WO2009093491A1 - ヘリコプタ、そのロータ、及びその制御方法 - Google Patents

ヘリコプタ、そのロータ、及びその制御方法 Download PDF

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WO2009093491A1
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helicopter
blade
lead lug
rotor
angle
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PCT/JP2009/050232
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English (en)
French (fr)
Inventor
Masahiro Nakao
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/51Damping of blade movements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/54Mechanisms for controlling blade adjustment or movement relative to rotor head, e.g. lag-lead movement

Definitions

  • the present invention relates to a helicopter.
  • the airspeed of forward blade 101 is represented by the sum of the rotational speed (circumferential speed) and the forward speed of helicopter, and the airspeed of backward blade 102. Is represented by the difference between the rotational speed and the forward speed of the helicopter.
  • the forward speed of the helicopter is high, a shock wave is generated in the forward blade 101 having a high airspeed, and a stall occurs in the backward blade 102 having a low airspeed.
  • the forward speed of a single rotor helicopter has been limited to about 200 knots (370 km / hr).
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 9-48398 discloses a lead lug restraining device.
  • the lead lug restraint device includes a stopper that restricts the displacement of the blade in the lead lug direction, and the stopper moves to a position that almost restrains the displacement of the blade in the lead lug direction during the ground rotor run, and allows the blade displacement during the aerial rotor run. Move to position.
  • An object of the present invention is to provide a helicopter capable of high-speed flight, a helicopter rotor, and a helicopter control method.
  • a helicopter rotor includes a blade, a rotor hub that supports the blade, and a lead lug angle mechanism that changes a lead lug angle of the blade in synchronization with rotation of the rotor hub.
  • the helicopter includes a rotor and a lead lug angle control system.
  • the rotor includes a blade, a rotor hub that supports the blade, and a lead lug angle mechanism that changes a lead lug angle of the blade in synchronization with rotation of the rotor hub.
  • the lead lug angle control system changes the lead lug angle of the blade in synchronization with the rotation of the rotor hub.
  • the control method of the helicopter supports the blade by the rotor hub and the rotation of the rotor hub of the helicopter. This is accomplished by changing the lead lug angle of the blade synchronously.
  • a helicopter capable of high-speed flight, a helicopter rotor, and a helicopter control method are provided.
  • FIG. 1 is a top view of a conventional rotor.
  • FIG. 2 is a side view of the helicopter according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the rotor according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a perspective view of the rotor according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a block diagram of a control system of the helicopter according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a top view of the rotor according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the air speed and the azimuth of the blade blade tip of the rotor according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a graph for explaining a control rule according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a top view of a conventional rotor.
  • FIG. 2 is a side view of the helicopter according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the rotor according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a side view of a rotor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a perspective view of a rotor according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a block diagram of a control system of the helicopter according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the lead lug angle and the azimuth angle of the blade of the rotor according to the second embodiment.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the air speed and the azimuth of the blade blade tip of the rotor according to the second embodiment.
  • FIG. 14 is a perspective view of a rotor according to a modification of the second embodiment.
  • FIG. 15 is a graph showing the torsion angle distribution of the blade.
  • FIG. 16 is a graph showing the code length distribution of the blade.
  • FIG. 17 is a top view of a rotor including rails and rollers.
  • FIG. 18 is a side view of a rotor provided with rails and rollers.
  • FIG. 19 shows the engaged state of the rail and the roller.
  • FIG. 20 is a top view of a rotor in which a flex beam is used as a spar.
  • FIG. 2 shows the helicopter 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • the helicopter 10 includes a rotor 20 as a main rotor.
  • the rotor 20 has a rotor hub 21 as a rotating system, a spar 4 supported by the rotor hub 21, a blade 3 supported by the rotor hub 21 via the spar 4, and a pitch angle of the blade 3.
  • a feathering swash plate 9 to be controlled and a lead lug angle control mechanism 6 to control the lead lug angle of the blade 3 are provided.
  • the spar 4 is responsible for the centrifugal force acting on the blade 3.
  • the lead lug angle control mechanism 6 changes the lead lug angle of the blade 3 in synchronization with the rotation of the rotor hub 21.
  • the feathering swoosh plate 9 is connected to the blade 3 via a rod (not shown).
  • the lead lug angle control mechanism 6 includes a hollow shaft 22 as a fixed system, a lead lug swoosh plate 60 supported by the hollow shaft 22 so as to be rotatable around a rotation shaft 63, and a rod 67.
  • the lead lug swoosh plate 60 has a disk shape and includes an inner fixed portion 61 and an outer rotating portion 62.
  • the spar 4 is disposed between the lead lug swoosh plate 60 and the feathering swoosh plate 9.
  • the fixed portion 61 is supported by the hollow shaft 22 so as to be rotatable around the rotation shaft 63.
  • the rotating part 62 is supported by the fixed part 61 so as to be rotatable.
  • the rotor hub 21 has a hollow shaft shape.
  • the hollow shaft 22 is disposed on the inner side of the rotor hub 21 so as to be coaxial.
  • the rod 67 is passed through the hollow shaft 22 and connected to the fixed portion 61.
  • the rotor hub 21 rotates about its rotation axis
  • the spar 4 and the blade 3 rotate together with the rotor hub 21.
  • the rod 67 is displaced in the direction of the rotation axis of the rotor hub 21, the lead lug swoosh plate 60 rotates around the rotation shaft 63, and as a result, the inclination of the lead lug swoosh plate 60 with respect to the rotation axis of the rotor hub 21 changes.
  • the rotation shaft 63 is parallel to the left-right direction of the helicopter 10, for example.
  • the spar 4 is provided with a lead lug hinge 40.
  • the spar 4 includes a hub side portion 41 on the rotor hub 21 side (inner side in the rotational radial direction of the rotor 20) from the lead lug hinge 40 and a blade end side portion 42 on the outer side (outer side in the rotational radial direction of the rotor 20) from the lead lug hinge 40.
  • the blade 3 is coupled to the blade tip side portion 42.
  • the lead lug angle control mechanism 6 includes a link mechanism 7 that connects the lead lug swoosh plate 60 and the blade 3.
