WO2013002383A1 - 垂直離着陸機 - Google Patents

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WO2013002383A1
WO2013002383A1 PCT/JP2012/066745 JP2012066745W WO2013002383A1 WO 2013002383 A1 WO2013002383 A1 WO 2013002383A1 JP 2012066745 W JP2012066745 W JP 2012066745W WO 2013002383 A1 WO2013002383 A1 WO 2013002383A1
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WO
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fan
seat
frame
thrust
landing aircraft
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/066745
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English (en)
French (fr)
Inventor
正善 恒川
田村　哲也
Original Assignee
株式会社Ihi
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Publication date
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Priority to EP12804338.7A priority patent/EP2727833B1/en
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Priority to US14/142,403 priority patent/US9561850B2/en

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C29/00—Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft
    • B64C29/0008—Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft having its flight directional axis horizontal when grounded
    • B64C29/0016—Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft having its flight directional axis horizontal when grounded the lift during taking-off being created by free or ducted propellers or by blowers
    • B64C29/0033—Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft having its flight directional axis horizontal when grounded the lift during taking-off being created by free or ducted propellers or by blowers the propellers being tiltable relative to the fuselage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/20—Rotorcraft characterised by having shrouded rotors, e.g. flying platforms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/52—Tilting of rotor bodily relative to fuselage

Definitions

  • the present invention relates to a vertical take-off and landing aircraft, and more particularly to a vertical take-off and landing aircraft capable of generating lift without sliding.
  • helicopters are a typical vertical take-off and landing aircraft that can generate lift without sliding.
  • the helicopter has a rotor larger than the airframe, and generates lift and thrust by rotating the rotor.
  • the helicopter is relatively large in size, and has a main rotor larger than the aircraft and a tail rotor at the rear of the aircraft. Therefore, helicopters take off and land in narrow spaces where obstacles such as buildings and trees exist. And attitude control, the main rotor and tail rotor come into contact with obstacles, so a large space is required for takeoff and landing.
  • VTOL Vertical Take-off and Landing
  • the vertical take-off and landing aircraft described in Patent Document 1 and Patent Document 2 includes a ducted fan in which a propeller-shaped fan is disposed in a cylindrical duct or nacelle.
  • a conventional take-off and landing aircraft having a ducted fan has a complicated thrust control method.
  • a control wing is required or only the fan is tilted by an actuator or the like. Tended to be.
  • the present invention was devised in view of the above-described problems, and a vertical take-off and landing aircraft that can perform thrust control with a simple configuration and can safely take off and land even in a narrow space where an obstacle exists.
  • the purpose is to provide.
  • the present invention is a vertical take-off and landing aircraft, a propulsion device having a fan for generating lift and thrust, a prime mover for supplying power to the propulsion device, a frame connecting the propulsion device and the prime mover, and the frame.
  • a seat pivotably connected to the frame and supported by being suspended by the frame, a handle connected to the frame, and a grounding leg connected to the frame or the seat,
  • the propulsion unit is connected to the frame so that a driving shaft of the fan is in a vertical direction when landing, and the propeller is moved relative to the seat by operating the handle. It is set as the structure which changed the direction of.
  • the seat has a front seat and a rear seat.
  • the frame has a pivot shaft extending in the left-right direction, and the seat has an insertion portion through which the pivot shaft can be inserted.
  • the propulsion device includes a left fan disposed on the left side of the seat and a right fan disposed on the right side of the seat. Still preferably, the propulsion device has a rear fan disposed at a rear portion of the seat. Still preferably, the propulsion unit is arranged at an upper part or a lower part of the seat. Still preferably, the propulsion device is arranged in an adjacent portion. Still preferably, the propulsion device is a ducted fan.
  • the frame is relatively moved (relative to the seat) by connecting the seat to the frame on which the propulsion unit is disposed so as to be relatively rotatable in the front-rear direction. It is possible to easily change the direction of the propulsion device by simply rotating it, and to generate lift and thrust with respect to the aircraft. Therefore, thrust control can be performed with a simple configuration, and it is possible to safely take off and land even in a narrow space where an obstacle exists.
  • the front seat can be used as the cockpit
  • the rear seat can be used for luggage storage
  • a rescuer or escort can be seated.
  • FIG. 1 is a side view showing the entire body of a vertical take-off and landing aircraft according to a first embodiment of the present invention.
  • 1 is a side view showing a positional relationship between a seat and a frame of a vertical take-off and landing aircraft according to a first embodiment of the present invention. It is an enlarged view of the hinge part of the vertical take-off and landing aircraft according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view of the vertical take-off and landing aircraft shown in FIGS. 1A to 1C during hovering.
  • FIG. 2 is a side view of the vertical take-off and landing aircraft shown in FIGS. 1A to 1C when moving forward.
  • FIG. 2 is an overhead view from the upper front side of the vertical take-off and landing aircraft shown in FIGS.
  • FIG. 2 is an overhead view from above the front of the vertical take-off and landing aircraft shown in FIGS. 1A to 1C when turning left. It is state explanatory drawing from the side direction of the fan at the time of the hovering which shows the flight principle of the vertical take-off and landing aircraft which concerns on 1st embodiment. It is state explanatory drawing from the front direction of the fan at the time of the hovering which shows the flight principle of the vertical take-off and landing aircraft which concerns on 1st embodiment. It is state explanatory drawing from the side surface direction of the fan at the time of the hovering disturbance generation
  • FIGS. 1A to 11B are views showing the vertical take-off and landing aircraft according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a side view showing the entire fuselage
  • FIG. 1B is a side view showing the positional relationship between the seat and the frame.
  • FIG. 1C is an enlarged view of the hinge portion.
  • 2A and 2B are views showing the flight state of the vertical take-off and landing aircraft shown in FIGS. 1A to 1C.
  • FIG. 2A is a side view during hovering
  • FIG. 2B is a side view during forward travel.
  • 3A and 3B are diagrams showing the flight state of the vertical take-off and landing aircraft shown in FIGS. 1A to 1C.
  • FIG. 3A is an overhead view from the front side when turning right
  • FIG. 3B is a front view when turning left. It is a bird's-eye view from the top. 3A and 3B, the right side in the figure is the left side of the body, and the left side in the figure is the right side of the body.
