JP5027631B2 - 固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタ - Google Patents

Description

本発明は、上下に配置した二つのロータが共通軸線回りに逆回転する固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタに関する。さらに詳しくは、エンジン停止時の緊急降下着地時における衝撃緩衝機能（ソフトランディング機能）を備えた固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタに関する。

本願人は、特許文献１において、手軽に使用することの可能な一人乗り等の小型ヘリコプタを提案している。当該文献に開示の小型ヘリコプタは、固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタであり、共通軸線の回りに上下に配置した二つのロータを逆回転させて推進力および揚力を得るものである。

固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタは、互いに逆方向に回転する二つの同形ロータを上下に配置することでトルクを打ち消し合っており、尾部ロータを必要としないので、全体の寸法を小さくでき、一人乗り等の小型ヘリコプタの基本形として適している。機体の姿勢制御や方向制御は、基本的には、ロータのブレードの回転面を水平面に対して前後左右に傾斜させることにより、また、ロータのブレード回転数を制御することにより行われる。
特開２０００−７２０９５号公報

ここで、この種の小型ヘリコプタでは、安全性を高めるために、複数台のエンジンを搭載し、それらのうちの１台あるいは複数台が故障して停止した場合であっても墜落することの無いようにしている。

しかしながら、このような場合にはヘリコプタを緊急降下させて着地させる必要がある。緊急降下着地の際の降下速度が大きいと大きな衝撃力が加わり、操縦者、ヘリコプタが損傷を受けるおそれがある。

本発明の課題は、この点に鑑みて、緊急降下着地の際の衝撃緩衝機能（ソフトランディング機能）を備えた固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタを提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、
共通の回転中心軸線の回りに逆方向に回転する上ロータおよび下ロータを備えた固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタにおいて、
前記上ロータおよび前記下ロータを回転駆動するためのエンジンと、
前記エンジンの回転を前記上ロータおよび前記下ロータに伝達するための回転出力軸に、一方向クラッチを介して連結されている非常用電動モータとを有し、
前記エンジンが停止した緊急降下着地時の衝撃を緩和させるために、当該緊急降下着地時に前記非常用電動モータを駆動して前記回転出力軸を回転させるようになっており、
前記エンジンとして、前記回転中心軸線を中心として放射状に配置されている少なくとも第１エンジンおよび第２エンジンが搭載されており、
前記回転出力軸として、前記第１エンジンの回転を前記上ロータおよび前記下ロータに伝達するために前記第１エンジンの出力軸に同軸に連結されている第１回転出力軸、および、前記第２エンジンの回転を前記上ロータおよび前記下ロータに伝達するために前記第２エンジンの出力軸に同軸に連結されている第２回転出力軸が配置されており、
前記非常用電動モータは前記第１回転出力軸に前記一方向クラッチを介して連結されており、当該非常用電動モータは中空形のものであり、前記第１回転出力軸を前記一方向クラッチを挟み同軸に取り囲む状態に配置されており、
前記第２回転出力軸には、当該第２回転出力軸の回転により発電を行う発電機が取り付けられており、当該発電機は中空形のものであり、前記第２回転出力軸を同軸に取り囲む状態に配置されており、
前記発電機には、当該発電機により充電されるキャパシタが接続されており、
当該キャパシタの蓄積電力を用いて前記非常用電動モータを駆動することを特徴としている。

緊急降下時に非常用モータを駆動して回転出力軸を回転させて上ロータおよび下ロータを回転駆動することにより、ロータにより揚力が増加し、緊急降下時の降下速度を遅くして、着地時の衝撃を緩和することができる。

ここで、緊急降下時における着地までの距離が予め定めた値以下になると非常用電動モータを駆動するようにすればよい。例えば、高度が５ｍ程度になった時点で非常用電動モータを起動させて、着地までの僅かな時間、例えば５秒間程度駆動すればよい。したがって、非常用モータとしては数秒間の間所定の出力が得られるものであればよく、それ以後は焼損してもよい。

さらに、緊急降下状態を検出するためのセンサを設け、このセンサの出力に基づき非常用電動モータの駆動を制御すればよい。センサとしては、エンジン停止を直接に検出するためのセンサ、降下速度が予め定めた速度を超えて過剰降下速度になったことを検出するセンサ等を用いることができる。

本発明の固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタでは、緊急降下時に作動する非常用電動モータを備えており、緊急降下時の降下速度を落として着地時の衝撃を緩和することができる。よって、緊急降下着地時に大きな衝撃力が作用して、操縦者、ヘリコプタの各部が損傷を受けてしまうことを防止できる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した固定ピッチ式同軸２重反転型の一人乗りヘリコプタの実施の形態を説明する。

