JP3950482B2 - グランドエフェクトビークル - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式のグランドエフェクトビークルに関する。「グランドエフェクトビークル」とは、一般に地面または海面に対するグランドエフェクト（地面効果）を利用して浮上走行する車両を意味する。
このようなグランドエフェクトビークルは、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第４４０５１５２号明細書に基づき公知である。上記ドイツ連邦共和国特許出願公開明細書において既に記載されているように、グランドエフェクトビークルを発進させるためには、まず空気静力学的な浮力が利用される。この空気静力学的な浮力は、胴体の翼面の下側に形成されるほぼ密な空間に駆動ユニットによって空気を吹き込み、これによって空気クッションを形成し、この空気クッションの、周辺空気に比べて高められた圧力に基づき浮力を発生させることにより形成される。グランドエフェクトビークルの前進運動時では、主翼に旋回可能に配置されたフラップに作用する空気圧によって、これらのフラップが折り畳まれるので、前方に向けられた流入開口を通じて、ビークル底部と水面または地面との間の空間に空気が流入し得る。側部と後縁部とでは前記空間がシールされたままとなるので、ビークルの前進運動は空気動力学的に形成された空気流のせき止めを可能にし、ひいては正圧形成を可能にするので、これによって空気動力学的なグランドエフェクト浮力が生ぜしめられる。しかし、公知先行技術に基づき知られているグランドエフェクトビークルでは、水からの浮揚のために十分となる動的空気クッションを形成するために、翼面荷重に関連した発進速度が必要となる、という問題が生じる。空気に比べて約８００倍高い水密度は、水に拘束された発進段階では、空気支持された巡航段階に比べて約２〜２．７倍高い抵抗を生ぜしめ、しかもこの抵抗は、浮揚速度が大きくなればなるほど、ますます高くなる。このことを満たすためには、翼面荷重が比較的低く保持されなければならないが、このことは大きな翼寸法（翼幅）を招いてしまう。
したがって、発進時に飛行運動に比べて必然的に過剰に高められる駆動出力を制限するために、比較的大きく設定された胴体の下方に端板として側方脚部が設けられている。このような側方脚部はアウタフロートとしても、特にカタマランフロートとしても働くように形成されている。せき止め空間の後側のシールは、流れ方向に対向するように取り付けられた主翼後縁によって達成される。全てのグランドエフェクトビークルにとって共通の問題は、翼から地面もしくは水面までの距離が比較的小さく維持された場合にしか、グランドエフェクト（地面効果）に基づき生じる浮力獲得ならびに抵抗減少が利用可能にならない点にある。しかし、このような小さな距離、言い換えれば低い飛行高度は、大きな障害物を飛び越える必要がない場合にしか維持され得ない。しかし、大きな障害物を飛び越える必要が生じた場合には、特に、昇降舵操作によってグランドエフェクトビークルを「失速」させる危険が生じる。この場合、低い高さもしくは飛行高度に基づき、航空機の場合のような引起しは不可能となる。さらに、補助翼（エルロン）が操作されると、広い翼幅を有する主翼が曲線飛行、つまり旋回飛行中に水面または地面に接触する危険が生じる。したがって、このような理由から、少なくとも発進段階においては望ましいとされる大きな翼幅が断念されている。このような大きな翼幅は、所要格納容積や重量が増大し、接岸時および入港時の操縦可能性が制限され、かつ河川、水路、水門等の使用可能性が制限されるという理由からも、不都合であるとみなされている。それに加えて、発進のために必要となる、過剰に高められた設備駆動出力は、航空機の場合とは異なり、巡航速度を高めるためには利用され得ない。飛行速度が増大するにつれて迎え角が徐々に小さくなり、これにより空気せき止め空間の流入面積が後縁部の流出面積に比べてますます小さくなることに基づき、せき止めによる浮力増大が失われるだけでなく、自動的な高さ安定性も失われる。しかし、このような自動的な高さ安定性はグランドエフェクトビークルの安全確実な運転のために、つまり巡航飛行中での水面との接触を回避する目的で必要となる。
