JPH0771959B2 - 飛行船の制御機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 飛行船は、航空機としての人員物資の輸送、地上・海上
交通状況や公害・保安目的での空中からの監視と管制、
報道等を目的とする撮影のためのプラットフォーム、災
害時の救難、農林業での薬剤の散布、あるいは水産・畜
産での魚・獣類の探索・監視などに有効に利用すること
ができる。

本発明は、このような各種用途に適し、特にその運動性
能の改善を図るようにした飛行船における制御機構に関
するものである。

［従来の技術］ 飛行船は、浮揚ガスの入った機体に推進機と姿勢制御機
構を備え、空中に浮いた状態で推進機により移動すると
いう機能を有している。そのため、航空機のように空気
動力学的な揚力で浮上するものに比して、失速等による
危険がなく、エネルギ効率が非常に良いという長所を有
しているが、特に低速域において運動性能が鈍重であ
り、離着陸に多数の人員支援を必要とするなどの欠点を
有している。

このような飛行船については、従来、高パワーのスラス
タを用いるなどの手段により、上述した運動性能を改善
することが考慮されているが、高出力推進機を用いるこ
とは、エネルギ効率の良い長所を減殺することになり、
適切な対応策とはいえない。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の技術的課題は、上述した飛行船において、高出
力の推進機を用いることなく、従ってエネルギ効率の良
い長所を維持しつつ、運動性能を改善し、結果的に、運
行コストの軽減と耐候性の向上を図れるようにした飛行
船の制御機構を得ることにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するため、本発明に係る飛行船の制御機
構は、外形が回転楕円形状をなし、機体軸を含む水平・
垂直両断面で静力学的・動力学的に対称に形成した機体
内に、浮揚ガスを充填した気嚢を設けると共に、機体の
前後各上下にそれぞれ独立の空気房を設け、機体の左右
外側に、ルーバーの制御によってそれぞれ個別的に上下
方向へ推力を偏向させ得る推進機を設け、これらの推進
機に、そこから圧送される空気を上記各空気房に独立に
供給・排出する切換弁を備えた空気ダクトを接続し、上
記機体の後部周囲に、制御翼を持った外部尾翼を設ける
ことにより構成される。また、上記推進機に代えて、機
体の先端に吸込みダクトを開口させると共に、機体の後
端に噴出ダクトを開口させた推進機を、機体の中心軸線
上に配設し、吸込みダクト及び噴出ダクトが開口する機
体前後端の開口部分に、翼板をジンバル機構によって互
いに直交する２軸方向に回転可能に支持させたジンバル
式多重制御翼を設けることができる。

［作 用］ 機体の負荷慣性モーメントが大きく、空力的外乱の影響
も大きな低速域でのピッチとヨーの姿勢角の適応制御
は、推進機のルーバーを変向させ、あるいは、推進機の
吸込みダクト及び噴出ダクトの開口部分に設けたジンバ
ル式多重制御翼を制御することにより行われる。また、
機体後部の外部尾翼に設けた制御翼によってもピッチ角
及びヨー角を制御することができる。

低速域においては、外側に空気流がないので、外部尾翼
の制御翼は姿勢等の制御機構を十分に発揮せず、これに
対し、高速域では上記制御翼が十分にその制御機能を発
揮する。一方、推進機からの噴流による制御は、機体の
速度の如何に拘らず十分に発揮される。従って、ピッチ
角及びヨー角の適応制御に際しては、上記推進機による
制御と同時に制御翼による制御が、航行速度その他の各
種条件に応じて、それぞれの制御量が適切に与えられる
ように設定される。

ロール角を制御する場合は、高速域では、フィードバッ
ク制御により外部尾翼に設けた制御翼が制御される。一
方、低速域もしくは停止時では、制御翼の制御性が十分
でないため、また機体外のルーバー付き推進機のロール
制御を助けるためにも、推進機から切換弁を介して機体
内の複数の空気房に必要な空気を供給・排出し、空気房
間の空気量の調整による機体重心の位置制御によりロー
ル姿勢角を安定させる。

