JP5586983B2 - 回転翼輸送手段 - Google Patents
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Description
ヘリコプターの技術分野において、一般に、ローターシャフトで回転支持された可変ピッチ角ローター翼と、ローター翼のサイクリックピッチ角を制御可能なピッチ角制御装置とを有する回転翼飛行体では、ピッチ角制御装置とローターシャフトとを含む機械部品は必ず軸方向に互いに重なり合うようになっていることは良く知られている。この軸方向の重なり合いは、ローターシャフトとピッチ角制御装置の両方がローター翼の回転平面の下の飛行体の胴体に機械的に接続されるために必要である。
ピッチ角制御装置が胴体に結合したスウォッシュプレートを含む場合、ローターシャフトは胴体の上に位置するローター翼を支持すべく、スウォッシュプレートの中央開口を通って上方へ延びなければない。ローターシャフトはスウォッシュプレートの一方の側から他の側へ通るため、スウォッシュプレートは軸方向にローターシャフトと重なると言われている。
同軸ローター・ヘリコプター(つまり、複式ローターシステム)では、上部および下部ローター翼が逆方向に回転しており、各組のローター翼には別個のピッチ角制御装置が必要となるため、このローター翼とピッチ角制御装置の取付け状態が非常に複雑になる。上部ローターを駆動しているローターシャフトと、下部ローターを駆動しているローターシャフトとは、軸方向に互いに重なり合う。
本出願は2004年4月14日に出願された米国仮特許出願第60/562,081号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。
本明細書は、ローターシステムが非回転構造背骨に結合したローターシャフトとピッチ角制御装置とを含み、ローターシャフトとピッチ角制御装置とが重ならないように構造背骨に沿って軸方向に離間して配置されている、回転翼飛行体用の簡単化された制御システムを開示している。構造背骨は、サーボアクチュエータに連結した信号線等の配線用導管として働く中空内部を含んでもよい。
本発明による一実施形態では、モーターは非回転構造背骨に結合し、さらにローター翼を回転軸まわりに動かすためのローターシャフトに接続している。ピッチ角制御装置は、スウォッシュプレートを含み、ピッチ角制御装置とモーターはいずれもが支障なく直接ローター翼にアクセスできるように、ピッチ角制御装置とモーターとがローター翼の回転平面を挟んで両側に配置されている。スウォッシュプレート、ローター翼およびモーターで可変ピッチ角ローターシステムを形成する。非回転構造背骨内の電気配線は電気を、例えば、電池等の電源から駆動モーターまで通すこともある。
本発明による一実施形態では、複式ローターシステムは上部および下部ローターシステムを含む。非回転構造背骨には、このようなローターシステムをいくつ結合してもよい。
また、本発明の一態様は、フレームと、前記フレーム上の第一ローターシステムであって、前記第一ローターシステムは、回転軸の周りを回転するために第一ローターシャフトによって支持された第一ローター翼と、第一ピッチ角制御装置と、第一モーターとを含む第一ローターシステムと、前記フレーム上の第二ローターシステムであって、前記第二ローターシステムは、前記回転軸の周りを回転するために第二ローターシャフトによって支持された第二ローター翼と、第二ピッチ角制御装置と、第二モーターとを含む第二ローターシステムとを備える回転翼飛行体であり、前記第一ローターシャフトおよび第二ローターシャフトは、前記回転軸に沿って軸方向に互いに間隔を空けて配置されている回転翼飛行体である。
また、本発明の回転翼飛行体では、前記第一ローター翼は前記第二ローター翼から間隔をあけて配置され、前記第一および第二モーターは、それらの間に前記第一および第二ローター翼が位置するように互いに間隔をあけて配置されるようにしてもよい。
