JP6590173B2

JP6590173B2 - 垂直離着陸機

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Publication number: JP6590173B2
Application number: JP2018507077A
Authority: JP
Inventors: 正善恒川; 田村　哲也; 哲也田村; 正雄長谷川
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2016-03-22
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2037-01-25
Also published as: EP3434591A1; JPWO2017163587A1; AU2017238355A1; NZ745326A; WO2017163587A1; US20180354614A1; AU2017238355B2; EP3434591A4

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。

地面に対して垂直な方向に離着陸可能な飛行体である垂直離着陸機は、滑走路が不要であることから、狭い場所や不整地においても離着陸することができるという利点を有している。一方で、かかる垂直離着陸機では、風による影響を受けやすいという問題がある。

例えば、特許文献１に記載された垂直離着陸機では、キャビンの後方に垂直安定翼及び水平安定翼が配置されている。また、特許文献２に記載された垂直離着陸機では、機体下部の四方に、横風を受けて揺動する受動翼が配置されている。

特開２００２−３７０６９６号公報特開２０１２−２２８９４４号公報

ところで、複数のダクテッドファンを有する垂直離着陸機では、ファンの外周を覆うダクトの表面積が大きいために風の抵抗を受けやすく、機体の姿勢維持が難しいという問題がある。

また、特許文献１に記載された垂直離着陸機では、推力を発生させるプロペラの下方に安定翼が配置されているため、プロペラで発生した気流を安定翼が阻害してしまうという問題がある。

また、特許文献２に記載された垂直離着陸機では、受動翼が横風の強弱によって揺動するため、機体の姿勢維持が難しいという問題がある。

本開示は上述した問題点に鑑み創案されたものであり、風の影響を受けやすいダクテッドファンを有する場合であっても、機体の姿勢を容易に維持することができる、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、複数のダクテッドファンと、前記ダクテッドファンよりも下方に配置される胴体と、前記胴体と前記ダクテッドファンとを連結するフレーム体と、機体重心よりも下方かつ前記胴体の後方で前記ダクテッドファンからの気流を阻害しない位置に配置された安定翼と、を含むことを特徴とする垂直離着陸機が提供される。

前記安定翼は、前記胴体よりも下方に張り出した部分を有していてもよい。

前記垂直離着陸機が水平に着陸した状態で、前記安定翼は、後縁が前縁より下方に位置するように傾斜した状態に配置されていてもよい。

前記胴体は、着陸時に機体を支持する脚部を備え、前記安定翼は、前記脚部に接続されていてもよい。

前記胴体は、着陸時に機体を支持する脚部を備え、前記脚部は、機体のロール運動を抑制するロール安定翼を備えていてもよい。

前記垂直離着陸機は、機体重心よりも下方かつ前記胴体の前方で前記ダクテッドファンからの気流を阻害しない位置に配置された第二安定翼を含んでいてもよい。

上述した本開示の垂直離着陸機によれば、機体重心よりも下方かつ胴体の後方でダクテッドファンからの気流を阻害しない位置に安定翼を設置したことにより、ダクテッドファンのダクトが風の抵抗を受けた場合であっても、抗力によるトルクを打ち消して機体の姿勢を容易に維持することができる。

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の変形例に係る垂直離着陸機の側面図である。前方から風を受けた場合の安定翼の作用を示す説明図である。後方から風を受けた場合の安定翼の作用を示す説明図である。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。本開示の第三実施形態に係る垂直離着陸機の側面図である。本開示の第四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５Ｂを用いて説明する。ここで、図１Ａ〜図１Ｂ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、である。図２Ａ〜図２Ｂは、本開示の垂直離着陸機の側面図であり、図２Ａは第一実施形態、図２Ｂは変形例、を示している。

本開示の第一実施形態に係る垂直離着陸機１は、図１Ａ〜図２Ａに示したように、一対のダクテッドファン２と、ダクテッドファン２よりも下方に配置される胴体３と、胴体３とダクテッドファン２とを連結するフレーム体４と、機体重心Ｇよりも下方かつ胴体３の後方でダクテッドファン２からの気流を阻害しない位置に配置された安定翼５と、を含んでいる。

