JP6357618B2

JP6357618B2 - 可変ピッチ回転翼の電動駆動・操縦装置

Info

Publication number: JP6357618B2
Application number: JP2016010143A
Authority: JP
Inventors: 栄之守田
Original assignee: 守田 ▲栄▼之
Priority date: 2016-01-04
Filing date: 2016-01-04
Publication date: 2018-07-18
Anticipated expiration: 2036-01-04
Also published as: JP2017121925A

Description

発明の詳細な説明

電動ヘリコプターとして垂直離着陸または必要に応じてホ―バリングすると共に、別個備える内燃機関駆動のプロペラ等の推進機により上空でジャイロプレーンとして同一の回転翼で飛行する飛行モード転換回転翼機と、機内にエンジン発電機を備え、その電力で飛行するシリーズ・ハイブリッド・ヘリコプタ、並びに模型ヘリコプター等の様な比較的消費電力の小さい飛行目的の場合はバッテリーのみに依る電動ヘリコプターに関する。

ジィロプレーンは回転翼を別個備えるエンジン・プロペラで前進・対抗風により風車の様に自転させるもので回転翼ヘッド部分の構造は極めて簡単で、初期価格・維持費とも安価であるが、滑走離着陸しなければならない。一方通常のエンジンヘリコプターは回転翼をエンジンで駆動し，且つ回転翼面を傾けて操縦する為、回転翼ヘッド周りの構造が極めて複雑で初期価格・維持費とも高価であるが垂直離着陸の能力がある。

電動機駆動の回転翼系では駆動も操縦も以下に述べる如く極めて簡単になるが、現用電池のエネルギー密度は内燃機関で使用するガソリン等の化石燃料のエネルギー密度と比較すると遥かに小さく、従って電動ヘリコプターで上空飛行を長時間する事は模型ヘリコプターは別とし、現在では困難である。そこで電動ヘリコプターとしては離着陸あるいは上空ホバーリングのみに限り、上空での水平飛行は同一回転翼を用いてジャイプレーンとして別個備えるガソリンエンジン、ガスタービン等の化石燃料の内燃機関駆動のプロペラ等の推進機で飛行する事で長時間の飛行を可能とする。この様にハイブリッド型・飛行モード転換により長時間飛行を可能とすると共に滑走路を不要とする（以下、転換機コンセプトと称する）。上記コンセプトとは異にするが機内に発電装置を搭載し、この電源で電動ヘリコプターとする事も対策手段もある（以下、ハイブリッドヘリ・コンセプトと称す）。又、模型ヘリコプターの様な比較的消費電力の小さい飛行目的に対してはバッテリーのみの電動ヘリコプターも考えられる。

文献

特許文献

関連の文献としては知る限りでは特許第４７４２３９０号とそれに記載の非特許等の文献のみである。

発明が解決しようとする課題１
滑走路が不要で初期費用、維持費とも安価で且つ、長時間飛行可能な回転翼航空機の開発。

発明が解決しようとする課題２
課題１を実現する為の駆動・操縦が可能で且つ安価な回転翼システムの開発。

発明が解決しようとする課題３
ヘリコプター飛行モードでの回転翼ピッチは正で、ジャイロプレーン飛行モードでのそれは零又は弱い負の値でなければならない。課題１を実現する為には両飛行モードを使用する為にコレクティブ・ピッチの精密、且つ簡単な制御機構が必須である。又ハイブリッドヘリ・コンセプトでもコレクティブ・ピッチ機能は上昇・下降などに有用である。

発明が解決しようとする課題４
課題１を実現する為には転換機コンセプトに於いてはジャイロプレーン飛行モード時に回転翼面を多少後傾させて上空での水平飛行が出来なければならない。ヘリコプター飛行モード、ジャイロプレ―ン飛行モード共に安定して操縦可能な機構が不可欠である。

発明が解決しようとする課題５
課題１を実現する為に転換機コンセプトに於いてはジィロプレーンとして上空水平飛行する為のヨ―方向安定性・制御性を確保すると共にヘリコプター垂直離着陸時の回転翼慣性の反作用による機体回転を防止する為の所謂、アンチ・トルク装置が必須で且つ両飛行モードでの対応を兼ねる装置が必要である。

発明が解決しようとする課題６
課題１を実現する為にハイブリッドヘリ・コンセプトでは機内に内燃機関・発電機を搭載して化石燃料の続く限り飛行出来るシリーズ・ハイブリッド・ヘリコプターの手法を対策手段として選択する。