（全体構成）
図１には、本実施の形態に係る一人乗りヘリコプタの全体構成を示してある。この図に示すように、一人乗りヘリコプタ１は、機体２と、この機体２の上端部分に取り付けた駆動部３と、駆動部３の下側に取り付けた円環状のマフラ３Ａとを有している。駆動部３によって、同形の上ロータ５および下ロータ６が逆方向に回転駆動される。機体２は金属製のパイプフレーム７から形成されており、当該パイプフレーム７には座席部８が取り付けられ、その下側にはスタンド９が取り付けられている。スタンド９には燃料タンク９Ａが取り付けられている。

駆動部３および機体２は操縦機構１１を介して相互に連結されている。操縦機構１１からは、操縦用スティック１２がＬ形に折れ曲がって下方に延び、座席部８に座ったパイロットＰにより操作可能となっている。

（駆動部）
図２は駆動部３を示す平面図であり、図３は駆動部３および操縦機構１１を示す部分側面図であり、図４は駆動部３を示す部分縦断面図である。

これらの図を参照して説明すると、下ロータ６は、中空のロータシャフト６１と、ロータシャフト６１の外周面に固着したロータハブ６２と、ロータハブ６２に対してヒンジ機構を介して支持されている一対のブレード６３、６４とを備えている。上ロータ５も同様な構造であり、中空のロータシャフト５１と、ロータシャフト５１の外周面に固着したロータハブ（図示せず）と、ロータハブに対してヒンジ機構を介して支持されている一対のブレード５３、５４（図１参照）とを備えている。上ロータ５のロータシャフト５１は、その内側に同軸状態に配置されている中空の垂直シャフト４０によって回転自在に支持されており、下ロータ６のロータシャフト６１は上ロータ５のロータシャフト５１の外周に同軸状態で回転自在に支持されている。

駆動部３は、エンジンユニット４と、ここから出力される回転駆動力を逆向きの等速度回転としてロータシャフト５１および６１に伝達する駆動力伝達機構１０とを備えている。エンジンユニット４は、本例では、図２から分かるように、９０度の角度間隔で放射状に配列した４基のエンジンユニット４（１）〜４（４）を備えている。各エンジンユニット４はそれぞれクラッチ機構を介して共通の駆動力伝達機構１０に連結されている。各エンジンユニット４のエンジンおよびクラッチ機構は別個独立に駆動可能となっている。従って、例えば、１基のエンジンが故障等によって止まった場合においても支障なく飛行を継続できる。各エンジンユニット４の基本構造は同一であり、図４に示すように、２気筒のエンジン本体４１と、このエンジン本体４１のクランク軸４２にクラッチ機構４３を介して同軸状に連結されている回転出力軸４４と、始動用モータ４９とを備えている。

４基のエンジンユニットのうち２基のエンジンユニット４（１）、４（２）には、それらの回転出力軸４４に、一方向クラッチ４５を介して、中空形の非常用電動モータ４６が取り付けられている。非常用電動モータ４６は、一方向クラッチ４５を挟み、回転出力軸４４に同軸状態で連結されている円筒状のモータロータ４７と、このモータロータ４７の円形外周面に対して一定のギャップで対峙している複数の突極を備えたモータステータ４８とを備えている。エンジン本体４１の側から回転出力軸４４が回転駆動されている状態では、一方向クラッチ４５の作用により、非常用電動モータ４６のモータロータ４７は実質的に停止した状態に保持される。エンジン停止状態において、非常用電動モータ４６に通電して当該非常用電動モータ４６を駆動すると、そのモータロータ４７の回転が一方向クラッチ４５を介して回転出力軸４４に伝達されるので、当該回転出力軸４４を回転させることが可能である。

残りの２基のエンジンユニット４（３）、４（４）には、それらの回転出力軸４４に中空形の発電機４６Ａが同軸状態に取り付けられている。発電機４６Ａは回転出力軸４４の回転によって発電し、発生した電力は不図示のキャパシタに充電されるようになっている。キャパシタが非常用電動モータ４６を駆動するための非常用電源として用いられるようになっている。

なお、非常用電動モータ４６および発電機４６Ａの個数は、２個ずつに限定されるものではない。例えば、非常用電動モータ４６を３基のエンジンユニットに取り付け、残りの１基のエンジンユニットに発電機４６Ａを取り付けてもよい。また、エンジンユニットも４基以外の数とすることも勿論可能である。

