JP7271797B2 - 無人航空ビークルのスパー用ハニカムコア - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、米国で２０１９年１２月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／９５４９８１号及び米国で２０２０年２月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／９７５６８４号の優先権及び利益を主張するものであり、これらすべての内容は、あらゆる目的のために本明細書に参照することにより本明細書に組み込まれる。これは、米国で２０１９年１２月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／９５４９８１号及び米国で２０２０年２月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／９７５６８４号の一部継続出願である。

実施形態は、概して、翼構造に関し、より詳細には、無人航空ビークルのスパー用ハニカムコアに関する。

あるシステム実施形態は、翼パネルと、翼パネル内に配置されたスパーとを含み得、スパーは、上側キャップと、下側キャップと、上側キャップと下側キャップとの間の少なくとも一部分に接続されたハニカムコアと、内側表面板と、外側表面板とを含み、ハニカムコアの少なくとも一部分は、内側表面板と外側表面板との間に配置されていてもよい。

追加のシステム実施形態では、翼パネルは、半硬質シェルを含む。追加のシステムは、無人航空ビークル（ＵＡＶ）をさらに含んでいてもよく、翼パネルがＵＡＶに取り付けられていてもよい。追加のシステム実施形態では、ハニカムコア及び外側表面板は、スパーの全周囲を一周し得る。追加のシステム実施形態では、ハニカムコア及び外側表面板の少なくとも一部分は、上側キャップの少なくとも１つの縁を超えて展開し、上側キャップの上に重なる。追加のシステム実施形態では、ハニカムコア及び外側表面板の少なくとも一部分は、下側キャップの少なくとも１つの縁を超えて展開し、下側キャップの上に重なり得る。

追加のシステム実施形態では、スパーは、異なる厚さを有し得る。追加のシステム実施形態では、スパーは、上側キャップにおいて、下側キャップより厚くてもよい。追加のシステム実施形態では、ハニカムコアは、上側キャップと下側キャップとの間のスパーの安定化をもたらし得る。追加のシステム実施形態では、ハニカムコアは、スパーが、スパーの翼弦方向主軸周りの正及び負の面外曲げ負荷に耐えるように、スパー壁部の屈曲に対してスパーの断面を安定化する。

追加のシステム実施形態では、上側キャップは、下側キャップから遠位にあり得る。追加のシステム実施形態では、スパーの断面は楕円形であり得る。追加のシステム実施形態では、上側キャップ及び下側キャップは、カーボンファイバで作製されていてもよい。追加のシステム実施形態では、ハニカムコアは、アラミド繊維で作製されていてもよい。

図中のコンポーネントは、必ずしも原寸に比例しているとは限らず、むしろ、発明の原理を示すことに重きを置いている。同様の参照番号は、異なる図を通じて対応する部分を指定する。添付図面の図において、実施形態は例として示されており、限定ではない。
ハニカムコアを有するスパーを備えた無人航空ビークルの翼パネルの上面斜視図を示す。 図１のスパー及びハニカムコアの断面図を示す。 図１のハニカムコアの傾斜縁の部分断面図を示す。 図１のスパーのセクション間の管状スパージョイントの断面図を示す。 図４のスパーに関連付けられたプライの積層部の断面図を示す。

図１に関しては、ハニカムコア１０４を有するスパー１０２を備えた、無人航空ビークル（ＵＡＶ）などの航空ビークルの翼パネル１００が示されている。ＵＡＶは、搭乗しているパイロットがいない航空機であり、自律的にまたは遠隔で飛行し得る。１つの実施形態では、ＵＡＶは、高高度長期滞空機である。１つの実施形態では、ＵＡＶは、１または複数のモータ、例えば、１～４０個のモータ、及び１００フィート（３０．４８メートル）～４００フィート（１２１．９２メートル）の翼幅を有し得る。１つの実施形態では、ＵＡＶは、およそ２６０フィート（およそ７９．２５メートル）の翼幅を有し、かつ、翼の表面をカバーする太陽アレイを動力とする複数のモータ、例えば、１０個の電動モータに結合された、複数のプロペラによって推進され、その結果、排出ゼロであり得る。ＵＡＶは、海抜およそ６５，０００フィート（およそ１９．８１キロメートル）の高度で雲の上を飛行し、着陸せずに最大数ヶ月間にわたる持続的な長期任務のために設計されている。