課題を解決する為の手段

課題を解決する為の手段１
機体に保持される二自由度ジンバルの内側ジンバルであるロールジンバル上に回転翼駆動の電動機を設置し、又そのロールジンバル上に垂直に固定された中空の非回転軸にベアリングで保持された最終減速大歯車を取り付け、その上に別個のベアリングで保持されるフリーホイール、そのフリーホイール上にフラッピング装置、可変ピッチ機構、回転翼などを取り付け、回転翼駆動の電動機で回転されるピニオンギヤで最終減速大歯車を駆動し、外側ジンバルである縦方向ジンバルと共に、これら全体を縦方向、ロール方向、またはそれらの合成方向へ動力駆動又は人力駆動により縦方向操縦金具、ロール方向操縦金具を押し引きし自由に回転翼面を傾ける事で駆動と操縦を同時に行える様にすると同時に、これら回転部分を支えるロールジンバルに取付けられたコレクティブ・ピッチ制御用電動機により非回転軸の中を通るピッチ制御軸でピッチ制御スライダーを上下する事により回転翼のピッチを変化させる機構を備える事を特徴とする可変ピッチ回転翼の電動駆動・操縦装置。

課題を解決する為の手段２
上記の可変ピッチ回転翼の電動駆動・操縦装置を用いてヘリコプター・モード飛行では回転翼面を水平状態で電動ヘリコプターとして垂直離着陸又は必要に応じてホ―バリングをすると共に、上空飛行ではこの回転翼面を水平状態より多少後傾させ、必要時には再び水平状態に戻せると言う回転翼面後傾・回復機能、即ち縦ジンバルと機体構造物との間の長さを電動スクリュウジャッキ等の回転翼面後傾・回復装置で調整し後傾と回復を実現するか、又は縦方向操縦装置を動力化しこれ自体に後傾バイアスを与える事で実現するかの何れかで、両者共縦方向操縦とは独立して制御でき、この支点と縦方向操縦装置及び縦ジンバル左右のピッチピンと合わせての３ないし４点で縦ジンバルを回転翼面水平位置または後傾位置で支え、別個設ける内燃機関駆動のプロペラ等の推進機により上空でジャイロプレーンとして同一回転翼での揚力、更に必要ならば固定翼の揚力も加えて水平飛行する事を特徴とする請求項１の可変ピッチ回転翼の電動駆動・操縦装置を備える縦ジンバルを用いた後傾・回復機能付きのハイブッド型飛行モード転換回転翼機。

課題を解決する為の手段３
機内に化石燃料によるエンジン駆動の発電機を搭載し、電力制御装置を介して上記請求項１記載の可変ピッチ回転翼の電動駆動・操縦装置に供給する事を特徴とするシリーズ・ハイブリッドヘリコプター。

課題を解決する為の手段４
模型ヘリコプターなどの様な比較的消費電力の小さい用途に関してはバッテリーのみを電力源とする上記請求項１記載の可変ピッチ回転翼の電動駆動・操縦装置を用いた事を特徴とする電動ヘリコプター。

課題を解決する為の手段５
回転翼機の垂直尾翼の一部によって、又は逆Ｖ字型尾翼の左右何れかの翼の一部を用いて回転翼降下風の反射によって回転翼の回転慣性による機体回転を防止し任意のアジマス角を実現する事を特徴とするアンチトルク装置。

発明の効果

発明の効果１
二自由度ジンバル上に回転翼駆動系を電動式で全て備えるので薄い平面的な駆動・操縦系統が極めて簡単に構築可能で回転翼面自体を任意方向に傾け操縦出来るので、一般のヘリコプターで採用されている様なサイクリック・ピッチ制御と称される駆動軸は機体に常に垂直で回転翼面のみを該当方向に傾けると言う極めて複雑な機構が不要で、且つ電動駆動であるので動作が確実であり、フリーホイールにより回転翼の電動駆動から水平飛行の対抗風による自転への転換も容易である。又、シリーズ・ハイブリッドヘリコプターに於いてはフリーホイールによるオートローテイション機能として適当である。

発明の効果２
上記の駆動・操縦系に付属した型でのコレクティブ・ピッチ制御機構が簡単に実現でき、ヘリコプターとジャイロ・プレーンの両飛行モードを確実、容易に実現できる。又、シリーズ・ハイブリッドヘリコプターに於いては本機能で上昇・降下の操縦が容易である。

発明の効果３
回転翼降下風の反射力をアンチ・トルク装置として垂直尾翼安定板の一部や逆Ｖ字型尾翼の一部を用いる事で両飛行モードやシリーズ・ハイブリッドヘリコプターに対応出来、且つテールロータと言う回転部が無いので安全である。