  • the link mechanism 7 includes a plate 71 rotatably supported on the hub side portion 41, a plate 72 coupled to the blade tip side portion 42, a crank 73 rotatably supported on the rotor hub 21, and a rotating portion. 62 and a rod 74 connecting the first portion 73a of the crank 73, a rod 75 connecting the second portion 73b of the crank 73 and the plate 71, a rod 76 and a rod 77 connecting the plate 71 and the plate 72.
  • the hub side portion 41 is provided with a normal articulated helicopter mechanism (not shown) such as a feathering hinge and a flapping hinge.
  • the lead lug swoosh plate 60 When the lead lug swoosh plate 60 is inclined from the state perpendicular to the rotation axis of the rotor hub 21, the first portion 73 a of the crank 73 moves in the direction of the rotation axis of the rotor hub 21 in synchronization with the rotation of the rotor hub 21. As a result, the blade tip side portion 42, the plate 72, and the blade 3 rotate around the lead lug hinge 40 in synchronization with the rotation of the rotor hub 21. As the blade 3 rotates around the lead lug hinge 40, the lead lug angle of the blade 3 changes. Therefore, the lead lug angle of the blade 3 changes in synchronization with the rotation of the rotor hub 21.
  • the lead lag angle control system 5 of the helicopter 10 includes a speed sensor 51 that detects the speed V of the helicopter 10, an altitude sensor 52 that detects the altitude of the helicopter 10, and a helicopter 10 such as a bank angle.
  • a posture sensor 53 that detects a posture, an information processing device 50, a lead lug angle control mechanism 6, and a blade 3 are provided.
  • the lead lug angle control mechanism 6 includes an actuator 65 that drives a lead lug swoosh plate 60 via a rod 67.
  • the lead lug angles of all the blades 3 included in the rotor 20 can be changed in synchronization with the rotation of the rotor hub 21 with one actuator 65.
  • the blade 3 rotates the rotor 20 from the position of the lead lug hinge 40 on the rotor hub 21 side (the hub side edge 32 side of the blade 3) and the position of the lead lug hinge 40.
  • a blade tip side portion 33 on the radially outer side (blade blade tip 31 side).
  • the wing tip side portion 33 is coupled to the wing tip side portion 42.
  • the wing tip side portion 42 is disposed in the wing tip side portion 33, and at least a part of the hub side portion 41 is disposed in the hub side portion 34. Since the hub side portion 41 is disposed in the hub side portion 34, the air resistance of the hub side portion 41 is reduced.
  • An azimuth angle (azimuth angle) AZ is defined around the rotation axis of the rotor 20 (rotation axis of the rotor hub 21).
  • the azimuth angle AZ corresponding to the rear of the helicopter 10 is set to 0 degree.
  • the direction in which the azimuth angle AZ increases is made coincident with the rotation direction of the rotor 20.
  • the right direction of the helicopter 10 corresponds to the azimuth angle AZ being 90 degrees
  • the front (forward direction) of the helicopter 10 is the azimuth angle AZ being 180 degrees.
  • the left direction of the helicopter 10 corresponds to the azimuth angle AZ being 270 degrees.
  • the lead lug angle control mechanism 6 is configured so that the blade 3 moves when the blade 3 moves from the rear side toward the front side of the helicopter 10.
  • the lead lag angle of the blade 3 is changed so that the peripheral speed of the blade tip 31 is increased and the peripheral speed of the blade tip 31 is increased when the blade 3 is moving from the front side to the rear side of the helicopter 10.
  • the number of blades 3 may be four as shown in FIG. 6 or may be other than four.
  • the horizontal axis of the graph represents the azimuth angle of the blade 3 (for example, the azimuth angle of the blade 3 at the position of the lead lug hinge 40), and the vertical axis of the graph represents the airspeed of the blade tip 31 in terms of Mach number.
  • the radius R of the rotor 20 is 8 m
  • the position of the lead lug hinge 40 is 40% of the radius R
  • the rotational speed of the rotor 20 is 250 rpm.
  • a curve 91 shows the relationship between the airspeed of the blade tip 31 and the azimuth when the forward speed of the helicopter 10 is 250 knots (463 km / h) and the amplitude of the lead lag angle of the blade 3 is 15 degrees.
  • a curve 92 shows the relationship between the airspeed of the blade tip 31 and the azimuth angle when the forward speed of the helicopter 10 is 250 knots and the lead lug angle of the blade 3 is fixed.
  • a curve 93 shows the relationship between the airspeed of the blade tip 31 and the azimuth angle when the forward speed of the helicopter 10 is 150 knots (278 km / h) and the lead lug angle of the blade 3 is fixed.
  • the helicopter 10 can fly at high speed.
  • the information processing apparatus 50 compares the speed V of the helicopter 10 with the threshold value Vc.
  • the actuator 65 positions the swash plate 60 for the lead lug so that the amplitude of the change in the lead lug angle of the blade 3 becomes 0 when the speed V is equal to or less than the threshold value Vc, and the change in the lead lug angle when the speed V is larger than the threshold value Vc.
  • the lead lug swoosh plate 60 is positioned so that the amplitude of the change in the lead lug angle increases as the velocity V increases.
  • the actuator 65 holds the lead lug swoosh plate 60 in a state perpendicular to the rotation axis of the rotor hub 21 when the speed V is equal to or lower than the threshold value Vc.
  • the actuator 65 tilts the lead lug swoosh plate 60 from a state perpendicular to the rotation axis of the rotor hub 21 when the speed V is larger than the threshold value Vc.
  • the higher the speed V the greater the actuator 65 tilts the lead lug swoosh plate 60 from a state perpendicular to the rotation axis of the rotor hub 21. Therefore, when the speed V is less than or equal to the threshold value Vc, the lead lug angle does not change in synchronization with the rotation of the rotor hub 21.
  • the lead lug angle changes in synchronization with the rotation of the rotor hub 21, and the amplitude of the change in the lead lug angle increases as the speed V increases.
  • the larger the amplitude of the change in the lead lug angle the slower the peripheral speed of the blade tip 31 of the blade 3 when the blade 3 is moving from the rear side to the front side of the helicopter 10, and the blade 3 becomes the front side of the helicopter 10.
  • the peripheral speed of the wing tip 31 is increased when moving from the rear side toward the rear side.