  • a vertical take-off and landing aircraft 1 includes a propulsion device 2 having a fan 21 that generates lift and thrust, and a prime mover that supplies power to the propulsion device 2. 3, a frame 4 connecting the propulsion device 2 and the prime mover 3, a seat 5 connected to the frame 4 so as to be pivotable in the front-rear direction and supported by being suspended by the frame 4, and connected to the frame 4
  • the propulsion device 2 has a handle 6 and a grounding leg 7 connected to the seat 5, and the propulsion device 2 is connected to the frame 4 so that the drive shaft of the fan 21 is in the vertical direction when landing, and the handle 6 is operated. By doing so, the frame 4 is moved relative to the seat 5 and the direction of the propelling device 2 is changed.
  • the propulsion device 2 has two fans 21 arranged on both sides of the prime mover 3. Specifically, it has a left fan 21 a disposed on the left side of the seat 5 and a right fan 21 b disposed on the right side of the seat 5.
  • the fan 21 (the left fan 21a and the right fan 21b) is composed of, for example, a ducted fan, but is not limited to such a structure, and may be a propeller, an ejector, or the like.
  • the propelling device 2 is arrange
  • the prime mover 3 is a drive source that transmits power to the fan 21 (the left fan 21a and the right fan 21b), and is configured by, for example, an electric motor or a reciprocating engine, and may have a supercharger.
  • the power transmission mechanism that transmits power from the prime mover 3 to each fan 21 is appropriately set depending on the arrangement configuration of each device.
  • the power transmission mechanism includes, for example, a bevel gear connected to the tip of the output shaft of the prime mover 3, a pair of shafts provided with bevel gears at both ends, and a bevel gear connected to the drive shaft of each fan 21.
  • the rotation of the output shaft is transmitted to the drive shaft via the bevel gear.
  • another gear mechanism may be used, or a speed reducer may be interposed. Further, when it is desired to individually control the rotation speed of each fan 21, the prime mover 3 may be connected to each fan 21 individually.
  • the frame 4 is a component that connects the prime mover 3 to the left fan 21a and the right fan 21b. Further, in FIG. 1B, illustrations of the prime mover 3 and the fan 21 are omitted. As shown in FIGS. 1B and 1C, the frame 4 has a pivot shaft 41 extending in the left-right direction, and the pivot shaft 41 is connected to the frame 4 by a support member 42. If the pivot shaft 41 can be directly connected to the frame 4, the support member 42 may be omitted.
  • the pivot shaft 41 is preferably disposed at a position that coincides with the point of action of the lift of the fan 21.
  • the seat 5 supports a seat 51 on which an occupant is seated, a backrest 52 that supports the back of the occupant, a headrest 53 that supports the head of the occupant, and the feet of the occupant. And a seat belt 55 that restrains an occupant to the seat 5.
  • the seat 5 has a front seat 5a and a rear seat 5b.
  • the front seat 5a is a seat 5 on which a driver is seated
  • the rear seat 5b is a seat on which a rescuer and an escort are seated.
  • the rear seat 5b can also be used as a luggage storage place for placing goods and the like.
  • a cowl 5c as a rectifying means is connected in front of the front seat 5a.
  • a part of the cowl 5c is composed of a transparent member in order to ensure visibility.
  • the connecting portion 5d between the front seat 5a and the cowl 5c may be used as a console box, or may be used as a control portion for arranging the operation switch and the operation lever of the prime mover 3.
  • the seat 5 has an insertion portion 56 through which the pivot shaft 41 connected to the frame 4 can be inserted.
  • the front seat 5 a and the rear seat 5 b each have a support frame 57, and the support frame 57 is connected to the insertion portion 56.
  • a hinge is formed by the pivot shaft 41 of the frame 4 and the insertion portion 56 of the seat 5, and the frame 4 and the seat 5 are configured to be rotatable with respect to each other along the pivot shaft 41, that is, to be relatively movable.
  • the seat 5 is configured to be suspended and supported by the pivot shaft 41. However, by adjusting the weight in the front-rear direction, the seat 5 is normally balanced so that it can be maintained in parallel.
  • the balance weight may be appropriately adjusted according to the loaded weight at the time of flight, and the balance may be adjusted each time.
  • a tail wing 58 may be arranged on the support frame 57 of the rear seat 5b.
  • the handle 6 is connected to the frame 4 so as to extend obliquely downward from the frame 4.
  • the handle 6 may be connected to the support member 42 as shown in FIGS. 1B and 1C.
  • an occupant (operator) seated in the front seat 5a can move (rotate) the frame 4 relative to the seat 5 by moving the handle 6 closer to or away from the body.
  • the direction of the propelling device 2 (the front-rear direction angle of the drive shaft of the fan 21) can be changed.
  • the grounding leg 7 is a leg part that contacts the ground when landing.
  • the grounding leg 7 is connected to the lower part of the seat 5 as shown in FIG. 1A, for example. Moreover, as shown in FIG. 3A and FIG. 3B, it has a pair of left and right grounding legs 7.
  • the flight state of the vertical take-off and landing aircraft 1 described above (when hovering, moving forward, turning right, turning left) will be described with reference to FIGS. 2A to 3B.
  • the vertical take-off and landing aircraft 1 is assumed to have only the pilot M boarding (single ride) on the front seat 5a.
  • the operator M operates the handle 6 so that the drive shaft of the propulsion device 2 (fan 21) is in a substantially vertical direction.
  • the thrust of the propulsion device 2 can generate only lift in the airframe and can prevent thrust from being generated in the airframe.
  • the output of the prime mover 3 is adjusted so that the lift of the propulsion device 2 and the gravity of the fuselage substantially coincide.
  • the hovering is a state in which the vertical take-off and landing aircraft 1 is stopped in the air. However, the hovering is substantially the same as the hovering at the time of ascent and descent when taking off and landing in the vertical direction.
  • the output of the prime mover 3 is adjusted so that the lift of the propulsion device 2 is greater than the gravity of the aircraft, and during landing, the prime mover 3 so that the lift of the propulsion device 2 is less than the gravity of the aircraft. Adjust the output of.
  • the operator M pulls the handle 6 toward the body and tilts the frame 4, that is, the propulsion device 2 (fan 21) forward with respect to the seat 5.