このような制御により、上記飛行船においては、高出力
の推進機を用いることなく、従ってエネルギ効率の良い
長所を維持しつつ、運動性能を改善することができる。

［実施例］ 第１図ないし第３図は、本発明に係る制御機構を備えた
飛行船の第１実施例の構成を示している。この第１実施
例は、浮揚ガスの気嚢外に推進機を設けた軟式飛行船の
場合を示すもので、飛行船における機体１は、外形が回
転楕円形状をなし、機体軸を含む水平・垂直両面で静力
学的・動力学的に対称に形成している。上記機体１は、
内部にヘリウム等の浮揚ガスを充填した気嚢２を設ける
と共に、機体１内の上下及び前後に振り分けて、４個の
独立の姿勢制御用空気房３〜６を設けたものである。ペ
イロード・ベイ7,7は、機体１の左右に分割して設けて
いるが、左右の一方に設けて他方にカウンターバランス
を設けることもでき、これらの場合に、上述した水平・
垂直両面での静力学的・動力学的な対称性を大きく損な
わないことが必要である。

通常の飛行船においては、気嚢の下にペイロード・ベイ
を設けることにより重心を下げ、ロール、ピッチに関し
て機体の安定化を図っているが、その反面、機体の制御
性が悪くなる。しかるに、上述のように機体１を軸対称
に形成すれば、その制御性が改善され、また、以下に説
明する制御によって機体１の安定化を図ることも可能に
なる。

機体１の推進及び制御のため、上記機体１の左右外側に
は、ルーバー11,11の制御によって機体１の左右にそれ
ぞれ個別的に上下任意方向へ推力偏向が可能な推進機8,
8を設けている。また、これらの推進機8,8には、そこか
ら圧送される空気を切換弁18を介して各空気房３〜６に
供給する空気ダクト17を接続し、上記切換弁18によって
各空気房３〜６に空気を独立に供給制御可能に構成して
いる。なお、同切換弁18を通して各空気房３〜６からの
空気を独立に排出可能に構成することもできる。

さらに、上記飛行船の機体後部の周囲には、制御翼20を
持った外部尾翼19の複数を設けている。

上記切換弁18を通して行う各空気房３〜６への空気の供
給は、気嚢２に充填したヘリウムよりも重い空気によっ
て機体１の重心を移動させ、機体のピッチ角の制御、重
心の上昇による高速航行時の制御性の改善、重心の低下
による低速航行時の機体の安定性の改善等を図るもので
ある。一般に、飛行船の高速航行時には、外部尾翼19等
によって機体の安定を保つことが容易であり、そのため
重心を機体軸に近い位置まで高くして、制御性を改善す
るのが有効である。しかるに、低速航行時には、機体の
安定を保つ必要があるため、重心を機体軸よりできるだ
け低く保つのが適している。

第４図ないし第６図に示す本発明の第２実施例は、軟式
飛行船における浮揚ガスの気嚢内に推進機を設けた場合
を示すもので、飛行船における機体21は、前記実施例と
同様に、外形が回転楕円形状をなし、機体軸を含む水平
・垂直両面で静力学的・動力学的に対称に形成してい
る。また、機体21の内部にヘリウム等の浮揚ガスを充填
した気嚢22を設け、機体21内の上下及び前後に、４個の
独立の姿勢制御用空気房23〜26を設けた点でも、前記実
施例と共通性を有している。

ペイロード・ベイについては図示を省略しているが、同
様に機体21の左右に分割して設け、あるいは機体の左右
の一方に設けて他方にカウンターバランスを設けること
ができる。

機体21の推進及び制御のための推進機28は、機体21の先
端に吸込みダクト29を開口させると共に、機体の後端に
噴出ダクト30を開口させて、機体の中心軸線上に配設
し、吸込みダクト29及び噴出ダクト30が開口する機体前
後端の開口部分に、一つの制御要素として、ピッチ、ヨ
ー角の能動制御に用いるためのジンバル式多重制御翼31
を設けている。

このジンバル式多重制御翼31は、第７図及び第８図に示
すように、方向及び昇降舵として機能する翼板33,34を
ジンバル機構32によって互いに直交する２軸方向に回転
可能に支持させ、それらをジンバル機構32に付設した２
個のサーボ・モータ35,36で駆動することにより、ピッ
チ及びヨー角の能動制御を可能にするものである。即
ち、ピッチ角を制御する場合は、サーボ・モータ36で横
向きの翼板34を回すことにより、空気流を上下方向に変
向させ、それに伴って発生する反力により機体を制御
し、またヨー角を制御する場合は、縦の翼板を回すこと
により空気流を横に変向させて、その反力により機体を
制御するものである。このような機体の制御は、実験に
より非常に効果的であることが確かめられている。な
お、上記サーボ・モータ35,36に代えて、機体21内に設
けた駆動源によりケーブル、ギヤ等を介して機械的に駆
動する方式を採用することもできる。

