JP5309037B2 - 回転翼航空機 - Google Patents

Description

本発明は、空中輸送手段、特に無人空中輸送手段（ＵＡＶ）に関する。具体的には、本発明は、無人回転翼航空機に関する。

回転翼航空機は、様々な用途に用いられている。特に、無人回転翼航空機は、軍事、法執行機関、商業的航空調査活動などに、用いられている。

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００７年１月１８日に出願された米国仮特許出願番号第６０／８８５，５５９の利益を主張する通常の特許出願である。この出願を本明細書に援用する。

回転翼航空機に設けられる構成部品を均一に配置することができ、機械的な複雑さや重さを減らすことができる回転翼航空機を提供することを課題とする。

また、本発明は、効率的に動作することができると共に、さまざまな動作状況において、システムの総推進力効率、すなわち、電気エネルギーから推力への変換を効率よく行うことができる回転翼航空機を提供する。

さらに、非常に小さな騒音で動作することが可能な回転翼航空機を提供する。

本発明に係る回転翼航空機は、本体または機体構造を有する。その本体または機体構造は、非回転構造の骨格、コア、または、背骨（スパイン）を備えている。また、本発明の回転翼航空機は、二重反転ローターシステムを有しており、そのシステムは、ローターモジュールを備えている。ローターモジュールは、ローターハブと、そのローターハブに接続される複数のローター羽根と、を備えている。本発明による一実施形態において、各ローターモジュールは、非回転構造の背骨に支持され、別々のローター駆動部に接続されている。ローター駆動部は、駆動モータであってもよく、回転の縦軸でローター羽根を駆動するために、ローターハブに接続されている。また、非回転構造の背骨は、前記ローター駆動部を通る。そのローター駆動部は、非回転構造の背骨の反対側に間隔をおいて配置されている。本発明の一実施形態では、バッテリ、燃料電池、ハイブリッドガス発電機などを備えた複数の分散型の電源は、複数のローター駆動部に電力を供給するために設けられている。分散型の電源、および、制御モジュール、ペイロードモジュール、電子モジュールなど他のモジュールは、飛行中の監視範囲を向上させるために、所望のポイントで回転翼航空機のバランスを保つために用いられる。ローター羽根への動力伝達、および、各回転翼羽の間の動力伝達は、機械の軸系の代わりに電気配線によって行われる。回転翼航空機を製造する際に、モジュール構造が設けられていることが好ましい。

現在考えられる本発明の最良の実施形態を示す例証的実施形態の以下の詳細な説明を考慮すれば、本発明の他の特徴が当業者にとって明らかとなるだろう。

本発明の一実施形態に係る同軸の二重反転ローターシステムと、前記ローターシステムに連結する交換可能なモジュールの構成部品を備えた細長い本体と、を有する回転翼航空機の斜視図である。 飛行中の航空機から図１に示された回転翼航空機の展開を示す斜視図である。 領域のリモート監視を提供し、前記システムの移動式コマンドセンターと、前記移動式コマンドセンターと通信する前記システムのさまざまな回転翼航空機と、を示す一体化されたミクロ回転翼航空機システムの斜視図である。 パワールートおよび信号ルートを備えた中央バスアーキテクチャ（central buss architecture）と、非回転構造の背骨または骨格を備えた航空機に接続された誘導システムと、一対のローターシステムと、を有し、積載物を運ぶ回転翼航空機を示す図である。 ローターシステムと、制御モジュールと、電力および信号導管に中央データ／電力バスを介して通信する電力モジュールと、を示した回転翼航空機を示す図である。 システムモジュール、具体的には（上から下に順に）コントロールモジュール、第１電力モジュール、第１ローターモジュール、ピッチコントローラ、第２ローターモジュール、第２電力モジュール、を明らかにするために、本体シェルが取り除かれた図１の回転翼航空機の側面図である。 図６の回転翼航空機に含められる実例となる構成部品の分解斜視図である。 図６の回転翼航空機に含められるローターモジュール（回転翼の羽根を除く）、具体的には（右から左に順に）、スウォシュプレートアセンブリ、ハブ、スペーサ、ローターリング、希土類磁石、積層スタック、電子モータ速度コントローラ（ＥＳＣ）、マウントを示す分解斜視図である。 図８の積層スタックの拡大斜視図である。 図８の電子モータ速度コントローラ（ＥＳＣ）の拡大斜視図である。 図８のマウントの拡大斜視図である。 本発明の別の実施形態に係る同軸の二重反転ローターシステムと、前記ローターシステムに連結する交換可能なモジュールの構成部品を備えた細長い本体と、を有する回転翼航空機の斜視図である。 図１２の回転翼航空機、具体的には（右から左へ順に）、ノーズコーン、GPSアンテナ、第１コンピュータ回路基板、複数の希土類磁石付きの第１ローターモジュール、第１磁気コイルアセンブリ、背骨チューブ、バッテリ付きの電力モジュール、第２磁気コイルアセンブリ、第２コンピュータ回路基板、テールコーン、を示す分解斜視図である。