発明の効果４
機内搭載のエンジン・発電機により燃料が続く限り長時間の飛行が可能であると共に二自由度ジンバル上の電動駆動・操縦方式であるので回転翼周りの簡素化は失われておらず、従ってシリーズ・ハイブリッドヘリコプターとしても課題１の目的は達成される。
現用の模型ヘリコプターはサイクリック・ピッチ制御方式、且つ固定ピッチ方式が大部分で、これに対して本出願の可変ピッチ回転翼の電動駆動・操縦装置は優位性が大きい。

図１を使って説明する。図１は二自由度ジンバル上に取り付けられる回転翼駆動部及び回転翼ピッチ制御部を示す。図の下半分は縦方向ジンバル２５より上の回転翼駆動部・ピッチ制御部の側面図である。図の最下部に示す縦方向ジンバル２５はピッチピン２４で以て後に図３に示す様に機体構造物３２に取り付けられ縦方向操縦金具２１を電動スクリュウジャッキ等の動力駆動、又は直接人力により縦方向の操縦を行う。その上に取り付けられたロールジンバル２２はロール方向操縦金具２８で同様にロール方向の制御を司る。図１の上部は二自由度ジンバル部を除くその平面図である。

図１側面図の様にロールジンバル２２の中央には中空の非回転軸１９が固定されており、それに最終減速大歯車１がベアリングで取り付けられ、回転翼の駆動電動機２０によりピニオンギヤ１８経由で駆動される。この最終減速大歯車１の上にはフリーホイール２、又はワンウエイ・クラッチと称される装置が別個のベアリングで非回転軸１９に取り付けられており、最終減速大歯車１の回転速度がフリーホイール２より早い場合、フリーホイール２は最終減速大歯車１で駆動されるが逆の場合はフリーになって自由回転する。これは丁度自転車の足踏みクランクと後輪の関係と同じである。フリーホイール２の上には上の平面図にも示す様にフラッピング用のシ―ソ架台１１が取り付けられて居てティターボルト１２でスピンドルボス９に保持されたスピンドル８がグリップ５にラグボルト７で取り付けられている回転翼１０を駆動する。従って回転翼駆動電動機２０の出力を増減し、縦方向、ロール方向の操縦を行う事でヘリコプタ飛行モードでの垂直離着陸、又はホ―バリング飛行が可能である。更にフリ−ホイールの機能で回転翼を自由回転させ、容易にジャイロ・プレーン飛行モードへの飛行モード転換を実現出来る。ここでは図と説明の簡単化の為のシ―ソ型の二枚翅の回転翼の例で示したが本方式は多翅の回転翼系でも適応できる。

次にコレクティブピッチ制御について説明する。図１下の側面図に示す様にロールジンバル２２の下部中央にはピッチ制御電動機２３が取り付けられて居りこれが中空の非回転軸１９の中を通っているピッチ制御軸１７を回転させる。このピッチ制御軸１７の上部にピッチ制御ネジ部１４があり、スライダー・インナースリーブ５１と噛み合っていて、ピッチ制御電動機２３の正逆転でこれを上下出来る。このスライダーインナースリーブ５１は外側のベアリリングでピッチ制御スライダー６を保持しており回転翼回転の影響をピッチ制御の上下動作に影響する事はない。つまり非回転軸１９をフリーホイール上面より少し高くした位置に取り付けた孔空きのガイドレイル固定下板１６からのガイドレイル１５で梗塞されているので上下運動としてはピッチ制御の動きのみを行う。又ピッチ制御スライダー６は回転翼の回転をしながら、回転翼のフラッピングによるシ―ソー運動をピッチアーム３経由で受けるがこの微少変動も変位角吸収ピン５０で吸収する。尚、図２下では図の線が輻輳し書けないので変位角吸収ピン５０を横位置に書いたが正しくは制御ネジ部１４の位置に両側垂直に書くべき物である。ピッチ制御電動機２３の動作系統はパルスモータに寄る開ループ系でも良いし、ピッチ制御スライダー６の位置計測による閉ループ系でも良い。そしてこのピッチ制御スライダー６にはピッチアーム３が両側にあり左右回転翼の根本にある夫々のピッチホーン４とピンで連結しており、ピッチ制御電動機２３により両翼とも同じ方向、同じピッチ量のコレクティブピッチ制御を実現できる。

