JP3813992B2 - ホバリング飛行体 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、空中停止（ホバリング：hovering）能力を有する特殊飛行体に関し、特に、全体として垂直な軸の周りの翼の回転によって、少なくとも、揚力の一部を得る飛行体に関する。
背景技術
空中伐採搬出業のための半浮揚性複合飛行体(semi-buoyant composite air-craft)は、米国特許第5,082,205号で説明されている。半浮揚性飛行体は、プロペラを担持する回転可能なフレームによって囲まれた大きな回転しない気球と、調整可能な水平及び垂直の翼とからなる。浮力のない空輸(non-buoyant air-borne)の定位置維持光学的観測プラットフォーム(SKOOP)もまた、有効な空中停止と正確な定位置維持（空中静止）の能力を有する飛行体として提案されている。SKOOPは、正確な位置保持能力をもたらすように水平面における直接的な力のコントロールのため、従来のヘリコプタタイプの主ロータを、各主ロータブレードの先端に取付けられた垂直翼面と組合わせているが、これは従来のヘリコプタによっては容易に達成されないことである。
ハイブリッド空中伐採搬出業用飛行体やSKOOPの不都合は、必要となるブレイシングケーブル(bracing cables)とともに、垂直面の存在が、実質的に飛行体の動力ロスを増大させることである。
発明の開示
本発明は、２つの主ロータ、好適には、径方向の位置でつながれ、一方が他方の上に位置し、一方が円錐形で他方がドループ形のものを組み合わせた飛行体によって前述の問題を解決する。この形状は、ヘリコプタにあるような大きな縦揺れ(pitch)や横揺れ(roll)の姿勢の変化を伴うことなく、効率の良い直接的な水平及び垂直の力コントロールを具えた空中停止する(hovering)飛行体を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のホバリング飛行体の上面図。
図２は、図１の部分的正面図。
図３から８は、飛行体の作動の説明図。
図９は、本発明の半浮揚性飛行体の斜視図。
発明を実施する最良の形態
便宜上、本発明は、「ベクトロータ(VectoRotor)」という用語によって、呼ばれるであろう。ベクトロータは、２通りに視覚化されることができる。
第１に、それは、各々円錐形又はドループ形の位置で固定された羽根（ブレード）を具えた２つのヘリコプタのロータとして見られる。円錐形(coned)又はドループ形(drooped)は、すべての羽根がその先端において、翼の根元の上（円錐形）、又は根元の下（ドループ形）に、等しい寸法だけ位置付けられている状態を意味している。２つのロータは、回転軸から径方向に間隔をおいた位置で上方と下方の羽根が結合され、一方が他方の上にある。従来のヘリコプタのロータに関する概念によれば、上方と下方のロータ用に羽根の数が同じであるべきであることを除いては、特定の数の羽根を必要としない。代替的に、ベクトロータは、羽根の対（ペア）からなると見てもよい。各羽根の対は、半径方向の位置で結合され、垂直に互いの上に置かれ、各々が或る円錐又はドループ角を有する、上方と下方の羽根からなる。ベクトロータは、少なくとも２つの、好適には、３つの羽根の対からなる。
図１と２は、回転のために中央垂直支持部１６の周りに置かれた、３対の羽根１０、１２、１４を有する飛行体を示し、これは、ここに引用することによって、一体化したものとする米国特許第5,082,205号の場合と同様に、操縦室（図示せず。）に取付けられることができる。
羽根の対１０は、羽根の先端から胴体中心寄りではなく、中央支持部から半径方向に間隔をおいた位置において羽根の間に支柱２６に置かれたモータ２４上のスラスト（推力）を産み出すプロペラ２２を有する、上方の羽根１８と下方の羽根２０からなる。その他の羽根の対は、各々同様のプロペラを有する。
元々の概念においては、ベクトロータは、図３にあるとおり、上方と下方の羽根が先端で結合されており、水平軸の周りに対称である。下方の羽根は、角β_Lによって円錐形であり、上方の羽根は、羽根がドループ形であるため、反対側である、角β_Uによってドループ形である。図３において、角β_U＝−角β_Lであり、羽根は先端で結合され、互いに上下の位置にある。しかしながら、これら３つの条件のどれ１つも、水平面においてベクトロータが直接的な力を産み出すために必須ではない。事実、これら３つの点での変更は、性能や構造的な設計について利点をもたらすことが可能である。これらの変更は下記で検討される。