ダクテッドファン２は、例えば、図１Ａ及び図１Ｂに示したように、機体の左右両側に配置されており、第一フレーム４１により一体に連結されている。また、ダクテッドファン２は、例えば、略円筒形状のダクト２１と、ダクト２１内に回転可能に配置されたファン２２と、ファン２２の上流側に配置されたノーズコーン２３と、ファン２２の下流側に配置されたテールコーン２４と、ダクト２１とテールコーン２４とを連結するステータ２５と、を備えている。なお、ダクテッドファン２は、ダクトファンと呼ばれることもある。

ノーズコーン２３は、ファン２２により吸い込まれる空気をダクト２１内に滑らかに案内する機能を有している。ステータ２５は、ダクト２１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２５の内部には、ファン２２に動力を伝達する動力伝達機構（図示せず）を配置してもよい。テールコーン２４は、ダクト２１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２は、迎角を調整可能な制御翼２６，２７を出口部に有していてもよい。制御翼２６，２７は、例えば、ダクテッドファン２の出口部（ファン２２の下流側）におけるダクト２１とテールコーン２４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２６，２７の駆動源（例えば、電動モータ）は、テールコーン２４又はダクト２１の内部に配置される。制御翼２６，２７は、例えば、略十字形状に四枚配置されており、機体の前後方向に回動される一対の制御翼２６と、機体の左右方向に回動される一対の制御翼２７と、を有している。

かかる制御翼２６，２７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２により生じる推力の方向を調整し、機体の進行方向を制御することができる。また、制御翼２６，２７は、機体の姿勢を制御するために使用してもよい。

胴体３には、例えば、ダクテッドファン２の動力源や制御機器が搭載される。動力源（図示せず）は、例えば、燃料で駆動されるエンジンである。胴体３は、燃料タンクを搭載していてもよい。胴体３に収容されたエンジンにより発生した動力は、フレーム体４の内部に配置された動力伝達機構（例えば、ベルト伝動機構、歯車伝動機構、チェーン伝動機構、これらを組み合わせた伝動機構等）によってダクテッドファン２に伝達され、ファン２２を回転させる。動力伝達機構は、減速機構、反転ギア等の機構を含んでいてもよい。

このように、動力源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２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。ただし、動力源はエンジンに限定されるものではなく、各ダクテッドファン２に配置された電動モータであってもよい。この場合、胴体３には、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）が搭載される。

また、胴体３に搭載される制御機器（図示せず）は、動力源の出力、ダクテッドファン２の回転数、制御翼２６，２７の迎角等を制御する。また、制御機器は、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。

また、胴体３は、着陸時に機体を支持する脚部３１を備えていてもよい。脚部３１は、例えば、着陸時に接地する接地部３１ａと、胴体３に接続され接地部３１ａを支持する支持部３１ｂと、を備えている。接地部３１ａは、例えば、機体の前後方向（図のＸ軸方向）に延びた板材であり、前端部及び後端部を上方に向かって反らせてもよい。また、接地部３１ａは、着陸時に機体を安定に支持することができるように、長さ及び面積が設定される。また、脚部３１は、ダクテッドファン２により発生した気流を阻害しない位置に配置される。

なお、脚部３１の構成は、図示した構成に限定されるものではない。例えば、接地部３１ａは機体の左右方向（図のＹ軸方向）に延びていてもよいし、ＸＹ平面内で湾曲又は屈曲していてもよい。また、脚部３１は、接地部３１ａを省略して、支持部３１ｂのようなロッド部材のみによって構成してもよい。

また、胴体３は、積荷を支持するコネクタ３２を下面に有していてもよい。積荷は、例えば、カメラ等の撮影機材、測量機器、救難物資等である。なお、搭載する積荷の種類や大きさに応じて、脚部３１の形状や配置を変更できるようにしてもよい。