  • the information processing apparatus 50 decreases the threshold value Vc as the height of the helicopter 10 is higher.
  • the information processing apparatus 50 decreases the threshold value Vc as the bank angle of the helicopter 10 increases.
  • the helicopter 10 according to the second embodiment of the present invention is obtained by partially changing the helicopter 10 according to the first embodiment.
  • the helicopter 10 according to the present embodiment will be described with respect to the portion related to the change.
  • the rotor 20 includes a lead lug angle control mechanism 6 ′ that controls the lead lug angle of the blade 3 instead of the lead lug angle control mechanism 6.
  • the lead lug angle control mechanism 6 ′ includes an actuator 66 supported by the rotor hub 21.
  • the actuator 66 is an electric actuator.
  • the electric power and the control signal are supplied to the actuator 66 via a slip ring (not shown) provided in the rotor hub 21.
  • the actuator 66 is provided corresponding to each blade 3.
  • the lead lug angle control mechanism 6 ′ includes the link mechanism 7 described above.
  • the link mechanism 7 connects the actuator 66 and the blade 3.
  • the actuator 66 moves the rod 74 in the direction of the rotation axis of the rotor hub 21 in synchronization with the rotation of the rotor hub 21.
  • the lead lug angle of the blade 3 changes in synchronization with the rotation of the rotor hub 21.
  • the helicopter 10 includes a lead lug angle control system 5 ′ instead of the lead lug angle control system 5.
  • the lead lag angle control system 5 ′ includes a speed sensor 51, an altitude sensor 52, an attitude sensor 53, an azimuth angle sensor 54 that detects the azimuth angle (rotation angle position) of the rotor hub 21, and information
  • a processing device 50, a lead lug angle control mechanism 6 ′, and a blade 3 are provided.
  • the actuator 66 Based on the azimuth angle of the rotor hub 21 detected by the azimuth angle sensor 54 (the azimuth angle at the representative position of the rotor hub 21), the actuator 66 passes through the link mechanism 7 so that the lead lug angle changes in synchronization with the rotation of the rotor hub 21. Then, the blade 3 is driven.
  • the lead lug angle control system 5 'can execute the control of the lead lug angle described in the first embodiment. Furthermore, in the present embodiment, since the actuator 66 is provided for each blade 3, the lead lug angle control system 5 'can execute more advanced control of the lead lug angle.
  • the horizontal axis indicates the azimuth angle of the blade 3, and the vertical axis indicates the lead lug angle of the blade 3.
  • the actuator 66 drives the blade 3 so that the lead lug angle of the blade 3 changes as shown by a curve 94.
  • the change in the lead lag angle represented by the curve 94 is represented by the sum of the first frequency component represented by the curve 95 and the second frequency component represented by the curve 96.
  • the frequency of the first frequency component matches the rotational frequency of the rotor hub 21.
  • the frequency of the second frequency component is three times the rotational frequency of the rotor hub 21.
  • the phase difference between the first frequency component and the second frequency component is, for example, 30 degrees.
  • the amplitude of the lead lag angle in the curve 94 is 10 degrees.
  • the horizontal axis indicates the azimuth angle of the blade 3
  • the vertical axis indicates the airspeed of the blade tip 31 in terms of Mach number.
  • the radius R of the rotor 20 is 8 m
  • the position of the lead lug hinge 40 is 40% of the radius R
  • the rotational speed of the rotor 20 is 250 rpm.
  • a curve 97 shows the relationship between the airspeed and azimuth of the blade tip 31 when the forward speed of the helicopter 10 is changed to 250 knots and the lead lug angle of the blade 3 is changed as shown by the curve 94.
  • Curve 97 is compared to curves 92 and 93 described above. According to the present embodiment, the same effect as in the case of the first embodiment is achieved while reducing the amplitude of the lead lug angle compared to the case of the first embodiment.
  • the actuator 66 changes the lead lug angle of the blade 3 by moving the rod 75 in the rotational radius direction of the rotor 20.
  • FIG. 15 is a graph showing the twist angle distribution of the blade 3.
  • the horizontal axis of the graph represents the rotational radial position of the rotor 20 in the blade 3, and the vertical axis of the graph represents the torsion angle in the blade 3.
  • the twist angle is the same from the hub side edge 32 to the position of the lead lug hinge 40, and decreases from the position of the lead lug hinge 40 toward the blade tip 31. Since the torsion angle in the hub side portion 34 is constant, the hub side portion 41 and the hub side portion 34 are prevented from interfering when the lead lug angle changes.
  • FIG. 16 is a graph showing the code length distribution of the blade 3.
  • the horizontal axis of the graph indicates the rotational radial position of the rotor 20 in the blade 3, and the vertical axis of the graph indicates the cord length in the blade 3.
  • the cord length decreases from the hub side edge 32 toward the position of the lead lug hinge 40 and is the same from the position of the lead lug hinge 40 to the blade tip 31. Since the cord length in the hub side portion 34 decreases from the hub side edge 32 toward the position of the lead lug hinge 40, the lift distribution in the rotational radial direction in the hub side portion 34 is optimized.
  • the shape of the blade 3 described above is efficient both when hovering and when moving forward.
  • the hub side portion 34 includes an arc-shaped rail 35 centering on the lead lug hinge 40 in the vicinity of the hub side end edge 32.
  • the hub side portion 34 is formed on the upper surface side outer plate 34a, the rail 35 provided inside the upper surface side outer plate 34a, the lower surface side outer plate 34b, and the lower surface side outer plate 34b.
  • a rail 35 is provided.
  • the hub side portion 41 includes a roller 43 that engages with the rail 35 provided on the upper surface side outer plate 34a, and a roller 43 that engages with the rail 35 provided on the lower surface side outer plate 34b.
  • rail 35 has a trapezoidal cross-sectional shape and includes an upper surface 35a, an inclined surface 35b, and an inclined surface 35c.
  • the inclined surface 35b and the inclined surface 35c are arranged so as to sandwich the upper surface 35a, and are inclined opposite to each other with respect to the upper surface 35a.
  • the slope 35 b is inclined so as to face the opposite side of the lead lug hinge 40, and the slope 35 c is inclined so as to face the lead lug hinge 40.