ここで、本例においては、高度センサと、降下速度が予め定めた値を超えた過剰速度になったことを検出するセンサと、エンジンが停止したことを検出するセンサを備えている。降下速度が予め定めた速度を超えたことが検出された場合、エンジン停止が検出された場合には、高度センサを用いて、緊急降下時の高度が測定され、着地点からの高さが、例えば、５ｍ程度の高さになると、非常用電動モータ４６を起動して、回転出力軸４４を回転駆動する。これにより、緊急降下着地時の衝撃を緩和することができる。非常用電動モータ４６としては、例えば、３０ＨＰ程度の小型のものでよい。また、緊急用であるので、駆動時間も数秒程度のものでよい。

（駆動力伝達機構）
次に、駆動力伝達機構１０は、下側に配置された第１の遊星歯車機構１００と、上側に配置された第２の遊星歯車機構２００とを備えている。第１の遊星歯車機構１００は、上ロータ５のロータシャフト５１の外周面に対して同軸状態でスプライン結合されたサンギヤ１０１と、このサンギヤ１０１に噛み合っている複数個のプラネタリーギヤ１０２と、各プラネタリーギヤ１０２に噛み合っているインターナルギヤ１０３とを備えている。同様に、第２の遊星歯車機構２００も、下ロータのロータシャフト６１の外周面にスプライン結合されたサンギヤ２０１と、このサンギヤ２０１に噛み合っている複数個のプラネタリーギヤ２０２と、各プラネタリーギヤ２０２に噛み合ったインターナルギヤ２０３とを備えている。

各遊星歯車機構１００、２００のプラネタリーギヤ１０２、２０２を支持しているキャリアは円筒状の共通キャリア１０４であり、その上端側には第２の遊星歯車機構２００のプラネタリーギヤ２０２が回転自在に支持され、その下端側には第１の遊星歯車機構１００のプラネタリーギヤ１０２が回転自在に支持されている。

インターナルギヤ１０３の上側環状端面およびインターナルギヤ２０３の下側環状端面には、それぞれ、クラウンギヤ７１、７２が固着あるいは一体形成されており、これらの上下一対のクラウンギヤ７１、７２は、各回転出力軸４４の内側の軸端に形成した駆動ピニオン７３と噛み合っている。駆動ピニオン７３の回転中心線４４ａは、ロータ５、６の回転中心軸線（垂直シャフト４０の中心軸線）４０ａに対して直交する方向に延びている。

駆動力伝達機構１０における駆動力の伝達動作を説明する。各回転出力軸４４の先端の駆動ピニオン７３が回転駆動されると、ここに噛み合っているクラウンギヤ７１、７２を介して、インターナルギヤ１０３、２０３が回転中心軸線４０ａを中心して逆方向に等速回転する。各インターナルギヤ１０３、２０３の回転は、共通キャリア１０４によって回転自在に支持されている各プラネタリーギヤ１０２、２０２を介して、それぞれ、サンギヤ１０１、２０１に伝達される。従って、サンギヤ１０１に連結されている上ロータ５のロータシャフト５１と、サンギヤ２０１に連結されている下ロータ６のロータシャフト６１は、逆方向に等速回転する。このようにして、上下のロータ５、６は通常運転時には、逆方向に等速回転する。

（ヨーコントロール機構）
次に、駆動部３にはヨーコントロール機構３００が備わっている。ヨーコントロール機構３００は、第１および第２の遊星歯車機構１００、２００の共通キャリア１０４を回転させる差動回転発生機構である。この機構は、モータ３０１と、共通キャリア１０４の外周面に形成した外歯歯車３０２と、モータ３０１の出力軸３０３と外歯歯車３０２の間を連結している歯車減速機３１０とを備えている。歯車減速機３１０の減速回転出力軸には歯車３１１が取り付けられており、この歯車３１１は伝達歯車３１２を介して、外歯歯車３０２に連結されている。

モータ３０１を駆動すると、その出力軸３０３の回転が、歯車減速機３１０を介して共通キャリア１０４に伝達され、この共通キャリア１０４を所定の方向に所定の速度で回転させる。この結果、第１および第２の遊星歯車機構１００、２００のサンギヤ１０１、２０１の間に差動運動が発生し、一方のサンギヤが他方のサンギヤよりも高速回転する。よって、上下のロータ５、６は、共通キャリア１０４の回転速度に対応した速度差で逆方向に回転することになる。このために、回転中心軸線４０ａの回りに、速度差に応じたモーメント力が発生して、機体２は、回転中心軸線４０ａを中心として、低速回転するロータの回転方向に向きを変えることになる。

従って、モータ３０１の駆動速度、回転方向を制御する制御スイッチ等をパイロットの操作可能な位置に配置しておけば、機体２のヨーコントロールを行うことができる。また、磁気またはジャイロコンパスなどによる検出器からの信号に基づき、自動的に方向を一定に保つように制御することもできる。