フランス国特許出願公開第２２８１２７２号明細書に基づき、グランドエフェクトビークルに設けられた主翼を作動シリンダを介して全体的に上方に向かって旋回させ、これにより一定の迎え角を維持することが知られている。これにより、主翼の種々異なる引出し角度において、せき止め空間は鏡面に対して常にほぼ平行に位置する後縁によって閉鎖される。
本発明の課題は、冒頭で述べた形式のグランドエフェクトビークルを、発進時の翼面荷重を、できるだけ大きな翼面積によって減少させ、これにより低い離水速度を達成し、ただし飛行中ではこの速度を増大させるように改良することである。
この課題は、請求項１に記載のグランドエフェクトビークルによって解決される。主翼のそれぞれ外側に配置された主翼部分は、上方に向かって有利には最大９０°の旋回角度だけ旋回可能に枢着されている。このような手段を用いると、せき止め浮力を生ぜしめる翼面積を変えることによって翼面荷重をその都度の運転状態に適合させることができる。本発明によれば、利用可能な速度範囲を高めるために、飛行中の翼面積が減小されるので、必要となる正の迎え角を高い速度でも維持することができる。旋回軸線は、上方旋回させられた状態において、ほぼ０に近い、できるだけ小さな抵抗しか残らないように設定されていると有利である。さらに別の利点としては、入港時や、河川、水路、水門等において主翼の翼幅を相応して減少させることができるので、小幅の水路も利用可能となることが挙げられる。特に障害物、たとえば船舶、島、岩棚、水中漂流物、浮氷等との衝突を回避する目的で、グランドエフェクトビークルの操縦可能性を高めるためには、小さな旋回飛行半径と迅速な高度変化が望ましい。このためには、胴体と、主翼、特に外側の主翼部分とに設けられた後縁フラップが、（グランドエフェクトビークル長手方向軸線に対して）対称的または非対称的に制御可能に、もしくは互いに逆向きに制御可能に形成される。分割された後縁フラップの変位は、特に調整された旋回飛行のための傾斜姿勢をとることができるようにするために互いに異ならせることができる。たとえば、胴体からのみ成るか、または胴体と内側の主翼部分とから成っている内側部分に設けられた後縁フラップは、航空機の着陸フラップの場合と同様に同じ向きで変位させることができるので、迎え角を増大させる必要なしに浮力と、地面または水面に対する距離とを衝撃的に増大させることができる。
この場合、胴体の角度位置、ひいては乗客キャビンの角度位置は不変のままとなる。さらに、翼の過度に大きな迎え角の選択による、流れ剥離に基づく失速が回避される。このことは、失速がもはや補償され得なくなるような低い飛行高度において極めて重要となる。さらに、地面または水面への接近時に昇降舵の操作によってグランドエフェクトビークルを引き起こすことも、もはや必要とならない。これによって、昇降舵や、昇降舵を操作するために必要となる操舵機構を含めて、所要の高度操舵を不要にすることができる。グランドエフェクトビークルの操舵にかかる手間が減じられたことに基づき、特別なパイロット経験もしくはパイロットライセンスも不要になる。翼・フラップ配置は、胴体姿勢を変えることなしにグランドエフェクトビークルの鉛直方向の高度変化が調節可能になるように設定されている。このことは乗客の乗り心地を著しく改善する。このことは、正または（有利には）負の後退角により、グランドエフェクトビークルの重心を中心としたモーメントの補償を行うことによって達成される。フラップ配置を、旋回可能な翼外面の後縁フラップと組み合わせて、高度と傾斜姿勢とが一緒に制御可能となるような重畳制御を行うことができる。内側の主翼部分もしくは胴体に設けられた内側の後縁フラップを外側の主翼部分に設けられた外側の後縁フラップと相応して連動結合させることにより、旋回飛行時に飛行高度の増大を達成することもできる。これにより、降下された外側の主翼部分と水との接触が回避可能となる。外側の主翼部分に配置された後縁フラップは特に、これらの後縁フラップが補助翼（エルロン）、方向舵および／またはエアブレーキとして作用し得るように制御可能でかつ旋回可能である。外側の主翼部分の相応する後縁フラップを用いると、内側旋回によって制動作用を発生させることができる。この制動作用によって、後縁フラップの手前に位置する翼面部分の流れが剥離させられ、これにより浮力が低下し、ひいては一層迅速な着水が可能となる。グランドエフェクトビークルのこのような制動による迅速な降下により、全制動距離が短縮され、この制動距離は着水時には相応して一層短くなる。外側の主翼部分の枢着軸線は、上方旋回させられた状態において有効迎え角が小さくされて、これによって形成された角度が極めて小さな抵抗しか生ぜしめないように斜めに設置されている。その場合、引き続き浮力が形成される（この状態では必要でもないし、望ましくもない）ことなしに一種の「デカラージュ」（ｄｅｃａｌａｇｅ）が生じる。