  • the roller 43 includes an engagement surface 43a that is engaged with the upper surface 35a, an engagement surface 43b that is engaged with the inclined surface 35b, and an engagement surface 43c that is engaged with the inclined surface 35c.
  • the lead lug angle of the blade 3 can be smoothly changed by the rail 35 and the roller 43. Further, since the hub side portion 41 supports the hub side portion 34 via the rail 35 and the roller 43, an aerodynamic load acting on the hub side portion 34 is transmitted to the hub side portion 41.
  • the spar 8 is formed as a flex beam.
  • the spar 8 includes a bent portion 80 corresponding to the lead lug hinge 40, a hub side portion 81 corresponding to the hub side portion 41, and a wing tip side portion 82 corresponding to the wing tip side portion 42.
  • the blade tip side portion 82 is coupled to the blade tip side portion 33 of the blade 3.
  • the spar 8 greatly bends in the direction in which the lead lug angle of the blade 3 changes in the bent portion 80 and hardly bends in the direction in which the lead lug angle of the blade 3 changes in the hub side portion 81 and the blade tip side portion 82, When the lead lug angle changes, the position of the center of gravity of the blade 3 is prevented from changing greatly.
  • the lead lug angle control mechanisms 6 and 6 ′ drive the blade 3 so that the lead lug angle of the blade 3 changes corresponding to the azimuth angle of the blade 3.
  • the lead lug angle control mechanisms 6 and 6 ′ change the lead lug angle of the blade 3 so that the peripheral speed of the blade tip 31 of the blade 3 is slow on the forward side and fast on the backward side. Therefore, the helicopter 10 can fly at high speed.

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Abstract

 ヘリコプタのロータは、ブレードと、ブレードを支持するロータハブと、ロータハブの回転に同期してブレードのリードラグ角を変化させるリードラグ角機構を具備する。リードラグ角機構は、ブレード3の翼端の周速度が前進側で遅く後退側で速くなるようにブレードのリードラグ角を変化させる。こうして、高速飛行が可能なヘリコプタ、ヘリコプタのロータ及びヘリコプタの制御方法を提供することである。

Description

ヘリコプタ、そのロータ、及びその制御方法
 本発明は、ヘリコプタに関する。
 ヘリコプタの高速化が望まれている。ヘリコプタが前進飛行をする場合、ロータのブレードのピッチ角を変化させるサイクリック操舵によりロータの回転面を前傾させて前進方向の推力を発生する。図1を参照して、従来のヘリコプタのロータにおいては、前進側ブレード101の対気速度は回転速度(周速度)とヘリコプタの前進速度との和で表され、後退側ブレード102の対気速度は回転速度とヘリコプタの前進速度との差で表される。ヘリコプタの前進速度が大きい場合、対気速度が大きい前進側ブレード101において衝撃波が発生し、対気速度が小さい後退側ブレード102において失速が起きる。後退側ブレード102において失速が起きると、ロータの回転面は後傾し、前進方向の推力を発生することができなくなる。上述の理由から、シングルロータのヘリコプタの前進速度は200ノット(370km/hr)程度が限界とされていた。
 特開平9-48398号公報には、リードラグ拘束装置が示されている。リードラグ拘束装置は、ブレードのリードラグ方向の変位を制限するストッパを備えていて、ストッパは、地上ロータラン時にはブレードのリードラグ方向の変位をほとんど拘束する位置に移動し、空中ロータラン時にはブレードの変位を許容する位置に移動する。
 本発明の目的は、高速飛行が可能なヘリコプタ、ヘリコプタのロータ及びヘリコプタの制御方法を提供することである。
 本発明の第1の観点では、ヘリコプタのロータは、ブレードと、ブレードを支持するロータハブと、ロータハブの回転に同期して前記ブレードのリードラグ角を変化させるリードラグ角機構とを具備する。
 本発明の第2の観点では、ヘリコプタはロータと、リードラグ角制御系とを具備する。ロータは、ブレードと、ブレードを支持するロータハブと、ロータハブの回転に同期してブレードのリードラグ角を変化させるリードラグ角機構とを具備する。リードラグ角制御系は、ロータハブの回転に同期してブレードのリードラグ角を変化させる
 本発明の第3の観点では、ヘリコプタの制御方法は、ロータハブによりブレードを支持することと、ヘリコプタのロータハブの回転に同期して前記ブレードのリードラグ角を変えることにより達成される。