フレーム体４は、例えば、左右のダクテッドファン２を連結する第一フレーム４１と、第一フレーム４１と胴体３とを連結する第二フレーム４２と、を備えている。胴体３は、一定の容積を有するため、ダクテッドファン２により発生した気流を阻害しない位置に配置することが好ましい。

そこで、胴体３は、左右のダクテッドファン２の中間部、すなわち、第一フレーム４１の下方に配置される。換言すれば、第一フレーム４１の横幅は、胴体３がダクテッドファン２からの気流と干渉しないように設定される。なお、第一フレーム４１及び第二フレーム４２は、飛行時における風の抵抗を低減することができるように、円筒形状や流線形状に形成されていてもよい。

安定翼５は、例えば、胴体３の後方に配置された翼部５１と、翼部５１を支持する支持部５２と、翼部５１の両端に配置された整流板５３と、を備えている。垂直離着陸機１は、前後方向（図のＸ軸方向）のどちらに向かっても飛行することができるが、安定した長距離飛行を実現するためには、便宜上、機体の前後方向を定義することが、推進効率や機体設計の観点から好ましい。本実施形態では、図のＸ軸を示す矢印の先端側を前方、基端側を後方と定義している。

翼部５１は、風を受けて揚力を発生させる部材である。翼部５１は、例えば、図２Ａに示したように、胴体３の後方において機体重心Ｇよりも下方に配置されている。例えば、地面から機体重心Ｇまでの高さをＨとすれば、地面から翼部５１までの高さｈは、ｈ＜Ｈの条件を満たしている。このとき、図１Ｂに示したように、翼部５１は、胴体３よりも下方に張り出した部分を有していてもよい。このように、翼部５１を胴体３よりも下方に配置することにより、前方または後方からの風を、胴体３によって阻害されずに効率よく受けることができる。

また、翼部５１は、図２Ａに示したように、垂直離着陸機１が水平に着陸した状態で、後縁が前縁より下方に位置するように傾斜した状態に配置されていてもよい。この翼部５１の傾斜角度θは、０°≦θ≦３０°の条件を満たしていることが好ましい。具体的には、傾斜角度θは、垂直離着陸機１が巡航速度で前方に飛行している状態で、ダクトに生じる風の抵抗によって機体を後方に回転させようとするトルクを打ち消すことができる角度に設定される。

また、翼部５１は、図１Ａに示したように、ダクテッドファン２により発生した気流を阻害しない位置に、すなわち、ダクテッドファン２の直下を避けて配置されている。かかる位置に翼部５１を配置することにより、ダクテッドファン２から噴出される気流との干渉を回避することができ、推進効率の低下を招くことがない。

また、翼部５１は、図２Ａに示したように、揚力を効果的に発生させるために、流線形の断面形状を有していてもよい。なお、翼部５１の形状や風を受ける部分の面積は、機体の大きさ、重量等に応じて任意に設定される。

支持部５２は、翼部５１を支持する部材であり、図２Ａに示したように、胴体３の後方に接続されていてもよいし、図２Ｂに示したように、脚部３１の支持部３１ｂに接続されていてもよい。図２Ａに示した第一実施形態及び図２Ｂに示した変形例では、二本の支持部５２により翼部５１を支持しているが、支持部５２の本数や形状は任意である。

整流板５３は、翼部５１の周りを流れる風を整流する部材である。かかる整流板５３を配置することにより、翼部５１の両端部周辺を流れる風をＹ方向に逃がさずにＸ方向の下流側へ受け流すことができ、翼部５１によって生じる揚力を安定させることができる。なお、整流板５３は、必要に応じて省略することができる。

次に、安定翼５の作用について、図３Ａ〜図３Ｂを参照しつつ説明する。ここで、図３Ａ〜図３Ｂは、安定翼の作用を示す説明図であり、図３Ａは前方から風を受けた場合、図３Ｂは後方から風を受けた場合、を示している。

