JP5728688B2 - 垂直離着陸飛行機 - Google Patents

Description

本発明は、胴体に主翼と尾翼と垂直尾翼を供えた、一般的な構造の飛行機を、垂直に離着陸させる為の装置、又は、極めて短い滑走路で離陸させる為の技術に関する。特に、偵察や観測などに利用される、無線操縦の無人飛行機には、最適な技術である。

実用化された垂直離着陸機としては、マクドネル・ダグラス社のハリアーが周知であり、ＡＶ−８Ｂ型は、現在でもアメリカ海兵隊で活躍している。しかし、ハリアーの構造では、自重を上まわる推進力を発揮できる、超強力なジェットエンジンが必要で、また、その推進力を受け止める為の頑強な機体構造が求められ、製造コストも膨大な為、主として軍事用としてのみ、実用化されてきた。さらにその構造から、実用化には、複雑で高度な航空力学的計算が必要だった。
即ち、実用化された垂直離着飛行機の技術はハリアーのみであり、複雑な計算が不要で、経済的かつ実用的な垂直離着陸飛行機の技術は存在しなかった。その為、無線操縦による活火山の観測などには、もっぱら無人ヘリコプターが活用されてきた。しかし、ヘリコプターは操縦が難しく、水平飛行速度や燃費性能が飛行機に劣り、結局の所、利便性が悪かった。

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広い滑走路を必要とせず、ヘリコプター並みの垂直離着陸性能を有し、一般的な飛行機とほぼ同等の水平飛行性能と航続距離を確保し、構造がシンプルで、複雑で高度な航空力学的計算を必要とせず、経済的で実用化が可能な、垂直離着陸飛行機の技術が求められている。即ち、筒状の胴体に、主翼・水平尾翼・垂直尾翼を備え、固定翼による水平飛行が可能な、一般的な飛行機の形態から大きく逸脱しない形態・構成で、垂直離着陸又は、超短距離離着陸を可能とする技術が求められている。
また、機体の重量を上まわる推進力を発揮する、強力な動力源を用いなくても、極めて狭いスペースから離陸可能で、なおかつ、超低速飛行が可能な、経済的で実用性の高い飛行機の技術が求められており、無線操縦の無人飛行機だけでは無く、有人実用飛行機にも採用可能な技術も求められている。以上の要求機能を全て満足する事が、本発明の課題である。

課題を解決する為、以下の様に装置する。
１，主翼と尾翼と垂直尾翼を有する一般的な飛行機の構造に対して、主翼を、前主翼と後主翼の２つとし、それぞれの主翼に、左右一対の推進用プロペラを装置する。
２，前後の主翼を、略水平から略垂直まで、段階的に可変させる事で、離着陸時は、合計４個のプロペラを上向きとし、ヘリコプターの様に、安定した垂直上下動を可能にする。
３，前主翼及び、前主翼の推進用プロペラによる乱気流で、後主翼の空力性能が低下するのを防ぐ為、後主翼のプロペラは、前主翼のプロペラに対して、真後からずらす。
４，主翼の、厚さが最も厚い位置に回転軸を備え、この回転軸は、胴体を貫いて左右の主翼を連結する。

本発明によれば、高度で複雑な航空力学的計算を必要とせずに、模型飛行機や有人実用飛行機を、垂直離着陸飛行機に改良する事が可能で、産業の発展に大きく寄与できる。
既存の技術で垂直に離着陸させる為には、機体の重量を持ち上げる為の強大な推進力を発揮する動力源が必要となるが、本発明であれば、例えば主翼の迎角を４５度にする事で、一般の飛行機と同程度の出力の動力源でも、ほとんど滑走路での滑走を必要とせずに、離陸できる。また、水平飛行性能は一般的な飛行機とほぼ同等の為、例えば農薬散布用の無線操縦機に採用すれば、限られたスペースから離陸し、素早く作業現場まで飛行し、散布作業時は、農作物の上空を極低速で移動しながら農薬散布を行うなど、飛行機とヘリコプターの両方の長所を備えた航空機として、極めて利便性・実用性が高く、産業の発展に大きく寄与できる。