ＵＡＶは、高高度で最適に機能し、着陸する手段なしにかなりの期間の持続飛行をすることができる。１つの実施形態では、ＵＡＶは、およそ３，０００ｌｂｓ（およそ１３６１ｋｇ）の重さを有し得る。

翼パネル１００は、空力フェアリングとして機能する軽量な半硬質シェル１０６を含み得る。スパー１０２は、上側キャップ１１６、下側キャップ１１８、ならびに内側表面板１２２、ハニカムコア１０４、及び外側表面板１２４から成る側壁を含み得る。１つの実施形態では、ハニカムコア１０４及び外側表面板１２４は、スパー１０２の全周囲を一周する。１つの実施形態では、ハニカムコア１０４及び外側表面板１２４は、上側キャップ１１６及び下側キャップ１１８の縁を僅かに超えて展開し、上側キャップ１１６及び下側キャップ１１８の上に重なる。スパー１０２は、スパー１０２が、上側キャップ１１６において最も厚く、下側キャップ１１８においてより薄く、ハニカムコア１０４の側部で何らかの他の厚さであり得るように、異なる厚さをもっていてもよい。上側キャップ１１６及び下側キャップ１１８は、負荷にしたがってサイズ決めされてもよく、上側キャップ１１６及び下側キャップ１１８の厚さは、スパー１０２のスパンに沿って異なってもよい。１つの実施形態では、上側キャップ１１６の厚さは、０．２９４インチ（７．４６７ミリメートル）から０．０４８インチ（１．２２ミリメートル）まで異なり、下側キャップ１１８の厚さは、０．１６２インチ（４．１１５ミリメートル）から０．０３０インチ（０．７６ミリメートル）まで異なる。１つの実施形態では、ハニカムコア１０４の厚さは、機体中心側が０．３７５インチ（９．５３ミリメートル）厚であり、機体外側が０．２５０インチ（６．３５ミリメートル）厚である。

ハニカムコア１０４は、スパー１０２のそうでなければ薄い側部エリアを安定化することを可能にする。スパー１０２のコア１０４ならびに内側及び外側表面板１２２、１２４それぞれによって形成されるサンドイッチは、より高い慣性モーメントをもたらし、したがって側壁安定性を高め、その結果、スパー１０２の全体的強度を高める。より具体的には、ハニカムコア１０４は、スパー１０２が、スパー１０２に置かれた翼弦方向主軸１３０周りの正及び負の面外曲げ負荷に耐え得るように、スパー１０２の壁部の屈曲に対してスパー１０２の断面を安定化させる。正の面外曲げモーメントは、典型的には、負の面外曲げモーメントよりも大きい大きさをもつので、上側キャップ１１６は、概して、下側キャップ１１８よりも大きい厚さをもつ。さらに、上側キャップ１１６及び下側キャップ１１８の材料は、圧縮応力よりも引張応力を受けるのに適しているため、上側キャップ１１６はまた、概して、下側キャップ１１８よりも大きい厚さをもつ。

図２に関しては、ハニカムコア１０４を有するスパー１０２が、断面で示されている。１つの実施形態では、スパー１０２は、円筒形の雄型マンドレル上に敷設される結果として、概ね円筒形である。概して、スパー１０２の周囲の不均一な厚さによって生じる内部応力の結果として、スパーの断面は、マンドレルから取り外した後、僅かに楕円形になる。１つの実施形態では、スパー１０２は、カーボンファイバで作製されている。１つの実施形態では、ハニカムコア１０４は、Ｋｅｖｌａｒ（またはＮｏｍｅｘ）などの、軽量、低密度、コルゲート状のアラミド繊維で作製されている。別の実施形態では、コアは、発泡体で作製されている。

