JPWO2011007850A1 - ローター・ヘッド - Google Patents

Abstract

本発明は、従来式４ブレード・ヘッドに於いて、高速飛行時の「フレアー」現象を解決するため、独立した二組のヨークを、シーソー運動可能な状態に組み合わせてジンバル構造としたものである。二組のヨークは互いの干渉を避ける為、片方のヨークを橋架け構造とし、シーソー運動をミキシング・アームに伝達することによって、４ブレード・ヘッドにおけるベル・ヒラー混合システムの構成を可能にした。また、それぞれのシーソー運動をミキシング・アームに伝達するシステムとして、エルボー・リンクを用いた。

Description

本発明はヘリコプターの４ブレード・ローター・ヘッドを、二組のシーソーを用いてジンバル構造としたものである

現在、無線操縦式や自立航行型ヘリコプターに採用されている４ブレード式ローター・ヘッドの構造は、概ね次のような方式である。
一つには、固定式と言う実機によく見られる方式で、主回転軸とローター・グリップとの間にフラッピング運動可能な関節を持たない方式である。
現在、無線操縦式ヘリコプターの４ブレード・ヘッドは、大半がこの方式を採用している。
次には、それぞれ独立した関節を持つフラッピング式で、実機では大型の機種に用いられることが多い。
この方式は、フラッピング関節はあるものの、それぞれが独立して運動するために、ヒラー制御が不可能である。
これらの方式は、いずれもホヴァリング状態では問題は無いが、飛行速度の増加にともない「フレアー」という頭上げ現象が発生する。
この現象が発生すると、ヘリは操縦者の意思とは関係なく機体が上下に動く「ポーポイジング運動」を起し制御不能に陥る。
本発明は、それらの諸問題を解決すべく、主回転軸とヨーク・プレートの間にシーソー可能な関節を持たせ、ローター・ブレードに掛かる曲げ応力を吸収できるようにした。

ヘリコプターが高速で移動するためには、ローター・ブレードを制御して揚力の大きさを周期的に変化させる必要がある。
仮に前進しようとした場合、ローター・ブレードによって形成される回転面の前側の揚力を小さく、後ろ側の揚力を大きくして、前方に傾斜させる。
その作用は、主回転軸によって機体に作用し前方に傾斜するが、前進速度が増加するに従って、前方からの相対風が機体後部に取り付けた水平安定板を押し下げ、機体の傾斜は抑制され、回転面だけが傾斜するようになる。
この時、主回転軸とローター・ブレード回転軸は、それぞれ異なる回転軸を持ち、相対角は前後方向で異なるため、ローター・ブレードには周期的な角度の変化に伴う曲げ応力が加わる。
固定式ローター・ヘッドではその力をブレードのしなりによって吸収する事になるが、無線操縦式や自立航行式の小型ヘリコプターは、機体重量と比較してローター・ブレードのスケール強度が高い為、不可能である。
その結果、サイクリック・コントロールによって発生する揚力の不均衡は、ローター・ブレードの反発力となって回転面にうねりを発生させ、飛行中のヘリコプターの制御を乱す事になる。
本発明は、それらの諸問題を解決するために、ローター・ブレードの取り付け部にそれぞれ独立してシーソー可能な関節を二組設け、ジンバル構造とした４ブレード式ジンバル・ローター・ヘッドである。

