体１を構成する気嚢の膜材の重量を体積及び表面積の関係から算出する。今、飛行船本体１の細長比(全長／最大径)をｆ_Ｎとして全長を１０ｍと９ｍ、最大径を６ｍから８ｍまでにし、表１にその間の代表値の試算を示す。
【表１】

今、飛行船本体１の気嚢に使用する膜材の面積密度ρ_ＭＥＭを、ρ_ＭＥＭ＝５０ｇ／ｍ^２とすると、全表面積Ｓ_ＴＯＴの重量Ｗ_ＭＥＭは、膜材の補強を加味してほぼ１５ｋｇｆとなる。
【００２２】
そして、上記飛行船本体１、尾翼安定板４、操縦席２の空間の内周の曲面の各膜材を含め、駆動装置、推進手段５，５、保形部材６、操縦者３まで考慮した全備重量が上記全浮力以下になるかを確認する。全備重量と重量配分について次の表２に示す。
【表２】

したがって、上記表２との関係から、全長９ｍ、最大径６ｍの飛行船本体１でも、浮力が全備重量を上回っており、設計が成立することが分かる。
【００２３】
上記構成を有する有人飛行船は、飛行船本体１の内部に操縦席２を設けて、従来の飛行船が備えているゴンドラの装備を排除して構造を簡略化したことにより、全体を可能な限り軽量化し且つコンパクト化することができるため、従来のものに比して小形で、個人用あるいは自家用の空中移動手段として手軽に利用することが可能である。
また、上記操縦席２を飛行船本体の重心近傍に設け、且つ浮心もほぼ同じ位置に設定されるようにすると共に、全方位推力可変の一対の推進手段５，５を重心から離して配置して、その重心位置における該飛行船本体１の内部で操縦者３が自由な飛行制御を可能としたことにより、推進手段５，５飛行船と操縦者３との一体感が増すだけでなく、高い運動性能を得て自由な飛行運動による娯楽的な飛行感覚を得ることができる。この場合、ＨＴＡ航空機と異なり、失速や飛行姿勢等を気にすること無く飛行することができるため、安全を確保しながらもその飛行を楽しむことができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明の有人飛行船によれば、飛行船本体の内部に操縦席を設けたことにより、全体を可能な限り軽量化し且つコンパクト化することができ、これにより、個人用あるいは自家用の空中移動手段として手軽に利用することが可能である。また、上記操縦席を飛行船本体の重心近傍に設けて、該飛行船本体の内部で操縦者が飛行制御をするようにしたことにより、飛行船の運動性能が飛躍的に増大して操縦者との一体感が増すため、操縦者の安全性の向上を含めて、娯楽的な飛行感覚を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の有人飛行船の一実施例を概略的に示す平面図である。
【図２】同側面図である。
【図３】同背面図である。
【図４】本発明の有人飛行船の操縦席を示す要部拡大側面図である。
【図５】サイクロイダル・プロペラの原理図である。
【図６】図５のサイクロイダル・プロペラの対称翼の迎え角を変化させた状態を示す原理図である。
【符号の説明】
１飛行船本体
２操縦席
３操縦者
５推進手段
６保形部材

Claims

浮揚ガスが封入され、該浮揚ガスの浮力によって浮揚する気嚢により形成された飛行船本体に、該飛行船本体の重心を通って上下に貫通しその上下に搭乗口として利用可能な大きさの外部に開放された開口を有する筒状空間を設け、
上記筒状空間が、上記気嚢を構成する膜材によって気嚢内の浮揚ガスと仕切られ、該膜材によって仕切られた空間が上下方向に配設した複数の環状の保形部材によって保形されている筒状の空間であり、
上記筒状空間内における上記飛行船本体の重心近傍に、操縦者を収容可能な操縦席を設け、上記気嚢を構成する膜材の全部または一部を、操縦席の操縦者が飛行船の外を視認可能な透明材で形成したことを特徴とする有人飛行船。
請求項１に記載の有人飛行船において、上記保形部材が、上記筒状空間の操縦席付近では密に配設され、上記筒状空間の上下の開口付近では粗に配設されていることを特徴とするもの。
請求項１または２に記載の有人飛行船において、該有人飛行船が、上記操縦者の人力によって駆動する推進手段を備えていることを特徴とするもの。
請求項３に記載の有人飛行船において、上記推進手段と該飛行船の飛行制御手段とがサイクロイダル・プロペラであることを特徴とするもの。