  • the propulsion device 2 fan 21
  • the output of the prime mover 3 may be adjusted so that the vertical component (lift) of the thrust of the propulsion device 2 and the gravity of the fuselage substantially coincide.
  • FIGS. 4A to 5B are diagrams showing the flight principle of the vertical take-off and landing aircraft according to the first embodiment.
  • FIG. 4A is an explanatory diagram of the state from the side of the fan during hovering
  • FIG. 4B is the state during hovering.
  • FIG. 4C is a state explanatory view from the side of the fan when a hovering disturbance is generated
  • FIG. 4D is a state explanatory view from the front of the fan when a hovering disturbance is generated.
  • 5A and 5B are diagrams illustrating the flight principle of the vertical take-off and landing aircraft according to the first embodiment.
  • FIG. 4A is an explanatory diagram of the state from the side of the fan during hovering
  • FIG. 4B is the state during hovering.
  • FIG. 4C is a state explanatory view from the side of the fan when a hovering disturbance is generated
  • FIG. 4D is a state explanatory view from the front of the fan when a hovering disturbance is generated.
  • FIG. 5A is an explanatory diagram of the state from the side of the fan when moving forward
  • FIG. It is a state explanatory view from the front direction.
  • the center of gravity of the aircraft is G
  • the point of action of lift is F.
  • the action point F is located above the center of gravity G.
  • 4A, 4C and 5A the left side in the figure is the forward side (nose side), and the right side in the figure is the reverse side.
  • 4B, 4D, and 5B the right side in the figure is the left side of the body, and the left side in the figure is the right side of the body.
  • FIG. 4A and 4B show the flight principle during hovering.
  • the drive shaft of the fan 21 is oriented in the vertical direction, and the body axis FG connecting the action point F and the center of gravity G is also oriented in the vertical direction. ing.
  • the fan 21 generates a thrust f upward in the vertical direction, and this thrust f acts on the airframe as lift.
  • gravity g is generated in the aircraft body in the downward direction in the vertical direction. Therefore, at the time of hovering, the thrust f (lift) and the gravity g have the same magnitude and are in a balanced state.
  • FIG. 4C and 4D show the flight principle when a hovering disturbance occurs.
  • the aircraft is tilted forward (left side in the figure) due to a disturbance such as wind during hovering.
  • the drive shaft and the body axis FG of the fan 21 are inclined forward.
  • the vertical component fv of the thrust f of the fan 21 acts on the airframe as lift, and the vertical component fv (lift) is adjusted to balance with the gravity g.
  • the gravity g can be separated into an axial component ga and a tilt direction component gt in the direction of the body axis FG. Since this inclination direction component gt moves the center of gravity G forward with respect to the action point F, it acts on the body as a restoring force.
  • the aircraft leans to the left side (right side in the figure) due to wind and other disturbances during hovering.
  • the vertical direction component fv (lift) of the thrust f is adjusted so as to balance with the gravity g, and the inclination direction component gt of the gravity g moves the center of gravity G to the left with respect to the action point F. Therefore, it acts on the aircraft as a restoring force.
  • FIG. 5A shows the flight principle when moving forward.
  • FIG. 5A shows a side view.
  • the drive shaft of the fan 21 is inclined forward (left side in the drawing) with respect to the body axis FG, and the fan 21 generates a thrust f in the drive shaft direction.
  • the vertical component fv of the thrust f acts on the aircraft as lift, and the vertical component fv (lift) is adjusted to balance with the gravity g.
  • the horizontal component fh of the thrust f acts to move the fuselage axis FG forward, and the horizontal component fh acts as thrust of the fuselage to move (forward) the fuselage forward.
  • FIG. 5B shows the flight principle during a left turn.
  • FIG. 5B shows a front view.
  • the drive shaft of the fan 21 and the body axis FG are inclined to the left side (the right side in the figure).
  • the vertical component fv of the thrust f of the fan 21 acts on the airframe as lift, and the vertical component fv (lift) is adjusted to balance with the gravity g.
  • the horizontal component fh of the thrust f acts as a centripetal force so as to move the action point F to the left, and as a reaction, a centrifugal force fc acts so as to move the center of gravity G to the right.
  • the aircraft turns left while maintaining its posture.
  • the flight principle during a right turn is the same as that when the flight principle during a left turn is reversed left and right, and thus the description thereof is omitted here.
  • FIGS. 6A to 6C are views showing the vertical take-off and landing aircraft according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 6A is a side view showing the entire body
  • FIG. 6B is a side view showing the positional relationship between the seat and the frame.
  • FIG. 6C is an enlarged view of the hinge portion.
  • symbol is attached
  • the vertical take-off and landing aircraft 1 has a grounding leg 7 connected to a frame 4.
  • the ground leg 7 is connected to a support frame 43 connected to the frame 4.
  • the support frame 43 is configured by, for example, a substantially trapezoidal frame, and the grounding legs 7 are arranged so as to form a lower base of the trapezoid.
  • the support frame 43 is formed so that the left and right intervals are widened downward, and the support frame 43 is disposed on both sides of the seat 5. It is configured.
  • the handle 6 may be connected to the support frame 43.
  • FIGS. 7A and 7B are views showing a vertical take-off and landing aircraft according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is a side view showing the entire fuselage of the vertical take-off and landing aircraft according to the third embodiment. These are side views which show the whole body of the vertical take-off and landing aircraft according to the fourth embodiment.
  • symbol is attached
  • the vertical take-off and landing aircraft 1 is configured such that the prime mover 3 is disposed below the seat 5 and the propulsion device 2 (fan 21) is disposed adjacent to the seat 5.
  • the propulsion device 2 fan 21
  • the propulsion device 2 may be disposed adjacent to the prime mover 3 disposed below the seat 5 and disposed below the seat 5.
  • the vertical take-off and landing aircraft 1 according to the fourth embodiment shown in FIG. 7B has a rear fan 22 in which the propulsion device 2 is disposed at the rear portion of the seat 5.
  • the rear fan 22 is constituted by, for example, a ducted fan that is smaller than the fan 21 (the left fan 21a and the right fan 21b).
  • the left fan 21a, the right fan 21b, and the rear fan 22 are arranged at positions that form the vertices of a triangle, and the frame 4 forms each side of the triangle. It is formed.