胴体および／または主翼には、各水平方向軸線を中心にして旋回可能である後縁フラップが配置されている。このような後縁フラップは航空機構造では着陸フラップまたは補助翼（エルロン）として原則的に知られている。グランドエフェクトビークルにおいては、このような後縁フラップは次のような利点を提供する。すなわち、後縁フラップによって飛行高度を制御することができるので、従来必要とされた昇降舵が不要となるだけでなく、昇降舵制御のための相応するパイロット知識も不要となる。後縁フラップ操作により、グランドエフェクトビークルは強制的に持ち上げられるので、より高い飛行高度に基づき、主翼端部と水面または地面との接触はもはや生じなくなる。
本発明によるグランドエフェクトビークルの有利な構成は請求項２以下に記載されている。
本発明の有利な構成では、グランドエフェクトビークルの胴体がカタマラン、つまり双胴船として形成されており、この場合、特に側方脚部の端部がフロートとして働く。カタマラン構造に基づき、良好な浮動安定性が得られると同時に、グランドエフェクトビークルが停止している状態でも、水上をゆっくりと運動している状態でも、特に風運動時の転覆防止性が提供される。
本発明の別の有利な構成では、それぞれ外側に配置された主翼部分が、２腕式の旋回可能なレバーとして形成されていて、胴体に隣接した内側の主翼部分に枢着されており、この場合、上方旋回させられた外側の主翼部分が、下方に向けられた翼端板を形成するようになっており、しかもこの翼端板の自由端部が、胴体に隣接した内側の主翼部分よりも下方にまで延びていて、胴体に隣接した内側主翼部分の下方に位置するせき止め空間を側方で外部に対して仕切っている。このような配置により、グランドエフェクトビークルを発進させるためには、大きな有効せき止め浮力を有する面積を形成することができる。このような大きな浮力は発進速度を減少させ、ひいてはこのために設備されるべき駆動出力をも減少させる。飛行速度が増大するにつれて、迎え角は最良の揚抗比が得られるまで減少する。自動的な高度保持を行う速度をも制限するこのような角度を下回らないようにするためには、外側翼（外側の主翼部分）が段階的または連続的に上方旋回させられ、この場合、最適の迎え角を有する、その都度の速度に適合された翼面荷重が維持されるようになる。旋回可能な外側の主翼部分（または主翼）の枢着はさらに、迎え角が鉛直線に向かって減少して、この主翼部分がウィングレットとしてできるだけ小さな抵抗しか発生させないと同時に、前記翼端板作用によって上方に向かって有効アスペクト比を改善し得るように選択されている。胴体に隣接した内側の主翼部分と、外側に配置された主翼部分との間の枢着軸線は、胴体に隣接した内側の主翼部分の上面の範囲に位置していると有利である。この場合、胴体に隣接した内側の主翼部分と、外側に配置された、旋回させられていない状態の主翼部分との共通の接触面は、グランドエフェクトビークル中心平面（水平方向平面）に対して斜めの角度で位置している。このような斜めの角度で配置された共通の接触面と、旋回軸線の位置とに基づき、旋回させられていない状態では、上面側および下面側で平坦な一体の翼が存在するようになり、さらに外側の主翼部分の斜めに位置する接触面が、相応する上方旋回後に内側の側方翼端板面を形成するようになる。これにより、主翼部分の構成部分数や、相応する制御器具の構成部分数が最小限に抑えられる。