スパー１０２は、スパー１０２を成形するための円筒形マンドレルを用いて製造され得る。内側表面板１２２ならびに上側及び下側キャップ１１６、１１８をそれぞれ形成するために、カーボンファイバの板（例えば、プライ）が敷設され得る。１つの実施形態では、内側表面板１２２及びキャップ１１６、１１８は、ハニカムコア１０４を適用する前に硬化される。その後、ハニカムコア１０４がスパー１０２の側部の薄いエリアに巻き付けられ、ハニカムコア１０４が内側表面板１２２と外側表面板１２４との間にサンドイッチされるように外側表面板１２４が適用されてもよい。大まかに言って、望ましい厚さが達成されるまで、複数のカーボンファイバ表面板プライ１３６（図５参照）が、スパー１０２の周りに巻き付けられ、キャッププライが、その長さに沿って伸張される。したがって、スパー１０２の上側部分は、正の面外曲げに関連付けられる圧縮負荷に耐えるために望ましい厚さがより大きいことに起因して、底部及び側部よりも多くのプライを得てもよい。１つの実施形態では、スパー１０２のキャップの機体中心側端部（上側キャップ１１６及び下側キャップ１１８を含む）は、キャップの機体外側端部のおよそ２倍（負荷に依存する）厚くてもよい。

図３は、外側表面板１２４がハニカムコア１０４の上部から基部１２７のレベルまで斜めになるように、縁において傾斜または「パンダウン」しているハニカムコア１０４の厚さを示す。この接合部において、外側表面板１２４及び内側表面板１２２が一緒になり、キャップ１１６、１１８において十分な安定性があるため、ハニカムコア１０４は必要なくなる。スパー１０２の長さに沿った箇所にある他の「ビルドアップ」において、追加の安定性がもたらされる。上記のビルドアップは、例えば、翼パネルのスパージョイント、積載物マウント、モータパイロンマウント、及び着陸ギアポッドマウントに関連付けられる補強材を含み得る。

図４を参照すると、翼パネルのスパージョイント１３２が示されている。より具体的には、翼パネルのスパージョイント１３２は、スパー１０２の隣接する２つのスパーセクション１３４ａ、ｂの間に位置付けられていてもよい。１つの実施形態では、隣接する２つのスパーセクション１３４ａ、ｂは、一方のスパーセクションの端部がいくらかの隙間をあけて他方のスパーセクションの端部内に適合し得るように、異なる直径を有する。例えば、セクション１３４ａの直径は、セクション１３４ｂ内に適合するようパンダウンしてもよい。１つのスパーセクション（例えば、セクション１３４ａ）が、隣接するスパーセクション（例えば、セクション１３４ｂ）の端部内に突出し得る距離は、より小さいスパーセクションの直径のおよそ３倍であり得る。２つのスペーサ１３８ａ、ｂが、より小さいスパーセクション１３４ｂの直径のおよそ３倍の距離を隔てるように、重なったセクション１３４ａ、ｂの各端部に一方がおかれた、環状スペーサ１３８ａ、ｂの対を介して、一方のスパーセクションから他方へと、曲げモーメントが伝達され得る。各スペーサ１３８ａ、ｂは、より大きいスパーセクション１３４ａの内部にちょうど適合する外径と、より小さいスパーセクション１３４ｂの外部周りにしっかりと適合する穴とを含み得る。１つの実施形態では、両方のスペーサ１３８ａ、ｂが、より小さいスパーセクション１３４ｂの外部に結合している。１つの実施形態では、翼パネルのスパージョイント１３２で上反角のブレーク角（ｄｉｈｅｄｒａｌ ｂｒｅａｋ ａｎｇｌｅ）が望まれるときなど、より小さいスパーセクション１３４ｂのための穴がスペーサ１３８ｂの中心にない場合、偏心スペーサが使用され得る。