本発明の、平面図であり、前後２つの主翼と、各一対の推進用プロペラを装備した、飛行機である。 本発明の、左側面図であり、前主翼の部分のみを記載し、それ以外を省略してある。水平飛行状態の、主翼の取り付け角度（迎角）を表しており、後主翼も同様に表れる。 本発明の、左側面図であり、前主翼の部分のみを記載し、それ以外を省略してある。垂直離着陸状態の、主翼の取り付け角度（迎角）を表しており、後主翼も同様に表れる。 本発明の平面図で、動力用モーターとプロペラを駆動する装置を表す。前主翼のみを記載してあり、後主翼も、同様に表れる。 本発明の断面図で、胴体の内部に装置された主翼の角度を可変させるモーターと、駆動機構を表す。後主翼についても、同様に表れる。 本発明の左側面図で、水平飛行の際、後主翼の推進用プロペラを折りたたんだ状態を表す。

以下、本発明を実施するための形態の一例を、図を使用して説明する。

図１に記載の通り本発明は、胴体１に水平尾翼４と垂直尾翼５と主翼を供えた一般的な飛行機に対して、前主翼２と、後主翼３の、２つの主翼を有する事で、垂直離着陸を可能にしている。前主翼２には、左右一対の推進用プロペラ６を備え、後主翼３には、同様に一対の推進用プロペラ７を備える。プロペラを駆動する動力は、各プロペラに直結された、モーター８及び９から得る。また、前後の主翼は、胴体１を貫通し、回転自在に軸受けで保持された回転軸１０に取り付けられている。
図２は、前主翼２の部分側面図である。回転軸１０は、翼断面形状の最も厚さの大きい部分、即ち、上下寸法が最大となる部分で主翼に挿入され、一体で回転する様に主翼に固定されている。水平飛行の状態では、主翼の取り付け角度、即ち翼の迎角は、略０度に保持される。
図３は、前主翼２の部分側面図を表す。垂直離着陸（垂直上昇及び垂直下降）の際は、回転軸１０を回転させ、主翼の取り付け角度を約９０度とし、上向きの推進力を得る。この結果、４つのプロペラの推力によって垂直に上昇と下降が可能となり、また、４つのプロペラによって、機体のバランスを崩す事も無い。主翼の取り付け角度は、水平飛行の状態である約０度から、垂直離着陸時用の約９０度まで、段階的に可変する様に装置する事で、制御が簡単になる。また、段階的な制御であれば、各段階の状態で、機械的に回転をロックする事が可能となり、角度を可変させる為のモーターへの負担を軽減する事が可能となる。

また、推進用プロペラの角度を約９０度として垂直に上昇する為には、機体の重量を超える推力を有する強力な動力源が必要となる。そこで、推進用プロペラの角度を約４５度に保持すれば、発進直後は水平に滑走するものの、主翼の迎角による揚力と、斜め上向きの推進力によって、機体は瞬時に上昇を開始する。つまり、本発明によれば、特に強力な動力源を使用しなくても、極々短い滑走路で離陸する事が可能となり、実用的で、経済的で、極めて利便性が高い。

この様に、本発明によれば、特殊な強度計算や、高度な航空力学的計算を必要とせず、一般的な飛行機と、ほぼ同等の水平飛行性能を有しながら、安定して垂直離着陸を可能とする飛行機を、低コストで得る事が可能で、広く産業の発展に寄与する事ができる。
以上が、本発明の請求項１に記載された内容の一例である。

図１は、４個のモーターの駆動軸に、各プロペラの回転軸を直結して駆動する構成であるが、これでは、重量が増加し、模型飛行機などに採用する事が難しくなる。
図２は、前主翼２の部分上面図であり、胴体内に装置したモーター１１に、プーリー１３を取り付け、ベルト１４を介して、左右一対のプロペラ６の回転軸に取り付けた、プーリー１２を駆動する。この構成により、駆動用モーターの数を、４個から２個に減らす事が可能で、機体全体の軽量化を図る事ができる。以上が、本発明の請求項２に記載された内容の一例である。