本発明は、サイクリック・コントロールによって発生する主回転軸とローター回転軸の相対角を吸収するため、二組のそれぞれ独立したシーソー機構を用いてジンバルを構成した。
また、それぞれのシーソー運動を仰角変化に反映させてベル・ヒラー・ミキシング・システムを実現した。
具体的には、向かい合う二枚のローター・ブレードをそれぞれ連結してシーソー運動を行うためのヨークを設け、ベアリング支持によってセンター・ハブに取り付けた。
この時、同一面上で直交して取り付けたＸ軸とＹ軸のヨークを、互いに干渉することなくシーソー運動できるようにするため、Ｙ軸側のヨークを橋架け構造とし、ピーヤ・ブロックを介してセンター・ハブに取り付けた。
ピーヤ・ブロックとは、ベアリング支持によってセンター・ハブに取り付けた部品で、左右一対でヨークを支持し、シーソー運動の干渉を避けるための働きをする橋脚の様な構造をした部位のことである。
ヨークの両端部にはヒラー・ミキシングを行うためのエルボー・リンクを設けて、シーソー運動をヒラー制御として取り出すための接合ポイントとした。
エルボー・リンクとは、人の腕のような形をした連結器で、肩に当たる部分と、肘に当たる部分はそれぞれ円弧運動が可能で、拳に当たる部分はボール・リンクのクレビスになっていて、３次元方向からの力に対し、任意の方向の力のみを伝達できるようにした機構である。
エルボー・リンクには肘に似た関節があり、ヨークのシーソー運動や、ピッチ・アームのフェザリング運動とミキシング・アームの円弧運動などによって発生する複雑な角度のズレを吸収し、ベース側ヨークのシーソー運動のみをミキシング・アームに伝達してヒラー・コントロールを行う。
本発明に於いて、エルボー・リンクは不可欠な機構であり、４ブレード式ジンバル・ヘッドのベル・ヒラー・ミキシング・システムを構築するための重要な機構である。

無線操縦式ヘリコプターに採用されていた従来の４ブレード・ヘッドでは、高速飛行中にフレアー現象が発生してポーポイジング運動を起こし、最悪の場合は操縦不能に陥る事があった。
本発明は、４ブレード式ローター・ヘッドのヨークを、干渉しない二組のシーソーを用いてジンバル構造とする事により、ローター回転面の傾斜をローター・ブレードではなく、ローター・ヘッドで行う事が出来るようになった。
また、ジンバル機構を用いることで、従来の４ブレード式ローター・ヘッドでは不可能であったヒラー制御を可能にした。
これは、ジンバルを構成する二組のシーソーをヒラー・バーに見立てることにより、エルボー・リンクを介してミキシング・アームを制御し、ベル・ヒラー混合システムの構成を実現することが出来た。
質量の小さい無線操縦式ヘリコプターでは、ローター・ブレードの仰角を緻密に制御することが要求されるが、本発明に依れば操縦装置からの任意の操作に対する初期反応が良く細かな操縦が容易に行えるうえ、風などの外的な力に対しての安定性が優れている。
また、舵角の大きな制御に対してはヒラー・コントロールが有効に作用して、従来の４ブレード・ヘッドでは不可能であった、滑らかで運動性に優れた操縦が可能になる。
この様な性能を有したローター・ヘッドを産業用ヘリコプターなどに利用すれば、従来の２ローター式ヘッドより、ホヴァリング時の安定性と高速飛行時の制御性に優れたヘリコプターが実現できる。
さらに、ローター・ブレードを４枚にする事で、エンジンを換装することなく、より大きな離陸重量を稼ぐことが出来る。

図１は一般的なヘリコプターの側面図である。
図２はローター・ヘッドの実施方法を示した平面図である。
図３はＹ軸ヨークの橋架け構造を示したＹ軸側面図である。
図４はベル・ヒラー・ミキシング機構を示した平面図である。
図５はＹ軸ヨークの取り付け方法を示した斜視図である。
図６はＹ軸ヨークに取り付けたエルボー・リンクとＸ軸側ミキシング・アームの状態を示した斜視図である。
図７はエルボー・リンクの詳細図ある。
図８はスワッシュ・プレートとミキシング・アームのリンケージの状態を示した。
図９は当該ヘッドに於けるホヴァリングの状態を表した簡略図である。
図１０は操縦装置の操作によるサイクリック・コントロールの状態を示した簡略図である。
図１１はヨークのシーソー運動によるヒラー・ミキシングの状態を示した簡略図である。