図１に示すように、回転翼航空機１０は、矢印７２、矢印１０１、および、矢印１０２の方向に飛行する、あるいは、動作する。回転翼航空機１０は、非回転構造の背骨を構成する機体７４を有する。回転翼航空機１０の機体７４は、上部１２と、中部１８と、下部２０と、第１ローターモジュール１４と、第２ローターモジュール１６と、を備えている。また、図４に示すように、回転翼航空機１０は、第１、第２ローターモジュール１４、１６に電力をそれぞれ供給する第１、第２電源モジュール２２、２４と、ノーズコーン３１と、テールコーン３３と、ペイロードモジュール２６と、を有する。ノーズコーン３１は、機体７４の第１端部７３に設けられており、テールコーン３３は、機体７４の第１端部と間隔を置いて離れて配置されている第２端部に設けられている。ペイロードモジュール２６は、物品やサービスを輸送し、および／または、前記回転翼航空機１０の飛行中に所望のデータを集めたりする。回転翼航空機１０が、図１に示すような飛行配置にあるとき、第１端部７３は上向きに方向付けられていると見なし、第２端部７５は下向きに方向付けられていると見なす。図１および図４に示すように、第１ローターモジュール１４、第２ローターモジュール１６、第１電源モジュール２２、第２電源モジュール２４、および、ペイロードモジュール２６の全てのモジュールは、機体７４の本体の長手方向に沿って、間隔をあけて連結されている。または、全てのモジュールは、機体軸２８を備えた非回転構造の背骨６４に間隔をあけて設けられている。回転翼航空機１０の上部１２および中部１８に設けられている内部の機械的な構成要素および電子的な構成要素、または、機械的なモジュールおよび電子的なモジュールは、それぞれ、細い壁で形成された上部本体シェル３０、および、中部本体シェル３２で囲まれている。下部本体シェル３４は、下部２０の部分を覆っている。

回転翼航空機１０は、ローターシステム３６を備えている。ローターシステム３６は、ローター駆動部３８を有するローターモジュール１４を備えている。ローター駆動部３８は、ローターハブ４０内に設けられており、操作可能に複数のローター羽根４２に接続されている。各ローター羽根４２は、縦軸４２Ｈを有する。縦軸４２Ｈは、図５に示すように、ローターシステム３６に対しておおよその重心ＣＧ１を決めるために、機体７４の機体軸２８に交差する。また、ローターシステム３６は、スウォシュプレート４６のようなピッチコントローラ４４を備えている（図５および図６を参照）。ピッチコントローラ４４は、サーボモジュール５０からの出力に応じて、ローター羽根の周期的なピッチ、および／または、ローター羽根の全体的なピッチを変更するために、操作可能にローター羽根４２に連結されている。サーボモジュール５０は、スウォシュプレート４６と、第１スウォシュプレート８０と、第２スウォシュプレート８２と、サーボアクチュエータ４８と、を備えている。サーボアクチュエータ４８は、連結部５２（図６を参照）を通って、１つまたはそれ以上の各スウォシュプレート４６、８０、８２に連結されている（図６および図７を参照）。本発明の一実施形態において、図４に示すように、回転翼航空機１０のおおよその重心ＣＧ２は、ピッチコントローラ４４の間（第１ピッチコントローラ４４と第２ピッチコントローラ４４との間）に位置付けられることが望ましい。通常、機体軸２８に位置している間、回転翼航空機１０の重心ＣＧ２におけるシンボルは、便宜上、機体軸２８の一端に示す。

電気などの電力は、電力モジュール５６から生じる。図６に示すように、２つの電力モジュール５６は、それぞれ、第１電源モジュール２２または第２電源モジュール２４と、バッテリ５４または燃料タンク（図示せず）と、を備えている。電力モジュール５６からの電力は、ローターシステム３６と交わって電力導管５８を流れる。また、その電力は、制御モジュール６０、ローター駆動部３８、および、サーボモジュール５０に供給され、それらを動作させるために用いられる。制御モジュール６０からの制御信号は、信号導管６２に沿って流れ、ローター駆動部３８の速度、および、サーボモジュール５０の位置決め出力を調整する。電力導管５８および信号導管６２は、プリント回路基板６３に設けられている（図７を参照）。また、図４に示すように、電力導管５８および信号導管６２は、構造骨格に形成された経路、または、回転翼航空機１０の背骨６４（図７を参照）に形成された経路、を通って、ローター羽根４２の第１流入側４２Ｎと第２流出側４２Ｔとの間を流れる。非回転構造の背骨６４は、電力導管５８や信号導管６２などを収容するための中空部７７を備えている。