すべての羽根は、例えば、羽根のピッチ調整によって、或いは、羽根に調整可能なコントロール面を取込むことによって、達成されることができる調整可能な揚力を有する。従来のヘリコプタと同様に、サイクリック・コレクティブコントロール(cyclic and collective control)が、横揺れ(roll)と縦揺れ(pitch)のモーメントとともに、垂直及び水平の推力をコントロールするために具えられる。
羽根の翼の形と平面形状の仕様は、従来のヘリコプタのロータと同様に、設計上変更可能なものである。動力装置は、図１と２に示されているとおり、先端で駆動されたり、従来のヘリコプタと同様に回転しない支持からから駆動されることが可能である。特に後者の形には、ヘリコプタの尾部回転翼のような反トルク装置が必要とされる。羽根は、この接合によって影響される構造的な三角形化(triangulation)によってもたらされる支柱の利点を利用しながら、先端の胴体中心寄りに径方向の位置で結合されることが可能である。
図４は、各羽根の正味の空気力学的な力を表す矢印が示されたベクトロータの断面概略図である。点線の矢印は、ゼロ正味の横方向の力とゼロ正味の横揺れモーメントと釣合いをとった場合を示す。実線の矢印は、ゼロ正味の横揺れモーメントと釣合いをとった場合と同様に、同じ正味垂直推力を維持しながら、右方向に正味の力を産み出すために調整された力を示す。トリムの場合では、上方と下方の回転翼に関する力のベクトルは、等しく示されている。実際には、性能を最大限利用しながら、必要とされる推力を産み出すためにこれらの力を分配するように、上方と下方のロータ間の差動(differential)コレクティブピッチが利用されるであろう。
図５は、ｘ−ｙの平面において、Ｆ_UとＦ_Lが正味の空気力学的な力であり、ｒ_Uとｒ_Lが羽根の空気力学的中心の径方向の位置であり、ｈ_Uとｈ_Lが羽根の空気力学的中心の垂直方向の位置である、羽根の一対（図３の半分）の背面図である。β_Uとｈ_Uのいずれも負の値を有する。垂直方向の力、横方向の力及び横揺れモーメントの平衡状態は、
垂直方向の力 ＝ （Ｆ_U ｃｏｓ β_U ＋ Ｆ_L ｃｏｓ β_L）
横方向の力 ＝−（Ｆ_U ｓｉｎ β_U ＋ Ｆ_L ｓｉｎ β_L）
横揺れモーメント＝（Ｆ_Uｈ_U ｓｉｎ β_U ＋ Ｆ_Lｈ_L ｓｉｎ β_L）
−（Ｆ_Uｒ_U ｃｏｓ β_U ＋ Ｆ_Lｒ_L ｃｏｓ β_L）
であり、垂直力は上方に正であり、横方向の力は右に正であり、横揺れモーメントは、右の先端が下方向に動くのが正である。
β_U＝−β_Lであり、ｈ_U＝−ｈ_Lであり、ｒ_U＝ｒ_Lである場合には、これらの平衡状態は下記のようになる：
垂直方向の力 ＝ （Ｆ_U ＋ Ｆ_L） ｃｏｓ β_L
横方向の力 ＝−（Ｆ_U ＋ Ｆ_L） ｓｉｎ β_L
横揺れモーメント＝（Ｆ_U ＋ Ｆ_L）ｈ_L ｓｉｎ β_L
−（Ｆ_U ＋ Ｆ_L）ｒ_L ｃｏｓ β_L
この場合には、Ｆ_UとＦ_Lについての同等又は反対の変化は、垂直の力又は横揺れモーメントを変えることなく、横方向の力についての変化を生ぜしめる。側面から回転翼を見る時、縦揺れのモーメント又は垂直の力を変えることなく、前方又は後方の力を産み出すことに関して、同様な議論がなされてもよい。このようにして、水平方向において直接的な力のコントロールが達成される。
図１から５では、上方の羽根が下方の羽根が円錐形であるのと等しい値でドループ形である。しかしながら、これは、必要条件ではなく、角β_Uとβ_Lは、直接的な力コントロールの必要条件、性能、及び、構造的な要件に応じて、別々に変えられることが可能である。
図６、７、及び、８は、３つの可能な代替的な配置を示す概略図である。図６では、下方の羽根が円錐形でない（β_L＝０°）。図７では、上方の羽根がドループ形でない（β_U＝０°）。図８では、両方の羽根が円錐形である（β_Uとβ_Lは、両方とも正であり、同等でない）。
β_Uとβ_Lを選ぶ場合の１つの要件は、構造的な設計である。円錐形の回転翼の羽根の場合、空気力学的な力によるフラッピングモーメントは、遠心力によるフラッピングモーメントをオフセットするように機能し、構造的必要条件を容易にする。この反対のことがドループ形の羽根においては真実である。それ故、この点に関して、図７と８に似た形は、図６と同様の形とは異なる利点を有するであろう。