主回転軸のハブに、ベアリングによって支持されたヨークを、二組が直交する形に取り付け、支持点を軸にシーソー運動が出来るようにした。
二組のシーソーは、それぞれ独立した支持点を持ち、一方のヨークを橋架け構造とすることで、シーソー運動が干渉しないようにした。
シーソー運動は、ヨークに取り付けたエルボー・リンクによってミキシング・アームに伝達され仰角制御の一端を担うようにした。
ミキシング・アームのベル・ポイントへの入力とシーソー運動によるヒラー・ポイントへの作用はミキシング・アーム上の任意の位置にピン接合された、ピッチ・アームに作用する。
ピッチ・アームへの作用によってローター・グリップに取り付けられた回転翼の仰角を制御できるようにした。
図１は一般的なシングル・ローターのヘリコプターを側面から見た様子を簡略化した図であるが、ローター・ヘッドとは機体上部にある符号１１１の部分の事で、回転しながらローター・ブレード１２の仰角を制御して飛行を司る、ヘリコプターにとって最も重要な働きをする機構である。
図２の、１２はＸ軸のローター・ブレード、２２はＹ軸のローター・ブレードを示す。
縦に配置したＸ軸のヨーク・プレート１に対して、Ｙ軸のヨーク・プレート２を横に配置することによって、互いに干渉しない独立したシーソー機構を実現した。
それぞれのヨークのシーソー軸を３で示した。
Ｙ軸ヨークはピーヤ・ブロックを介してセンター・ハブ４に取り付けた。
Ｘ軸のシーソー運動は、エルボー・リンク・ベース５０にベアリング支持によって取り付けたエルボー・リンク５を介してミキシング・アーム６に伝達され、ベル・ポイント８への制御と混合された力が、ピッチ・アーム７に作用してローター・グリップ２１に取り付けたローター・ブレード２２の仰角を制御する。
この制御は、四箇所のエルボー・リンクで全て同じように作用する。
図３では、二組のヨークが干渉することなくシーソー運動が出来るようにするための橋架け構造と、ピーヤ・ブロックの状態を示した。
１はＸ軸ヨークの断面であり、縦に配置されている状態を示してある。
１を跨ぐように横向きに取り付けたＹ軸ヨーク２は、ピーヤ・ブロック９によりセンター・ハブ４に取り付けた。
３はＹ軸、Ｙ軸のベアリング支持点を示し、３１はダンパーを示す。
２０はＹ軸ヨーク２に取り付けたフェザリング・ブロックで、ローター・グリップ２１を連結する。
図４ではベル・ヒラー・コントロールの働きと、構成要素であるエルボー・リンク５、ミキシング・アーム６、ピッチ・アーム７の状態を示す。
Ｙ軸ヨーク２のシーソー運動はエルボー・リンク５によってミキシング・アーム６に伝わり、交差するＸ軸側ローター・グリップ１１の仰角制御に作用する。
ミキシング・アーム６のポイント８には操縦装置からの制御棒が連結されており任意の制御が行われる。
その結果ミキシング・アーム６には、Ｙ軸ヨークのシーソー運動による作用と、操縦装置による制御が混合されて作用し、ピッチ・アーム７に働く。
これにより、ベル・ヒラー・コントロールの要素が構成される。
図５は、Ｙ軸ヨークの取り付け方法を立体的に示した斜視図である。
２はＹ軸側のヨーク・プレートを示し、センター・ハブ４を挟んで取り付けたピーヤ・ブロック９によってシーソー運動が出来るように取り付けた。
この時、Ｘ軸ヨーク１とＹ軸ヨーク２は互いに干渉することなくシーソー運動することが可能で、相互にヒラー・コントロール・バーの役割を担うことが出来る。
図６は、エルボー・リンク５とミキシング・アーム６の状態を示した斜視図である。
Ｙ軸側ヨーク２のシーソー運動は、エルボー・リンク５によってミキシング・アームのヒラー・ポイント８０に伝達される。
ミキシング・アームのもう一端８にはスワッシュ・プレートからの制御が伝達される。
ヒラー・ポイント８０とベル・ポイント８の動きはミキシング・アーム６によって混合され、その作用は取り付け軸７１を通してピッチ・アーム７に作用する。
このリンク機構によって、ベル・コントロール、ヒラー・コントロール、デルタスリー・コントロールの、三つの要素が混合されて、ローター・ブレードの仰角をコントロールする。
図７はエルボー・リンクの詳細図である。
この図ではエルボー・リンクはエルボー・リンク・ベース５０によってＹ軸ヨークのフェザリング・ブロック部２０に取り付けた状態を抜粋してある。
相対的に、ヨークのシーソー運動がミキシング・アーム６に作用する事で、ヒラー・コントロール・バーの役割を持たせた。
エルボー・リンク・ベース５０への支持部５１にはベアリングを用いて、支持部５１を中心とした上腕部５２の円運動に対応する。
また、上腕部５２の多端には前腕５４を円運動が可能な状態に取り付けるためのピン５３があり、この部分が人の肘に似た形状をしている事から、この連結器をエルボー・リンクと名付けた。
前腕５４の先端部５５はクレビスになっており、ミキシング・アームの一端に設けたピボット・ボール８０に接続してある。
Ｘ軸ヨークとＹ軸ヨークはシーソー軸が直交しているため、Ｘ軸とＹ軸との相対角は、それぞれのシーソー運動の大きさにより不定常となる。
そのため、当該システムに於いてエルボー・リンクは不可欠な要素である。
図８は操縦装置からミキシング・アームへのリンケージの状態を、Ｙ軸を断面とする方向から見た状態に、簡潔に表した動作概念図である。
図中８−１はベル・コントロール、ヒラー・コントロールとも行われていないニュートラル状態を示す。
今、図８−２のように、制御回路からヘリコプターを前進させる指令があったとする。
制御回路からの指令を受けたサーボ・モーター８６は、出力軸に取り付けたホーン８５を任意の角度だけ回転させる。
その運動は、リンク・ロッド８４を通じてスワッシュ・プレートのロアー・プレート４２に伝達される。
ロアー・プレート４２は機体側に、回転しないように取り付けられているが、リンケージによる制御に合わせて傾斜し、上下に動く。
ロアー・プレートへの作用は、並行を保ったままローター・ヘッドと同期して回転するアッパー・プレート４１に作用し、リンク・ロッド８１によってミキシング・アーム６のベル・ポイント８に作用する。
その作用は、ミキシング・アームの任意の位置に回転可能な状態に取り付けたピッチ・アーム７の作用点７１に作用して、ローター・グリップ１１に取り付けたローター・ブレード１２の仰角制御を行う。
ミキシング・アームのもう一端には、相対側ヨークに取り付けたエルボー・リンクと連結したヒラー・ポイント８０が設けてあり、ヨーク２のシーソー運動を仰角制御に作用させる。図８−３
ミキシング・アーム６は、ピッチ・アーム７の制御ポイント７１に回転可能な状態に取り付けてあるため全浮動となり、Ｙ軸ヨークとＸ軸ヨークの間で複雑な角度を成して動く。
その変化を吸収しながらヨークのシーソー運動をヒラー・ポイント８０へ伝達する役割を担うのが、エルボー・リンクである。
エルボー・リンクはミキシング・アーム６と、Ｘ軸側ヨークの平面上に位置するためこの図には表示してない。
図９は当該ヘッドにおける動作概念図である。
ここでは、ヘリコプターのローター回転方向は左回りの場合で説明する。
便宜上ヘリコプターの前方を位相０度、右舷側を９０度、後方を１８０度、左舷側を２７０度とする。
ホヴァリング状態では、全ての位相におけるミキシング・アーム６への制御は同一であり、メイン・マスト４５に対するヨーク１の相対角も等しい。
図１０のように、ヘリコプターを前進飛行させるため、操縦装置によりスワッシュ・プレート４２を位相０度方向へ傾斜させる。
図では位相０°〜１８０°をＸ軸、９０°〜２７０°をＹ軸とする。
スワッシュ・プレート４２に連結されているコントロール・ロッド８１によって、位相２７０度のピッチ・アーム７に取り付けたミキシング・アーム６に作用し下方へ引き下げ、同時に位相９０度にあるミキシング・アーム６の一端を上方へ押し上げる。
この作用によって、位相２７０度のローター・ブレード２２にマイナス、位相９０度のローター・ブレード２２にはプラスの仰角変化が起きて揚力不均衡が発生するが、ローター回転面はジャイロ・プリセッションによって９０度遅れて作用するため、位相０度方向へ回転面が傾斜する。
この運動は、Ｘ軸、Ｙ軸が相互に入れ替わりながら連続的に作用して、サイクリック・コントロールを行う。
図１１では、揚力不均衡によって傾斜した位相０度と１８０度にあるローター・ブレード１２は、その連結部であるヨーク１を傾斜させ、ヨークの一端に取り付けたエルボー・リンク５に作用する。
エルボー・リンク５はヨーク１と一緒にシーソー運動をするため、その一端に連結されたミキシング・アーム６に作用して位相９０度と２７０度にあるローター・ブレード２２の仰角変化に作用する。
一連の動作が始まると、位相９０度と２７０度にあるローター・ブレードには、スワッシュ・プレートからのコントロールによる作用と、位相０度と１８０度にあるエルボー・リンクからの作用によって仰角変化が制御されるが、操縦者の意思を超えた過度な仰角変化はデルタ・スリー効果によって抑制され、スワッシュ・プレート４２の傾斜に沿って制御される。
こうして一連の動作は完了するが、このシステムではＸ軸とＹ軸のローター・ブレードの軌跡は完全に一致する。
当該システムに於いて四枚のメイン・ローター・ブレードは、相互にヒラー・コントロールを行うが、全てのブレードが揚力を発生する。