ホバリング飛行において、第１ローターモジュール１４および第２ローターモジュール１６は、機体軸２８に対して反対方向に回転する。つまり、図４に示すように、空気を下向き方向６６に押し付けて、回転翼航空機１０を上向き方向６７に上げる方向に、回転する。第１ローターモジュール１４は、図１に示す矢印６８の方向に回転するローター羽根４２を有する。第２ローターモジュール１６は、図１に示す矢印７０の方向に回転するローター羽根４２を有する。第１ローターモジュール１４および第２ローターモジュール１６は、周期的なピッチ制御を備えているので、回転翼航空機１０は、図１に示す矢印７２、矢印１０１、および、矢印１０２の方向に飛行するように、構成されている。また、機体軸２８は、図１に示すように、実質的に垂直方向に配置されている。

図７に示すように、機体７４は、回転翼航空機１０の構造骨格または背骨６４を構成し、通常、上部１２から下部２０までの回転翼航空機１０の中心を通って垂直に動く。本発明の一実施形態では、機体７４は非回転チューブである。上部１２、中部１８、または、下部２０内に設けられた第１ローターモジュール１４、第２ローターモジュール１６などの全てのモジュールや構成要素は、背骨６４、または、機体７４に連結されている。図７を参照すると、機体７４は、回転翼航空機１０の上部１２、中部１８、および、下部２０に配置されているモジュールを使用するために、電力導管５８、信号導管６２、電気配線用の導管（図示せず）、配管（図示せず）、機械的な連結部（図示せず）などを有することができる。また、機体７４は、カーボングラファイトファイバ、グラスファイバ、アルミニウム合金ナンバー７０７５、同類の合金、または、０．５インチの外径の別の同類の材料で製造することができる。

回転翼航空機１０は、図６に示すように、３つの本体部分から構成されている。つまり、上部１２、中部１８、下部１６の３つの部分で、回転翼航空機の本体が形成されている。図４に示すように、上部１２は、第１電子モジュール８８と、第１電源モジュール２２と、を有する。第１電子モジュール８８は、飛行中に回転翼航空機１０に対して、少なくとも誘導および通信サービスを提供する。第１電源モジュールは、ローター羽根４２を駆動させるために、電力を供給する。また、第１電源モジュール２２は、機体７４の上端に設けられた第１端部７３に連結される。上部１２は、第１モータ速度コントローラ７６および第１ブラシレスモータ７８を有することもできる（図６を参照）。中部１８は、第１スウォシュプレート８０と、第２スウォシュプレート８２と、サーボアクチュエータ４８と、を有する。下部２０は、第２モータ速度コントローラ８４と、第２ブラシレスモータ８６と、電子モジュール８８と、第２電源モジュール２４と、ペイロードモジュール２６と、を有する（図４を参照）。ペイロードモジュール２６は、機体７４の下端に設けられた第２端部７５に連結されている。固定、または、移動可能な空力学的面（図示せず）は、追加の飛行制御用の別のサーボアクチュエータに取り付けられることができる。

一般的に、バッテリ５４を有する電力モジュール５６は、比較的重たい。全ての電力モジュール５６が、第１、第２ローターモジュール１４、１６より下に配置されている場合、電力モジュール５６が、重力によって下方へ引っ張られる傾向があるので、回転翼航空機１０が必然的に安定する。しかしながら、安定性が増加するように、制御機関は通常減らされる。
本発明の特徴は、ローターシステムの中心の周りに配置されている電力モジュール５６のような重い構成部品を、均一に配置することである。このため、回転翼航空機１０の重心は、例えば、重心ＣＧ１および重心ＣＧ２は、ローターシステム３６のリフトのほぼ中心と一致している。また、ローターシステム３６のリフトの中心は、同軸の第１、第２ローターモジュール１４、１６の間の中央に配置されることができる。

第１、第２ローターモジュール１４、１６は、構造および機能がそれぞれ同じである。第１ローターモジュール１４は、ローターマウント９０と、ローターハブ４０と、第１ボールベアリング９２と、第２ボールベアリング９４と、リングクリップ９６と、ブレードヨーク９８と、ローター羽根４２と、を備えている。第１ローターモジュール１４を組み立てる際、第１、第２ボールベアリング９２、９４は、ローターマウント９０のシャフト１０３に保持される。ローター羽根４２は、ピン１０４で所定の場所に保持される。ピン１０４は、車軸１１０に形成されるキャップ１０６および開口１０８を通って延びている。他のピン（図示せず）によって保持される際、車軸１１０は、ベアリング開口１１２を通る。ベアリング開口１１２は、ローターハブ４０に形成されており、ブレードヨーク９８の開口１１４に挿入される。