また、上記推進機28には、そこから圧送される空気を切
換弁38を介して各空気房23〜26に供給する空気ダクト37
を接続し、上記切換弁38によって各空気房23〜26に空気
を独立に供給制御可能に構成している。なお、同切換弁
38を通して各空気房23〜26からの空気を独立に排出可能
に構成することもできる。

さらに、上記飛行船の機体後部の周囲には、制御翼40を
持った外部尾翼39の複数を設けている。

次に、上記構成を有する飛行船の姿勢角の適応制御につ
いて説明する。

飛行船のピッチ角及びヨー角の適応制御は、第９図Ａに
示すように推進機8,8のルーバー11,11を変向させ、推進
機8,8における噴流がそのルーバー11,11に当たる場合の
反力によって制御し、あるいは、同図Ｂに示すように、
推進機28の吸込みダクト29及び噴出ダクト30の開口部分
に設けたジンバル式多重制御翼31を制御し、推進機28か
らの噴流を所要の傾斜角に設定した翼板33または34に当
てることにより行われる。

機体の負荷慣性モーメントが大きく、空力的外乱の影響
も大きな低速域でのピッチとヨーの姿勢角の制御には、
第１実施例のように、機体の重心、浮心、空力中心から
できるだけ離れた部位に制御力の作用点（推進機８）を
置き、制御モーメントのアームの拡大を図るのが有利で
あるが、第２実施例の構成によっても優れた制御性を発
揮することが確かめられている。

また、機体後部の外部尾翼19,39に設けた制御翼20,40に
よってもピッチ角及びヨー角を制御することができる。

機体が低速で航行し、あるいは停止しているときは、外
側に空気流がないので、外部尾翼19,39の制御翼20,40は
姿勢等の制御機能を発揮しない。これに対し、機体があ
る程度の速度で航行している場合には、上記制御翼20,4
0が十分にその制御機能を発揮する。一方、推進機8,28
からの噴流による制御は、機体の速度の如何に拘らず十
分に発揮される。

従って、ピッチ角及びヨー角の適応制御に際しては、上
記推進機8,28による制御と同時に制御翼20,40による制
御を行うことになるが、航行速度その他の各種条件に応
じて、それぞれの制御量が適切に設定される。

なお、第１図ないし第３図の実施例でヨー角の制御を行
う場合は、左右の推進機8,8の噴射に差を持たせ、ある
いは左右を逆に噴射することになる。

ロール角を制御する場合は、高速域では、第10図に示す
ような制御系によりその制御が行われる。同図は、その
制御のブロックダイヤグラムを示すもので、これによっ
て外部尾翼19,39に設けた制御翼20,40が制御される。な
お、制御翼20,40の制御に際して上記ピッチ角及びヨー
角の制御とミキシングされることは勿論である。

ロール角の制御には、まず、指令値として参照機体傾斜
値が与えられる。この参照機体傾斜値ｒとして、例えば
０が入力されているとき、傾斜検出器において検出され
た現在の機体傾斜対応値ｄがフィードバックされ、それ
らの差である誤差値ｅ（＝ｒ−ｄ）が、増幅器を介して
駆動源に送られ、外部尾翼19,39の制御翼20,40の偏角が
制御される。その結果、機体のダイナミックスに影響が
与えられ、機体のその傾きを修正するので、傾斜検出器
によりそれを検出して、同様な制御が繰返される。

これは高速域での制御であり、低速域では制御翼20,40
の制御性が十分でないため、次のような制御が行われ
る。但し、上述した制御系は常に動作状態に置く。

重心、浮心、空力中心が近接した機体構造では、低速域
においてロール姿勢角が不安定となるが、負荷慣用モー
メント、外乱共に小さなロール姿勢角の低速域での制御
は、機体外部にそのための突起物等を設置せず、機体内
の複数の空気房間での空気の移動による機体重心の位置
制御を主体として行われる。即ち、高速時には機体軸上
またはそれより若干下方にあるように制御される機体重
心が、低速閉または静止時には、機体軸よりできるだけ
下に移動せしめられる。この重心の移動は、低速時また
は静止時に手動で、もしくは速度検出により低速時であ
ることを自動検出して自動で、切換弁18,38を所要の位
置に切換えることにより行われる。第11図Ａは重心を高
くした高速時を示し、第11図Ｂは重心を低くした低速時
を示している。