 本発明によれば、高速飛行が可能なヘリコプタ、ヘリコプタのロータ及びヘリコプタの制御方法が提供される。
図1は、従来のロータの上面図である。 図2は、本発明の第1実施形態に係るヘリコプタの側面図である。 図3は、第1実施形態に係るロータの断面図である。 図4は、第1実施形態に係るロータの斜視図である。 図5は、第1実施形態に係るヘリコプタの制御系のブロック図である。 図6は、第1実施形態に係るロータの上面図である。 図7は、第1実施形態に係るロータのブレード翼端の対気速度と方位角との関係を示すグラフである。 図8は、第1実施形態に係る制御規則を説明するグラフである。 図9は、本発明の第2実施形態に係るロータの側面図である。 図10は、第2実施形態に係るロータの斜視図である。 図11は、第2実施形態に係るヘリコプタの制御系のブロック図である。 図12は、第2実施形態に係るロータのブレードのリードラグ角と方位角との関係を示すグラフである。 図13は、第2実施形態に係るロータのブレード翼端の対気速度と方位角との関係を示すグラフである。 図14は、第2実施形態の変形例に係るロータの斜視図である。 図15は、ブレードの捩り角分布を示すグラフである 図16は、ブレードのコード長分布を示すグラフである。 図17は、レール及びコロを備えたロータの上面図である。 図18は、レール及びコロを備えたロータの側面図である。 図19は、レール及びコロの係合状態を示す。 図20は、フレックスビームがスパーとして用いられたロータの上面図である。
 以下に、添付図面を参照して、本発明によるロータを有するヘリコプタを詳細に説明する。
 (第1実施形態)
 図2は、本発明の第1実施形態に係るヘリコプタ10を示す。ヘリコプタ10は、メインロータとしてのロータ20を備えている。
 図3を参照して、ロータ20は、回転系としてのロータハブ21と、ロータハブ21に支持されたスパー4と、スパー4を介してロータハブ21に支持されるブレード3と、ブレード3のピッチ角を制御するフェザリング用スオッシュプレート9と、ブレード3のリードラグ角を制御するリードラグ角制御機構6を備える。スパー4は、ブレード3に作用する遠心力を受け持つ。リードラグ角制御機構6は、ロータハブ21の回転に同期してブレード3のリードラグ角を変化させる。フェザリング用スオッシュプレート9は、図示されないロッドを介してブレード3に接続される。リードラグ角制御機構6は、固定系としての中空軸22と、回動軸63まわりに回動可能なように中空軸22に支持されたリードラグ用スオッシュプレート60と、ロッド67を備える。リードラグ用スオッシュプレート60は、円板形状を有し、内側の固定部分61と外側の回転部分62を備える。スパー4は、リードラグ用スオッシュプレート60とフェザリング用スオッシュプレート9との間に配置される。固定部分61は、回動軸63まわりに回動可能なように中空軸22に支持される。回転部分62は、回転自在なように固定部分61に支持される。ロータハブ21は、中空軸形状を有している。中空軸22は、ロータハブ21の内側に同軸となるように配置されている。ロッド67は、中空軸22の内側に通され、固定部分61に接続されている。ロータハブ21がその回転軸まわりに回転すると、スパー4及びブレード3はロータハブ21と共に回転する。ロッド67がロータハブ21の回転軸方向に変位することでリードラグ用スオッシュプレート60が回動軸63まわりに回動し、その結果、ロータハブ21の回転軸に対するリードラグ用スオッシュプレート60の傾きが変化する。回動軸63は、例えば、ヘリコプタ10の左右方向に平行である。
 図4を参照して、スパー4にはリードラグヒンジ40が設けられている。スパー4は、リードラグヒンジ40よりロータハブ21側(ロータ20の回転半径方向内側)のハブ側部分41と、リードラグヒンジ40より外側(ロータ20の回転半径方向外側)の翼端側部分42を備える。ブレード3は翼端側部分42に結合されている。リードラグ角制御機構6は、リードラグ用スオッシュプレート60とブレード3とを接続するリンク機構7を備える。リンク機構7は、ハブ側部分41に回動可能に支持されたプレート71と、翼端側部分42に結合されたプレート72と、ロータハブ21に回動可能に支持されたクランク73と、回転部分62とクランク73の第1部分73aとを連結するロッド74と、クランク73の第2部分73bとプレート71とを連結するロッド75と、プレート71とプレート72とを連結するロッド76及びロッド77を備える。ハブ側部分41には、フェザリング用ヒンジやフラッピング用ヒンジ等通常の関節型ヘリコプタの機構(不図示)が設けられている。
 リードラグ用スオッシュプレート60がロータハブ21の回転軸に垂直な状態から傾いている場合、クランク73の第1部分73aは、ロータハブ21の回転に同期してロータハブ21の回転軸方向に運動する。その結果、翼端側部分42、プレート72及びブレード3は、ロータハブ21の回転に同期してリードラグヒンジ40まわりに回動する。ブレード3がリードラグヒンジ40まわりに回動することで、ブレード3のリードラグ角が変化する。したがって、ブレード3のリードラグ角は、ロータハブ21の回転に同期して変化する。
 図5に示すように、ヘリコプタ10のリードラグ角制御系5は、ヘリコプタ10の速度Vを検出する速度センサ51と、ヘリコプタ10の高度を検出する高度センサ52と、バンク角のようなヘリコプタ10の姿勢を検出する姿勢センサ53と、情報処理装置50と、リードラグ角制御機構6と、ブレード3を備える。リードラグ角制御機構6は、ロッド67を介してリードラグ用スオッシュプレート60を駆動するアクチュエータ65を備える。
 本実施形態によれば、一つのアクチュエータ65でロータ20が備える全てのブレード3のリードラグ角をロータハブ21の回転に同期して変化させることができる。
 図6を参照して、ブレード3は、リードラグヒンジ40の位置よりロータハブ21側(ブレード3のハブ側端縁32側)のハブ側部分34と、リードラグヒンジ40の位置よりロータ20の回転半径方向外側(ブレードの翼端31側)の翼端側部分33とを備えている。翼端側部分33は、翼端側部分42に結合されている。翼端側部分42は、翼端側部分33内に配置され、ハブ側部分41は、少なくともその一部がハブ側部分34内に配置される。ハブ側部分41がハブ側部分34内に配置されるため、ハブ側部分41の空気抵抗が低減される。
 ロータ20の回転軸(ロータハブ21の回転軸)を中心として方位角(アジマス角)AZが定義されている。ヘリコプタ10の後方に対応する方位角AZを0度とする。方位角AZが増加する方向をロータ20の回転方向に一致させる。ロータ20が上から見て反時計回りに回転する場合、ヘリコプタ10の右方向は方位角AZが90度であることに対応し、ヘリコプタ10の前方(前進方向)は方位角AZが180度であることに対応し、ヘリコプタ10の左方向は方位角AZが270度であることに対応する。