図８に示すように、第１ローターモジュール１４は、循環的に、かつ、集合的に、動作可能にローター羽根４２を支持するように構成される。連結部５２は、ピッチアーム１２０をスウォシュプレート４６に連結させる。

本発明の一実施形態において、ローター駆動部３８は、直接駆動モータ１３４として、図８に示される。直接駆動モータ１３４は、電磁の巻線１２６付き積層スタック１２２と、希土類磁石１２４と、を備えている。

直接駆動モータ１３４は、ローターハブ４０内に配置される。直接駆動モータ１３４は、図８に示すように、中空コア１３４Ｈを有するように、構成される。中空コア１３４Ｈは、図６および図７に示す非回転構造の背骨６４を収容するために、構成されている。直接駆動モータ１３４は、機体軸２８の周りでローター羽根４２を動かすために設けられている。積層スタック１２２は、図９に示すように、磁気的に伝導性の鉄鋼材料で形成された約２３層を有し、約０．６インチの厚さで形成されている。１２個の巻線１２６は、２３ゲージ銅線で作られている。２３ゲージ銅線は、１２個のポールモータを生成するために、積層スタック１２２の歯１２８の周りに巻きついている。後部鉄鋼（ｂａｃｋ ｉｒｏｎ）の別名でも知られるローターリング１３０は、操作中、磁石１２４の間の磁束を支持するために、磁気を帯びる浸透性の鉄で作られている。直接駆動モータ１３４は、前述したように、非回転構造の背骨または骨格（ｂａｃｋｂｏｎｅ）６４に対応するために、通常、中空コア１３４Ｈを有する。一実施形態において、希土類磁石１２４は、積層スタック１２２および巻線１２６の外側に配置されており、それらの周りで回転するので、直接駆動モータ１３４は、アウトランナースタイルモータ（ｏｕｔｒｕｎｎｅｒ−ｓｔｙｌｅ ｍｏｔｏｒ）である。このアウトランナースタイルモータは、インランナースタイルモータ（ｉｎ−ｒｕｎｎｅｒ ｓｔｙｌｅ ｍｏｔｏｒ）（図示せず）と対照的である。インランナースタイルモータでは、磁石は、立体のシャフトに取り付けられており、積層スタックおよび巻線の内側で回転する。

図８に示すように、別々のセグメントの集まりとして、希土類磁石１２４は、磁性材料で単一の連続的なリングに形成することができる。そのリングは、製造中、その外周の周りで複数の別々のＳ極、Ｎ極に磁化される。それにより、多重極磁石リング、または、多重極の環状磁石を形成することができる。多重極磁石リングの特徴は、別々のセグメントとの間に空隙がなく、直接駆動モータ１３４の動作中に、磁束が磁石セグメントとの間で、より効率的に流れることができる。

電子モータ速度コントローラ１３２（ＥＳＣ）は、直接駆動モータ１３４を制御するために設けられており、積層スタック１２２に隣接して配置されている。そのため、巻線１２６の末端部１２３は、直接、電子モータ速度コントローラ１３２の回路基板１３６に接する、または、貫通する。上述した電子モータ速度コントローラ（ＥＳＣ）１３２の特徴としては、モータ速度コントローラ１３２のビアホール１２５において、巻線１２６を終端処理する。これにより、巻線１２６は、さまざまな動作状況で、デルタ巻き（Ｄｅｌａｔｅ Ｗｉｎｄｓ）およびＹ字巻き（Ｗｙｅ Ｗｉｎｄｓ）などの異なる組合せで、電子速度コントローラ上のシステムコンピュータによって電圧が加えられるように、接続することができる。また、その巻線１２６は、直接駆動モータ１３４の電力を効率的に調節することが可能である。

その電子モータ速度コントローラに接続された巻線が、デルタ巻き、または、Ｙ字巻きとして構成されているかどうかを判断する３つのグループで、互いに接続される。３つの巻線が、それぞれ一端だけで互いに接続されている際には、その接続がＹ字状に見えるので、Ｙ字巻線（Ｗｙｅ ｗｉｎｄｉｎｇ）と呼ばれている。また、３つの巻線が、それぞれ両方の端部で接続されている際には、ギリシャ文字Ｄの準三角形に見えるので、それらは、デルタ巻線（Ｄｅｌｔａ ｗｉｎｄｉｎｇ）と呼ばれている。

本発明の一実施形態におけるＹ字巻線は、第１、第２ローターモジュール１４、１６の低速運転、例えば、回転翼航空機１０の効率的なホバリング飛行のような運転に対して用いられる。また、本発明の一実施形態おけるデルタ巻線は、第１、第２ローターモジュール１４、１６の高速運転、例えば、回転翼航空機１０の高速度水平飛行に対して用いられる。

