JP6478080B2 - 垂直離着陸機 - Google Patents

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Description

ここに開示される実施態様は、垂直離着陸機、特に、複数のダクテッドファンを有する垂直離着陸機に関する。
現在、地上滑走せずに揚力を発生させることができる垂直離着陸機の代表例は、へリコプタである。ヘリコプタは、機体に比して大きなメインロータを有し、かかるメインロータを回転させることによって揚力及び推力を得ている。また、メインロータの回転により機体に作用する反トルクは、一般に、テールロータ等を用いて打ち消している(例えば、特許文献1参照)。
また、近年、ドローンと呼ばれる無人の垂直離着陸機の開発が進んでいる。かかる垂直離着陸機は、一般に複数のロータを回転させることによって揚力及び推力を得ている。また、これらのロータの回転により機体に作用する反トルクは、例えば、半数ずつのロータを互いに逆回転させることにより打ち消している(例えば、特許文献2参照)。
特開平6−286696号公報 特開2014−240242号公報
しかしながら、特許文献1に記載されたようなヘリコプタ型の垂直離着陸機では、メインロータが大きいうえに、テールロータ等を配置するために機体が大型化しがちである。したがって、かかる垂直離着陸機が、建築物、樹木等の障害物が存在している狭い空間において離着陸や姿勢制御を行うと、メインロータ、テールロータ等が障害物と接触してしまう。そのため、上述した垂直離着陸機は、離着陸のために広い空間を必要とする。
また、特許文献2に記載されたようなドローン型の垂直離着陸機では、複数のロータの回転方向を制御しなければならず、その制御が複雑になってしまう。また、ロータに伝達される動力を反転ギアのような機構を用いて反転させた場合には、構造が複雑になる、機体の重量が増加してしまう等の問題が生じる。
本開示は上述した問題点に鑑み創案されたものであり、簡便な構造で機体に作用する反トルクの影響を低減することができる、垂直離着陸機を提供することを目的とする。
本開示によれば、機体に複数のダクテッドファンを含む垂直離着陸機であって、前記ダクテッドファンの各々は、他のダクテッドファンから遠い側における回転方向の接線方向に傾斜している、ことを特徴とする垂直離着陸機が提供される。
前記ダクテッドファンの傾斜方向は、前記垂直離着陸機の平面図上において前記複数のダクテッドファンの回転中心から等距離かつ最短距離にある機体中心と前記回転中心とを結ぶ線分に対して垂直であってもよい。また、前記機体は、前記ダクテッドファンに動力を供給する動力源を含み、前記垂直離着陸機の平面図上において該動力源の出力軸は前記機体中心上に配置されていてもよい。さらに、前記複数のダクテッドファンは、前記動力源によって同じ方向に回転されてもよい。
また、前記ダクテッドファンは、迎角を調整可能な制御翼を出口部に備えていてもよい。また、前記機体は、姿勢制御用の推進装置を備えていてもよい。
上述した本開示の垂直離着陸機によれば、ダクテッドファンを回転軸の回転方向に対して接線方向に傾斜させたことにより、傾斜させた方向に推力の分力が生じ、各ダクテッドファンに生じる分力によって反トルクを打ち消す相殺トルクを発生させることができる。したがって、ヘリコプタ型の垂直離着陸機のようにテールロータ等を配置したり、ドローン型の垂直離着陸機のように複数のダクテッドファンの回転方向を制御したりする必要がないため、簡便な構造で機体に作用する反トルクの影響を低減することができる。