従来の遠隔操作式無人ヘリコプターに使用されている４ブレード・ローター・ヘッドには高速移動中にフレアー現象が発生して制御不能に陥るという問題点があった。
４ブレード式ジンバル・ローター・ヘッドはサイクリック・コントロールによる回転面の傾きをヘッドのシーソー機構によって吸収することにより、問題点を解決した。
それにより、遠隔操作式無人ヘリコプターで実績のあるベル・ヒラー式２枚ローター・ヘッドの運動性と、４枚ローター・ヘッドの安定性の両方を兼ね備えたヘッドを実現した。
産業用ヘリなどで離陸重量を大きくするためには、ローター・ブレードを長くして有効面積を大きくする方法があるが、機体の大型化は搬送手段の煩雑化を招き、維持管理費の増大や、安全性に面でも不利である。
ローター・ブレードの枚数を増やせば同じ回転面積でも最大離陸重量の増大が可能なため、より重い機器の積載が可能になる。
将来的に遠隔操作式無人ヘリコプターは農業関係だけでなく、航空測量、地質調査、人命救助など、様々な分野への利用が想定されているが搬送に有利な小型の機体で、より重いものを運べる４ブレード・ローター・ヘッドは有利であり、本発明は、そのような分野での有効利用が期待できる。
また、このシステムを利用して自立航行型ヘリコプターを製作すれば、更なる小型化が可能になり、機動性の高いＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｉｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）の製作が実現できる。

