JP5510843B2 - 制御システムを含む個人飛行車両 - Google Patents

Description

本発明は、垂直離着陸式個人飛行装置、すなわち、ジェットベルトのようにパイロットに固定でき、パイロットに制御可能な動力飛行を付与する装置に関する。

本明細書全体を通しての従来技術のいかなる考察も、そのような従来技術が広く既知であること、当分野の日常的で一般的な知識の一部をなすことを認めるものではないことに留意されたい。

個人飛行装置は、１９６０年代および１９７０年代に開発されたが、本質的には、極めて短い飛行時間（通常、約２６秒）を付与し、制御が難しいロケットに基づく装置（ジェットベルト）であった。さらに、これら装置は、本質的に危険なロケット燃料を燃料としていた。

関連する種類の装置では、燃料が触媒床に供給されて、高温ガスを生成し、この高温ガスが２つの離間した逆方向に回転するタービンに配布され、タービンの排気から垂直推進力を生成する。この須知は、各タービンのベースに対して旋回するシュラウドまたはデフレクタリングにより操縦される。

より最近になり、推進力の手段としてダクトファンを使用するいくつかの個人飛行装置、例えば、一対のダクトファンを含み、ダクトファンをパイロットに対して傾斜させることにより操縦される装置が提案された。

ダクトファンに代えてシュラウドプロペラを使用する大まかに同様の種類の設計が提案されている。

本明細書において使用される場合、用語「シュラウドプロペラ」と用語「ダクトファン」との違いは本質的に、ダクトファンが、完全にダクト内に取り付けられた１つまたは複数の回転するエアロフォイルまたはファン（単独翼または複数翼）を備え、ダクトがファンの全体効率を高めることである。シュラウドプロペラは、シュラウドにより囲まれた回転するエアロフォイルまたはプロペラを備え、シュラウドの唯一の機能はプロペラの保護であり、シュラウドはプロペラの効率に認め得る影響を及ぼさない。

さらなる提案には、一対のダクトファンを含む装置が説明される。この装置では、ファンは支持ハーネスにしっかりと固定され、操縦は、各ファンの流出口に隣接して取り付けられた制御フラップにより達成される。しかし、この設計では、２つのファンは逆方向に回転し、そのため、比較的複雑な剛性動力伝達システムを使用するギアボックスを介して駆動する必要があり、これはかなりの重量を装置に追加する。

他の従来技術による手法は、単独のシュラウドプロペラまたはダクトファン向けである。単独プロペラ／ファン装置には、適切な揚力を提供するためにプロペラ／ファンを極めて大きくする必要があり、装置のバランスをとるために、パイロットが一般に、パイロットの上方または下方にプロペラ／ファンを有し、安全の観点から理想から程遠いという欠点がある。さらなる欠点は、操縦性を付与するために、単独プロペラ／ファンからの推進力を何等かの方法で分割する必要があり、これが操縦管または操縦ダクト内に高い摩擦損を生じさせる傾向があることである。

本発明の目的は、上述した従来技術による装置の欠点を解消し、使用が比較的安全で、軽量であるがそれでも強力な個人飛行装置を提供する個人飛行装置である。

本発明は、個人飛行装置であって、
−パイロットに固定可能な筐体と、
−少なくとも一対のダクトファンであって、対のうちの一方のファンが筐体の片側に取り付けられ、対のうちの他方のファンが筐体の逆側に取り付けられ、各ファンが回転軸を中心として回転して、対応するダクトを通して空気をダクトの流入端からダクトの流出端に引き込み、各ファンの回転軸が筐体に対して固定される、少なくとも一対のダクトファンと、
−筐体に取り付けられ、ファンを駆動する少なくとも１つのエンジンであって、両ファンが同じ方向に回転して、推進力を生み出す、少なくとも１つのエンジンと、
−３対の制御面であって、上記ファンを出る空気が上記制御面に衝突するように、各対のうちの一方の制御面が、一対または各対のファンのうちの一方のファンの下方に取り付けられ、各対の他方の制御面が、一対または各対のファンのうちの他方のファンの下方に取り付けられ、一対の制御面は偏揺れを制御するように構成され、一対の制御面は縦揺れを制御するように構成され、一対の制御面は横揺れを制御するように構成される、３対の制御面と、
−上記ファンに対する上記制御面の向きを制御する制御手段と
を含む個人飛行装置を提供する。