また、本発明の回転翼飛行体は、第一モジュールおよび第二モジュールをさらに備え、前記第一ローターシステムは前記第二ローターシステムから間隔を空けて配置され、前記第一モジュールと第二モジュールは、それらの間に前記第一および第二ローターシステムが位置するように互いに間隔をあけて配置されるようにしてもよい。
本発明の回転翼飛行体では、前記第一ピッチ角制御装置と前記第二ピッチ角制御装置は、それぞれスウォッシュプレート手段とサーボ手段とを備え、前記第一ローター翼と第二ローター翼の間に間隔をあけて、互いに隣接して配置されるようにしてもよい。
また、本発明の回転翼飛行体では、前記第一ローター翼は前記第二ローター翼から間隔をあけて配置され、前記第一ピッチ角制御装置と第二ピッチ角制御装置はそれらの間に前記第一および第二ローター翼が位置するように互いに間隔をあけて配置されるようにしてもよい。
また、本発明の回転翼飛行体では、前記第一モーターは前記第二モーターから間隔をあけて配置され、前記第一および第二ローター翼は、それらの間に前記第一および第二モーターが位置するように互いに間隔をあけて配置されるようにしてもよい。
また、本発明の回転翼飛行体は、サーボアクチュエータとリンク機構とをさらに備え、前記第一ピッチ角制御装置および第二ピッチ角制御装置は、共通のサーボとリンク機構のセットを共有し、前記第一ローター翼と前記第二ローター翼の間に互いに間隔を空けて配置されるようにしてもよい。
また、本発明の回転翼飛行体は、第一モジュールと第二モジュールをさらに備え、前記第一ローターシステムは前記第二ローターシステムから間隔をあけて配置され、前記第一モジュールと前記第二モジュールは、それらの間に前記第一および第二ローターシステムが位置するように互いに間隔をあけて配置されるようにしてもよい。
また、本発明の回転翼飛行体は、前記第一ローターシステムと前記第二ローターシステムとを接続する非回転構造背骨と、前記非回転構造背骨に結合されたエネルギーモジュールとをさらに備え、ローター回転平面の一方の側にある前記エネルギーモジュールからのエネルギーが、前記ローター回転平面の反対側にある前記モーターへ前記構造背骨を通って伝えられるようにしてもよい。
また、本発明の回転翼飛行体では、前記第一ローター翼は前記第二ローター翼から間隔をあけて配置され、前記第一ピッチ角制御装置および第二ピッチ角制御装置は、それらの間に前記第一および第二ローター翼が位置するように互いに間隔をあけて配置されるようにしてもよい。
また、本発明の回転翼飛行体では、前記第一ローターシステムは前記第二ローターシステムから間隔をあけて配置され、前記各モーターは関連するローター翼から間隔をあけて配置され、前記モーターおよびローター翼に関連するピッチ角制御装置がそれらの間に位置するようにしてもよい。
また、本発明の他の態様は、共通のロ−ター軸の周りに回転可能で、それぞれ可変ピッチ角ローター翼を有する第一および第二逆回転ローターと、飛行制御指令を処理するための、少なくとも一つの電子信号処理装置を有する飛行制御システムと、前記両ローターに接続されたサーボアクチュエータを制御するための電子指令信号手段と、前記サーボアクチュエータに連結された少なくとも二つのスウォッシュプレートとを備え、前記サーボアクチュエータは、前記電子指令信号手段によって供給された信号に応答して、前記両ローターのサイクリック翼ピッチ角を同時に制御するように構成されている回転翼飛行体である。
上記回転翼飛行体は、前記両ローターに接続されたサーボアクチュエータを制御するための前記手段は指令信号制御装置を備え、前記スウォッシュプレートは、前記第一および第二ローターシステムの間に軸方向に沿って配置されそれらと接続された第一および第二ピッチ角制御装置を含むようにしてもよい。