（操縦機構）
なお、操縦機構１１は、上ロータ５および下ロータ６を回転自在に支持している垂直シャフト４０を重力方向に対して前後左右に傾斜させることにより上ロータ５、下ロータ６のブレード回転面を傾斜させてヘリコプタ１の推進方向を制御するものである。

操縦機構１１は、垂直シャフト４０を支持している機体ベース１３と、機体ベース１３の下面から吊り下げられている前後揺動機構４００と、この前後揺動機構４００から吊り下げられている左右揺動機構５００と、機体ベース１３に固定した操縦用スティック１２とを備えている。

本発明を適用した一人乗りヘリコプタの全体構成図である。 駆動部を示す平面図である。 駆動部および操縦機構を示す部分側面図である。 駆動部を示す部分縦断面図である。

符号の説明

１ 一人乗りヘリコプタ
２ 機体
３ 駆動部
３Ａ マフラ
４、４（１）〜４（４） エンジンユニット
５ 上ロータ
６ 下ロータ
７ パイプフレーム
８ 座席部
９ スタンド
１０ 駆動力伝達機構
１１ 操縦機構
１１ａ 中心軸線
１２ 操縦用スティック
１３ 機体ベース
１７ 軸受け
４０ 垂直シャフト
４０ａ 回転中心軸線
４１ エンジン本体
４２ クランク軸４２
４３ クラッチ機構
４４ 回転出力軸
４５ 一方向クラッチ
４６ 非常用電動モータ
４６Ａ 発電機
４７ モータロータ
４８ モータステータ
４９ 始動用モータ
５１、６１ ロータシャフト
５２、６２ ロータハブ
５４、５４、６３、６４ ブレード
７１、７２ クラウンギヤ
７３ 駆動ピニオン
１００ 第１の遊星歯車機構
１０１ サンギヤ
１０２ プラネタリーギヤ
１０３ インターナルギヤ
１０４ 共通キャリア
２００ 第２の遊星歯車機構
２０１ サンギヤ
２０２ プラネタリーギヤ
２０３ インターナルギヤ
３００ ヨーコントール機構
３０１ モータ
３０２ 外歯歯車
３０３ 出力軸
３１０ 歯車減速機
３１１ 歯車
３１２ 伝達歯車

Claims (2)

1. 共通の回転中心軸線の回りに逆方向に回転する上ロータおよび下ロータを備えた固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタにおいて、
   前記上ロータおよび前記下ロータを回転駆動するためのエンジンと、
   前記エンジンの回転を前記上ロータおよび前記下ロータに伝達するための回転出力軸に、一方向クラッチを介して連結されている非常用電動モータとを有し、
   前記エンジンが停止した緊急降下着地時の衝撃を緩和させるために、当該緊急降下着地時に前記非常用電動モータを駆動して前記回転出力軸を回転させるようになっており、
   前記エンジンとして、前記回転中心軸線を中心として放射状に配置されている少なくとも第１エンジンおよび第２エンジンが搭載されており、
   前記回転出力軸として、前記第１エンジンの回転を前記上ロータおよび前記下ロータに伝達するために前記第１エンジンの出力軸に同軸に連結されている第１回転出力軸、および、前記第２エンジンの回転を前記上ロータおよび前記下ロータに伝達するために前記第２エンジンの出力軸に同軸に連結されている第２回転出力軸が配置されており、
   前記非常用電動モータは前記第１回転出力軸に前記一方向クラッチを介して連結されており、当該非常用電動モータは中空形のものであり、前記第１回転出力軸を前記一方向クラッチを挟み同軸に取り囲む状態に配置されており、
   前記第２回転出力軸には、当該第２回転出力軸の回転により発電を行う発電機が取り付けられており、当該発電機は中空形のものであり、前記第２回転出力軸を同軸に取り囲む状態に配置されており、
   前記発電機には、当該発電機により充電されるキャパシタが接続されており、
   当該キャパシタの蓄積電力を用いて前記非常用電動モータを駆動することを特徴とする固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタ。
2. 請求項１に記載の固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタにおいて、
   高度センサと、
   ヘリコプタ降下速度が予め定めた値を超えた過剰速度になったことを検出するセンサと、
   前記エンジンが停止したことを検出するセンサを備えており、
   前記ヘリコプタ降下速度が予め定めた速度を超えたことが検出された場合、および、前記エンジンの停止が検出された場合には、前記高度センサを用いて、前記緊急降下着地時の高度が測定され、前記緊急降下着地時における着地までの距離が予め定めた値以下になると前記非常用電動モータを起動させることを特徴とする固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタ。

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