大半の用途で、装置の総重量を可能な限り低く保つことが重要であるため、装置が恐らく、１個のみのエンジンおよび一対のみのファンを使用すると考えられる。しかし、各対がそれ自体のエンジンにより駆動されるか、または両方／すべての対が単一のエンジンにより駆動される２対以上のファンを使用することも可能である。２対以上のファンが使用される場合、ファンがどのように配置されるかに応じて、各ファンは、別個の制御面セット（偏揺れ、縦揺れ、および横揺れに）を有してもよく、またはファンが、筐体の片側にある両方またはすべてのファンから出た空気が、単一のエリアに衝突するように配置される場合（例えば、組になったファンが筐体の両側に垂直に積み重ねられる場合）、１組の制御面が筐体の各側に使用し得る。好ましくは、筐体は、ハーネスによりパイロットに固定可能であり、パイロットとエンジンおよびファンとの間に保護シールドを含む。

エンジンは、信頼性があり、頑強であり、軽量である任意の適したエンジン、例えば、２ストロークまたは４ストローク内燃エンジン、ロータリーエンジン、またはガスタービンであり得る。

駆動手段は、信頼できる軽量の駆動手段、例えば、鎖伝導装置、流体駆動装置、またはベルト駆動装置であり得る。好ましくは、駆動手段は、可撓性ベルト駆動装置であり、最も好ましくは、歯付きベルト駆動装置または小型Ｖベルト駆動装置である。摩耗または破損をチェックするためにパイロットがベルト駆動装置を容易に検査できるようため、ベルト駆動装置が好ましく、近代のベルト駆動装置は、低重量高効率駆動を付与する。セキュリティを追加するために、２つ以上の駆動手段を並列に使用し得る。

好ましくは、偏揺れを制御するように構成された一対または各対の制御面のそれぞれは、各ダクトの流出端を横切って直径方向に取り付けられ、上記制御手段により上記偏揺れ制御面を動かすと、装置が偏揺れするように、対応するファンの回転軸に略垂直な軸を中心として旋回可能なように構成される。

また好ましくは、縦揺れを制御するように構成された一対または各対の制御面のそれぞれが、対応するダクトの流出端の下方に取り付けられ、操縦制御が上記制御手段により適用されないニュートラル位置において、上記制御面のそれぞれが略垂直な平面内にあるように支持され、上記制御面のそれぞれは、上記制御手段により上記縦揺れ制御面を移動させと、装置が縦揺れするように、対応するファンの縦軸に略垂直な軸を中心として旋回するように構成される。

また好ましくは、横揺れを制御するように構成された１つまたは各対の制御面のそれぞれは、対応するダクトの流出端の下方に取り付けられ、上記制御面のそれぞれは、上記制御手段により上記横揺れ制御面を移動させると、装置が横揺れするように、対応するファンの縦軸に略垂直な軸を中心として旋回するように構成される。

最も好ましくは、横揺れを制御するように構成された一対または各対の制御面のそれぞれは、対応するダクトの流出端の下方に取り付けられ、上記制御面のそれぞれは、対応する縦揺れ制御面の各側に１つずつ取り付けられた、合計２つの同一平面にあるベーンとして形成され、上記横揺れ制御面のそれぞれは、上記制御手段により上記横揺れ制御面を移動させると、装置が横揺れするように、対応するファンの縦軸に略垂直であり、且つ対応する縦揺れ制御面の旋回軸に略垂直な軸を中心として旋回するように構成される。