本開示の第一実施形態に係る垂直離着陸機の平面図である。 本開示の第一実施形態に係る垂直離着陸機の正面図である。 本開示の第一実施形態に係る垂直離着陸機の側面図である。 本開示の第一実施形態に係る垂直離着陸機における反トルクの発生を示す概念図である。 本開示の第一実施形態に係る垂直離着陸機における推力の分力の発生を示す概念図である。 本開示の第一実施形態に係る垂直離着陸機における相殺トルクの発生を示す概念図である。 本開示の第一実施形態に係る垂直離着陸機の第一変形例を示す平面概念図である。 本開示の第一実施形態に係る垂直離着陸機の第二変形例を示す平面概念図である。 本開示の第二実施形態に係る垂直離着陸機の平面図である。 本開示の第二実施形態に係る垂直離着陸機の正面図である。 本開示の第二実施形態に係る垂直離着陸機の側面図である。 本開示の第三実施形態に係る垂直離着陸機の平面図である。 本開示の第三実施形態に係る垂直離着陸機の正面図である。 本開示の第三実施形態に係る垂直離着陸機の側面図である。
以下、本開示の実施形態について図1A〜図5Cを用いて説明する。ここで、図1A〜図1Cは、本開示の第一実施形態に係る垂直離着陸機を示す図であり、図1Aは平面図、図1Bは正面図、図1Cは側面図、である。図2A〜図2Cは、本開示の第一実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示す説明図であり、図2Aは反トルクの発生を示す概念図、図2Bは推力の分力の発生を示す概念図、図2Cは相殺トルクの発生を示す概念図、である。
本開示の第一実施形態に係る垂直離着陸機1は、図1A〜図2Cに示したように、揚力及び推力を発生させる一対のダクテッドファン3a,3bと、ダクテッドファン3a,3bを連結するフレーム4と、ダクテッドファン3a,3bに動力を供給する動力源5と、接地時に機体2を支持する脚部6と、を備えている。なお、機体2は、ダクテッドファン3a,3b、フレーム4及びこれらの付属物(動力源5、脚部6等)によって構成される。
ダクテッドファン3aは、例えば、図1Bに示したように、正面視でフレーム4の右側に配置されている。また、ダクテッドファン3bは、例えば、図1Bに示したように、正面視でフレーム4の左側に配置されている。ダクテッドファン3a及びダクテッドファン3bは、これらの中間部に接続されたフレーム4によって一体に連結されている。そして、一方のダクテッドファン3a(3b)は、他方のダクテッドファン3b(3a)から遠い側における回転方向の接線方向に傾斜している。
ダクテッドファン3a,3bは、例えば、略円筒形状のダクト31a,31bと、ダクト31a,31b内に回転可能に配置されたファン32a,32bと、ファン32a,32bの上流側に配置されたノーズコーン33a,33bと、ファン32a,32bの下流側に配置されたテールコーン34a,34bと、ダクト31a,31b及びテールコーン34a,34bを連結するステータ35a,35bと、を備えている。なお、ダクテッドファン3a,3bは、ダクトファンと呼ばれることもある。
ノーズコーン33a,33bは、ファン32a,32bにより吸い込まれる空気をダクト31a,31b内に滑らかに案内する機能を有している。ステータ35a,35bは、ダクト31a,31bに案内された空気を整流する機能を有している。また、一部のステータ35a,35bの内部には、動力源5からファン32a,32bに動力を伝達する動力伝達機構を配置してもよい。テールコーン34a,34bは、ダクト31a,31bから排出される空気を滑らかに案内する機能を有している。
また、ダクテッドファン3a,3bは、迎角を調整可能な制御翼36a,36b,37a,37bを出口部に有していてもよい。制御翼36a,36b,37a,37bは、例えば、ダクテッドファン3a,3bの出口部(ファン32a,32bの下流側)におけるダクト31a,31bとテールコーン34a,34bとの間に掛け渡された駆動軸(図示せず)に接続されている。制御翼36a,36b,37a,37bの駆動源(例えば、電動モータ)は、テールコーン34a,34b又はダクト31a,31bの内部に配置される。制御翼36a,36b,37a,37bは、例えば、略十字形状に配置されており、機体2の前後方向に回動される一対の制御翼36a,36bと、機体2の左右方向に回動される一対の制御翼37a,37bと、を有している。