  • the left fan 21a, the right fan 21b, and the rear fan 22 are arranged at positions that form the vertices of a quadrangle (for example, a square, a rectangle, a trapezoid, etc.) 4 is formed so as to constitute each side of the quadrangle.
  • a quadrangle for example, a square, a rectangle, a trapezoid, etc.
  • the drive shaft of the rear fan 22 may be arranged so as to be parallel to the drive shaft of the fan 21 (the left fan 21a and the right fan 21b). You may arrange
  • the fan 21 is arranged at the lower part of the seat 5 or adjacent to the seat 5, the drive shafts of the fan 21 and the rear fan 22 are inclined inward, that is, the fan 21 and the rear fan 22 are viewed from the front. It may be arranged so as to form a substantially V shape so that static stability can be easily maintained.
  • FIGS. 8A to 9B are views showing the flight principle of the vertical take-off and landing aircraft according to the third embodiment.
  • FIG. 8A is an explanatory diagram of the state from the side of the fan during hovering
  • FIG. 8B is the state during the hovering.
  • FIG. 8C is a state explanatory view from the side of the fan when a hovering disturbance occurs
  • FIG. 8D is a state explanatory view from the front of the fan when a hovering disturbance occurs.
  • 9A and 9B are diagrams showing the flight principle of the vertical take-off and landing aircraft according to the third embodiment.
  • FIG. 8A is an explanatory diagram of the state from the side of the fan during hovering
  • FIG. 8B is the state during the hovering.
  • FIG. 8C is a state explanatory view from the side of the fan when a hovering disturbance occurs
  • FIG. 8D is a state explanatory view from the front of the fan when a hovering disturbance occurs.
  • 9A and 9B are diagrams
  • FIG. 9A is an explanatory diagram of the state from the side of the fan when moving forward
  • FIG. 9B is the state of the fan when turning left It is a state explanatory view from the front direction.
  • the center of gravity of the aircraft is G
  • the point of action of lift is F.
  • the center of gravity G is located slightly below the operating point F.
  • the fans 21 (the left fan 21a and the right fan 21b) are arranged so as to form a substantially V shape when viewed from the front.
  • 8A, 8C, and 9A the left side in the figure is the forward side (nose side), and the right side in the figure is the reverse side.
  • 8B, 8D, and 9B the right side in the figure is the left side of the body, and the left side in the figure is the right side of the body.
  • FIG. 8A and 8B show the flight principle during hovering.
  • the drive shaft of the fan 21 is oriented in the vertical direction, and the body axis FG connecting the action point F and the center of gravity G is also oriented in the vertical direction. ing.
  • the fan 21 generates a thrust f upward in the vertical direction, and this thrust f acts on the airframe as lift.
  • the thrust f of the fan 21 is obtained by the resultant force of the thrust fa of the left fan 21a and the thrust fb of the right fan 21b.
  • gravity g is generated in the aircraft body in the downward direction in the vertical direction. Therefore, at the time of hovering, the thrust f (lift) and the gravity g have the same magnitude and are in a balanced state.
  • FIG. 8C and 8D show the flight principle when a hovering disturbance occurs.
  • the aircraft leans forward (left side in the figure) due to disturbance such as wind during hovering.
  • the drive shaft and the body axis FG of the fan 21 are inclined forward.
  • the vertical component fv of the thrust f of the fan 21 acts on the airframe as lift, and the vertical component fv (lift) is adjusted to balance with the gravity g.
  • the gravity g can be separated into an axial component ga and a tilt direction component gt in the direction of the body axis FG. Since this inclination direction component gt moves the center of gravity G forward with respect to the action point F, it acts on the body as a restoring force.
  • the aircraft leans to the left (right side in the figure) due to disturbances such as wind during hovering.
  • the vertical direction component fv (lift) of the thrust f is adjusted so as to balance with the gravity g, and the inclination direction component gt of the gravity g moves the center of gravity G to the left with respect to the action point F. Therefore, it acts on the aircraft as a restoring force.
  • the fans 21 (the left fan 21a and the right fan 21b) are arranged in a substantially V shape, the thrust fa of the left fan 21a is generated in a substantially vertical direction, and the thrust fb of the right fan 21b is inward.
  • FIG. 9A shows the flight principle during forward travel.
  • FIG. 9A shows a side view.
  • the drive shaft of the fan 21 is inclined forward (left side in the drawing) with respect to the body axis FG, and the fan 21 generates a thrust f in the drive shaft direction.
  • the vertical component fv of the thrust f acts on the aircraft as lift, and the vertical component fv (lift) is adjusted to balance with the gravity g.
  • the horizontal component fh of the thrust f acts to move the fuselage axis FG forward, and the horizontal component fh acts as thrust of the fuselage to move (forward) the fuselage forward.
  • FIG. 9B shows the flight principle during a left turn.
  • FIG. 9B shows a front view.
  • the body axis FG is inclined to the left side (the right side in the figure).
  • the fans 21 (the left fan 21a and the right fan 21b) are arranged in a substantially V shape, the thrust fa of the left fan 21a is generated in a substantially vertical direction, and the thrust fb of the right fan 21b is inclined inward. Assume that it has occurred.
  • the thrust fa of the left fan 21a acts on the body as lift
  • the vertical component fbv of the thrust fb of the right fan 21b acts on the body as lift.
  • the vertical component fv ie, the resultant force of the thrust fa and the vertical component fbv of the thrust f of the fan 21 (the resultant force of the thrust fa and the thrust fb) acts on the airframe as a lift, and this vertical component fv (lift). Is adjusted to balance the gravity g. Further, the horizontal component fh of the thrust f, that is, the horizontal component fbh of the thrust fb of the right fan 21b acts as a centripetal force so as to move the action point F to the left, and moves the center of gravity G to the right as a reaction. Thus, the centrifugal force fc acts on the airframe. As a result, the aircraft turns left while maintaining its posture. Note that the flight principle during a right turn is the same as that when the flight principle during a left turn is reversed left and right, and thus the description thereof is omitted here.
  • FIGS. 10A to 10D are diagrams showing the flight principle of the vertical take-off and landing aircraft according to the fourth embodiment
  • FIG. 10A is a state explanatory view from the side of the fan during hovering
  • FIG. 10B is a diagram during hovering
  • FIG. 10C is a state explanatory view from the side of the fan when a hovering disturbance is generated
  • FIG. 10D is a state explanatory view from the front of the fan when a hovering disturbance is generated.