図５に関して、各スパーセクション１３４ａ、ｂは、上記の軽量なサンドイッチ側壁及びハニカムコア１０４から構築されていてもよい。例えば、スパー１０２は、上側キャップ１１６、下側キャップ１１８、ならびに内側表面板１２２、ハニカムコア１０４、及び外側表面板１２４から成る側壁を含む。各スパーセクション１３４ａ、ｂの上側キャップ１１６及び下側キャップ１１８は、ファイバがスパーセクション１３４ａ、ｂの長さに沿って配向されている一方向性カーボンファイバ及びエポキシの比較的厚い積層部から構築されていてもよい。各キャップ１１６、１１８は、それぞれのスパーセクション１３４ａ、ｂの周囲の最大９０°を占有し得る。各キャップ１１６、１１８は、予め定められたキャップ応力閾値以内の必要なスパーの曲げモーメントを伝えるようサイズ決めされていてもよい。スパーセクション１３４ａ、ｂの両方がおよそ同じ曲げモーメントを伝えるが、より小さいスパーセクション１３４ｂは、より小さいキャップ間隔（そして場合によってはより小さいキャップ幅）で曲げモーメントを伝えなければならないため、より小さいスパーセクション１３４ｂのキャップは、より大きいスパーセクション１３４ａのキャップより厚くてもよい。各キャップ１１６、１１８の厚さは、０．０１インチ（０．２５ミリメートル）～０．５０インチ（１２．７ミリメートル）の範囲を有し得る。１つの実施形態では、異なるキャップ１１６、１１８及び側壁の厚さにより、円筒形ではなく僅かに偏心していてもよいスパーセクション１３４ａ、ｂの外部が生成される。

スパー１０２の長さの大半に沿って、せん断は僅かであり、キャップ安定性のためにサイズ決めされ得る軽量なサンドイッチ側壁によって容易に伝えられ得る。しかしながら、せん断は、スパーセクション１３４ａ、ｂが重なる場所では高い。これは、キャップ内の力が、スパーセクションが他のスパーセクションと重なり始める場所における最大の力から、スパーセクションの端部におけるゼロまで減少しなければならないからである。力は、重なったセクション内でスパー側壁にせん断として伝達され得る。したがって、重なったセクションにおける側壁は、大いに補強されていなければならない。１つの実施形態では、側壁は、主として±４５°の配向を有する複数のプライ１３６で補強されている。プライ１３６は、キャップ１１６、１１８へと適切に連結するよう、スパーセクション１３４ａ、ｂでスパー１０２の全周囲に巻き付けられ得る。より小さいセクション１３４ａのせん断壁は、ハニカムコア１０４が必要とされないよう十分に厚くてもよい。１つの実施形態では、負荷がキャップからジョイナせん断壁に伝達されるに従い、キャップ断面エリアは、重量が削減されるように斜めになっていてもよい。

２つのスペーサ位置１３８ａ、ｂにおいて、せん断が集約され、スペーサ１３８ａ、ｂに伝達され得る。せん断の伝達は、スパー１０２の軸に対して９０°の配向を有する一方向性プライであるフーププライ１３６ａ（黄色で示されている）によって容易になり得る。ジョイナせん断プライ１３６ｂ（緑色で示されている）へと適切に連結するため、フーププライ１３６ａは、スパー１０２の全周囲に巻き付けられ得る。フーププライ１３６ａは、スペーサ１３８ａ、ｂよりも僅かに幅広であり、そのためスパー管壁がさらに厚くなっていてもよい。より小さいスパーの１つの実施形態では、スペーサ１３８ａ、ｂは、スパーセクション１３４ｂの上記の厚くなったエリアの上部（例えば周囲）に結合される。