本発明の一実施形態において、電子モータ速度コントローラ１３２は、電力継電器（接触器）１３３を有する。電力継電器１３３は、低速および高速の両方で、直接駆動モータの効率的な動作に対して、「飛行中に」巻線１２６の接続を再構成することができる。

ローターマウント９０は、ポリカーボネート・プラスチック、または、ガラス繊維充填ナイロンから成り、アルミニウム、または、射出形成で機械加工されている。ローターハブ４０は、ナイロンやアセタールのような熱可塑性プラスチック材料から成り、射出形成される。ローターマウント９０は、締め具４１でハブ４０に連結される共に、ブレードヨーク９８も、締め具４３でハブ４０に連結される。複数のローター羽根４２は、機体軸２８と一致する従来の同軸シャフトの代わりに、ローターハブ４０で飛行中に支持される。ローター羽根４２は、回転翼航空機１０の外側本体シェルの一部を構成している。また、直接駆動モータ１３４を収容するために、ローター支持軸受９２、９４が、ローター羽根４２、および、回転翼航空機１０の中央本体部分内の自由な空間に非常に近くに配置されている。

固定ピッチローターシステムでは、放射状の飛行エネルギーが、ローター羽根４２によって生成される。そして、その飛行エネルギーが、ローター羽根４２に連結されている内側のブレードヨーク９８で支えられる。ブレードヨーク９８は、開口部１３７を有する。開口部１３７は、機体７４に対応して設けられている。したがって、特別なスラスト軸受（ｔｈｒｕｓｔ ｂｅａｒｉｎｇ）を必要としない。

図６に示すように、本発明における一実施形態は、第１ローターモジュール１４と、第２ローターモジュール１６と、第１スウォシュプレート８０と、第２スウォシュプレート８２と、サーボモジュール５０と、を有する。サーボモジュール５０は、回転翼航空機１０の重心ＣＧ２の中心の周りの鏡面対称で、回転しない機体７４に連結されている。２つのローター付きの同軸ローターシステムが、示されているが、回転翼航空機１０は、追加の推力（ｔｈｒｕｓｔ）または運用能力を増加させるために、回転しない機体７４の長さに沿って、間隔を置いて配置される追加のローターシステム（図示せず）を備えることもできる。

ローターモジュールは、連結部５２によって、第１、第２スウォシュプレート８０、８２に連結される。動作中、ローターハブ４０は、反対方向に回転する。サーボモジュール５０は、同時に第１スウォシュプレート８０および第２スウォシュプレート８２を傾けるために、機内の飛行制御電子回路により制御される。その後、傾いた第１スウォシュプレート８０および第２スウォシュプレート８２は、図１の飛行機のピッチ方向８３および飛行機のロール方向８５の１つにおいて、回転翼航空機１０を傾けるために、ローター羽根４２の羽根ピッチ角度を周期的に変化させる。集合的なピッチ（ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ ｐｉｔｃｈ）を有する別の実施形態においては、第３サーボおよび第３連結部（図示せず）が、設けられている。第３サーボおよび第３連結部は、機体軸２８に沿って、第１、第２スウォシュプレート８０、８２の軸位置を変化させると共に、電子のコレクティブ・サイクリック・ピッチ・ミキシング（Ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ−Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｉｔｃｈ Ｍｉｘｉｎｇ：ＣＣＰＭ）を用いて、ローター羽根４２の集合的なピッチを変化させる。同軸のローターシステムを制御するために、ローターモジュール間に位置付けられているサーボを用いたり、連結部で第１、第２スウォシュプレートを直接連結したりすることが、望ましい。

図１２および図１３に示す本発明における別の実施形態では、回転翼航空機１３５は、ノーズコーン１３６を有する。ノーズコーン１３６は、軍需品、カメラ、化学薬品、センサなどのペイロードを備えている。ペイロードは、所望の品物やサービスを届けるために、および／または、回転翼航空機の飛行中に所望のデータを集めるために、構成されている。また、図１２および図１３に示すように、回転翼航空機１３５は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ：グローバル・ポジショニング・システム）アンテナ１３７と、第１コンピュータ回路基板１３８と、第１ローターモジュール１３９と、第２ローターモジュール１４０と、第１磁気コイルアセンブリ１４２と、非回転構造の背骨チューブ１４４と、電力モジュール１４５と、第２磁気コイルアセンブリ１４３と、第２コンピュータ回路基板１４７と、テールコーン１４８と、を有する。第１コンピュータ回路基板１３８は、飛行管理システムのような制御電子回路を備えている。第２ローターモジュール１４０は、複数の希土類磁石１４１を備えている。電力モジュール１４５は、複数のバッテリ１４６を備えている。また、回転翼航空機１３５には、レーザー高度計や爆発軍需品などのペイロード（図示せず）が設けられていてもよい。