本発明の回転翼飛行体は、第二サーボアクチュエータをさらに備え、前記指令信号制御装置が、前記第一および第二サーボに接続され、前記第一および第二サーボアクチュエータへの電子信号を生成して前記両ローターシステムのサイクリックロール角およびピッチ角を変化させるようにしてもよい。
上記回転翼飛行体は、第三サーボアクチュエータをさらに備え、前記指令信号制御装置が、前記第一、第二および第三サーボに接続され、前記第一、第二および第三サーボアクチュエータへの電子信号を生成して前記両ローターシステムのサイクリックおよびコレクティブ翼ピッチ角を変化させるようにしてもよい。
上記回転翼飛行体は、前記第一および第二ローターにそれぞれ結合された第一および第二モーターをさらに備え、前記指令信号制御装置が前記第一および第二モーターに接続されて、前記第一および第二モーターのうち少なくとも一つへの電子トルク制御信号を生成し、前記第一および第二ローターのうち少なくとも一つの速度を変化させて、前記両ローターシステム全体の総推力および総トルクのうち少なくとも一つを制御するようにしてもよい。
上記回転翼飛行体は、非回転構造背骨をさらに備え、該非回転構造背骨の断面は該飛行体の長さ方向に沿って延びる空領域を含み、ローター回転平面の一方の側にあるエネルギーモジュールからのエネルギーが該ローター回転平面の反対側にあるモーターへ前記構造背骨を通って伝えられるようにしてもよい。
上記回転翼飛行体は、第一および第二モジュールをさらに備え、前記第一エネルギーモジュールと前記第二ローターシステムは、それらの間に前記第一ローターシステムが位置するように互いに間隔をあけて配置され、前記第一モジュールと前記第二エネルギーモジュールは、それらの間に前記第一エネルギーモジュールと前記第二ローターシステムが位置するように互いに間隔をあけて配置されているようにしてもよい。
上記回転翼飛行体では、前記第一および第二スウォッシュプレートは、同時に動くようにスウォッシュプレートリンク機構によって動作可能に結合されているようにしてもよい。
上記回転翼飛行体では、前記第一および第二スウォッシュプレートは、該第一および第二スウォッシュプレートを同時に傾ける二つ以下のサーボアクチュエータによって作動されるようにしてもよい。
上記回転翼飛行体では、前記第一および第二スウォッシュプレートは三つ以下のサーボアクチュエータによって作動され、該三つのサーボアクチュエータは前記第一および第二スウォッシュプレートを同時に傾けることによってサイクリック翼ピッチ角を制御し、前記第一および第二スウォッシュプレートを同時に前記ローター軸に平行に移動させることによってコレクティブ翼ピッチ角を制御するようにしてもよい。
上記回転翼飛行体では、前記第一および第二ローターの回転速度を変化させるための電子制御信号をさらに備え、該回転翼飛行体の高度制御が前記第一および第二ローターの速度をほぼ同時に変化させることによって実現されるようにしてもよい。
上記回転翼飛行体は、前記第一および第二ローターの回転速度を変化させるための電子制御信号をさらに備え、前記平行なローター軸の周りの該回転翼飛行体の回転制御が、前記第一および第二ローターの速度を互いに反対方向に変化させることにより実現されるようにしてもよい。
上記回転翼飛行体では、前記回転軸が飛行中ほぼ垂直であるようにしてもよい。
上記回転翼飛行体では、前記回転軸が飛行中ほぼ水平であるようにしてもよい。
また、本発明の他の態様は、水平飛行モードにおいて水平飛行を支える固定翼飛行構造体と、垂直飛行モードにおいて垂直飛行を支える回転翼飛行構造体とを備える回転翼飛行体であって、該飛行体は、飛行中、一方の飛行モードから他方の飛行モードへ、前者の飛行モードに関連する構造体を投棄することによって再構成可能である回転翼飛行体である。