単なる例として、本発明の好ましい実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。

本発明による装置の概略正面図である。 図１の装置の上からの平面図である。 図１の装置の側面図である。 下からの１つのダクトファンの図である。 図４のファンの側面図である。 駆動装置の図である。 制御システムの部分図である。 ステータの図である。 異なるバージョンのステータの図である。 図８ｂのステータを拡大した平面図である。 図９の矢印Ａの方向での図である。 １組の縦揺れ／横揺れ制御の上からの平面図である。

図面を参照すると、個人飛行装置１は、中央筐体４により支持され離間される一対のダクトファン２、３を含み、中央筐体４はエンジン６および燃料タンク（図示せず）も支持する。

ダクトファン２、３は既知の設計であり、ハブ７ａ、８ａに取り付けられ、ハブ７ａ、８ａと共に同心円筒形ダクト９、１０内部で回転可能な中央複数翼ファン７、８からなる。ダクト９、１０は、ブラケット４ａ（図２のみに見られる）を取り付けることにより筐体４にしっかりと取り付けられ、図１および図３に示される「静止」位置において（すなわち、装置が地面に置かれている場合）、各ファンの回転軸が実質的に垂直になるような向きを有する。ダクト９、１０の端部は開かれて示されているが、実際には、保護グリルまたはメッシュで覆うことができる。

ファン７、８は、一対の歯付き駆動ベルト１１ａ、１１ｂの形態の駆動手段によりエンジン６から対応するハブ７ａ、８ａに駆動される。歯付きベルト駆動装置が図４および図６に（概略的に）示される。図６に示されるように、エンジン６は、可撓性結合部６ｂを通して駆動プーリ６ａを駆動して、エンジン６からのねじり振動を減衰させる。２本の駆動ベルト１１ａ、１１ｂは駆動プーリ６ａに係合し、一方のベルトが他方のベルトの横に並ぶ。

第１の駆動ベルト１１ａは、プーリ６ａに巻かれ、ダクト９の開口９ｂを通り、ハブ７ａに巻かれてファン７を駆動する。第２の駆動ベルト１１ｂは、プーリ６ａに巻かれ、ダクト１０の開口１０ｂを通り、ハブ８ａに巻かれてファン８を駆動する。使用に際して、ファン７、８は両方とも同じ方向に回転するが、各ダクト９、１０の底部９ａ、１０ａからの空気流は、行になったステータ１２の使用により線形になる（すなわち、対応するファンの縦軸に実質的に平行になる）。ステータ１２は離間され、対応するファン７、８の下方で各ダクト９、１０の内周の周囲に半径方向に延びる。各ステータ１２は、ダクトの内壁からハブに向かって半径方向に延びる「スポーク」である。

図８ａは最も単純な構成のステータを示し、各ステータは平坦で平行に並んだ板であり、各板の長さはダクトの内壁からハブに向かって半径方向に延びる。

図８ｂ、図９、および図１０は、空気力学的により効率的な設計のステータ１２ｂを示し、各ステータ１２ｂは湾曲したエアロフォイル断面板であり、各ステータ１２ｂの一端はダクトの内壁に固定され、他端はハブに固定される。図９および図１０に示されるように、各ステータ１２ｂは縦軸に沿ってハブからダクトに捻れる。この設計のステータは、単純な平坦ステータ１２ａよりも高い効率を有するが、製造および当てはめがより高価である。

筐体４は、パイロットの肩幅よりもわずかに広く、パイロットとおおよそ同じ高さである。図面の図１および図３に示される「静止」位置では、装置は、任意の適した種類であり得る支持体１ａ上に置かれる。

筐体４は、頭部シールド１３およびアームレスト１４、１５（図１および図２）を提供する。

装置には、偏揺れ、縦揺れ、および横揺れを制御する制御装置が設けられ、パイロットは、後述するように、アームレストに内蔵された制御ハンドルによりこれらすべての制御装置を操作することができる。

偏揺れは、垂直軸を中心とした装置の角度回転であり、これは、一対の制御ベーン５０、５１により制御され、各対のうちの一方のベーンはダクト９、１０のそれぞれの流出端を横切って直径方向に取り付けられ、対応するファンおよびハブの回転軸に略直交する軸を中心に旋回するように構成される。各ベーン５０、５１はエアロフォイル断面を有する。各ベーンは、図５および図６に示されるように、対応するダクトの下縁の下に部分的の突出し、２つの部分で作られ、１つの部分がハブの下部の各側にある。各ベーンの２つの部分は、一体ユニットとして一緒に動く。