外側に配置された主翼部分の旋回運動のための作動装置は、有利にはハイドロリック式に、つまり液圧式に作動するようになっていて、ばね弾性的に形成されている。これにより、水との接触によって生じる、走行運動時に最大に生じる空気負荷よりも高い過剰負荷がばね弾性的に受け止められるようになる。当該ばね部材はガスクッションまたは弾性的な中間部材によって実現することができる。ばね作用は、空気負荷はばたつきなしに支持され得るが、しかしたとえば水撃時に波によって生じ得る一層高い負荷は、相応する動作によってばね弾性的に受け止められるように設定される。このような手段により、翼の外面だけでなく内面をも、接続力の減少によって一層軽量に形成することができる。それと同時に、発進時の鉛直方向での加速負荷も減じられ、これにより、一層の負荷軽減と、乗客の乗り心地の一層の改善とが得られる。
本発明の複数の実施例が図面に示されている。
第１図はカタマランもしくは双胴船として形成された胴体と、両側に配置された主翼とを有するグランドエフェクトビークルの平面図であり、
第２図は第１図に示したグランドエフェクトビークルの正面図であり、ただし図面の左側には発進時の主翼位置が示されており、図面の右側には発進時とは異なる旋回位置が示されており、
第３図はカタマラン式の胴体と、旋回可能な外側の主翼部分を備えた両側に配置された主翼とを有するグランドエフェクトビークルの平面図であり、
第４図は第３図に示したグランドエフェクトビークルの正面図であり、ただし外側の主翼部分の種々異なる旋回位置が示されており、
第５図は第４図に対応する図面であるが、ただし外側の主翼部分の別の旋回位置が示されており、
第６図は第４図または第５図に示した配置を示しているが、ただしばね弾性的に支承された外側の主翼部分が示されており、
第７図は第４図〜第６図に示したグランドエフェクトビークルを示しているが、ただし翼幅を減少させるために両側で上方旋回させられた外側の主翼部分が示されており、
第８図は下方に向かって変位された主翼後縁フラップを有するグランドエフェクトビークルの平面図であり、
第９図は正のフラップ変位を有する主翼の断面図であり、
第１０図は傾斜姿勢を調節するための非対称的なフラップ変位位置で示すグランドエフェクトビークルの平面図であり、
第１１図は互いに異なる後縁フラップ位置を有する主翼外側部分の断面図であり、
第１２図は第１１図に相応する断面図であるが、ただし別の後縁フラップ調節が示されており、
第１３図は選択されたフラップ調節によって旋回飛行と同時に高さ距離変化を行うグランドエフェクトビークルの後面図であり、
第１４図および第１５図は上方旋回させられた外側の主翼部分と、この外側の主翼部分の互いに異なる後縁フラップ位置とを有するグランドエフェクトビークルの平面図である。
第１図〜第１５図に示したグランドエフェクトビークルは共通して、フロート１６として形成された、下方に向けられた側方脚部と、側方脚部に跨るように張設された、乗客キャビンとして形成された翼中央部分１７とを有する胴体を備えている。この胴体の両側には主翼が配置されており、両主翼はその全体が最大９０°だけ上方に向かって旋回可能であるか、または外側に配置された翼部分の範囲だけが最大９０°だけ上方に向かって旋回可能である。それぞれ旋回可能な部分は符号１８で示されている。胴体ならびに主翼の後側には、それぞれ後縁フラップ１９，２０が設けられている。これらの後縁フラップ１９，２０はグランドエフェクトビークルの各水平方向軸線を中心にして旋回可能である。グランドエフェクトビークルは図示のカタマラン構造、つまり双胴船構造の他に、純然たる空気クッションビークルないし水中翼船として形成されていてもよい。駆動機構ならびに空気クッションを制限するための装置は、図面を見易くする目的で図示されていないが、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４４０５１５２号明細書に記載の構成と同様に形成されていてよい。破線Ｓはグランドエフェクトビークルの重心もしくは、その都度の全浮力が有効となる点を含んでいる。
