JP6224234B2 - 垂直離着陸航空機 - Google Patents
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Description
。exが1の場合、接触点は、より大きなスピンさえ生じさせる反対方向の速度ではね返る。これらの係数は得るのが困難で、状況ごとに変わるが、一般的な取り組みを取ることを可能にし、一般に、多くの論点を作るために得る必要はない。
は、航空機の質量分布を表す無次元パラメータであり、いかなる大きさの従来の航空機に対してもおそらく0.3と0.5の間にある。Iは、質量中心203における、衝突面に垂直な軸周りの航空機の慣性モーメント、mは航空機の質量、r211は接触点P207と質量中心との間の距離、Δtは衝突の期間である。
従来の航空機では、保護構造体(もしあれば)は推進及び制御システムにしっかりと取り付けられている。従って、外部の物体との接触は、上記の式(3)によれば、トルク発生させ、従って推進システムを含む航空機全体を回転させる。これは、航空機が空中に安定して留まる能力に強い影響を与える場合がある。とういのは、推進システムはもはやほぼ上向きの力を発生せず、むしろ高度を失う間に航空機を横向きに動かすからである。しかしながら、ジンバル・システムで内側フレームを外側フレームから分離すれば、内側フレームは外側フレームの回転には影響されないままとなる。従って、外部の物体との接触が外側フレームを回転させても、内側フレーム及び推進システムは安定した姿勢を保つ。図5(a)及び5(b)は、外部の物体510との衝突の実例を示しており、図5(a)のジンバル・システムを有する航空機と図5(b)に示した従来の航空機との違いを示している。図5(a)及び5(b)は2次元の実例を示しているが、原理は、外側フレームのいずれの場所に接触する3次元でも同じである。
上述のように、本開示によるVTOLでは、外側フレームが障害物に接触したままになることができ、或いは障害物を外側フレームの下、横、又は上にあるようにすることができ、さらに、VTOLは障害物と接触したまま障害物に対して動くことができる。これを、本明細書では、「転動(rolling on it)」と記載する。図9を参照すると、内側フレーム903の姿勢は拘束されていないので、外側フレームが障害物とずっと接触を保っている間、内側フレームは、適切な揚力及び方向を維持するように外側フレーム901に対して動くことができる。これによって、航空機は、所望の方向への動きを制御し、接触を維持するために障害物の方向への制御力の成分を保つことによって障害物面を転動することができる。これは、複雑な軌道をなぞるような特別の制御の必要なしに、複雑な形状の障害物の周りを進むには特に有用である。図9及び10はこのような動きの実例を示す。
次に、図11(a)〜11(c)を参照すると、本開示によるシステムはまた、任意の姿勢からの離陸に有用である。すなわち、地上にあるとき、内側フレーム1103は、ジンバル・システム1102の機能として、外側フレーム1101の内部で容易に回転することができ、従って、メカニズムは、内側フレームを離陸に適切な姿勢に回転させることができる。質量中心がジンバルの回転軸の交点にあれば、内側フレームを(ジンバル・システムの摩擦に打ち勝つだけの)最小のトルクで所望の姿勢に回転することができる。内側フレームの制御システムは、典型的には、内側フレームを離陸姿勢に回転させるために使用することができる。
外側フレームは、外部の物体が内側フレーム又はジンバル・システムに接触することを防ぐべきであるが、典型的には空気流を妨害することによって、推進システムに大きな影響を与えてはならない。さらに、外側フレームは、軽量を保ったまま、壊れずに衝突エネルギーを吸収することができるべきであり、ジンバル・システム及び内側フレームを保護するのに十分剛性があるが、最大の接触力を低減するため、従って、システムの残りの部分への歪みを低減するために十分可撓性があるべきである。外側フレームの3つの異なった設計が図12(a)、12(b)、及び12(c)に示されている。
推進システムの大きさは、最小にすべきジンバル・システム及び外側フレームの大きさ、従って重量を決定するので、運搬する所与の積載量に対して、推進システムの最適な選択は一般に、面積に対する揚力の比を最良にすることである。典型的には、図1(c)及び(d)に示したような同軸構成が良好な面積に対する揚力の比を有する。
Claims (22)
- 内側フレーム、ジンバル・システム、及び外側フレームを備える垂直離着陸(VTOL)航空機であって、