第１ローターモジュール１３９、および、第２ローターモジュール１４０は、実質的には同じモジュールであり、第１ローターハブ１４９と第２ローターハブ１５０を、それぞれ備えている。第１ローター羽根１５１および第２ローター羽根１５２は、内部機構（図示せず）により、集合的に、かつ、周期的に、回転可能である。

第１、第２磁気コイルアセンブリには、複数の磁気コイル１５３、１５４が設けられている。磁気コイル１５３、１５４は、それぞれプリント回路基板１５５、１５６に連結されている。本発明の別の実施形態における特徴は、磁気コイル１５３、１５４の入力端部および出力端部が、プリント回路基板１５５、１５６に、直接はんだ付けされている。そのプリント回路基板１５５、１５６には、銅のトレース（ｃｏｐｐｅｒ ｔｒａｃｅ）（図示せず）が設けられている。銅のトレースは、電力リレー（図示せず）の状態（開路／閉路）に応じて、Y字状の構成またはデルタ構成において、磁気コイル１５３、１５４を相互に連結させる。Ｙ字状の構成とデルタ構成とを切り換えることにより、第１、第２ローター羽根１５１、１５２が、高速または低速で、効率的に動作することができる。それにより、動作状況の広範囲において、システムの総推進力効率、すなわち、電気エネルギーから推力への変換を最大にすることが可能である。

第１、第２磁気コイルアセンブリ１４２、１４３は、変動する磁場をそれぞれ生成する。第１磁気コイルアセンブリ１４２の磁場は、第１ローターハブ１４９を有する第１磁石リングアセンブリ１６５で動作すると共に、第２コイルアセンブリ１４３の磁場は、第２ローターハブ１５０を有する第２磁石リングアセンブリ１６６で動作する。第１、第２磁石リングアセンブリ１６５、１６５には、それぞれ、複数の個々の希土類磁石１４１、または、連続磁石リング（図示せず）が設けられている。連続磁石リングは、多くの磁極（図示せず）を備えており、別々の磁石のように動く。

電力モジュール１４５は、複数の電池１４６を有し、回転翼航空機１３５のほぼ重心ＣＧ３に取り付けられている。重心ＣＧ３は、第１ローターモジュール１３９と第２ローターモジュール１４０とのほぼ中間に位置付けられている。電力モジュール１４５は、第１、第２ローターモジュール１３９、１４９を動かすため、それらに電力を供給する。

第１ローター駆動部（電気モータ）１５７は、第１磁気コイルアセンブリ１４２および第１磁石リングアセンブリ１６５で構成されている。磁気コイル１５３が、プリント回路基板１５５の平面に配置されており、また、希土類磁石（磁石リング）１４１が、第１ローターハブ１４９の平面に配置されている。このため、直接駆動モータである第１ローター駆動部１５７は、頻繁にパンスタイルモータ（Ｐａｎ−Ｓｔｙｌｅ Ｍｏｔｏｒ）として参照される。

本発明の実施形態において、全ての駆動モータを有することが好ましい。また、その駆動モータが、ローターハブ内、または、ローターハブに隣接して位置付けられることが望ましい。ローターハブは、機械的軸系の代わりに、電子回路基板上の導管、または、痕跡を介し、電気配線を経由して達成されるローターモジュール間の動力伝達を備えている。このため、機械的な複雑さや重さを減らすことが可能である。また、ローターシステムの電力および制御は、実際は電気である。そのため、回転翼航空機の全制御システムは、複雑な機械連結、または、油圧の拡大することなく、デジタルコンピュータ、および、固体エレクトロニクスにより、電気的に動作されることができる。

上述した実施形態では、垂直飛行配置における偏揺れ、機首方位、制御に対して、異なるモータ速度有する。いくつかの同軸ヘリコプターは、飛行中の偏揺れ動作を制御するために、さまざまなブレードピッチや異なるブレード角度を利用する。回転しない本体、または、回転翼航空機の機体に対して、異なる速度でローター駆動部を動かすことによって生成される特異的な回転力は、例えば、機体軸２８周りの回転のような、偏揺れ動作を安定させて、制御するための偏揺れ力を作り出す。そのローター駆動部の回転力、すなわち、速度は、垂直な機体軸２８周りの回転翼航空機の偏揺れ動作に応じて、増加したり、減少したりする。ローター駆動部の回転力、または、その速度は、一定の上昇を維持するために、別のローター駆動部の回転力または速度に反して、機内のコンピュータシステムによって自動的に調整される。そのため、回転翼航空機は、高度を増すこともなく、減ることもない。