  • 11A and 11B are diagrams illustrating the flight principle of the vertical take-off and landing aircraft according to the fourth embodiment.
  • FIG. 10A is a state explanatory view from the side of the fan during hovering
  • FIG. 10B is a diagram during hovering
  • FIG. 10C is a state explanatory view from the side of the fan when a hovering disturbance is generated
  • FIG. 10D is a state explanatory view from the front of the fan when a hovering disturbance is generated.
  • 11A and 11B are diagram
  • FIG. 11A is an explanatory diagram of the state from the side of the fan when moving forward, and FIG. It is a state explanatory view from the front direction.
  • the center of gravity of the airframe is G
  • the point of action of lift is F.
  • the center of gravity G is located slightly above the action point F.
  • the fans 21 (the left fan 21a and the right fan 21b) are arranged so as to form a substantially V shape when viewed from the front. Further, it is assumed that the rear fan 22 is disposed in a state inclined forward with respect to the fan 21.
  • 10A, 10C, and 11A the left side in the figure is the forward side (nose side), and the right side in the figure is the reverse side.
  • 10B, 10D, and 11B the right side in the figure is the left side of the body, and the left side in the figure is the right side of the body.
  • FIG. 10A and 10B show the flight principle during hovering.
  • the resultant force of the thrust f1 of the fan 21 and the thrust f2 of the rear fan 22 generates the thrust f in the vertical direction with respect to the action point F.
  • the attitude of the aircraft is adjusted. Specifically, the drive shaft of the fan 21 is tilted rearward, and the drive shaft of the rear fan 22 is maintained tilted forward.
  • the thrust f1 of the fan 21 is obtained by the resultant force of the thrust fa of the left fan 21a and the thrust fb of the right fan 21b.
  • the machine body axis FG connecting the action point F and the center of gravity G is also directed in the vertical direction, and gravity g is generated in the machine body downward in the vertical direction. Therefore, at the time of hovering, the thrust f (lift) and the gravity g have the same magnitude and are in a balanced state.
  • FIG. 10C and 10D show the flight principle when a hovering disturbance occurs.
  • the thrust f which is the resultant force of the thrust f1 of the fan 21 and the thrust f2 of the rear fan 22, and the body axis FG are inclined forward.
  • the vertical component fv of the thrust f acts on the aircraft as lift, and the vertical component fv (lift) is adjusted to balance with the gravity g.
  • the lift of the fan 21 increases, and the vertical component f2v of the thrust f2 of the rear fan 22 decreases. Therefore, the increase in lift of the fan 21 acts to push up the front of the fuselage, and the decrease in lift of the rear fan 22 acts to push down the rear of the fuselage. That is, the fluctuation of the lift acts as a restoring force on the aircraft.
  • the thrust f1 of the fan 21 is directed in the vertical direction is illustrated.
  • the aircraft leans to the left side (right side in the figure) due to disturbance such as wind during hovering.
  • the vertical component fv (lift) of the thrust f is adjusted so as to balance with the gravity g.
  • the fans 21 (the left fan 21a and the right fan 21b) are arranged in a substantially V shape, as a result of the left fan 21a and the right fan 21b being inclined to the left side, the lift of the left fan 21a (vertical force fa is vertical).
  • Direction component increases, and the vertical component fbv of the thrust fb of the right fan 21b decreases.
  • the increase in lift of the left fan 21a acts to push up the left side of the fuselage
  • the decrease in lift of the right fan 21b acts to push down the right side of the fuselage. That is, the fluctuation of the lift acts as a restoring force on the aircraft.
  • the case where the thrust fa of the left fan 21a is directed in the vertical direction is illustrated.
  • FIG. 11A shows the flight principle during forward movement.
  • FIG. 11A shows a side view.
  • the body axis FG is fixed in a state of being inclined forward (left side in the drawing), and the drive shafts of the fan 21 and the rear fan 22 are also inclined forward.
  • the thrust f1 of the fan 21 can be separated into a vertical component f1v and a horizontal component f1h
  • the thrust f2 of the rear fan 22 can be separated into a vertical component f2v and a horizontal component f2h.
  • the resultant force of the vertical direction component f1v and the vertical direction component f2v constitutes the vertical direction component fv of the thrust force f, and this vertical direction component fv (lift) is adjusted to balance with the gravity g. Further, the resultant force of the horizontal direction component f1h and the horizontal direction component f2h constitutes a horizontal direction component fh of the thrust f, and this horizontal direction component fh acts as a thrust of the aircraft, and moves (forwards) the aircraft forward.
  • FIG. 11B shows the flight principle during a left turn.
  • FIG. 11B shows a front view.
  • the body axis FG is inclined to the left side (the right side in the figure).
  • the fans 21 (the left fan 21a and the right fan 21b) are arranged in a substantially V shape, the thrust fa of the left fan 21a is generated in a substantially vertical direction, and the thrust fb of the right fan 21b is inclined inward. Assume that it has occurred.
  • the thrust fa of the left fan 21a acts on the body as lift
  • the vertical component fbv of the thrust fb of the right fan 21b acts on the body as lift.
  • the vertical component fv (ie, the resultant force of the thrust fa and the vertical component fbv) of the thrust f of the fan 21 acts on the airframe as a lift, and this vertical component fv (lift). Is adjusted to balance the gravity g.
  • the horizontal component fh of the thrust f that is, the horizontal component fbh of the thrust fb of the right fan 21b acts as a centripetal force so as to move the action point F to the left, and moves the center of gravity G to the right as a reaction.
  • the centrifugal force fc acts on the airframe.
  • the aircraft turns left while maintaining its posture.
  • the action of the rear fan 22 is ignored.
  • the flight principle at the time of turning right is the same as that when the flight principle at the time of turning left is reversed, description thereof is omitted.