上記回転翼飛行体では、前記飛行体は固定翼水平飛行モードで飛行を開始し、飛行中に前記固定翼飛行構造体を投棄することによって回転翼垂直飛行モードに切替わるようにしてもよい。
また、本発明の他の態様は、構造背骨と、ローター翼を有するモーター・ローターシステムを備える少なくとも一つの推進モジュールと、電子制御システムを備える制御モジュールと、使用可能エネルギーを貯蔵するエネルギーモジュールと、 積載物を運ぶための積載物モジュールとを備える回転翼飛行体の組み立てキットである。
また、本発明の他の態様は、複数の逆回転ローター翼を有する固定翼飛行体の方向角度を制御する方法であって、該飛行体のピッチおよび偏揺れを制御するために該ローター翼群のサイクリック翼ピッチ角を変化させることと、該飛行体の横揺れを制御するために該ローター翼の回転速度を変化させて前記ローター間に差トルクを発生させることとを含む制御方法である。
また、本発明の他の態様は、離れた場所にセンサーを正確に配達する方法であって、無人空中輸送手段を目的地に到達するように高速水平飛行構成で発射する第一ステップと、前記無人空中輸送手段の水平飛行構造体を投棄し、ほぼ垂直なホバリング用に前記無人空中輸送手段を再構成する第二ステップと、前記センサーを正確に配達するために垂直な姿勢で飛行させる第三ステップとを含む方法である。
また、本発明の他の態様は、飛行中のUAVにおける動力ならびにエネルギー密度を増加させる方法であって、(1)該UAVに電気バッテリー等のエネルギーパックを備えるステップと、(2)飛行中一つ以上のエネルギーパックから電力を引き出すステップと、(3)前記パックに貯蔵されたエネルギーが消耗したときに、飛行中にエネルギーパックを投棄するステップと、(4)必要に応じて飛行終了まで、前記ステップ2とステップ3を繰返すステップとを含む方法である。
上記方法は、飛行中、前記UAV構造体の一部を投棄するステップをさらに含むようにしてもよい。
また、本発明の他の態様は、フレームと、第一ローター面内で回転軸の周りに回転するために支持された第一ローター翼と第一モーターとを備える前記フレーム上の第一ローターシステムと、第二ローター面内で回転軸の周りに回転するために支持された第二ローター翼と第二モーターとを備える前記フレーム上の第二ローターシステムとを備える回転翼飛行体であって、前記第一モーターは前記第二ローターシステムの流入側に配置され、前記第二モーターは前記第一ローターシステムの流出側に配置されている回転翼飛行体である。
上記回転翼飛行体では、少なくとも一つのローターシステムは翼ピッチ角制御装置によって制御された可変ピッチ角ローター翼を備えるようにしてもよい。
上記回転翼飛行体では、前記少なくとも一つのローターシステムがローター回転面内で回転し、前記翼ピッチ角制御装置およびモーターが、それらの間に前記ローター回転面が位置するように互いに間隔をあけて配置されているようにしてもよい。
上記回転翼飛行体では、前記第一ローターシステムが第一ピッチ角制御装置によって制御された可変ピッチ角ローター翼を備え、前記第二ローターシステムが第二ピッチ角制御装置によって制御された可変ピッチ角ローター翼を備え、前記第一モーターと第一ピッチ角制御装置は、それらの間に前記第一ローター回転面が位置するように互いに間隔をあけて配置され、前記第二モーターと第二ピッチ角制御装置は、それらの間に前記第二ローター回転面が位置するように互いに間隔をあけて配置されているようにしてもよい。
上記回転翼飛行体では、前記第一ピッチ角制御装置および第二ピッチ角制御装置は、前記第一および第二ローターシステムに接続されたスウォッシュプレート手段とサーボ手段とを備え、前記第一および第二ローターシステム間に軸方向に沿って配置されているようにしてもよい。
上記回転翼飛行体では、前記第一ピッチ角制御装置および第二ピッチ角制御装置は、共通のサーボアクチュエータおよびリンク機構のセットを共用するようにしてもよい。