かかる制御翼36a,36b,37a,37bを任意の方向に回動させて迎角を調整することにより、ダクテッドファン3a,3bにより生じる推力の方向を調整し、機体2の進行方向を制御することができる。また、制御翼36a,36b,37a,37bは、機体2の進行方向を調整するためだけでなく、機体2の姿勢を制御するために使用してもよい。
フレーム4は、一対のダクテッドファン3a,3bを連結する部材であり、ダクト31a,31bに接続されている。フレーム4は、金属製であってもよいし、樹脂製であってもよい。フレーム4の上面には、動力源5が配置される。動力源5は、例えば、燃料で駆動されるエンジンである。動力源5としてエンジンを採用することにより、大型のダクテッドファン3a,3bを長時間にわたり駆動することができ、ペイロード(積載量)を増大させることができる。
なお、動力源5は、フレーム4の下面に配置してもよいし、フレーム4の後部に配置してもよい。また、動力源5は、エンジンに限定されるものではなく、ファン32a,32bがそれぞれ電動モータを有している場合には、この電動モータに電力を供給可能な電池(例えば、蓄電池、燃料電池、太陽電池等)であってもよい。
また、フレーム4の内部には、動力源5により生成された動力をファン32a,32bに伝達する動力伝達機構が配置される。動力伝達機構は、例えば、図2Cに示したように、動力源5によって回転される出力軸51と、ファン32a,32bの中心に配置された回転軸52a,52bと、出力軸51及び回転軸52a,52bに掛け渡されたベルト53a,53bと、を有している。ベルト53a,53bは、ダクト31a,31bに形成された開口部及びステータ35a,35bの内部に挿通されて、出力軸51及び回転軸52a,52bに掛け渡される。
なお、動力伝達機構は、図示したベルト伝動機構に限定されず、シャフト及び傘歯車を用いた歯車伝動機構やチェーン及びスプロケットを用いたチェーン伝動機構等であってもよい。また、動力伝達機構は、減速機構や増速機構を含んでいてもよい。さらに、ファン32a,32bがそれぞれ電動モータを有している場合には、動力伝達機構は、動力源5から電力を供給する電力ケーブルであってもよい。
また、フレーム4の下面には、着陸時に接地する一対の脚部6が配置される。脚部6は、例えば、略C字形状に形成された板材によって構成され、両端がフレーム4に接続される。かかる脚部6は、フレーム4と共に環状を成すため弾力性を有しており、着陸時の衝撃を緩和することができる。なお、脚部6は、図示した構成に限定されず、三本以上のロッド状部材によって構成してもよいし、着陸時に接地する長尺の板材とフレーム4に接続された支持部材とによって構成してもよい。
また、フレーム4の下面には、積荷Cを支持するコネクタ41が配置されていてもよい。図1A〜図1Cでは、説明の便宜上、積荷Cを一点鎖線で図示している。積荷Cは、例えば、カメラ等の撮影機材、測量機器、救難物資等である。
また、フレーム4の内部には、動力源5の出力、ダクテッドファン3a,3bの回転数、制御翼36a,36b,37a,37bの迎角等を制御する制御装置(図示せず)が配置されていてもよい。かかる制御装置は、予めインプットされたプログラムに基づいて垂直離着陸機1を自動操縦するように構成されていてもよいし、リモートコントローラ等を用いて垂直離着陸機1を遠隔操縦できるように構成されていてもよい。
ここで、図2Aに示した垂直離着陸機1′は、回転軸52a′,52b′を鉛直方向に配向したダクテッドファン3a′,3b′を有している。回転軸52a′,52b′には、出力軸51′及びベルト53a′,53b′を介して動力が伝達される。いま、ダクテッドファン3a′,3b′の両方のファン(図示せず)を同じ方向(例えば、図の時計回り方向)に回転させた場合、その反作用として機体2′には図の反時計回りに反トルクTrが作用する。したがって、何の対策も施さない場合には、機体2′は図の反時計回りに回転し、安定飛行することが難しい。