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Abstract

　揚力及び推力を発生させるファン２１を有する推進器２と、推進器２に動力を供給する原動機３と、推進器２及び原動機３を連結するフレーム４と、フレーム４に対して前後方向に回動可能に接続されるとともにフレーム４に吊下げ支持された座席５と、フレーム４に接続されたハンドル６と、座席５に接続された接地脚７と、を有し、推進器２は、着陸時にファン２１の駆動軸が鉛直方向となるようにフレーム４に接続されており、ハンドル６を操作することによって、座席５に対してフレーム４を相対移動させ、推進器２の向きを変更するようにした垂直離着陸機である。簡便な構成で推力制御を行うことができ、障害物が存在している狭い空間においても安全に離着陸することができる。

Description

垂直離着陸機
　本発明は、垂直離着陸機に関し、特に、滑走せずに揚力を発生させることができる垂直離着陸機に関する。
　現在、滑走せずに揚力を発生させることができる垂直離着陸機として代表的なものは、ヘリコプターである。ヘリコプターは、機体に比して大きなローターを有し、かかるローターを回転させることによって揚力と推力を発生している。また、数少ない実例としては、ジェットエンジンの推力を偏向して垂直離着陸を行う固定翼機も存在している。
　ヘリコプターは、機体そのものが比較的大きいうえに、機体よりも大きなメインローターや機体後部にテールローターを有していることから、建築物や樹木等の障害物が存在している狭い空間において、離着陸や姿勢制御を行うと、メインローターやテールローターが障害物と接触してしまうため、離着陸のために広い空間が必要となる。
　一方、ジェットエンジンを使用した垂直離着陸可能な固定翼機の場合は、ジェット排気が高温であるとともに排気量が多いことから、離着陸時に石等の小さな物体がジェット排気により吹き飛ばされ、周囲の建築物等を傷つけてしまう。したがって、かかる固定翼機の場合も離着陸のために広い空間が必要となる。
　そこで、狭い空間であっても安全に離着陸することができる垂直離着陸機（ＶＴＯＬ:Vertical Take-off and Landing）が既に提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２等参照）。特許文献１及び特許文献２に記載された垂直離着陸機は、円筒形のダクトやナセルの中にプロペラ状のファンが配置されたダクテッドファンを備えている。
特開２００５－２０６０１５号公報 特開２００６－０５６３６４号公報
　しかしながら、従来のダクテッドファンを有する垂直離着陸機は、推力制御の方法が複雑であり、例えば、制御翼を必要としたり、ファンのみをアクチュエータ等により傾動させたりしなければならず、機体の価格が高くなる傾向にあった。
　本発明は上述した問題点に鑑み創案されたものであり、簡便な構成で推力制御を行うことができ、障害物が存在している狭い空間においても安全に離着陸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。
　本発明は、垂直離着陸機であって、揚力及び推力を発生させるファンを有する推進器と、該推進器に動力を供給する原動機と、前記推進器及び前記原動機を連結するフレームと、該フレームに対して前後方向に回動可能に接続されるとともに前記フレームに吊下げ支持された座席と、前記フレームに接続されたハンドルと、前記フレーム又は前記座席に接続された接地脚と、を有し、前記推進器は、着陸時に前記ファンの駆動軸が鉛直方向となるように前記フレームに接続されており、前記ハンドルを操作することによって、前記座席に対して前記フレームを相対移動させ、前記推進器の向きを変更するようにした構成とする。
　好ましくは、前記座席は、前部座席及び後部座席を有する構成とする。
　また、好ましくは、前記フレームは、左右方向に延設された枢動軸を有し、前記座席は、前記枢動軸を挿通可能な挿通部を有する構成とする。
　さらに、好ましくは、前記推進器は、前記座席の左側に配置される左側ファンと、前記座席の右側に配置される右側ファンと、を有する構成とする。
　さらにまた、好ましくは、前記推進器は、前記座席の後部に配置される後部ファンを有する構成とする。
　さらにまた、好ましくは、前記推進器は、前記座席の上部又は下部に配置されている構成とする。
　さらにまた、好ましくは、前記推進器は、隣接部に配置されている構成とする。
　さらにまた、好ましくは、前記推進器は、ダクテッドファンである構成とする。
　上述した本発明の垂直離着陸機によれば、推進器が配置されたフレームに対して、前後方向に相対的に回動可能に座席を接続したことにより、座席に対してフレームを相対移動（相対回動）させるだけで推進器の向きを容易に変更することができ、機体に対して揚力及び推力を発生させることができる。したがって、簡便な構成で推力制御を行うことができ、障害物が存在している狭い空間においても安全に離着陸することができる。
　また、座席を前後に二人乗り可能な構成とすることにより、前部座席を操縦席とし、後部座席を荷物置場に使用したり、救助者や護衛を着座させたりすることができる。
本発明の第一実施形態に係る垂直離着陸機の機体全体を示す側面図である。 本発明の第一実施形態に係る垂直離着陸機の座席とフレームの位置関係を示す側面図である。 本発明の第一実施形態に係る垂直離着陸機のヒンジ部の拡大図である。 図１Ａ～図１Ｃに示した垂直離着陸機のホバリング時における側面図である。 図１Ａ～図１Ｃに示した垂直離着陸機の前進時における側面図である。 図１Ａ～図１Ｃに示した垂直離着陸機の右旋回時における正面上方からの俯瞰図である。 図１Ａ～図１Ｃに示した垂直離着陸機の左旋回時における正面上方からの俯瞰図である。 第一実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示すホバリング時におけるファンの側面方向からの状態説明図である。 第一実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示すホバリング時におけるファンの正面方向からの状態説明図である。 第一実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示すホバリング外乱発生時におけるファンの側面方向からの状態説明図である。 第一実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示すホバリング外乱発生時におけるファンの正面方向からの状態説明図である。 第一実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示す前進時におけるファンの側面方向からの状態説明図である。 第一実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示す左旋回時におけるファンの正面方向からの状態説明図である。 