各ローターモジュール１４、１６、１３９、１４０に対する電力は、通常、もっとも近いそれぞれの電力モジュール５６、１４５から引き出される。その間、電子モジュール５６、１４５は、それらの中に含まれるエネルギーのバランスを保つために、非回転構造の背骨６４内の導管５８、５６を介して互いに電気的に、電子的に、かつ、機械的に電力を伝達する。前述のように電力が伝達される場合、電力モジュール５６、１４５の能力が、均一に用いられる。電力モジュール５６、１４５が、電池を有する場合には、第１、第２電源モジュール２２、２４、電力モジュール４５間のコンピュータ制御の電力接続が、それらを同じ割合で放電させるために、電池から引き出される電圧および電流のバランスを取ることができる。

上述の実施形態において、第１ローターモジュール１４、１３９、第２ローターモジュール１６、１４０は、２つ一組で用いられる。各ローターモジュールは、テールブーム（ｔａｉｌ ｂｏｏｍ）（図示せず）のテールローター（図示せず）が、回転力を打ち消すために設けられている場合に、回転翼航空機１０、３５で用いることができる。

本発明の実施形態において、直接駆動モータは、ローター羽根４２、第１ローター羽根１５１、第２ローター羽根１５２のそれぞれを駆動するためのギア付きの伝達システム必要としない。そのため、直接駆動モータ１３４、１５７は、静かに、または、非常に小さな騒音だけで、動作することができる。したがって、動作中の騒音レベルを制御、または、除去しなければなれない場合において、利点がある。

なお、すべての図は、必ずしも一定の比率で図示されているわけではない。例えば、回転翼航空機１０は、ローター羽根４２に対して約３０インチの背骨を有する。本体シェル３２の直径は、約２．５インチである。また、長手方向の機体軸２８に沿って、最上部から最下部までの機体７４の長さは、約２２インチである。

後述する実施形態においても、上述した回転翼航空機１０、１３５に適用することができる。

飛行中におけるローター駆動部への電源供給は、例えば、リチウムポリマー電池、リチウムイオン電池、燃料電池のような、大容量の電池によって供給される。電力モジュールは、例えば、６つの再充電可能リチウムイオン電池を有することも可能である。その再充電可能リチウムイオン電池は、回転しない機体の周りで、六角形に配置され、約１１．３ボルトの電位を生成するために、内側に配線される。電力モジュールからの電源線は、機体を介して、モータ速度コントローラを経由する。

飛行中の間、追加のエネルギー能力に対して、電力モジュールを複数設けることもできる。また、複数の電力モジュールを、ローター駆動部が利用できる電流を増加させるために、並列に配線することも可能である。回転翼航空機１０の飛行時間は、飛行中に運ばれる電力モジュールの数を調整することにより、調節することができる。

本発明の実施形態において、回転翼航空機が、上述した構成部品で製造されて、組み立てられることが望ましい。ローターモジュール、制御モジュール、電力モジュール、ブースターモジュール、および、ペイロードモジュールが、別々に製造されていてもよく、機体上にスライドさせておいてもよい。

また、本発明の実施形態において、同軸システムの各ローターシステムは、ローターシステムのハブ部分に位置付けられる別々の電動機によって、動かされる。ローターへの動力伝達は、電気配線を介して達成される。例えば、機械の軸系、クラッチ、ギアなどの代わりに、中が空洞の機体を通って電線を通すことにより、動力を伝達する。ローターシステムの直接電気駆動装置は、静かであり、振動がほとんどない。

本発明の実施形態において、スウォシュプレート制御システムおよび電力で駆動するモータは、各ローターシステムにより提供される。そのため、ローター羽根を駆動したり、制御したりするのに必要とされる機械的および電気的接続を、簡素化することができる。ローターモジュールは、ローターシステムを機体に、すばやく、簡単に連結することを提供する。また、複数のローターモジュールおよびスウォシュプレートは、サーボモジュール内に収容されるサーボアクチュエータのグループ、例えば、２つ以上のグループにより制御されることができる。

さらに、本発明の実施形態では、飛行中のバランスおよび制御機関のつりあいを確立する方法が提供される。それは、電力モジュールを上下に分配することにより、行われる。具体的には、ローター羽根間における回転翼航空機の重心の上下に配置させることにより、バランスを保つことができる。このようにして、回転翼航空機のバランスおよび制御機関が、比例的に制御される。

本明細書で示される実施形態は、ヘリコプター用の下向き方向に推進力を生じるものとして、記載されている。その一方で、本発明の実施形態が、さまざまな方向で推力を生成するために構成されている。つまり、水平な航空機、垂直な航空機など、さまざまなタイプの航空機を水平に進ませることができるように、構成されている。また、翼、パラフォイル、ガスバッグなどの追加の昇降装置は、本発明の実施形態において、用いることが可能である。