図３Ａに示したように、ホバリング中に機体が前方から風を受けた場合、ダクト２１は後方向きの抗力Ｒｄを受ける。この抗力Ｒｄは、機体を後方に傾斜させる後傾トルクＴｄを生じさせる。一方、ホバリング中に機体が前方から風を受けた場合、安定翼５には上方向きの揚力Ｌｔが作用する。この揚力Ｌｔは、機体を前方に傾斜させる前傾トルクＴｔを生じさせる。このとき、後傾トルクＴｄ＝前傾トルクＴｔとすることにより、機体の姿勢を維持することができる。

このように、後傾トルクＴｄ＝前傾トルクＴｔとなるように安定翼５を構成した場合、機体が後方に傾斜してから姿勢を元に戻す動作が繰り返されることとなり、機体が揺動する可能性がある。そこで、機体が前方から風を受けやすい状況にある場合には、前傾トルクＴｔ＞後傾トルクＴｄとなるように安定翼５を構成することにより、積極的に機体を前方に傾斜させるようにしてもよい。

このように、機体を予め前方に傾斜させることにより、ダクテッドファン２の推力Ｆの水平方向前方向きの成分Ｆｈを発生させることができる。したがって、この推力の水平方向成分Ｆｈによってダクト２１の抗力Ｒｄを打ち消すことができ、後傾トルクＴｄの発生を事前に回避して、機体の揺動を抑制することができる。

図３Ｂに示したように、ホバリング中に機体が後方から風を受けた場合、ダクト２１は前方向きの抗力Ｒｄを受ける。この抗力Ｒｄは、機体を前方に傾斜させる前傾トルクＴｄを生じさせる。一方、ホバリング中に機体が後方から風を受けた場合、安定翼５には下方向きの揚力（ダウンフォース）Ｄｔが作用する。このダウンフォースＤｔは、機体を後方に傾斜させる後傾トルクＴｔを生じさせる。このとき、前傾トルクＴｄ＝後傾トルクＴｔとすることにより、機体の姿勢を維持することができる。

このように、前傾トルクＴｄ＝後傾トルクＴｔとなるように安定翼５を構成した場合、機体が前方に傾斜してから姿勢を元に戻す動作が繰り返されることとなり、機体が揺動する可能性がある。そこで、機体が後方から風を受けやすい状況にある場合には、後傾トルクＴｔ＞前傾トルクＴｄとなるように安定翼５を構成することにより、積極的に機体を後方に傾斜させるようにしてもよい。

このように、予め機体を後方に傾斜させることにより、ダクテッドファン２の推力Ｆの水平方向後方向きの成分Ｆｈを発生させることができる。したがって、この推力の水平方向成分Ｆｈによってダクト２１の抗力Ｒｄを打ち消すことができ、後傾トルクＴｄの発生を事前に回避して、機体の揺動を抑制することができる。

上述した第一実施形態に係る垂直離着陸機１によれば、機体重心Ｇよりも下方かつ胴体３の後方でダクテッドファン２からの気流を阻害しない位置に安定翼５を設置したことにより、ダクテッドファン２のダクト２１が風の抵抗を受けた場合であっても、抗力によるトルクを打ち消して機体の姿勢を容易に維持することができる。

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５Ｂを参照しつつ説明する。ここで、図４Ａ〜図４Ｂ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は側面図、図４Ｂは正面図、である。図５Ａ〜図５Ｂは、本開示の他の実施形態に係る垂直離着陸機を示す側面図であり、図５Ａは第三実施形態、図５Ｂは第四実施形態、を示している。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及び図４Ｂに示した第二実施形態に係る垂直離着陸機１は、機体のロール運動を抑制するロール安定翼６を脚部３１に配置したものである。一般に、Ｘ軸（機体の前後方向軸）回りの運動をロール運動（ローリング）、Ｙ軸（機体の左右方向軸）回りの運動をピッチ運動（ピッチング）、Ｚ軸（機体の上下方向軸）回りの運動をヨー運動（ヨーイング）と称する。ロール安定翼６は、機体に生じるロール運動を抑制する安定翼である。