本発明の第二実施形態に係る垂直離着陸機の機体全体を示す側面図である。 本発明の第二実施形態に係る垂直離着陸機の座席とフレームの位置関係を示す側面図である。 本発明の第二実施形態に係る垂直離着陸機のヒンジ部の拡大図である。 本発明の第三実施形態に係る垂直離着陸機の機体全体を示す側面図である。 本発明の第四実施形態に係る垂直離着陸機の機体全体を示す側面図である。 第三実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示すホバリング時におけるファンの側面方向からの状態説明図である。 第三実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示すホバリング時におけるファンの正面方向からの状態説明図である。 第三実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示すホバリング外乱発生時におけるファンの側面方向からの状態説明図である。 第三実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示すホバリング外乱発生時におけるファンの正面方向からの状態説明図である。 第三実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示す前進時におけるファンの側面方向からの状態説明図である。 第三実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示す左旋回時におけるファンの正面方向からの状態説明図である。 第四実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示すホバリング時におけるファンの側面方向からの状態説明図である。 第四実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示すホバリング時におけるファンの正面方向からの状態説明図である。 第四実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示すホバリング外乱発生時におけるファンの側面方向からの状態説明図である。 第四実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示すホバリング外乱発生時におけるファンの正面方向からの状態説明図である。 第四実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示す前進時におけるファンの側面方向からの状態説明図である。 第四実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示す左旋回時におけるファンの正面方向からの状態説明図である。
　以下、本発明の実施形態について図１Ａ～図１１Ｂを用いて説明する。ここで、図１Ａ～図１Ｃは、本発明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は機体全体を示す側面図、図１Ｂは座席とフレームの位置関係を示す側面図、図１Ｃはヒンジ部の拡大図、である。図２Ａ，図２Ｂは、図１Ａ～図１Ｃに示した垂直離着陸機の飛行状態を示す図であり、図２Ａはホバリング時における側面図、図２Ｂは前進時における側面図、である。図３Ａ，図３Ｂは、図１Ａ～図１Ｃに示した垂直離着陸機の飛行状態を示す図であり、図３Ａは右旋回時における正面上方からの俯瞰図、図３Ｂは左旋回時における正面上方からの俯瞰図、である。これらの図３Ａ，図３Ｂにおいて、図示右側が機体左側であり、図示左側が機体右側である。
　本発明の第一実施形態に係る垂直離着陸機１は、図１Ａ～図３Ｂに示したように、揚力及び推力を発生させるファン２１を有する推進器２と、推進器２に動力を供給する原動機３と、推進器２及び原動機３を連結するフレーム４と、フレーム４に対して前後方向に回動可能に接続されるとともにフレーム４に吊下げ支持された座席５と、フレーム４に接続されたハンドル６と、座席５に接続された接地脚７と、を有し、推進器２は、着陸時にファン２１の駆動軸が鉛直方向となるようにフレーム４に接続されており、ハンドル６を操作することによって、座席５に対してフレーム４を相対移動させ、推進器２の向きを変更するようにしたものである。
　前記推進器２は、原動機３の両側に配置される２つのファン２１を有する。具体的には、座席５よりも左側に配置される左側ファン２１ａと、座席５よりも右側に配置される右側ファン２１ｂと、を有する。ファン２１（左側ファン２１ａ及び右側ファン２１ｂ）は、例えば、ダクテッドファンにより構成されるが、かかる構成に限定されるものではなく、プロペラやエジェクター等であってもよい。また、図１Ａに示したように、推進器２は、例えば、座席５の上部に配置される。
　前記原動機３は、ファン２１（左側ファン２１ａ及び右側ファン２１ｂ）に動力を伝達する駆動源であり、例えば、電動モータやレシプロエンジン等により構成され、過給機を有していてもよい。原動機３から各ファン２１に動力を伝達する動力伝達機構は、各機器の配置構成等により、適宜設定される。動力伝達機構は、例えば、原動機３の出力軸の先端に接続された傘歯車と、両端に傘歯車を備えた一対のシャフトと、各ファン２１の駆動軸に接続された傘歯車と、を有し、傘歯車を介して出力軸の回転を駆動軸に伝達するように構成される。動力伝達機構には、その他の歯車機構を使用してもよいし、減速機を介在させるようにしてもよい。また、各ファン２１の回転数を個別に制御したい場合には、各ファン２１に個別に原動機３を接続するようにしてもよい。
　前記フレーム４は、図３Ａ，図３Ｂに示したように、原動機３と左側ファン２１ａ及び右側ファン２１ｂとを接続する構成部品である。また、図１Ｂでは、原動機３及びファン２１の図を省略してある。図１Ｂ及び図１Ｃに示したように、フレーム４は、左右方向に延設された枢動軸４１を有し、枢動軸４１は、支持部材４２によりフレーム４に連結されている。枢動軸４１をフレーム４に直接連結できる場合には、支持部材４２を省略するようにしてもよい。枢動軸４１は、例えば、ファン２１の揚力の作用点と一致する位置に配置することが好ましい。
　前記座席５は、例えば、図１Ａに示したように、乗員が着座する腰掛部５１と、乗員の背面を支持する背もたれ部５２と、乗員の頭部を支持するヘッドレスト５３、乗員の足を支持するフットレスト５４と、乗員を座席５に拘束するシートベルト５５と、を有する。また、座席５は、前部座席５ａ及び後部座席５ｂを有する。前部座席５ａは、操縦者が着座する座席５であり、後部座席５ｂは、救助者や護衛が着座する座席である。後部座席５ｂは、物資等を載置する荷物置場に使用することもできる。また、前部座席５ａの前方には整流手段であるカウル５ｃが接続されている。カウル５ｃの一部は、視界を確保するために透明の部材により構成される。また、前部座席５ａとカウル５ｃとの接続部５ｄは、コンソールボックスとして使用するようにしてもよいし、原動機３の操作スイッチや操作レバーを配置する制御部として使用するようにしてもよい。