そこで、本実施形態では、ダクテッドファン3a,3bを所定の方向に傾斜させた状態でフレーム4に固定している。例えば、図2Bに示したように、ダクテッドファン3aの回転軸52aは、その中心線Laが、鉛直線Lvに対して前方に角度θだけ傾斜している。また、ダクテッドファン3bの回転軸52bは、その中心線Lbが、鉛直線Lvに対して後方に角度θだけ傾斜している。角度θは、垂直離着陸機1がホバリング状態にあるとき機体2が回転しない範囲に設定される。具体的には、角度θは、例えば、1〜10°の範囲内に設定され、4〜6°程度であることが好ましい。なお、ダクテッドファン3aの回転軸52aの傾斜角度θとダクテッドファン3bの回転軸52bの傾斜角度θは同じ値に設定される。
また、回転軸52a,52bの傾斜に合わせて、ダクテッドファン3a,3bを構成する他の部材(ダクト31a,31b、ファン32a,32b、ノーズコーン33a,33b、テールコーン34a,34b、ステータ35a,35b等)も傾斜される。したがって、ダクテッドファン3aは、鉛直線Lvに対して前方に角度θだけ傾斜され、ダクテッドファン3bは、鉛直線Lvに対して後方に角度θだけ傾斜されていることとなる。なお、図2Bにおいては、説明の便宜上、ダクテッドファン3a,3bの構成を概念化した側面図を示している。
回転軸52aが前方に傾斜したダクテッドファン3aでは、図の左上方に向かって推力Faが生じるため、前方向きの分力Fhaが生じることとなる。また、回転軸52bが後方に傾斜したダクテッドファン3bでは、図の右上方に向かって推力Fbが生じるため、後方向きの分力Fhbが生じることとなる。
これらの分力Fha,Fhbを図2Cに示した平面図に図示すれば、ダクテッドファン3aでは図の下向きに分力Fhaが生じ、ダクテッドファン3bでは図の上向きに分力Fhbが生じることとなる。これらの分力Fha,Fhbは、機体2を図の時計回りに回転させる相殺トルクTcを生じさせる。したがって、この相殺トルクTcにより反トルクTrを打ち消すことができる。
なお、図2Cでは、説明の便宜上、ダクテッドファン3a,3bの内側が見える部分を濃い灰色で塗り潰し、外側が見える部分を薄い灰色で塗り潰している。また、回転軸52a,52bと出力軸51とは、捻れの位置関係にあるものの、動力伝達機構としてベルト53a,53bを採用することにより、容易に動力を伝達することができる。勿論、動力伝達機構は、回転軸52a,52bと出力軸51との間で動力を伝達することができれば、他の機構(例えば、歯車伝動機構、チェーン伝動機構等)であってもよい。
上述したダクテッドファン3aは、図2Cに示したように、他方のダクテッドファン3bから遠い側における回転方向の接線方向(すなわち、図の下向き方向)に回転軸52aが傾斜しているものといえる。また、ダクテッドファン3bは、他方のダクテッドファン3aから遠い側における回転方向の接線方向(すなわち、図の上向き方向)に回転軸52bが傾斜しているものといえる。
また、垂直離着陸機1の平面図上において、一対のダクテッドファン3a,3bの回転中心Of(すなわち、回転軸52a,52bの中心)から等距離かつ最短距離にある点を機体中心Opと定義すれば、ダクテッドファン3a,3bの傾斜方向は、機体中心Opと回転中心Ofとを結ぶ線分OpOfに対して垂直に設定される。ただし、ダクテッドファン3a,3bの傾斜方向は、線分OpOfに対して垂直な方向に限定されるものではなく、分力Fha,Fhbを生じ得る範囲内で任意に設定することができる。また、本実施形態において、出力軸51は、例えば、機体中心Op上に配置される。
垂直離着陸機1の平面図上において回転中心Of及び機体中心Opをこのように定義することにより、ダクテッドファン3a,3bの傾斜方向を機体2の構成によらず一律に規定することができる。また、出力軸51を機体中心Opに一致させることにより、一対のダクテッドファン3a,3bに対して、実質的に同一の構成の動力伝達機構を採用することができ、動力伝達機構の複雑化を回避することができる。
ここで、図3A〜図3Bは、本開示の第一実施形態に係る垂直離着陸機の変形例を示す平面概念図であり、図3Aは第一変形例、図3Bは第二変形例、を示している。図3Aに示した第一変形例は、三つのダクテッドファン3a,3b,3cを有する垂直離着陸機1である。また、図3Bに示した第二変形例は、四つのダクテッドファン3a,3b,3c,3dを有する垂直離着陸機1である。なお、図3A及び図3Bにおいては、機体2の構成を概念化して図示している。