１ Ｘ軸ヨーク
１０ Ｘ軸フェザリング・ブロック
１１ Ｘ軸ローター・グリップ
１２ Ｘ軸ローター・ブレード
１１１ ローター・ヘッド
１３ フェザリング・スピンドル
２ Ｙ軸ヨーク
２０ Ｙ軸フェザリング・ブロック
２１ Ｙ軸ローター・グリップ
２２ Ｙ軸ローター・ブレード
３ シーソー・ピン
３１ ダンパー
４ センター・ハブ
４１ アッパー・プレート
４２ スワッシュ・プレート
４５ メイン・マスト
５ エルボー・リンク
５０ エルボー・リンク・ベース
５１ エルボー・リンク支持部
５２ エルボー・リンク上腕部
５８ 前腕部接合ピン
５４ エルボー・リンク前腕部
５５ クレビス
６ ミキシング・アーム
７ ピッチ・アーム
７１ ミキシング・アーム取り付け軸
８ ベル・コントロール・ピボット
８０ ヒラー・コントロール・ピボット
８１ リンク・ロッドＢ
８４ リンク・ロッドＡ
８５ サーボ・ホーン
８６ サーボ・モーター
９ ピーヤ・ブロック

Claims (4)

1. 互いに干渉しない二組のシーソーを用いてジンバル機構を構成し、同一面で回転する４ブレード・システムを特徴とする、ローター・ヘッド。
2. 互いの干渉を避ける為の方法として、二組のうち一組のヨークを、ピーヤ・ブロックを介してハブに取り付ける橋架け構造とした事を特徴とする、請求項１に記載のローター・ヘッド。
3. 前記、各ヨークのシーソー運動を相互のヒラー・コントロール・バーとして用いるベル・ヒラー混合システムの構成を確立した事を特徴とする請求項２に記載のローター・ヘッド。
4. 前記、各ヨークのシーソー運動を、隣接する相互間において仰角制御に反映させるため、エルボー・リンクという、人の腕の形をした連結器を用い、直交する二組のシーソー運動による複雑な角度のズレを吸収して、任意の方向の力のみを伝達できるようにした事を特徴とする、請求項３に記載のローター・ヘッド。

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