上記回転翼飛行体では、前記第一モーターと第二モーターが、前記第一および第二ローター間に軸方向に沿って配置されているようにしてもよい。
上記回転翼飛行体では、前記第一ローターシステムおよび第二ローターシステムを接続する非回転構造背骨をさらに備え、電子制御信号がローター回転面の一方の側から該ローター回転面の反対側へ該非回転構造背骨を通って伝えられるようにしてもよい。
上記回転翼飛行体では、前記第一ローターシステムおよび第二ローターシステムを接続する非回転構造背骨をさらに備え、ローター回転面の一方の側にあるエネルギーモジュールからのエネルギーが前記ローター回転面の反対側にあるモーターへ該非回転構造背骨を通って伝えられるようにしてもよい。
また、本発明の他の態様は、縦方向の飛行体軸に沿って延びる非回転構造背骨を有するフレームと、該フレームに接続され、該飛行体軸の周りに回転するために前記構造背骨によって支持された第一および第二ローターシステムとを備える回転翼飛行体であって、該構造背骨は、少なくとも一つのローターシステムを通過し、該ローターシステムのローター流入側とローター流出側を接続する回転翼飛行体である。
上記回転翼飛行体は、中央路をさらに備え、該中央路は、電力ならびに制御信号を、前記ローターの流入側から流出側へ前記構造背骨を通って伝えるように構成されているようにしてもよい。
上記回転翼飛行体は、前記構造背骨に追加される電気システム部品をさらに備え、電力ならびに制御信号は、該電気システム部品へ、および該電気システム部品間で該構造背骨を通る前記中央路を介して伝えられるようにしてもよい。
上記回転翼飛行体は、前記構造背骨が通る孔を有するモジュール式の飛行体部品をさらに備え、電気部品を前記中央路へ接続するための電気コネクタが前記構造背骨の凹みに収容され、該飛行体の組立て又は分解中に電気コネクタを損傷することなく、該モジュール式の飛行体部品が該構造背骨の長さに沿って摺動可能であるようにしてもよい。
上記回転翼飛行体では、前記構造背骨は、断面が概ね円形であるようにしてもよい。
上記回転翼飛行体では、前記構造背骨は、断面が概ね十字形であるようにしてもよい。
上記回転翼飛行体では、前記構造背骨は、エポキシ接着された炭素繊維等の繊維強化プラスチック材料から作られているようにしてもよい。
また、本発明の他の態様は、フレームと、推進システムと、制御システムと、積載物とを有するUAVにおいて、弾薬作動装置(CAD)を用いて該UAVを発射管から発射する時に生じる発射荷重に耐えることができる手段であって、該UAVの縦方向軸に沿って延び、前記フレーム、推進システム、制御システムおよび積載物を支持する構造背骨を備える手段である。
また、本発明の他の態様は、ビデオカメラおよび遠隔測定システム等のセンサーを有する電気動力の回転翼UAVを弾薬に装着するステップと、目標地の近傍に該弾薬と該UAVとを送り届けるステップと、該UAVに、該目標地の近傍でホバリングし、該弾薬によって引き起こされた損害を観測するように指示するステップと、該UAVからの情報を、遠隔測定リンクを介して遠隔地に送信するステップとを含む弾薬損害評価方法である。
上記方法は、前記UAVを前記弾薬に取付けるステップと、前記UAVを前記弾薬によって目標地の近傍に送り届けるステップと、前記弾薬が該目標地に到達する前に前記弾薬から前記UAVを解放し、前記UAVが該目標地近傍において周回し前記弾薬によって引き起こされた損害を観測することを可能にするステップとをさらに含むようにしてもよい。
5 第二ローターシステム
20 第一ローター翼
22 第二ローター翼
40 フレーム
54 第一モーター
56 第一ピッチ角制御装置
57 第二ピッチ角制御装置
61 第二モーター
Claims (13)
- 回転翼飛行体であって、
中空の非回転構造背骨と、