制御ベーン５０、５１は、対応するアームレスト１４（図７）に取り付けられた制御レバー１７に接続されたケーブル（図示せず）により動かすことができる。代替として、例えば、制御レバーの移動により制御されて制御ベーンを動かす電気アクチュエータを使用する非機械的制御システムを使用することができる。制御システムは常に、一方の制御ベーン５０を一方向（例えば、図７において矢印Ａで示される方向）に動かすと、制御ベーン５１が逆方向（例えば、図７において矢印Ｂで示される方向）に等しく動くように設定され、この移動は装置を左に偏揺れさせ、ベーンを逆方向に移動させると、装置は右に偏揺れする。制御ベーンが動く程度により、偏揺れの程度が決まる。

図１および図７は一対の制御ベーン５０、５１を示すが、図３に示されるように並列に取り付けられた複数対の制御ベーン５０、５１を使用することも可能である。複数対のベーンは、一対のベーンと同様に使用される。

縦揺れおよび横揺れは、エアロフォイル断面の制御面６０／６１および７０／７１のそれぞれにより決まる。縦揺れは、横軸を中心とした垂直平面における装置の角運動であり、横揺れは水平軸を中心とした装置の回転である。装置のパイロットの視点から、偏揺れは垂直軸を中心とした左右の揺れであり、横揺れは垂直平面において一方の側または他方の側に傾け、縦揺れは前または後ろに傾ける。

制御面６０／６１および７０／７１は、十字形構成で２組の制御面として配置される。一方の組６０／７０は筐体の片側にあり、他方の組６１／７１は筐体の逆側にある。両組の制御面は、装置の縦軸に対して直角に延び、筐体の下部を横切って取り付けられる支持ビーム７２により支持され、したがって、一方の組の制御面は一方のダクトの流出端の下にあり、他方の組は他方のダクトの流出端の下にある。

縦揺れを決める制御面６０／６１は、支持ビーム７２に取り付けられ、表面の縦軸は支持ビーム７２の縦軸に平行し、ニュートラル位置では、略垂直な平面内にある。制御面６０／６１は、ベアリング（図示せず）内で支持ビーム７２を旋回させることにより移動し、この移動により、表面６０／６１の下端は、矢印ＣおよびＤ（図３）で示される方向に移動する。制御面６０／６１が矢印Ｃの方向に移動する場合、ダクト９、１０の流出端から来る空気は、図３に示される装置を反時計回りに縦揺れさせる傾向を有する。制御面６０／６１が矢印Ｄの方向に移動する場合、図３に示される装置は時計回りに縦揺れする。

制御面の十字形の配置により、表面７０／７１は表面６０／６１と共に移動するが、前段落において説明した縦揺れ移動では、表面７０／７１はダクトからの空気流に対して一定の角度を保ち、したがって、装置の向きを変更しない。

制御面７０／７１のそれぞれは、２つの等しい部分として構築され、１つの部分が対応する表面６０、６１の各側にある。制御面７０／７１は、図１の波線で示されるように、対応する表面６０／６１に対して旋回することができ、この旋回移動は、表面６０／６１に取り付けられたベアリング７４上の制御面７０／７１を移動させる制御ロッド７３により制御される。装置を左に横揺れさせるには、制御面７０／７１は矢印Ｅ（図１）の方向に旋回され、装置を右に横揺れさせるには、制御面７０／７１は矢印Ｆの方向に旋回される。