図５は、前主翼２の部分断面図であり、機体の左側からの視図を表す。各主翼の角度（迎角）を可変させる為の回転軸１０は、胴体１を水平に貫通し、図には記載されていない軸受けにて、回転自在に保持される。
回転軸１０には、プーリー１８が取り付けられ、胴体１の内部に装置された、モーター１５の回転軸に取り付けたプーリー１７とは、ベルト１６で連結されている。この構成により、モーター１５の回転駆動力が、回転軸１０に伝わり、各主翼の取り付け角度（迎角）を可変できる。
但し、上記の構成だけでは、長時間の水平飛行時に、ベルトとプーリーとのスリップなどによって、主翼の取り付け角度が微妙に変わってしまうとの問題が発生する。そこで、所定の角度の状態で、図には記載されていないロックピンを回転部に挿入し、機械的に回転軸１０の回転をロックすれば良く、回転軸に摩擦材を押し付け、摩擦力でブレーキを掛けても良い。尚、ロックピンは、主翼の角度を可変する可動部と、胴体側の非可動部を合せて貫通すれば、どの様な形状でも機能を果たす事が可能で、遠隔操作によるピンの抜き差しをすれば、操作性が高まる。

また、模型飛行機などでは、図３に記載の通り、回転軸に設けたステー２１と、胴体１の内部に設けたフック１９とを、引張りスプリング２０で連結しても良い。この構成であれば、水平飛行時はスプリングの付勢力によって、各主翼の取り付け角度は常に約０度に保持され、空気抵抗などの外力によって、角度が多少変わってしまっても、自動的に約０度に復帰する。さらに、垂直離着陸時は、モーター１５の駆動力によって各主翼の角度を、約０度から約９０度まで可変させるが、モーター１５への電源供給を停止すれば、自動的に約０度に戻る為、制御も極めて簡単になる。以上が、本発明の請求項３に記載された内容の一例である。

一般的な飛行機に対して、前後２つの主翼を有する場合、課題となるのが、水平飛行時に前主翼２及び、プロペラ６が発生させる乱気流による、後主翼３とプロペラ７の、空力性能の低下である。そこで本発明では、図１に記載の通り、後主翼３に装置した推進用プロペラ７を、前主翼２に装置した推進用プロペラ６の真後ろから左右にずらし、また、図６に記載の通り、後主翼３の高さを、前主翼２の真後ろから上下にずらす事で、乱気流の影響を最小限に抑えている。
以上が、本発明の請求項４に記載された内容の一例である。

本発明を実用化する為には、さらに空力性能を向上させ、燃料消費量を抑え、また、利便性を高める必要が有る。そこで、後主翼３に装置された推進プロペラ７を回転軸にピン結合し、駆動力を受けて回転している時は遠心力でプロペラが広がり、図１の状態になる様に構成する。モーターの回転を止めると、図６に記載の通り、自動的にプロペラ２２の状態に折りたたまれる。
この構成ならば、水平飛行時は後主翼３に装置したプロペラ７を停止させても、空気抵抗を軽減できるので、前主翼２に装置した２つのプロペラ６だけで巡航する事が可能となり、長距離航行時の燃料消費量を減らす事ができる。また、プロペラを折りたたまなくても、ピッチ（ねじれ角）を進行方向に対して０度に制御すれば、同様に、回転停止時の空気抵抗を減らす事ができる。

尚、本発明は、主翼の角度を可変させて垂直離着陸を可能にしている為、主翼を利用して着陸時に、安定して静止する事ができる。図２に記載された通り、各主翼の左右それぞれ１ヶ所の後端部２３に、接地用の脚を設けておけば、図３の状態では４個の脚が地面と接する事になり、安定して静止する事が可能となる。４個の脚は図示していないが、地面に接するだけなので、例えば模型飛行機であれば、小さなゴムの突起を４個取り付けておくだけでも十分に要求機能を満足する事が可能で、主翼の空力性能への影響も最小限となる。
以上が、本発明の請求項５に記載された内容の一例である。

本発明によれば、高度で複雑な航空力学的な計算や、特段に強力な動力源を必要とせず、また、水平飛行性能も確保された、経済的な垂直離着陸飛行機を製造する事が可能となる。
特に、無線操縦による無人飛行機の分野では、滑走路が不要で利便性が高く、有人機では危険な火山の調査や、狭い農地への農薬散布などへの活用が期待できる。