 リードラグ用スオッシュプレート60がロータハブ21の回転軸に垂直な状態から傾いている場合、リードラグ角制御機構6は、ブレード3がヘリコプタ10の後方側から前方側に向かって動いているときにブレード3の翼端31の周速度が遅くなり、ブレード3がヘリコプタ10の前方側から後方側に向かって動いているときに翼端31の周速度が速くなるように、ブレード3のリードラグ角を変化させる。
 リードラグヒンジ40がブレード3の重心に近いほど、アクチュエータ65の負荷が低減される。リードラグヒンジ40がブレード3の重心に位置する場合、アクチュエータ65の負荷が最も低減される。リードラグヒンジ40をブレード3の重心よりもロータ20の回転半径方向内側に位置させることで、リードラグ角制御機構6が故障した場合のブレード3の挙動が安定する。
 ブレード3の枚数は、図6に示すように4枚であってもよく、4枚以外であってもよい。
 図7に示されたグラフを参照して、本実施形態による効果を説明する。グラフの横軸はブレード3の方位角(例えば、ブレード3のリードラグヒンジ40の位置の部分の方位角)を示し、グラフの縦軸は翼端31の対気速度をマッハ数で示す。ロータ20の半径Rを8m、リードラグヒンジ40の位置を半径Rの40%の位置、ロータ20の回転数を250rpmとする。曲線91は、ヘリコプタ10の前進速度を250ノット(463km/h)、ブレード3のリードラグ角の振幅を15度とした場合における、翼端31の対気速度と方位角の関係を示す。曲線92は、ヘリコプタ10の前進速度を250ノット、ブレード3のリードラグ角を固定した場合における、翼端31の対気速度と方位角の関係を示す。曲線93は、ヘリコプタ10の前進速度を150ノット(278km/h)、ブレード3のリードラグ角を固定した場合における、翼端31の対気速度と方位角の関係を示す。
 ブレード3のリードラグ角をロータハブ21の回転に同期して変化させることで、ブレード30が前進側(方位角が90度の位置)にあるときの翼端31の対気速度が小さくなり、ブレード30が後退側(方位角が270度の位置)にあるときの翼端31の対気速度が大きくなる。したがって、ヘリコプタ10は高速で飛行することが可能である。
 図8を参照して、リードラグ角の制御方法を詳細に説明する。情報処理装置50は、ヘリコプタ10の速度Vと閾値Vcとを比較する。アクチュエータ65は、速度Vが閾値Vc以下の場合にブレード3のリードラグ角の変化の振幅が0になるようにリードラグ用スオッシュプレート60を位置決めし、速度Vが閾値Vcより大きい場合にリードラグ角の変化の振幅が0でないように、且つ、速度Vが大きいほどリードラグ角の変化の振幅が大きくなるようにリードラグ用スオッシュプレート60を位置決めする。
 より具体的には、アクチュエータ65は、速度Vが閾値Vc以下の場合にリードラグ用スオッシュプレート60をロータハブ21の回転軸に対して垂直な状態に保持する。アクチュエータ65は、速度Vが閾値Vcより大きい場合にリードラグ用スオッシュプレート60をロータハブ21の回転軸に対して垂直な状態から傾ける。アクチュエータ65は、速度Vが大きいほどリードラグ用スオッシュプレート60をロータハブ21の回転軸に対して垂直な状態から大きく傾ける。したがって、速度Vが閾値Vc以下の場合、リードラグ角はロータハブ21の回転に同期して変化しない。速度Vが閾値Vcより大きい場合、リードラグ角はロータハブ21の回転に同期して変化し、速度Vが大きいほどリードラグ角の変化の振幅が大きくなる。リードラグ角の変化の振幅が大きいほど、ブレード3がヘリコプタ10の後方側から前方側に向かって動いているときにブレード3の翼端31の周速度が遅くなり、ブレード3がヘリコプタ10の前方側から後方側に向かって動いているときに翼端31の周速度が速くなる。
 情報処理装置50は、ヘリコプタ10の高度が高いほど閾値Vcを小さくする。情報処理装置50は、ヘリコプタ10のバンク角が大きいほど閾値Vcを小さくする。
 このような制御により、必要なときに必要なだけブレード3の周速度が調節される。
 (第2実施形態)
 本発明の第2実施形態に係るヘリコプタ10は、第1実施形態に係るヘリコプタ10が部分的に変更されたものである。以下、変更に係る部分に関して本実施形態に係るヘリコプタ10を説明する。
 図9を参照して、本実施形態に係るロータ20は、リードラグ角制御機構6のかわりに、ブレード3のリードラグ角を制御するリードラグ角制御機構6’を備える。リードラグ角制御機構6’は、ロータハブ21に支持されたアクチュエータ66を備える。アクチュエータ66は、電動アクチュエータである。電力及び制御信号は、ロータハブ21に設けられたスリップリング(不図示)を介してアクチュエータ66に供給される。アクチュエータ66は、各ブレード3に対応して設けられる。
 図10を参照して、リードラグ角制御機構6’は、上述のリンク機構7を備える。本実施形態において、リンク機構7は、アクチュエータ66とブレード3とを接続する。アクチュエータ66は、ロータハブ21の回転に同期してロッド74をロータハブ21の回転軸方向に動かす。その結果、ブレード3のリードラグ角がロータハブ21の回転に同期して変化する。
 本実施形態に係るヘリコプタ10はリードラグ角制御系5のかわりにリードラグ角制御系5’を備える。図11に示すように、リードラグ角制御系5’は、速度センサ51と、高度センサ52と、姿勢センサ53と、ロータハブ21の方位角(回転角度位置)を検出する方位角センサ54と、情報処理装置50と、リードラグ角制御機構6’と、ブレード3を備える。
 アクチュエータ66は、方位角センサ54が検出したロータハブ21の方位角(ロータハブ21の代表位置の方位角)に基づいて、リードラグ角がロータハブ21の回転に同期して変化するようにリンク機構7を介してブレード3を駆動する。
 リードラグ角制御系5’は、第1実施形態において説明したリードラグ角の制御を実行することが可能である。更に、本実施形態においてはアクチュエータ66がブレード3ごとに設けられているため、リードラグ角制御系5’は、より高度なリードラグ角の制御を実行可能である。
 図12及び13を参照して、より高度なリードラグ角の制御を説明する。
 図12に示されたグラフにおいて、横軸はブレード3の方位角を示し、縦軸はブレード3のリードラグ角を示す。アクチュエータ66は、ブレード3のリードラグ角が曲線94のように変化するようにブレード3を駆動する。ここで、曲線94で表されるリードラグ角の変化は、曲線95で表される第1周波数成分と、曲線96で表される第2周波数成分の和で表される。第1周波数成分の周波数は、ロータハブ21の回転周波数と一致する。第2周波数成分の周波数は、ロータハブ21の回転周波数の3倍である。第1周波数成分と第2周波数成分の位相差は、例えば30度である。曲線94におけるリードラグ角の振幅は、10度である。