制御面６０／６１、７０／７１の移動は、アームレスト１５に取り付けられた制御ハンドル１９の移動により制御される。

アームレスト１４は、エンジン６に接続され、エンジンの加速度を既知の様式で制御するために使用されるツイストグリップスロットルも組み込む。

すべての制御面５０／５１、６０／６１、および７０／７１の移動並びにスロットルの移動は、制御ケーブルもしくはロッドによるものであってもよく、または電子アクチュエータを使用して、任意の広範囲の既知の液圧サーボまたは電気サーバを動作させて、制御面／スロットルに対して作用させたものであってもよい。制御装置／スロットルは、パイロットにより手動で制御してもよく、またはマイクロコンピュータとのインタフェースを介して遠隔制御してもよい（いわゆる、「フライバイワイヤ」システム）。別の可能性は、装置を主に手動で制御するが、コンピュータ制御により安全オーバーライドが提供され、それにより、装置が安全ではない姿勢または速度にある場合、オーバーライドが自動的に割り込む。

使用に際して、パイロットは空間２０（図２）内に立ち、筐体４に取り付けられたパラシュート型のハーネス（図示せず）により装置に縛られる。縛られると、パイロットはエンジン６を始動させて、ファン７、８をダクト９、１０内で回転させ、垂直揚力を装置に付与する。揚力量は、スロットルにより制御されるエンジン６の加速度によって決まる。縦揺れ、横揺れ、および偏揺れは、上述したように制御される。

ファン７、８の両方を同じ方向に回転させることは、ファンをエンジンから直接駆動でき、駆動方向を変更するためにギアボックスが必要ないことを意味する。これは、相当量の追加重量を節減すると共に、保守が必要であり、故障の原因になる恐れがある部品をなくす。仮に、ファン２、３を出る空気流を実質的に線形にするステータがなかった場合には、両方のファンを同じ方向に回転させると、装置にトルクが及ぼされ、装置の操縦が困難または不可能になる。

この装置には、緊急時にパイロットが開いて、装置およびパイロットを一緒に安全に地上に運ぶパラシュート（図示せず）が取り付けられる。

上記装置の主な用途が１人乗り輸送装置であると考えられる。しかし、任意の様々な遠隔制御装置でパイロットを置換し、装置を遠隔操作することも可能である。

Claims (22)