１、本発明である垂直離着陸飛行機の、胴体
２、前主翼
３、後主翼
４、一般的な飛行機と同構造の、水平尾翼
５、一般的な飛行機と同構造の、垂直尾翼
６、前主翼に左右一対で装置された、推進用プロペラ
７、後主翼に左右一対で装置された、推進用プロペラ
８、前主翼の推進用プロペラを回転させる、モーター
９、後主翼の推進用プロペラを回転させる、モーター
１０、主翼の角度（迎角）を可変させる、回転軸
１１、左右のプロペラを同時に回転させる為の、モーター
１２、プロペラの回転軸に設けられた、プーリー
１３、推進用モーターの回転軸に設けられた、プーリー
１４、プロペラの回転軸を駆動させる為の、ベルト
１５、主翼の角度を可変させる為の、モーター
１６、主翼の回転軸を回転させる為の、ベルト
１７、主翼の角度可変用モーターの回転軸に設けられた、プーリー
１８、主翼の角度を可変させる回転軸に設けられた、プーリー
１９、胴体に固定され、引っ張りスプリングの端部を引っ掛ける、フック
２０、引っ張りスプリング
２１、主翼の角度を可変させる回転軸に設けられた、ステー
２２、折りたたまれた状態の、推進用プロペラ
２３、垂直着陸（着地）時用の脚を取り付ける、主翼の後端部

Claims (4)

1. 略円筒状、又は細長い筒状、又は細長い棒状、又は板状の胴体に、前主翼・後主翼・水平尾翼・及び垂直尾翼を備え、各主翼に、それぞれ左右一対の推進用プロペラを装置し、各主翼の取り付け角度、即ち迎角を、水平飛行状態の進行方向に対して、略平行から略垂直まで、段階的に変更可能に装置した垂直離着陸飛行機において、動力源のエンジンや電動モーターでプロペラを駆動する際、トラブル等により、４個のプロペラの動力源の内、１個が停止した場合、同時に対角線上の動力源、又は同じ主翼上の動力源を停止させ、バランスを取る制御を行う事を特徴とする、垂直離着陸飛行機。
2. 各主翼の、進行方向に対する取り付け角度、即ち迎角を可変する装置は、以下のいずれかである事を特徴とする、請求項１に記載の、垂直離着陸飛行機。
   １，主翼又は回転軸と、胴体とをスプリングで連結し、モーターによる駆動力が加わっ ていない場合、主翼の迎角は、スプリングの付勢力によって所定の角度に保持され る。
   ２，回転軸の断面形状は、胴体内の軸受け部分及びその近傍では円形であり、主翼の内 側では、全体又は部分的に、多角形やＨ型の異形断面とし、回転軸と主翼とが、滑 らずに一体で回転する様に構成した。尚、円形断面の回転軸に、ピンを貫通させる など、別の部品を取付ける事で主翼との滑りを止める構成や、回転軸を折り曲げる 事で、主翼との滑りを止める構成や、回転軸の表面を粗面にする構成も含む。
3. 胴体、各翼、及びプロペラの配置は、略左右対称とし、以下の全て、又はいずれかの特徴を有する、請求項１又は２のいずれかに記載の、垂直離着陸飛行機。尚、以下に記載の上下方向は、機体が地面に対して平行に進行している状態、即ち、水平飛行状態における上下方向を指す。
   １，前主翼のプロペラの回転軸を、後に延長した仮想直線に対して、後主翼のプロペラ の回転軸の位置を、プロペラの直径寸法の範囲内で、左右方向にずらした。
   ２，後主翼の幅寸法を、前主翼の幅寸法に対して、プロペラの直径寸法の範囲内で、大 きくした、又は小さくした。
   ３，胴体を双胴とした。尚、双胴とは、前部のみや後部のみなど、機体の一部分だけを 一般的な単胴とし、残りの部分を双胴とした構成も含む。
4. 以下の全て、又はいずれかの特徴を有する、請求項１から３のいずれかに記載の、垂直離着陸飛行機。
   １，少なくとも後主翼に装置した推進用プロペラのピッチを、無駆動時は０として、進 行方向からの風による空気抵抗を軽減する様に構成した。
   ２，少なくとも後主翼に装置した推進用プロペラは、その回転軸にピン結合され、回転 停止時は、プロペラが折りたたまれ、駆動力を受けて回転すると、遠心力によって プロペラが所定の形状に広がる様に構成した。尚、プロペラと回転軸を弾性部材で 連結し、駆動力を受けていない時は、折りたたまれた状態で保持される構成も含む 。
   ３，有人飛行機において、操縦席の床に、真下を直視可能な窓を設けた。

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