図３で示されているとおり、羽根が先端で接合しているベクトロータの形を有する飛行体の前方への飛行において、翼幅方向の流れは、好ましくない空気力学的な影響を及ぼすであろう。翼根における適切で垂直な間隔によって、羽根の先端は、図１に示されているとおり、間隔をおかれることが可能である。これは、例えば、垂直な支柱によって、回転動力を増大させ、付加的な構造上の剛性を必要とすることになる。しかしながら、この付加的な構造を具えてもなお、ベクトロータは、公知の代替的な形状よりかなり低い回転動力でよい。
ベクトロータの上方の羽根は、下方の羽根の直上に位置させる必要はない。その代わりとして、いくつかの性能の利点が複葉機の上方及び下方の翼の食違い配置(stagger)に類似した方法で、上方と下方の羽根の首部と尾部に間隔をおいたベクトロータを組立てることによって実現されるであろう。これは、羽根の根元で方位角を食違わせられた、上方と下方の羽根の組合せを必要とする。
この空中停止する飛行体の半浮揚性ヴァージョンにおいて、図９において、図示されているとおり、ロータの構造は、図１と２のそれと似ている。しかしながら、ロータの回転による揚力は、中央に置かれ、ヘリウムが充満された大きなセル２８の浮力によって増大させられる。
ロータの構造は、上方の羽根、３０、３２、３４のセットと、２つは３６と３８として見られる下方の羽根のセットからなる。これらの羽根は、ヘリウムのセル２８を通って延びる、大きな垂直マスト４０によって支えられている。羽根の上方と下方のセットは、マストの周りに回転できるように、マストのベアリングに取付けられることが可能である。代替的に、羽根は、マストに固定されることが可能であり、全体のマストは、ヘリウムのセルを通る垂直の経路において回転可能である。後者の場合、垂直経路のスラストベアリング（図示せず。）が、マスト４０上のヘリウムセルによって、発揮される垂直方向の力を支え、逆もまた同じである。
コントロールキャビン４２は、マスト４０の下方の端に置かれる。羽根のアセンブリーがマストに対して回転し、コントロールキャビンがマストに固定されている場合、逆回転の推力をもたらす回転翼（図示せず。）、或いは、米国特許第5,082,205号において説明されている反トルクモータのような、別の適切な反トルク装置が、マストやコントロールキャビンやヘリウムセルが羽根とともに回転しないように具えられてもよい。全体のマストが回転する場合、コントロールキャビンとヘリウムセルが回転しないように、同様のものが具えられる。このコントロールキャビンには、積荷巻揚げ装置が具えられてもよい。
羽根は、４４、４６、４８、５０、及び５２で図示されている支柱を介してマスト４０に接続され、これらの支柱は、ケーブル５４、５６、５８、６０、６２、及び６４によって固定される。例えば、符号６６や６８の付加的な支柱は、互いに固定された関係に上方のセットの羽根を保持するために、或いは、互いに固定された関係に下方のセットの羽根を保持するために、使用されたケーブルを支えるように具えられる。例えば、ケーブル７０と７２は、支柱６６の先端からエンジン７４と７６まで延び、ケーブル７８と８０は、支柱６６の先端から支柱４４と４８の外側の端まで延びる。
羽根のピッチアクチュエータ８２は、羽根３８とエンジン支持８４の間に接続される。羽根３８は、アクチュエータ８２に羽根のアタック角を調整させる、ベアリング８６を介してエンジン支持部８４に接続される。その他の羽根も、同様の羽根ピッチアクチュエータを有する。これらのアクチュエータは、垂直揚力、ピッチ、及び横揺れのコントロールのため、また、求められる如何なる方向にもおける飛行体の推進のため、羽根のサイクリック及びコレクティブピッチの両方を維持し、コントロールするように利用される。別個のアクチュエータは、飛行体の総積載重量の、第１ではない(non-first)ハーモニック成分を減少させるといった方法でコントロールされることが可能であり、それによって、飛行体の振動を減少させる。
燃料は、中央に置かれた燃料タンクから羽根を通ってエンジンに運ばれてもよい。代替的に、モータは、中央に置かれた発電機やポンプから電力や流体動力を受ける、電気モータ、或いは、流体モータであることが可能である。