前記内側フレームが推進システム及び制御システムを備え、前記推進システムが揚力を発生するように構成され、前記制御システムが前記内側フレームの姿勢を制御するように構成され、
前記ジンバル・システムが、前記内側フレームを前記外側フレームに接続して、少なくとも2つの回転軸によって、前記外側フレームとの間の回転自由度を可能にし、前記外側フレームが、前記内側フレームに対して独立して受動的に回転するように構成されるようになっており、
前記内側フレームが、実質的に各回転軸線上にある質量中心を有する、VTOL航空機。 - 前記少なくとも2つの回転軸が第1の回転軸と第2の回転軸を含み、前記第2の回転軸が前記第1の回転軸に実質的に垂直である、請求項1に記載のVTOL航空機。
- 前記少なくとも2つの回転軸が、第1の回転軸、第2の回転軸、及び第3の回転軸を含み、前記第2の回転軸が前記第1の回転軸に実質的に垂直であり、前記第3の回転軸が前記第2の回転軸に実質的に垂直である、請求項1に記載のVTOL航空機。
- 前記回転軸が交差している、請求項1に記載のVTOL航空機。
- 前記ジンバル・システムが、3つの回転軸、3対の回転ジョイント、及び2つのジンバルを備え、第1の回転軸が第1の対の回転ジョイントによって生成され、前記第1の対の回転ジョイントのそれぞれが、前記内側フレームの両側及び第1のジンバルの両側に互いに位置合わせされて固定され、第2の回転軸が第2の対の回転ジョイントによって生成され、前記第2の回転軸が前記第1の回転軸に垂直になるように、前記第2の対の回転ジョイントのそれぞれが、前記第1のジンバルの両側及び第2のジンバルの両側に位置合わせされて固定され、第3の回転軸が第3の対の回転ジョイントによって生成され、前記第3の回転軸が前記第2の回転軸に垂直になるように、前記第3の対の回転ジョイントのそれぞれが、前記第2のジンバルの両側及び前記外側フレームの両側に位置合わせされて固定され、前記第1の対の回転ジョイント、前記第2の対の回転ジョイント、及び前記第3の対の回転ジョイントのそれぞれによって、前記第1の対の回転ジョイント及び前記第2の対の回転ジョイントに取り付けられた部品が完全に回転することができる、請求項1に記載のVTOL航空機。
- 前記外側フレームが梁からなり、前記梁が互いに接続されて、各梁が球状多面体又は切頂20面体の縁を画定するように配置される、請求項1に記載のVTOL航空機。
- 前記外側フレームが、剛性のある構造体及び弾性のある緩衝体からなり、少なくとも3つの可撓性のある梁を含む前記弾性のある緩衝体が、前記剛性のある構造体の少なくとも3つの異なる点に固定され、各可撓性のある梁が、一端でピボット・ジョイントによって前記剛性のある構造体に固定され、他端でピボット・ジョイントによって他の可撓性のある梁に接続され、その結果、前記可撓性のある梁がピラミッド形状を描く、請求項1に記載のVTOL航空機。
- 前記外側フレームが姿勢センサを有して構成される、請求項1に記載のVTOL航空機。
- 前記内側フレームに対して独立して受動的に回転することに加えて、前記外側フレームが、1つ又は複数のアクチュエータを使用して、前記内側フレームに対して所望の姿勢に能動的に回転するようにさらに構成されている、請求項1に記載のVTOL航空機。
- 前記姿勢センサを使用して、前記外側フレームの姿勢を任意の所望の姿勢に制御する、請求項8に記載のVTOL航空機。
- 前記1つ又は複数のアクチュエータが、前記外側フレームの姿勢を任意の所望の姿勢に制御するように構成される、請求項9に記載のVTOL航空機。
- 磁石をさらに備え、前記内側フレームに対する前記外側フレームの姿勢が前記磁石によって影響を受け、前記磁石が、前記外側フレーム及び前記内側フレームが互いに接近したときに互いを吸引する、又は反発するように、前記外側フレーム及び前記内側フレームに配置される、請求項1に記載のVTOL航空機。
- 前記ジンバル・システムの少なくとも1つの回転軸が、別の回転軸と位置が合わないようにする能動制御を使って前記外側フレームの姿勢が設定される、請求項1に記載のVTOL航空機。
- 前記外側フレームが三角形構造体及びクリップからなり、個々の三角形構造体が、前記外側フレームを形成するように組み立てられるように構成される部分組立体に予め組み立てられる、請求項1に記載のVTOL航空機。
- 垂直離着陸(VTOL)航空機であって、
推進システム及び制御システムを備える内側フレームであって、前記推進システムが揚力を発生するように構成され、前記制御システムが前記内側フレームの姿勢を制御するように構成される、内側フレームと、