図２は図１のピッチ制御機構を補足説明するピッチ軸周りの部分図である。非回転軸周りの回転翼回転運動、その度のティターボルト周りのフラッピングによるシーソー運動、目的とするスピンドル周りのピッチ可変制御の運動が輻輳して判り難いので、図１に対して上の図は非回転軸を中心に９０度回転させ、下の図は水平に９０度回転させて見易くしたものである。尚それでも、図２下では図の線が輻輳し書けないので変位角吸収ピン５０を横位置に書いたが正しくは制御ネジ部１４の位置に両側垂直に書くべき物である。

次に図３を用いて飛行モード転換機能に必須な回転翼面後傾・回復の機構について説明する。図３は回転翼駆動部、コレクティブピッチ制御部、回転翼などの上部を除く２自由度ジンバル部と回転翼面後傾・回復機構のみの部分図である。図３の中程Ｂは縦方向ジンバル２５をヘリコプター飛行モードの機体規準状態である回転翼面を機体に水平に保った状態を機体構造物３２にピッチピン２４で維持した様子である。図３の上Ａはその上面図である。最下図のＣはジャイロプレーン飛行時に必要な回転翼面を後傾させた状態を示す。機体構造物に固定された電動スクリュウジャッキ等による回転翼面後傾・回復装置２７がピッチピン２４を中心として縦方向ジンバル２５を引き下げ、又は戻す事で後傾・回復動作を達成する。この後傾・回復装置２７依り水平又は後傾状態で独立して、縦・横操縦も夫々の飛行状態で縦方向操縦金具２１、ロール操縦金具２８を電動ジャッキ等の動力駆動、又は直接人力により操縦出来る。

図４の上Ａは二自由度ジンバル上の駆動・回転部を機体に取り付けた本転換機コンセプトの全体図であり、機内に搭載される主要機器も描いてある。そして垂直尾翼を用いたアンチ・トルク装置を示す。一般にジャイロプレーンでは縦方向・ロール方向安定性は回転翼に任せ、従って水平尾翼が無いものが普通である。図の様に垂直安定板４１にヒンジで取りけられた回転翼降下風反射板４２を索等で引っ張り、又は緩めることで任意の機首ヨ―方向を実現する事でヘリコプター飛行モード時に任意のアジマス角を実現する。索の引っ張り方向を左右どちらの向きにするかは回転翼面の回転方向に依る。

図４の下Ｂには逆Ｖ字型尾翼のアンチ・トルク装置の部分図を示す。その右はこれを機体後方から見た逆Ｖ字型尾翼で回転翼降下風を通過させている場合４７ｂ（ヘリコプター・モード）とそうで無い場合４７ａ（ジャイロプレイン・モード）を示す。通常の固定翼機の尾翼は垂直尾翼１枚と直行する水平尾翼左右２枚、計３枚の翼で構成されるがこれに対して、上に開いた適当な交差角を持つ２枚翼のＶ字型尾翼も実用されている。これは交差角をもつ左右２枚の翼で構成され各翼の分力で方向舵（ラダ―）、昇降舵（エレベーター）の機能を果しラダ―・ベーター等と称される。為に空気抵抗減少、軽量化の利点がある。これに対して逆Ｖ字型尾翼は上下の開き交差角を逆にした物であるが固定翼機や本申請のジャイロプレーンの様な対抗直進風にたいする機能は全く同じである。

ジャイロプレーン水平飛行時は通常の逆Ｖ字型のままであるが、ヘリコプター垂直飛行時は左右何れかの尾翼端を索等で折り曲げ降下風を通過させる。この通過量を制御する事で任意のアジマス角を実現できる。左右何れの翼を通過・非通過翼にするかは回転翼面の回転方向により決まる。従ってヨ―方向・縦方向安定性維持と同時にヘリコプター垂直飛行時のアンチ・トルク装置と機能を有する事は前記の回転翼降下風反射板アンチ・トルク装置と同様である。唯この方式は前方式に対して縦方向、ロール方向の機体安定性が増す利点がある。そして前方式が降下風反射であるのに対して、反射は反対側翼に任せ該当翼を降下風通過させることで左右のバランスを崩し任意アジマス角を実現するものである。

図５Ａはシリーズ・ハイブリッド・ヘリコプターの全体図を示す。機内にガスタービンやガソリンエンジン等の化石燃料による内燃機関駆動の発電機、及びサイクロ・コンバータ等の電力制御装置を搭載し、二自由度ジンバル上の回転翼駆動電動機２０に供給する事で長時間の飛行を達成する。フリ−ホイールによる回転翼自転は電動機停止等の緊急時に機の高度エネルギー、速度エネルギーによる不時着時のオートローテイションに必須で、これは通常のヘリコプターの物と同じである。
図５Ｂは消費電力の小さい無線操縦の模型電動ヘリコプターの全体図である。これら二種類の電動ヘリコプターは飛行モード転換機で無いので縦ジンバルを用いた後傾・回復機能は不要である。