発進運転時および航行運転時には、翼中央部分１７と、降下されたほぼ水平方向に位置する主翼１８との下方で、グランドエフェクトビークルと水面または地面２３との間に生じる空間２４内に形成される空気クッションが利用される。静的な空気クッションまたは動的な空気クッションの形成は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４４０５１５２号明細書に詳細に記載されている。第２図の左側に図示した主翼１８と、右側に図示した対応する主翼の図示の下側位置とは、発進位置に位置しており、この発進位置では、主翼の翼幅に相応した、できるだけ大きな空気静力学的な浮力が利用可能となる。右側に図示した主翼から判るように、主翼１８は、発進段階が終了しかつ巡航速度が達成された後に、不連続的または連続的な段階で任意の角度だけ対称的または非対称的に旋回させることができる。鉛直方向への相応する旋回は、狭い川幅での航行時、入港時または水門航行時にも利用され得る。第２図に示した実施例では、各主翼１８の全体が旋回可能である。
上記実施例とは異なり、第３図に示した主翼の配置では、それぞれ外側の主翼部分１８しか旋回可能でない。それに対して、内側の主翼部分２１は旋回不可能にグランドエフェクトビークルの胴体に配置されている。第４図の左側から判るように、外側の主翼部分１８と内側の主翼部分２１とが互いに接触している共通の接触面は鉛直方向ではなく、鉛直方向に対して斜めの角度で位置している。これにより、外側の主翼部分１８の上方旋回時には、下方に向けられた翼端板（ウイングレットとも云う）２６が形成され、この翼端板２６は巡航位置において空気せき止め空間２５を側方で仕切る。これにより、発進段階後でも、主翼部分が上方旋回させられた状態で、改善された空気動力学的な浮力、つまり揚力が保証される。第５図には、巡航位置において、別の旋回角度で旋回させられた外側の主翼部分１８と、相応して減少された空気せき止め空間２５とが示されている。
第６図には、外側の主翼部分１８の旋回角度を調節するための液圧式の作動装置２７が示されている。この液圧式の作動装置２７はばね部材２２によって弾性的に支承されているので、波運動している水（波２３参照）に沿った滑空時に外側の主翼部分１８が水に接触すると、この外側の主翼部分１８が撓むようになっている。ばね定数は、外側の主翼部分１８に関して空気静力学的な力または空気動力学的な力が有効になるように設定されるのではなく、波との接触時にのみ力が有効となるように設定される。第２図につき既に説明した実施例と同様に、第７図に示したグランドエフェクトビークルは、入港時または狭い川幅、水門等での航行時に、外側の主翼部分１８の上方旋回によって減じられた翼幅によって調節される。
特に第９図、第１１図および第１２図から判るように、旋回可能な外側の主翼部分１８の後縁フラップ２０と、内側の主翼部分２１もしくは胴体によって与えられた翼中央部分１７の後縁フラップ１９とは、水平線を中心にして旋回可能に枢着されている。有利には各後縁フラップ１９；２０が互いに別個に旋回可能であるので、対称的なフラップ調節も、非対称的なフラップ調節も可能となる。第８図および第９図には、それぞれ下方に向かって変位された後縁フラップ１９；２０が示されており、このような後縁フラップ１９；２０は図示の位置でグランドエフェクトビークルの高さ変化を生ぜしめる。第１０図および第１１図から判るように、外側の主翼部分１８に設けられた後縁フラップの非対称的な変位によって、グランドエフェクトビークルの、調整された旋回飛行のための傾斜姿勢が調節可能である。このためには、第１０図の左側に示した後縁フラップ２０は上方に向かって調節され、反対の側の、つまり第１０図の右側に示した後縁フラップ２０は下方に向かって調節される（第１１図に示した調節参照）。それに対して、後縁フラップ１９は、下方に向かって旋回させられた後縁フラップ２０（第１０図の右側）とほぼ同じ位置を有している。
第１３図には、第１０図〜第１２図に示した主翼調節および後縁フラップ調節を後側から見た図が示されている。外側の主翼部分１８のほぼ同じ旋回角度において、左側に図示した外側の主翼部分１８の後縁フラップ２０は上方に向かって旋回させられており、他方の側、つまり右側に図示した外側の主翼部分１８の後縁フラップ２０は下方に向かって旋回させられている。内側の主翼部分２１に設けられた後縁フラップ１９は下方に向かって互いに異なる程度で、つまり互いに異なる旋回角度で旋回させられている（このことは、第１３図に示した互いに異なる長さの矢印で示されている）。後縁フラップ１９の下方旋回は、図示の旋回飛行時では、地面もしくは水面２３に対する距離の増大を生ぜしめる。