 図13に示されたグラフにおいて、横軸はブレード3の方位角を示し、縦軸は翼端31の対気速度をマッハ数で示す。ロータ20の半径Rを8m、リードラグヒンジ40の位置を半径Rの40%の位置、ロータ20の回転数を250rpmとする。曲線97は、ヘリコプタ10の前進速度を250ノット、ブレード3のリードラグ角を曲線94のように変化させた場合における、翼端31の対気速度と方位角の関係を示す。曲線97は、上述の曲線92及び曲線93と比較されている。本実施形態によれば、第1実施形態の場合に比べてリードラグ角の振幅を低減しながら、第1実施形態の場合と同等の効果が達成される。
 図14を参照して、第2実施形態の変形例を説明する。本変形例において、アクチュエータ66は、ロッド75をロータ20の回転半径方向に動かすことで、ブレード3のリードラグ角を変化させる。
 図15及び16を参照して、第1及び第2実施形態に係るブレード3の形状の一例を説明する。
 図15は、ブレード3の捩り角分布を示すグラフである。グラフの横軸はブレード3におけるロータ20の回転半径方向位置を示し、グラフの縦軸はブレード3における捩り角を示す。捩り角は、ハブ側端縁32からリードラグヒンジ40の位置にかけて同じであり、リードラグヒンジ40の位置から翼端31に向かって減少する。ハブ側部分34における捩り角が一定であるため、リードラグ角が変化するときにハブ側部分41とハブ側部分34とが干渉することが防がれる。
 図16は、ブレード3のコード長分布を示すグラフである。グラフの横軸はブレード3におけるロータ20の回転半径方向位置を示し、グラフの縦軸はブレード3におけるコード長を示す。コード長は、ハブ側端縁32からリードラグヒンジ40の位置に向かって減少し、リードラグヒンジ40の位置から翼端31にかけて同じである。ハブ側部分34におけるコード長がハブ側端縁32からリードラグヒンジ40の位置に向かって減少するため、ハブ側部分34における回転半径方向の揚力分布が適正化される。
 上述のブレード3の形状は、ホバリング時と前進時との双方において効率的である。
 図17及び図18を参照して、第1及び第2実施形態に係るロータ20の変形例を説明する。
 図17を参照して、ハブ側部分34は、リードラグヒンジ40を中心とする円弧状のレール35をハブ側端縁32の近傍に備える。
 図18を参照して、ハブ側部分34は、上面側外板34aと、上面側外板34aの内側に設けられたレール35と、下面側外板34bと、下面側外板34bの内側に設けられたレール35を備える。ハブ側部分41は、上面側外板34aに設けられたレール35と係合するコロ43と、下面側外板34bに設けられたレール35と係合するコロ43を備える。
 図19を参照して、レール35は、台形の横断面形状を有し、上面35aと、斜面35bと、斜面35cを備える。斜面35b及び斜面35cは、上面35aを挟むように配置され、上面35aに対して互いに反対側に傾斜している。斜面35bはリードラグヒンジ40の反対側を向くように傾斜し、斜面35cは、リードラグヒンジ40を向くように傾斜する。コロ43は、上面35aと対向して係合する係合面43aと、斜面35bと対向して係合する係合面43bと、斜面35cと対向して係合する係合面43cを備える。
 レール35及びコロ43により、ブレード3のリードラグ角を滑らかに変化させることが可能となる。更に、ハブ側部分41がレール35及びコロ43を介してハブ側部分34を支持するため、ハブ側部分34に作用する空力荷重がハブ側部分41に伝達される。
 図20に示すように、上述のスパー4をスパー8で置き換えることも可能である。スパー8は、フレックスビームとして形成されている。スパー8は、リードラグヒンジ40に対応する屈曲部分80と、ハブ側部分41に対応するハブ側部分81と、翼端側部分42に対応する翼端側部分82とを備える。翼端側部分82は、ブレード3の翼端側部分33に結合される。スパー8が屈曲部分80において屈曲することで、ブレード3のリードラグ角が変化する。スパー8が屈曲部分80においてブレード3のリードラグ角が変化する方向に大きく屈曲し、ハブ側部分81及び翼端側部分82においてブレード3のリードラグ角が変化する方向にほとんど屈曲しないため、ブレード3のリードラグ角が変化したときにブレード3の重心位置が大きく変化することが防がれる。
 リードラグ角制御機構6及び6’は、ブレード3のリードラグ角がブレード3の方位角に対応して変化するようにブレード3を駆動する。リードラグ角制御機構6及び6’は、ブレード3の翼端31の周速度が前進側で遅く後退側で速くなるようにブレード3のリードラグ角を変化させる。したがって、ヘリコプタ10は高速飛行が可能である。
 本出願は、2008年1月24日に出願された日本国特許出願2008-013568を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (23)

  1.  ブレードと、
     前記ブレードを支持するロータハブと、
     前記ロータハブの回転に同期して前記ブレードのリードラグ角を変化させるリードラグ角機構と
    を具備する
     ヘリコプタのロータ。
  2.  請求の範囲1に記載のヘリコプタのロータにおいて、
     前記ブレードがリードラグヒンジまわりに回動することで前記リードラグ角が変化し、
     前記リードラグヒンジは、前記ブレードの重心に位置する
     ヘリコプタのロータ。
  3.  請求の範囲2に記載のヘリコプタのロータにおいて、
     前記ロータハブに支持されたスパーを更に具備し、
     前記リードラグヒンジは前記スパーに設けられ、
     前記ブレードは、前記リードラグヒンジの位置より前記ロータハブ側のブレードハブ側部分を備え、
     前記スパーは、前記リードラグヒンジより前記ロータハブ側のスパーハブ側部分を備え、
     前記スパーハブ側部分は、前記ブレードハブ側部分内に配置された
     ヘリコプタのロータ。
  4.  請求の範囲3に記載のヘリコプタのロータにおいて、
     前記ブレードの捩り角は、前記ブレードの前記ロータハブ側の端縁から前記位置にかけて同じであり、前記位置から前記ブレードの翼端に向かって減少し、
     前記ブレードのコード長は、前記端縁から前記位置に向かって減少し、前記位置から前記翼端にかけて同じである
     ヘリコプタのロータ。
  5.  請求の範囲3又は4に記載のヘリコプタのロータにおいて、
     前記ブレードハブ側部分は、第1レールを備え、
     前記スパーハブ側部分は、前記第1レールと係合する第1コロを備える