1. −パイロットに固定可能な筐体と、
   −少なくとも一対のダクトファンであって、各対のうちの一方のファンが前記筐体の片側に取り付けられ、各対のうちの他方のファンが前記筐体の逆側に取り付けられ、各ファンが回転軸を中心として回転して、対応するダクトを通して空気をダクトの流入端からダクトの流出端に引き込み、各ファンの回転軸が前記筐体に対して固定される、少なくとも一対のダクトファンと、
   −前記筐体に取り付けられ、前記ファンを駆動する少なくとも１つのエンジンであって、両ファンまたはすべてのファンが同じ方向に回転して推進力を生み出す、少なくとも１つのエンジンと、
   −少なくとも一対のファンのうちの少なくとも一対に用いられる３対の制御面であって、前記ファンを出る空気が前記制御面に衝突するように、各対の制御面のうちの一方の制御面が、前記一対のファンのうちの一のファンの下方に取り付けられ、各対の制御面のうちの他方の制御面が、前記一対のファンのうちの他方のファンの下方に取り付けられ、一対の制御面は偏揺れを制御するように構成され、一対の制御面は縦揺れを制御するように構成され、一対の制御面は横揺れを制御するように構成され、前記３対の制御面のうちの２対は、対応する一対のファンのダクトの外部に、かつダクトと離間して取り付けられ、前記３対の制御面のうちの３対目は、対応する一対のファンのダクトの流出端を横切るように取り付けられる、３対の制御面と、
   −前記ファンに対する前記制御面の向きを制御する制御手段と
   を含む、個人飛行装置。
2. 各ファンは、直立したパイロットに前記装置が固定された場合、各ファンの前記回転軸が略垂直であるように前記筐体に固定される、請求項１に記載の個人飛行装置。
3. 前記筐体は、前記パイロットを前記エンジン及び前記ファンから保護する保護シールドを含む、請求項１又は２に記載の個人飛行装置。
4. 前記筐体は、前記装置をパイロットに固定するハーネスを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の個人飛行装置。
5. 前記エンジンは、２ストローク内燃エンジン、４ストローク内燃エンジン、ロータリーエンジン、ガスタービンエンジンからなる群から選択される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の個人飛行装置。
6. 前記少なくとも１つのエンジンにより駆動され、前記少なくとも一対のファンを駆動するように構成される駆動手段をさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の個人飛行装置。
7. 前記駆動手段は単一駆動装置を含む、請求項６に記載の個人飛行装置。
8. 前記駆動手段は二重駆動装置を含む、請求項６に記載の個人飛行装置。
9. 前記駆動手段は、鎖伝導装置、流体駆動装置、ベルト駆動装置からなる群から選択される駆動装置を含む、請求項６〜８のいずれか一項に記載の個人飛行装置。
10. 各ファンダクトに配置され、そのファンから出る空気流を直線にするステータセットをさらに含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の個人飛行装置。
11. 各セットのステータは、前記ダクトの内壁に固定された一端及び前記ダクト内の前記ファンのハブに固定された他端を有する、請求項１０記載の個人飛行装置。
12. 各ステータは湾曲したエアロフォイル断面を有する、請求項１１に記載の個人飛行装置。
13. 偏揺れを制御するように構成された一対又は各対の制御面のそれぞれは、各ダクトの流出端を横切って直径方向に取り付けられ、前記制御手段により前記偏揺れ制御面を移動させると、前記装置が偏揺れするように、対応する前記ファンの回転軸に略垂直な軸を中心として旋回するように構成される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の個人飛行装置。
14. 偏揺れを制御するように構成された一対又は各対の制御面は、一方の制御面を第１の方向に移動させると、他方の制御面が逆方向に等しく移動するように、前記制御手段により制御されるように構成される、請求項１３に記載の個人飛行装置。
15. 縦揺れを制御するように構成された一対又は各対の制御面のそれぞれは、対応する前記ダクトの流出端の下方に離間して取り付けられ、操縦制御が前記制御手段により適用されないニュートラル位置において、前記制御面のそれぞれが略垂直の平面内にあるように支持され、前記制御面のそれぞれは、前記制御手段により前記縦揺れ制御面を移動させると、前記装置が縦揺れするように、対応する前記ファンの縦軸に略垂直な軸を中心として旋回するように構成される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の個人飛行装置。
16. 横揺れを制御するように構成された一対又は各対の制御面のそれぞれは、対応する前記ダクトの流出端の下方に離間して取り付けられ、前記制御面のそれぞれは、前記制御手段により前記横揺れ制御面を移動させると、前記装置が横揺れするように、対応する前記ファンの縦軸に略垂直な軸を中心として旋回するように構成される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の個人飛行装置。
17. 横揺れを制御するように構成された一対又は各対の制御面のそれぞれは、対応する前記ダクトの流出端の下方に離間して取り付けられ、前記制御面のそれぞれは、対応する前記縦揺れ制御面の各側に１つずつ取り付けられる２つの同一平面にあるベーンとして形成され、前記横揺れ制御面のそれぞれは、前記制御手段により前記横揺れ制御面を移動させると、前記装置が横揺れするように、対応する前記ファンの縦軸に略垂直であり、且つ対応する前記縦揺れ制御面の旋回軸に略垂直な軸を中心として旋回するように構成される、請求項１５に記載の個人飛行装置。
18. 前記縦揺れ制御面および前記横揺れ制御面は、前記筐体の逆端部を横切って一対又は各対のファンに延びる、支持部材上に取り付けられる、請求項１７に記載の個人飛行装置。
19. 前記制御面のそれぞれは、エアロフォイル断面を有するベーンとして形成される、請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の個人飛行装置。
20. 前記筐体は、スロットル制御のためのマウント及び前記制御手段の制御装置をさらに含む、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の個人飛行装置。
21. 前記制御手段は、機械的制御ケーブル、電気アクチュエータ、液圧アクチュエータからなる群から選択される、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の個人飛行装置。
22. 一対のみのダクトファン及び単一エンジンを含む、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の個人飛行装置。

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