具体的には、ロール安定翼６は、図４Ａ及び図４Ｂに示したように、機体重心Ｇよりも下方に設置されると共にＸＺ平面に展開された平板によって構成され、脚部３１を構成する支持部３１ｂの側面に配置される。なお、ロール安定翼６は、ＸＺ平面に平行な配置に限定されるものではなく、ＸＺ平面に対して傾斜させて配置してもよい。

かかる第二実施形態によれば、左右方向（図のＹ方向）の風によってダクト２１が抵抗を受けて機体を回転させようとするトルクが発生した場合であっても、機体重心Ｇよりも下方で風を受けるロール安定翼６によって反対方向のトルクを発生させることができ、機体のロール運動を抑制することができる。

図５Ａに示した第三実施形態に係る垂直離着陸機１は、機体重心Ｇよりも下方かつ胴体３の前方でダクテッドファン２からの気流を阻害しない位置に第二安定翼７を備えている。第二安定翼７は、上述した安定翼５と同様に、翼部７１、支持部７２及び整流板７３を備えている。垂直離着陸機１は、前後いずれの方向にも飛行可能であることから、機体の前後方向を定義しない場合には、前方又は後方のいずれに向かって飛行するか事前に定まっていない。そこで、前後のいずれの方向への飛行にも対応することができるよう、本実施形態では安定翼５に加えて第二安定翼７が配置されている。

かかる第三実施形態によれば、ホバリング中に機体が前方から風を受けた場合、安定翼５によって揚力を発生させ、第二安定翼７によってダウンフォースを発生させることにより、前傾トルクを発生させることができる。また、ホバリング中に機体が後方から風を受けた場合、安定翼５によってダウンフォースを発生させ、第二安定翼７によって揚力を発生させることにより、後傾トルクを発生させることができる。

したがって、第三実施形態に係る垂直離着陸機１によれば、機体の姿勢を容易に維持することができるだけでなく、安定翼５の翼部５１及び第二安定翼７の翼部７１の小型化を図ることができる。

図５Ｂに示した第四実施形態に係る垂直離着陸機１は、上述した第三実施形態に係る垂直離着陸機１に第二実施形態に示したロール安定翼６を配置したものである。かかる第四実施形態によれば、前後方向の風のみならず左右方向の風にも対応することができ、機体の姿勢を容易に維持することができる。

上述した第一実施形態〜第四実施形態に係る垂直離着陸機１は、操縦者が搭乗しない無人機として説明したが、垂直離着陸機１は、操縦者が搭乗する座席を胴体３やフレーム体４に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ダクテッドファン
３胴体
４フレーム体
５安定翼
６ロール安定翼
７第二安定翼
２１ダクト
２２ファン
２３ノーズコーン
２４テールコーン
２５ステータ
２６，２７制御翼
３１脚部
３１ａ接地部
３１ｂ支持部
３２コネクタ
４１第一フレーム
４２第二フレーム
５１，７１翼部
５２，７２支持部
５３，７３整流板

Claims

複数のダクテッドファンと、
前記ダクテッドファンよりも下方に配置される胴体と、
前記胴体と前記ダクテッドファンとを連結するフレーム体と、
機体重心よりも下方かつ前記胴体の後方で前記ダクテッドファンからの気流を阻害しない位置に配置された安定翼と、
を含むことを特徴とする垂直離着陸機。
前記安定翼は、前記胴体よりも下方に張り出した部分を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の垂直離着陸機。
前記垂直離着陸機が水平に着陸した状態で、前記安定翼は、後縁が前縁より下方に位置するように傾斜した状態に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の垂直離着陸機。
前記胴体は、着陸時に機体を支持する脚部を備え、前記安定翼は、前記脚部に接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載の垂直離着陸機。
前記胴体は、着陸時に機体を支持する脚部を備え、前記脚部は、機体のロール運動を抑制するロール安定翼を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の垂直離着陸機。
機体重心よりも下方かつ前記胴体の前方で前記ダクテッドファンからの気流を阻害しない位置に配置された第二安定翼を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の垂直離着陸機。