第１４図から判るように、外側の主翼部分１８が上方旋回させられた状態では、後縁フラップ２０が方向舵として使用可能となる。後縁フラップ２０が下方に向かって旋回するか（第１４図の左側）、もしくは上方に向かって旋回する（第１４図の右側）ことは、外側の主翼部分１８が鉛直位置をとっていることに基づき、後縁フラップ２０の側方旋回につながり、これによって左旋回飛行が導入される。後縁フラップ２０のための正の旋回角度および負の旋回角度は、絶対的に同じ大きさの値を有するか、あるいはまた互いに異なる大きさの値を有していてもよい。
第１５図に示した状態では、両後縁フラップ２０が外側の主翼部分１８に対して相対的に上方に向かって旋回させられている。このことは、当該鉛直位置に基づき、後縁フラップ２０の内方旋回につながり、これによって後縁フラップ２０は制動作用を発揮する。それと同時に、このような制動作用により、流れ剥離に基づき外面の浮力が減じられる。すなわち、グランドエフェクトビークルを、より迅速に水面へ降下させることができる。

Claims (7)

1. 胴体と、両側に配置された主翼（１８，２１）とを備えたグランドエフェクトビークルにおいて、主翼または主翼のそれぞれ外側に配置された主翼部分（１８）が、胴体長手方向軸線に対する平行線を中心にして上方に向かって、有利には最大９０°の旋回角度だけ上方に向かって旋回可能に枢着されていて、主翼または主翼のそれぞれ外側に配置された主翼部分（１８）の旋回によって、その都度の速度に適合された翼面荷重が、最適な迎え角と共に維持されるようになっており、正または負の後退角によってグランドエフェクトビークル重心を中心としたモーメントの補償が行われるようになっており、各主翼部分（１８，２１）が後縁フラップ（１９，２０）を有しており、該後縁フラップ（１９，２０）が胴体長手方向軸線に対して選択的に対称的か、または非対称的に制御可能であり、外側の主翼部分（１８）に配置された後縁フラップ（２０）が、補助翼、方向舵および／またはエアブレーキとして作用するようになっていることを特徴とするグランドエフェクトビークル。
2. 外側に配置された主翼部分（１８）の旋回角度が、最大９０°である、請求項１記載のグランドエフェクトビークル。
3. 胴体がカタマランもしくは双胴船として形成されていて、特に側方脚部端部がフロート（１６）として働く、請求項１または２記載のグランドエフェクトビークル。
4. 外側に配置された主翼部分（１８）が、それぞれ２腕式の旋回可能なレバーとして形成されていて、胴体に隣接した内側の主翼部分（２１）に枢着されており、上方旋回させられた外側の主翼部分（１８）が、下方に向けられた翼端板（２６）を形成しており、しかも該翼端板（２６）の自由端部が、胴体に隣接した内側の主翼部分（２１）よりも下方にまで延びていて、胴体に隣接した内側の主翼部分（２１）の下方に位置するせき止め空間（２５）を側方で外部に対して仕切っている、請求項１から３までのいずれか１項記載のグランドエフェクトビークル。
5. 胴体に隣接した内側の主翼部分（２１）と、外側に配置された外側の主翼部分（１８）との間の枢着軸線が、胴体に隣接した主翼部分上面の範囲に位置しており、胴体に隣接した内側の主翼部分（２１）と、旋回させられていない状態の外側に配置された主翼部分（１８）との共通の接触面が、グランドエフェクトビークル中心平面に対して斜めの角度で位置している、請求項４記載のグランドエフェクトビークル。
6. 水との接触によって生じる、走行運動時に最大に生じる空気負荷よりも高い過剰負荷をばね弾性的に受け止めるために、外側に配置された主翼部分（１８）の旋回運動のための作動装置（２７）が、ばね弾性的に形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のグランドエフェクトビークル。
7. 胴体と内側の主翼部分（２１）とに設けられた後縁フラップ（１９）が、外側の主翼部分（１８）に設けられた後縁フラップ（２０）と連動結合されていて、外側の後縁フラップ（２０）の非対称的な変位によって生じるグランドエフェクトビークルの傾斜姿勢において、内側の後縁フラップ（１９）が、地面もしくは水面に対する距離を増大させるための正の変位を実施するようになっている、請求項１から６までのいずれか１項記載のグランドエフェクトビークル。

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