ジンバル・システムであって、前記内側フレームを外側フレームに接続して、少なくとも2つの回転軸によって、前記外側フレームが前記内側フレームから独立して回転する回転自由度を可能にし、実質的に各回転軸線上にある質量中心を前記内側フレームが有し、前記ジンバル・システムが回転ジョイントを有する、ジンバル・システムと、
前記外側フレームが、前記垂直離着陸航空機の飛行中に前記内側フレーム及びジンバル・システムを保護するように構成された剛性のある構造体及び複数の梁からなり、前記外側フレームが前記内側フレーム及びジンバル・システムの周りを受動的且つ自由に回転するように、前記ジンバル・システムの回転ジョイントと位置合わせ及び係合された固定点を有して構成される前記外側フレームと、
を備える、垂直離着陸(VTOL)航空機。 - 前記ジンバル・システムが、3つの回転軸、3対の回転ジョイント、及び2つのジンバルを備え、第1の回転軸が第1の対の回転ジョイントによって生成され、前記第1の対の回転ジョイントのそれぞれが、前記内側フレームの両側及び第1のジンバルの両側に、互いに位置合わせされて固定され、第2の回転軸が第2の対の回転ジョイントによって生成され、前記第2の回転軸が前記第1の回転軸に垂直になるように、前記第2の対の回転ジョイントのそれぞれが、前記第1のジンバルの両側及び第2のジンバルの両側に位置合わせされて固定され、第3の回転軸が第3の対の回転ジョイントによって生成され、前記第3の回転軸が前記第2の回転軸に垂直になるように、前記第3の対の回転ジョイントのそれぞれが、前記第2のジンバルの両側及び前記外側フレームの両側に位置合わせされて固定され、前記第1の対の回転ジョイント、前記第2の対の回転ジョイント、及び前記第3の対の回転ジョイントのそれぞれによって、前記第1の対の回転ジョイント、前記第2の対の回転ジョイント、及び前記第3の対の回転ジョイントに取り付けられた部品が完全に回転することができる、請求項15に記載のVTOL航空機。
- 1つ又は複数のアクチュエータを使用して、前記外側フレームの姿勢を任意の所望の姿勢に制御する、請求項15に記載のVTOL航空機。
- 垂直離着陸(VTOL)航空機であって、
推進システム及び制御システムを備える内側フレームであって、前記推進システムが揚力を発生するように構成され、前記制御システムが前記内側フレームの姿勢を制御するように構成される、内側フレームと、
垂直離着陸航空機の飛行中に前記内側フレームを保護するように構成された剛性のある構造体及び複数の梁からなる外側フレームであって、前記内側フレームの周りを受動的且つ自由に回転するように構成される、外側フレームと、
前記外側フレームの内部にあり、前記外側フレームによって保護され、前記内側フレームを前記外側フレームに接続するジンバル・システムとを備え、前記ジンバル・システムが、第1のジンバル、及び第1の対の回転ジョイントによって生成された第1の回転軸であって、前記第1の対の回転ジョイントのそれぞれが、前記内側フレームの両側及び前記第1のジンバルの両側に互いに位置合わせされて固定される、第1の回転軸と、第2のジンバル、及び第2の対の回転ジョイントによって生成された第2の回転軸であって、前記第2の対の回転ジョイントのそれぞれが、前記第2の回転軸が前記第1の回転軸に垂直になるように、前記第1のジンバルの両側及び前記第2のジンバルの両側に位置合わせされて固定される、第2の回転軸とを備え、前記第1の対の回転ジョイント及び前記第2の対の回転ジョイントのそれぞれによって、前記第1の対の回転ジョイント及び前記第2の対の回転ジョイントに取り付けられた部品が完全に回転することができる、垂直離着陸(VTOL)航空機。 - 前記内側フレームが、実質的に各回転軸線上にある質量中心を有し、前記外側フレームの姿勢が、前記ジンバル・システムの回転軸が別の回転軸と位置が合わないように能動制御される、請求項18に記載のVTOL航空機。
- 前記外側フレームが三角形構造体からなり、個々の三角形構造体が、前記外側フレームを形成するように組み立てられるように構成される部分組立体に予め組み立てられる、請求項18に記載のVTOL航空機。
- 前記外側フレームが、前記垂直離着陸航空機の飛行中の衝突に対して前記内側フレームを保護するように構成された複数の梁を含み、前記外側フレームは、前記内側フレームの回りを自由に回転するように構成されている、請求項1に記載のVTOL航空機。
- 前記外側フレームが、揚力を発生させない、請求項1に記載のVTOL航空機。
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