     ヘリコプタのロータ。
  6.  請求の範囲5に記載のヘリコプタのロータにおいて、
     前記ブレードハブ側部分は、前記第1レールが設けられた上面側外板と、下面側外板と、前記下面側外板に設けられた第2レールを備え、
     前記スパーハブ側部分は、前記第2レールと係合する第2コロを備える
     ヘリコプタのロータ。
  7.  請求の範囲1に記載のヘリコプタのロータにおいて、
     前記ロータハブに支持されたスパーを更に具備し、
     前記スパーに設けられたリードラグヒンジまわりに前記ブレードが回動することで前記リードラグ角が変化し、
     前記ブレードは、前記リードラグヒンジの位置より前記ロータハブ側のブレードハブ側部分を備え、
     前記スパーは、前記リードラグヒンジより前記ロータハブ側のスパーハブ側部分を備え、
     前記スパーハブ側部分は、前記ブレードハブ側部分内に配置された
     ヘリコプタのロータ。
  8.  請求の範囲1乃至7のいずれか一項に記載のヘリコプタのロータにおいて、
     前記リードラグ角機構は、スオッシュプレートと、前記スオッシュプレートと前記ブレードとを接続するリンク機構とを備える
     ヘリコプタのロータ。
  9.  請求の範囲1乃至8のいずれか一項に記載のロータと、
     リードラグ角制御系と
    を具備し、
     前記リードラグ角制御系は、前記ロータハブの回転に同期して前記ブレードのリードラグ角を変化させる
     ヘリコプタ。
  10.  請求の範囲9に記載のヘリコプタにおいて、
     前記リードラグ角制御系は、前記ロータハブに支持された電動アクチュエータを備え、
     前記電動アクチュエータは、前記ロータハブの回転に同期して前記リードラグ角が変化するように前記ブレードを駆動する
     ヘリコプタ。
  11.  請求の範囲9に記載のヘリコプタにおいて、
     前記リードラグ角制御系は、
     本ヘリコプタの速度を検出する速度センサを備え、
     前記速度と閾値を比較し、
     前記速度が閾値より大きい場合、前記ロータハブの回転に同期して前記リードラグ角を変化させる
     ヘリコプタ。
  12.  請求の範囲9に記載のヘリコプタにおいて、
     前記リードラグ角制御系は、
     本ヘリコプタの速度を検出する速度センサを備え、
     前記速度が大きいほど前記リードラグ角の変化の振幅を大きくする
     ヘリコプタ。
  13.  ロータハブによりブレードを支持するステップと、
     ヘリコプタのロータハブの回転に同期して前記ブレードのリードラグ角を変えるステップ
    を具備する
     ヘリコプタの制御方法。
  14.  請求の範囲13のヘリコプタの制御方法において、
     前記ヘリコプタの速度を検出するステップと、
     前記速度と閾値とを比較するステップと
    を更に備え、
     前記リードラグ角を変えるステップは、
      前記速度が閾値より大きい場合、前記ヘリコプタのロータハブの回転に同期して前記ブレードのリードラグ角を変えるステップを備える
     ヘリコプタの制御方法。
  15.  請求の範囲14に記載のヘリコプタの制御方法において、
     前記リードラグ角を変えるステップは、
      前記速度が大きいほど前記リードラグ角の変化の振幅を大きくするステップを備える
     ヘリコプタの制御方法。
  16.  請求の範囲14又は15に記載のヘリコプタの制御方法において、
     前記ヘリコプタの高度を検出するステップと、
     前記高度が高いほど前記閾値を小さくするステップと
    を更に備える
     ヘリコプタの制御方法。
  17.  請求の範囲14乃至16のいずれか一項に記載のヘリコプタの制御方法において、
     前記ヘリコプタのバンク角を検出するステップと、
     前記バンク角が大きいほど前記閾値を小さくするステップと
    を更に備える
     ヘリコプタの制御方法。
  18.  請求の範囲14乃至17のいずれか一項に記載のヘリコプタの制御方法において、
     前記ブレードは、リンク機構を介してスオッシュプレートに接続され、
     前記リードラグ角を変えるステップは、
      前記速度が閾値より大きい場合、前記リンク機構の動きに基づいて前記スオッシュプレートを前記回転軸方向に垂直な状態から傾けることで前記リードラグ角を変えるステップを備える
     ヘリコプタの制御方法。
  19.  請求の範囲13に記載のヘリコプタの制御方法において、
     前記ヘリコプタの速度を検出するステップを更に具備し、
     前記リードラグ角を変えるステップは、
      前記速度が大きいほど前記リードラグ角の変化の振幅を大きくするステップを備える
     ヘリコプタの制御方法。
  20.  請求の範囲19に記載のヘリコプタの制御方法において、
     前記ブレードは、リンク機構を介してスオッシュプレートに接続され、
     前記リードラグ角を変えるステップは、
      前記速度が大きいほど、前記リンク機構の動きに基づいて前記スオッシュプレートを前記回転軸方向に垂直な状態から大きく傾けるステップを備える
     ヘリコプタの制御方法。
  21.  請求の範囲13に記載のヘリコプタの制御方法において、
     前記リードラグ角を変えるステップは、
     前記ロータハブに支持された電動アクチュエータにより前記ブレードを駆動することにより、前記ロータハブの回転に同期して前記リードラグ角を変えるステップを備える
     ヘリコプタの制御方法。
  22.  請求の範囲21に記載のヘリコプタの制御方法において、
     前記リードラグ角を変えるステップは、
     前記電動アクチュエータは、前記リードラグ角の変化が第1周波数成分と第2周波数成分を含むように前記ブレードを駆動し、
     前記第1周波数成分の周波数は、前記ロータハブの回転周波数と一致し、
     前記第2周波数成分の周波数は、前記回転周波数の3倍である
     ヘリコプタの制御方法。
  23.  請求の範囲13乃至22のいずれか一項に記載のヘリコプタの制御方法において、
     前記リードラグ角を変えるステップは、
      前記ブレードが前記ヘリコプタの後方側から前方側に向かって動いているときに前記ブレードの翼端の周速度が遅くなり、前記ブレードが前記前方側から前記後方側に向かって動いているときに前記翼端の周速度が速くなるように、前記リードラグ角を変えるステップを備える
     ヘリコプタの制御方法。
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