図3Aに示した第一変形例に係る垂直離着陸機1において、ダクテッドファン3aは、他のダクテッドファン3b,3cから遠い側における回転方向の接線方向に傾斜し、ダクテッドファン3bは、他のダクテッドファン3a,3cから遠い側における回転方向の接線方向に傾斜し、ダクテッドファン3cは、他のダクテッドファン3a,3bから遠い側における回転方向の接線方向に傾斜している。
ダクテッドファン3a,3b,3cをこのように傾斜させることにより、ダクテッドファン3a,3b,3cを図の時計回りに回転させたときに生じる反トルクを打ち消す方向に相殺トルクを発生させることができる。なお、各ダクテッドファン3a,3b,3cの具体的な構成は、上述した第一実施形態に係るダクテッドファン3a,3bと実質的に同一であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
図3Bに示した第二変形例に係る垂直離着陸機1において、ダクテッドファン3aは、他のダクテッドファン3b,3c,3dから遠い側における回転方向の接線方向に傾斜し、ダクテッドファン3bは、他のダクテッドファン3a,3c,3dから遠い側における回転方向の接線方向に傾斜し、ダクテッドファン3cは、他のダクテッドファン3a,3b,3dから遠い側における回転方向の接線方向に傾斜し、ダクテッドファン3dは、他のダクテッドファン3a,3b,3cから遠い側における回転方向の接線方向に傾斜している。
ダクテッドファン3a,3b,3c,3dをこのように傾斜させることにより、ダクテッドファン3a,3b,3c,3dを図の時計回りに回転させたときに生じる反トルクを打ち消す方向に相殺トルクを発生させることができる。なお、各ダクテッドファン3a,3b,3c,3dの具体的な構成は、上述した第一実施形態に係るダクテッドファン3a,3bと実質的に同一であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
次に、本開示の他の実施形態に係る垂直離着陸機1について、図4A〜図5Cを参照しつつ説明する。ここで、図4A〜図4Cは、本開示の第二実施形態に係る垂直離着陸機を示す図であり、図4Aは平面図、図4Bは正面図、図4Cは側面図、である。図5A〜図5Cは、本開示の第三実施形態に係る垂直離着陸機を示す図であり、図5Aは平面図、図5Bは正面図、図5Cは側面図、である。なお、上述した第一実施形態に係る垂直離着陸機1と共通する構成部材については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図4A〜図4Cに示した第二実施形態に係る垂直離着陸機1は、機体2のX軸(前後方向軸)回りの回転運動(ローリング)及びY軸(左右方向軸)回りの回転運動(ピッチング)を制御する第一推進装置7と、機体2のZ軸(上下方向軸)回りの回転運動(ヨーイング)を制御する第二推進装置8と、を備えている。第一推進装置7及び第二推進装置8は、機体2の姿勢制御用の推進装置であり、例えば、電動ファンによって構成される。なお、第一推進装置7及び第二推進装置8は、電動ファン以外の推進器であってもよい。
第一推進装置7は、例えば、機体2の四隅に相当する位置に配置される。また、第一推進装置7は、機体2を水平に保持した状態で鉛直方向下方向きの推力を発生することができるように配置される。四つの第一推進装置7の推力を適宜調整することによって、ローリング及びピッチングを任意に制御することができる。
第二推進装置8は、例えば、フレーム4の中央部の前後に配置される。また、第二推進装置8は、機体2を水平に保持した状態でY方向(左右方向)に推力を発生することができるように配置される。二つの第二推進装置8の推力を適宜調整することによって、ヨーイングを任意に制御することができる。