回転翼航空機１０、１３５の重心における他の位置は、非回転構造の背骨６４に沿って、モジュールの位置に基づいて、決めることが可能である。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１０、１３５ 回転翼航空機
１４、１３９ 第１ローターモジュール
１６、１４０ 第２ローターモジュール
２２ 第１電源モジュール
２４ 第２電源モジュール
２６ ペイロードモジュール
２８ 機体軸
３１、１３６ ノーズコーン
３３、１４８ テールコーン
３４ 下部本体シェル
３６ ローターシステム
３８ ローター駆動部
４０ ローターハブ
４２ ローター羽根
４２Ｎ 第１流入側
４２Ｔ 第２流出側
４２Ｈ 縦軸
４４ ピッチコントローラ
４６ スウォシュプレート
４８ サーボアクチュエータ
５０ サーボモジュール
５４ バッテリ
５６、１４５ 電力モジュール
５８ 電力導管
６０ 制御モジュール
６２ 信号導管
６４ 背骨（スパイン、骨格）
７３ 第１端部
７４ 機体
７５ 第２端部
７６ 第１モータ速度コントローラ
７７ 中空部
８０ 第１スウォシュプレート
８２ 第２スウォシュプレート
８４ 第２モータ速度コントローラ
８６ 第２ブラシレスモータ
８８ 第１電子モジュール
１２６ 巻線
１３２ 電子モータ速度コントローラ（ＥＳＣ）
１３４Ｈ 中空コア
１４９ 第１ローターハブ
１５０ 第２ローターハブ
１５１ 第１ローター羽根
１５２ 第２ローター羽根
１５３、１５４ 磁気コイル
１５７ 第１ローター駆動部（電気モータ）
ＣＧ１、ＣＧ２、ＣＧ３ 重心

Claims (8)

1. 縦軸、機体の第１端部、および、前記第１端部から間隔をあけて前記機体の反対側に設けられた第２端部、を備えた非回転構造の背骨を構成する、機体と、
   第１ローターハブ、および、前記第１ローターハブに動作可能に接続されて、前記縦軸に対して垂直に延設されている複数の第１ローター羽根、を備えた前記非回転構造の背骨に動作可能に接続された、第１ローターモジュールと、
   第２ローターハブ、および、前記第２ローターハブに動作可能に接続されて、前記縦軸に対して垂直に延設されている複数の第２ローター羽根、を備えた前記非回転構造の背骨に動作可能に接続されて、前記第１ローターモジュールに対して間隔をあけて配置された、第２ローターモジュールと、
   前記非回転構造の背骨に動作可能に接続されて、前記第１ローターモジュールと前記第１端部との間に配置された前記第１ローターモジュールに電力を供給する、第１電力モジュールと、
   前記非回転構造の背骨に動作可能に接続されて、前記第２ローターモジュールと前記第２端部との間に配置された第２ローターモジュールに電力を供給する、第２電力モジュールと、
   を有することを特徴とする回転翼航空機。
2. 前記第１電力モジュールおよび前記第２電力モジュールによって、前記回転翼航空機の飛行中に互いに通信されて、前記第１電力モジュールおよび前記第２電力モジュールから出力される電力のバランスが取られ、そして、
   前記第１電力モジュールおよび前記第２電力モジュールの両方の電力が、同時に消耗される
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転翼航空機。
3. 前記第１電力モジュールおよび前記第２電力モジュールが、前記非回転構造の背骨において、電力導管および信号導管を介して通信する
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転翼航空機。
4. 前記機体の重心が、前記第１と第２電力モジュールの間に設けられたスペースに位置付けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転翼航空機。
5. 前記回転翼航空機には、前記ローター羽根の第１セットのピッチを変更する第１ピッチコントローラが、さらに設けられ、
   前記第１ピッチコントローラが、前記機体に接続されて、前記第１と第２電力モジュールの間のスペースに位置付けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転翼航空機。
6. 前記回転翼航空機には、前記ローター羽根の第２セットのピッチを変更する第２ピッチコントローラが、さらに設けられ、
   前記第２ピッチコントローラが、前記機体に接続されて、前記第１と第２電力モジュールの間の前記スペースに位置付けられていることを特徴とする請求項５に記載の回転翼航空機。
7. 前記回転翼航空機には、物品を輸送する輸送手段、および、飛行中にデータを集める収集手段、のいずれか少なくとも１つを提供する第１ペイロードモジュールが、さらに設けられ、
   前記ペイロードモジュールが、前記機体に接続されると共に、前記第１電力モジュールが、前記機体の重心と前記第１ペイロードモジュールとの間に位置付けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転翼航空機。
8. 前記回転翼航空機には、物品を輸送する輸送手段、および、飛行中にデータを集める収集手段、のいずれか少なくとも１つを備えた第２ペイロードモジュールが、さらに設けられ、
   前記第２ペイロードが、前記機体に接続されると共に、前記第２電力モジュールが、前記機体の重心と前記第２ペイロードとの間に位置付けられていることを特徴とする請求項７に記載の回転翼航空機。

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