大まかに言って、プライ１３６の縁は、突然の変化が回避され得るように階段状になっている。加えて、異なる種別のプライ１３６が交互配置される（例えば、混合される）。１つの実施形態では、交互配置は、複数のキャッププライ１３６ｃ（青色で示されている）、その後にジョイナせん断プライ１３６ｂ、その後にフーププライ１３６ａ、続いて追加のキャッププライ１３６ｃを含み得る。１つの実施形態では、キャッププライ１３６ｃは、スパー１０２に対して比較的平行に広がっている。１つの実施形態では、キャッププライ１３６ｃが、他のプライ（例えば、フーププライ１３６ａ、ジョイナせん断プライ１３６ｂ）の傾斜縁の上部に敷設される場所にかかわらず、小さな「ジョグル」が生成される。ジョグルが小さく、プライ１３６の全体的な積層部が厚い位置では、ジョグルは許容され得る。フーププライ１３６ａは、フーププライ１３６ａがキャップ１１６、１１８の下で生成し得るこのようなジョグルを最小化するために、プライ１３６の積層部の外部に向かって付勢されていてもよい。

上記実施形態の特定の特徴及び側面の様々な組み合わせ及び／または部分的組み合わせを行ってもよく、依然として本発明の範囲内に収まることが想定される。したがって、開示されている発明の異なる態様を形成するために、開示されている実施形態の様々な特徴及び側面を互いと組み合わせるかまたは代替してもよいことが理解されるべきである。さらに、本発明の範囲は、例として本明細書に開示されることが意図され、上記で開示されている特定の実施形態に限定されるべきではない。

Claims (14)

1. システムであって、
   翼パネルと、
   前記翼パネル内に配置されたスパーと
   を備え、
   前記スパーは、
   上側キャップと、
   下側キャップと、
   前記上側キャップと前記下側キャップとの間の少なくとも一部分に接続されたハニカムコアと、
   内側表面板と、
   外側表面板と
   を有し、
   前記ハニカムコアの少なくとも一部分は、前記内側表面板と前記外側表面板との間に配置されているシステム。
2. 前記翼パネルは半硬質シェルを有する、請求項１に記載のシステム。
3. 無人航空ビークル（ＵＡＶ）をさらに備え、前記翼パネルが前記ＵＡＶに取り付けられている、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記ハニカムコア及び外側表面板は、前記スパーの全周囲を一周する、請求項１から３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記ハニカムコア及び前記外側表面板の少なくとも一部分は、前記上側キャップの少なくとも１つの縁を超えて展開し、前記上側キャップの上に重なる、請求項１から４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記ハニカムコア及び前記外側表面板の少なくとも一部分は、前記下側キャップの少なくとも１つの縁を超えて展開し、前記下側キャップの上に重なる、請求項１から５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記スパーは、異なる厚さを有する、請求項１から６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記スパーは、前記上側キャップにおいて、前記下側キャップより厚い、請求項１から７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記ハニカムコアは、前記上側キャップと前記下側キャップとの間の前記スパーの安定化をもたらす、請求項１から８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 前記ハニカムコアは、前記スパーが、前記スパーの翼弦方向主軸周りの正及び負の面外曲げ負荷に耐えるように、スパー壁部の屈曲に対して前記スパーの断面を安定化する、請求項１から９のいずれか１項に記載のシステム。
11. 前記上側キャップは、前記下側キャップから遠位にある、請求項１から１０のいずれか１項に記載のシステム。
12. 前記スパーの断面は楕円形である、請求項１から１１のいずれか１項に記載のシステム。
13. 前記上側キャップ及び前記下側キャップは、カーボンファイバで作製されている、請求項１から１２のいずれか１項に記載のシステム。
14. 前記ハニカムコアは、アラミド繊維で作製されている、請求項１から１３のいずれか１項に記載のシステム。

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