図5A〜図5Cに示した第三実施形態に係る垂直離着陸機1は、機体2のX軸(前後方向軸)回りの回転運動(ローリング)、Y軸(左右方向軸)回りの回転運動(ピッチング)及びZ軸(上下方向軸)回りの回転運動(ヨーイング)を制御する第三推進装置9を備えている。第三推進装置9は、機体2の姿勢制御用の推進装置であり、例えば、電動ファンによって構成される。なお、第三推進装置9は、電動ファン以外の推進器であってもよい。
第三推進装置9は、例えば、機体2の四隅に相当する位置に配置される。また、第三推進装置9は、機体2を水平に保持した状態で機体2から遠ざかる方向の斜め下方向きの推力を発生することができるように配置される。具体的には、ダクテッドファン3aに配置された第三推進装置9は、回転軸の上方をダクテッドファン3aの回転中心寄りに傾斜させた状態で配置されており、ダクテッドファン3bに配置された第三推進装置9は、回転軸の上方をダクテッドファン3bの回転中心寄りに傾斜させた状態で配置されている。
四つの第三推進装置9の推力を適宜調整することによって、ローリング、ピッチング及びヨーイングを任意に制御することができる。また、かかる第三実施形態によれば、上述した第二実施形態と比較して姿勢制御用の電動ファンの個数を削減することができ、機体2の軽量化を図ることができる。
上述した第二実施形態及び第三実施形態に係る垂直離着陸機1は、ダクテッドファン3a,3bの出口部に制御翼を備えていない。第二実施形態に係る垂直離着陸機1では、第一推進装置7及び第二推進装置8によって、ダクテッドファン3a,3bにより生じる推力の方向を調整し、機体2の進行方向を制御するようにしてもよい。また、第三実施形態に係る垂直離着陸機1では、第三推進装置9によって、ダクテッドファン3a,3bにより生じる推力の方向を調整し、機体2の進行方向を制御するようにしてもよい。勿論、第二実施形態及び第三実施形態に係る垂直離着陸機1においても、ダクテッドファン3a,3bの出口部に制御翼を配置してもよい。
上述した第一実施形態〜第三実施形態に係る垂直離着陸機1は、無人機として説明したが、フレーム4に座席を配置した有人機であってもよい。
本開示は上述した実施形態に限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
1 垂直離着陸機
2 機体
3a,3b,3c,3d ダクテッドファン
4 フレーム
5 動力源
6 脚部
7 第一推進装置
8 第二推進装置
9 第三推進装置
31a,31b ダクト
32a,32b ファン
33a,33b ノーズコーン
34a,34b テールコーン
35a,35b ステータ
36a,36b,37a,37b制御翼
41 コネクタ
51 出力軸
52a,52b 回転軸
53a,53b ベルト

Claims (6)

  1. 機体に複数のダクテッドファンを含む垂直離着陸機であって、
    前記ダクテッドファンの各々は、他のダクテッドファンから遠い側における回転方向の接線方向に傾斜している、
    ことを特徴とする垂直離着陸機。
  2. 前記ダクテッドファンの傾斜方向は、前記垂直離着陸機の平面図上において前記複数のダクテッドファンの回転中心から等距離かつ最短距離にある機体中心と前記回転中心とを結ぶ線分に対して垂直である、ことを特徴とする請求項1に記載の垂直離着陸機。
  3. 前記機体は、前記ダクテッドファンに動力を供給する動力源を含み、前記垂直離着陸機の平面図上において該動力源の出力軸は前記機体中心上に配置されている、ことを特徴とする請求項2に記載の垂直離着陸機。
  4. 前記複数のダクテッドファンは、前記動力源によって同じ方向に回転される、ことを特徴とする請求項3に記載の垂直離着陸機。
  5. 前記ダクテッドファンは、迎角を調整可能な制御翼を出口部に備えている、ことを特徴とする請求項1に記載の垂直離着陸機。
  6. 前記機体は、姿勢制御用の推進装置を備えている、ことを特徴とする請求項1に記載の垂直離着陸機。
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