図１は二自由度ジンバルを含む回転翼駆動・回転部の詳細図で、上は二自由度ジンバルを除く駆動・回転部の上面図、下は二自由度ジンバルを含む側面図である。

図２は図１のピッチ制御機構を補足説明するピッチ軸周りの部分図である。図１に対して上の図は非回転軸を中心に９０度回転させ、下図は水平に９０度回転させ見易くした。

図３は二自由度ジンバルのみを機体構造物に取り付けた図で、特に回転翼後傾・回復機構を示す。

図４Ａは二自由度ジンバルを機体に取り付けた本転換機コンセプトの全体で垂直尾翼を用いたアンチ・トルク装置を示し、下図Ｂは逆Ｖ字型尾翼を用いた縦方向・ロール方向安方向安定装置兼・アンチ・トルク装置のみを示す。

図５Ａは内燃機関駆動の発電機を機内に搭載するシリーズ・ハイブリッド電動ヘリターの構成図で、垂直尾翼によるアンチ・トルク装置を用いた例を示す。Ｂは電力消費の小さい無線操縦の模型機の例を示す。

図１１３ピッチ制御軸固定上板
１最終減速大歯車１４ピッチ制御ネジ部
２フリーホイール１５ガイドレイル
３ピッチアーム１６ガイドレイル固定下板
４ピッチホーン１７ピッチ制御軸
５グリップ１８ピニオンギヤ
６ピッチ制御スライダー１９非回転軸
７ラグボルト２０回転翼駆動電動機
８スピンドル２１縦方向操縦金具
９スピンドルボス２２ロールジンバル
１０回転翼２５縦方向ジンバル
１１シ―ソ架台２８ロール方向操縦金具
１２ティターボルト５０変位角吸収ピン
５１スライダー・イナースリーブ
２４ピッチピン
２３ピッチ制御電動機
図２１２ティターボルト
１１シ―ソ架台６ピッチ制御スライダー
８スピンドル１０回転翼
５１スライダー・イナースリーブ１３ピッチ制御軸固定上板
５０変位角吸収ピン１５ガイドレイル
３ピッチアーム１６ガイドレイル固定下板
４ピッチホーン２フリーホイール
７ラグボルト１９非回転軸
５グリップ
９スピンドルボス
１４ピッチ制御ネジ部
１７ピッチ制御軸
図３
１最終減速大歯車（一部）２５縦方向ジンバル
１８ピニオンギヤ２７回転翼面後傾・回復装置
２１縦方向操縦金具１９非回転軸
２０回転翼駆動電動機２３ピッチ制御電動機
２４ピッチピン２２ロールジンバル
３２機体構造物２８ロール方向操縦金具
図４
２５縦方向ジンバル３６バッテリー
３２機体構造物３７燃料タンク
３３プロペラ３８ジャイロ
３４エンジン３９インバータ
４１垂直安定板上部４２降下風反射板
４０コンピュータ４７ａジャイロプレーン・モード位置
４６安定板３５スキッド
４７ｂヘリモード位置
図５
４４ヘリコプター回転翼面３６バッテリー
２５縦方向ジンバル３４エンジン
３２機体構造物４２降下風反射板
４５電力線４８ラダ―
５６発電機５５送受信機
５８コントローラ３５スキッド
５７電力制御装置

Claims

機体に保持される二自由度ジンバルの内側ジンバルであるロールジンバル上に回転翼駆動の電動機を設置し、又そのロールジンバル上に垂直に固定された中空の非回転軸にベアリングで保持された最終減速大歯車を取り付け、その上に別個のベアリングで保持されるフリーホイール、そのフリーホイール上にフラッピング装置、可変ピッチ機構、回転翼を取り付け、回転翼駆動の電動機で回転されるピニオンギヤで最終減速大歯車を駆動し、外側ジンバルである縦方向ジンバルと共に、これら全体を縦方向、ロール方向、またはそれらの合成方向へ動力駆動又は人力駆動により縦方向操縦金具、ロール方向操縦金具を押し引きし自由に回転翼面を傾ける事で駆動と操縦を同時に行える様にすると同時に、これら回転部分を支えるロールジンバルに取り付けられたコレクティブ・ピッチ制御用電動機により非回転軸の中を通るピッチ制御軸でピッチ制御スライダーを上下する事により回転翼のピッチを変化させる機構を備える事を特徴とする可変ピッチ回転翼の電動駆動・操縦装置。