図９の飛行体は、羽根の回転によって産み出される空気力学的な揚力がヘリウムセルの浮力によって増大されることを除いて、図１と２の飛行体と同じ原理で運転される。浮力は、有効搭載量を増大させ、燃料コストを減少させる。さらに、この浮力は、飛行体が地上にいる間、回転翼構造のための支持をもたらす。
下方の羽根の円錐形セットと上方の羽根のドループ形セットからなるロータ構造は、それ自体を支え、特に、浮力のあるガスのセルとともに使用されるとよい。上方セットの羽根は、ガスを入れたセルの最上部の高さより下に置かれる先端を有することが可能であり、下方セットの羽根は、ガスを入れたセルの最下部の高さより上に置かれる先端を有することが可能である。大きなガスのセルは、回転の妨げになることなく、また、空気力学的な性能を重大に損なうことなく、羽根の上方及び下方のセットの間に位置することができる。
産業上の利用可能性
本発明は、空中観測や材木搬出作業やその他の用途において有効である。

Claims (9)

1. 垂直軸の周りを回転可能な翼の羽根構造を具えたホバリング飛行体であって、前記羽根構造が上方の羽根（３０、３２、３４）のセットと下方の羽根（３６、３８）のセットからなり、そのすべてが可変揚力を有し、前記各羽根が翼根及び先端を有し、前記羽根構造が回転する際、前記翼根及び先端が前記垂直軸の周りを実質的に水平な円状に動くようになっており、前記各羽根の翼根が先端よりも前記垂直軸に近くにあり、前記上方の羽根が前記下方の羽根に向かって翼根から先端に向けて収束しており、かくして、前記上方と下方羽根の翼根の間の垂直間隔が前記上方と下方羽根の先端の間の垂直間隔よりも大きい、ホバリング飛行体。
2. 垂直軸の周りを回転可能な翼の羽根構造を具えたホバリング飛行体であって、前記羽根構造が上方の羽根（３０、３２、３４）のセットと下方の羽根（３６、３８）のセットからなり、そのすべてが可変揚力を有し、前記上方の羽根が前記下方の羽根に向かって翼根から先端に向けて収束しており、且つ、各上方の羽根を下方の羽根と連結するための相互連結手段（８４）を具え、前記相互連結手段が相互連結させる上方と下方の羽根の先端から前記垂直軸に向かって内側に間隔をおいた位置にある、ホバリング飛行体。
3. 前記相互連結手段（８４）が、干渉の影響を減少させるように、連結する上方と下方の羽根の先端を互いに十分な間隔を置くように維持する、請求項２のホバリング飛行体。
4. 羽根の上方と下方のセットの間に位置し空気より軽いガスを含むセル（２８）を具えた、請求項１のホバリング飛行体。
5. 垂直軸に沿って延びる支持部（４０）と、各々が前記垂直軸から外側に向かって延び前記支持に接続されている、上方の羽根（３０、３２、３４）のセットと同様に各々が前記垂直軸から外側に向かって延び前記支持に接続されている、下方の羽根（３６、３８）のセットからなり、前記上方と下方のセットのすべての羽根が可変揚力を有する、前記垂直軸の周りを回転可能な翼の羽根構造と、下方の羽根に向かって翼根から先端に向けて収束する上方の羽根とを具えた、ホバリング飛行体。
6. 各上方の羽根を下方の羽根と接合させるための相互連結手段（８４）を具え、前記相互連結手段が相互連結させる上方と下方の羽根の先端から前記垂直軸に向かって内側に間隔をおいた位置にある、請求項５のホバリング飛行体。
7. 各上方の羽根を下方の羽根と接合させるための相互連結手段（８４）を具え、前記相互連結手段が相互連結させる上方と下方の羽根の先端から前記垂直軸に向かって内側に間隔をおいた位置にあり、相互結合させる上方と下方の羽根の先端を干渉の影響を減少させるのに十分な間隔を互いにおくように維持する、請求項５のホバリング飛行体。
8. 羽根の上方と下方のセットの間に位置し空気より軽いガスを含むセル（２８）を具えた、請求項５のホバリング飛行体。
9. 前記上方のセットの羽根（３０、３２、３４）がドループ形の羽根であり、前記下方のセットの羽根（３６、３８）が円錐形の羽根であって、前記上方と下方の羽根のセットの間に空気より軽いガスを含むセル（２８）を具え、前記上方のセットの羽根がガスを含むセルの最上の高さより下に位置する先端を有し、前記下方のセットの羽根がガスを含むセルの最低の高さより上に位置する先端を有する、請求項５のホバリング飛行体。

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