上述した飛行船の制御機構は、飛行船の運動性能向上の
ため、動力学的不安定要素となっていた機体重心、浮
力、空力中心、推力作用線の分離配置が生じない機体構
造であって、前述したように、静力学的・動力学的に機
体軸を含む水平・垂直両面で対称に設計されたものにお
いて、最も高い効果を生むものあり、パワー増加を必要
とせず、推進機の推力を直接高効率で使用したピッチ、
ヨー角の能動制御と、ロール角の機体重心移動による能
動制御とを含む適応制御によってそれが実現される。

また、高速域で有効な機体姿勢角の受動制御と、低速域
で効果を発揮するところの、推進機の噴流を直接使った
能動制御とを同時に行うことによって、エネルギ効率を
高めながら、全ての速度範囲での姿勢制御が良好に維持
される。

さらに、上述した制御機構の組合せは、在来型の飛行船
のみならず、機体軸に対し静力学的及び動力学的に垂直
・水平両面対称の船体構造を有する飛行船に対して、パ
ワー増加を必要とせずに、最大の効果を発揮させるため
に極めて有効な制御方式である。

［発明の効果］ 以上に詳述した本発明によれば、軸対称機体としたので
制御による即応性が増す、機体構造が簡単で信頼性が高
い、姿勢制御に推進パワーを直接使うため、新たに大き
なパワー源を必要としない、機体の補強が高出力のスラ
スタを設ける場合に比して僅少で済む、などの効果を期
待することができ、それによって、エネルギ効率の良い
飛行船の長所を維持しつつ、その運動性能を改善し、結
果的に、運行コストの軽減と耐候性の向上を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明に係る制御機構を備えた飛
行船の第１実施例を示し、第１図はその上面図、第２図
はその側面図、第３図は背面図である。また、第４図な
いし第６図は、本発明の第２実施例を示し、第４図は上
面図、第５図は側面図、第６図は背面図、第７図及び第
８図はジンバル式多重制御翼の側面図及び正面図、第９
図A,Bは飛行船のピッチ角及びヨー角の適応制御に関す
る説明図、第10図はロール角を制御するための制御系に
ついてのブロックダイヤグラム、第11図Ａは重心を高く
した高速時における空気房の状態を示す説明図、第11図
Ｂは重心を低くした低速時における空気房の状態を示す
説明図である。 1,21……機体、2,22……気嚢、 ３〜6,23〜26……空気房、8,28……推進機、 11……ルーバー、17,37……空気ダクト、 18,38……切換弁、19,39……外部尾翼、 20,40……制御翼、29……吸込みダクト、 30……噴出ダクト、 31……ジンバル式多重制御翼、 32……ジンバル機構、33,34……翼板。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外形が回転楕円形状をなし、機体軸を含む
   水平・垂直両断面で静力学的・動力学的に対称に形成し
   た機体内に、浮揚ガスを充填した気嚢を設けると共に、
   機体の前後各上下にそれぞれ独立の空気房を設け、機体
   の左右外側に、ルーバーの制御によってそれぞれ個別的
   に上下方向へ推力を偏向させ得る推進機を設け、これら
   の推進機に、そこから圧送される空気を上記各空気房に
   独立に供給・排出する切換弁を備えた空気ダクトを接続
   し、上記機体の後部周囲に、制御翼を持った外部尾翼を
   設けたことを特徴とする飛行船の制御機構。
2. 【請求項２】外形が回転楕円形状をなし、機体軸を含む
   水平・垂直両断面で静力学的・動力学的に対称に形成し
   た機体内に、浮揚ガスを充填した気嚢を設けると共に、
   機体の前後各上下にそれぞれ独立の空気房を設け、機体
   の先端に吸込みダクトを開口させると共に、機体の後端
   に噴出ダクトを開口させた推進機を、機体の中心軸線上
   に配設し、吸込みダクト及び噴出ダクトが開口する機体
   前後端の開口部分に、翼板をジンバル機構によって互い
   に直交する２軸方向に回転可能に支持させたジンバル式
   多重制御翼を設け、これらの推進機に、そこから圧送さ
   れる空気を上記各空気房に独立に供給・排出する切換弁
   を備えた空気ダクトを接続し、上記機体の後部周囲に、
   制御翼を持った外部尾翼を設けたことを特徴とする飛行
   船の制御機構。