前記非回転構造背骨に結合した第一ローターシステムであって、前記第一ローターシステムは、第一ローターハブに接続されて第一ローター軸受けにより回転軸の周りを回転するように支持された可変ピッチ角の第一ローター翼を含み、前記第一ローター軸受けは、前記第一ローター翼から軸方向に離間して第一の軸方向空間を形成する、第一ローターシステムと、
前記非回転構造背骨に結合した第二ローターシステムであって、前記第二ローターシステムは、第二ローターハブに接続されて第二ローター軸受けにより前記回転軸の周りを回転するように支持された第二ローター翼を含み、前記第二ローター軸受けは、前記第二ローター翼から軸方向に離間して第二の軸方向空間を形成する、第二ローターシステムと、
を備え、
前記第一ローターシステムは、サイクリックピッチ角をも制御する第一翼ピッチ角制御装置をさらに備え、前記第一翼ピッチ角制御装置は、前記第一軸方向空間の外に配置されている、
回転翼飛行体。 - 前記第一ローターハブは前記回転軸に沿って、前記第二ローターハブから軸方向に間隔をあけて配置される請求項1に記載の回転翼飛行体。
- 前記第二ローター翼は回転の制御をもする第二翼ピッチ角制御装置で制御されている可変ピッチ角ローター翼であり、前記第二翼ピッチ角制御装置は、前記第二軸方向空間の外に配置されている請求項1に記載の回転翼飛行体。
- 前記第一ローター翼を前記回転軸まわりに動かすために前記非回転構造背骨に固定された第一モーターをさらに含み、前記第一モーターと前記第一翼ピッチ角制御装置とが前記第一ローター翼の回転面を挟んで両側に配置される請求項3に記載の回転翼飛行体。
- 前記第二ローター翼を前記回転軸まわりに動かすために前記非回転構造背骨に固定された第二モーターをさらに含み、前記第二モーターと前記第二翼ピッチ角制御装置とが前記第二ローター翼の回転面を挟んだ両側に配置される請求項4に記載の回転翼飛行体。
- 前記第二ローター翼はサイクリックピッチ角を制御もする第二翼ピッチ角制御装置に制御された可変ピッチ角ローター翼である請求項1に記載の回転翼飛行体。
- 前記第一翼ピッチ角制御装置および前記第二翼ピッチ角制御装置は前記第一ローター翼の回転面と前記第二ローター翼の回転面との間に位置している請求項6に記載の回転翼飛行体。
- 前記第一ローター翼の回転面と前記第二ローター翼の回転面との間の前記非回転構造背骨に結合し、前記第一ローター翼の前記ピッチ角を制御すべく第一翼ピッチ角制御装置に接続したサーボアクチュエータをさらに含んでいる請求項1に記載の回転翼飛行体。
- 飛行制御コンピュータと電池と、飛行制御コンピュータまたは電池のいずれか一方から前記サーボアクチュエータへ電子信号を伝えるための配線をさらに含み、前記電気配線は前記非回転構造背骨内の導管路を配線されて前記第一翼ピッチ角制御装置または前記第二翼ピッチ角制御装のいずれか一方内を通る請求項8に記載の回転翼飛行体。
- 前記第一翼ピッチ角制御装置は前記非回転構造背骨に結合している請求項1に記載の回転翼飛行体。
- 前記第一翼ピッチ角制御装置は前記非回転構造背骨に結合している請求項6に記載の回転翼飛行体。
- 前記第二翼ピッチ角制御装置は前記非回転構造背骨に結合している請求項11に記載の回転翼飛行体。
- 飛行制御コンピュータ、電子飛行センサ、サーボアクチュエータ、または電池あるいはその他の電源のうちの一つを含んだ第一電気部品と、
飛行制御コンピュータ、電子飛行センサ、サーボアクチュエータ、または電池あるいはその他の電源のうちの一つを含んだ第二電気部品と、
前記第一電気部品と前記第二電気部品との間で電子信号を通すための電気配線とをさらに含み、
前記電気配線は前記非回転構造背骨内の導管路を通って前記第一翼ピッチ角制御装置または前記第二翼ピッチ角制御装のいずれか一方を介する請求項1に記載の回転翼飛行体。
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