　また、座席５は、フレーム４に接続された枢動軸４１を挿通可能な挿通部５６を有する。前部座席５ａ及び後部座席５ｂは、それぞれ支持フレーム５７を有し、支持フレーム５７は、挿通部５６に接続されている。フレーム４の枢動軸４１と座席５の挿通部５６によりヒンジを構成し、フレーム４及び座席５は、枢動軸４１に沿って互いに回動可能、すなわち、相対移動可能に構成されている。座席５は、枢動軸４１に吊下げ支持された構成となっているが、前後方向の重量を調節することによって、通常時は平行を維持することができるようにバランス調整されている。また、一人乗りの場合や二人乗りの場合等のように、飛行時の積載重量に応じてバランスウェイトを適宜加減して、その都度バランス調整するようにしてもよい。なお、後部座席５ｂの支持フレーム５７には、尾翼５８を配置するようにしてもよい。
　前記ハンドル６は、フレーム４から斜め下方に向かって延出されるようにフレーム４に接続される。ハンドル６は、図１Ｂ及び図１Ｃに示したように、支持部材４２に接続するようにしてもよい。かかる構成により、前部座席５ａに着座した乗員（操縦者）が、ハンドル６を身体に近付けたり遠ざけたりすることによって、座席５に対してフレーム４を相対移動（回動）させることができ、推進器２の向き（ファン２１の駆動軸の前後方向角度）を変更することができる。
　前記接地脚７は、着陸時に地面等に接地する脚部である。接地脚７は、例えば、図１Ａに示したように、座席５の下部に接続されている。また、図３Ａ及び図３Ｂに示したように、左右一対の接地脚７を有している。
　ここで、上述した垂直離着陸機１の飛行状態（ホバリング時、前進時、右旋回時、左旋回時）について、図２Ａ～図３Ｂを参照しつつ説明する。各図において、垂直離着陸機１には、前部座席５ａに操縦者Ｍのみが搭乗（一人乗り）しているものとする。
　ホバリング時は、図２Ａに示したように、操縦者Ｍは、推進器２（ファン２１）の駆動軸が略鉛直方向となるようにハンドル６を操作する。かかる操作によって、推進器２の推力は機体に揚力のみを発生させ、機体に推力を発生しないようにすることができる。また、ホバリング時は、推進器２の揚力と機体の重力とが略一致するように原動機３の出力を調整する。ホバリングは、空中で垂直離着陸機１を停止させた状態であるが、鉛直方向に離着陸するときの上昇時や下降時もホバリングと実質的に同じ姿勢となる。すなわち、離陸時は、推進器２の揚力が機体の重力よりも大きくなるように原動機３の出力を調整し、着陸時は、推進器２の揚力が機体の重力よりも小さくなるように原動機３の出力を調整すればよい。
　前進時は、図２Ｂに示したように、操縦者Ｍは、ハンドル６を身体に引き寄せて座席５に対してフレーム４、すなわち、推進器２（ファン２１）を前方に傾動させる。かかる操作により、推進器２（ファン２１）は、斜め後方に向かって空気を噴出することができ、推進器２の推力の前後方向成分により、機体を前進させることができる。また、前方に直進したい場合には、推進器２の推力の鉛直方向成分（揚力）と機体の重力とが略一致するように原動機３の出力を調整すればよい。
　右旋回時は、図３Ａに示したように、操縦者Ｍから見て右側（図３Ａ左側）に操縦者Ｍが体重移動することによって、機体を右側に傾ける。かかる操作によって、機体の左側に向かって推力を発生させることができ、右に旋回することができる。
　左旋回時は、図３Ｂに示したように、操縦者Ｍから見て左側（図３Ｂ右側）に操縦者Ｍが体重移動することによって、機体を左側に傾ける。かかる操作によって、機体の右側に向かって推力を発生させることができ、左に旋回することができる。
　続いて、上述した垂直離着陸機１の飛行原理について、図４Ａ～図５Ｂを参照しつつ説明する。ここで、図４Ａ～図４Ｄは、第一実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示す図であり、図４Ａはホバリング時におけるファンの側面方向からの状態説明図、図４Ｂは　ホバリング時におけるファンの正面方向からの状態説明図、図４Ｃはホバリング外乱発生時におけるファンの側面方向からの状態説明図、図４Ｄはホバリング外乱発生時におけるファンの正面方向からの状態説明図である。図５Ａ，図５Ｂは、第一実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示す図であり、図５Ａは前進時におけるファンの側面方向からの状態説明図、図５Ｂは左旋回時におけるファンの正面方向からの状態説明図である。
　各図において、ファン２１以外の機体の図を省略し、機体の重心をＧとし、揚力の作用点をＦとしている。第一実施形態に係る垂直離着陸機１では、重心Ｇよりも作用点Ｆは上方に位置している。図４Ａ，図４Ｃ及び図５Ａにおいて、図示左側が前進側（機首側）であり、図示右側が後進側である。また、図４Ｂ，図４Ｄ及び図５Ｂにおいて、図示右側が機体左側であり、図示左側が機体右側である。
　図４Ａ，図４Ｂはホバリング時の飛行原理を示している。図４Ａの側面図及び図４Ｂの正面図に示したように、ホバリング時には、ファン２１の駆動軸は鉛直方向に向いており、作用点Ｆと重心Ｇとを結ぶ機体軸ＦＧも鉛直方向に向いている。このとき、ファン２１は、鉛直方向上方に推力ｆを発生し、この推力ｆが揚力として機体に作用する。また、機体には、鉛直方向下方に重力ｇが生じている。したがって、ホバリング時には、推力ｆ（揚力）と重力ｇとが同じ大きさを有し、釣り合った状態となっている。
　図４Ｃ，図４Ｄはホバリング外乱発生時の飛行原理を示している。まず、図４Ｃの側面図に示したように、ホバリング時に風等の外乱を受けて機体が前方（図示左側）に傾いた場合を想定する。この場合、ファン２１の駆動軸及び機体軸ＦＧは、前方に傾斜した状態となる。このとき、ファン２１の推力ｆの鉛直方向成分ｆｖは揚力として機体に作用し、この鉛直方向成分ｆｖ（揚力）は重力ｇと釣り合うように調整される。また、機体軸ＦＧが前方に傾斜していることから、重力ｇは機体軸ＦＧ方向の軸方向成分ｇａと傾斜方向成分ｇｔとに分離することができる。この傾斜方向成分ｇｔは、重心Ｇを作用点Ｆに対して前方向に移動させることとなるため、復元力として機体に作用する。
　次に、図４Ｄの正面図に示したように、ホバリング時に風等の外乱を受けて機体が左側（図示右側）に傾いた場合を想定する。この場合も同様に、推力ｆの鉛直方向成分ｆｖ（揚力）は重力ｇと釣り合うように調整され、重力ｇの傾斜方向成分ｇｔは、重心Ｇを作用点Ｆに対して左方向に移動させることとなるため、復元力として機体に作用する。
　図５Ａは前進時の飛行原理を示している。図５Ａは側面図を示している。図５Ａに示したように、前進時には、機体軸ＦＧに対してファン２１の駆動軸は前方（図示左側）に傾斜しており、ファン２１は駆動軸方向に推力ｆを発生している。このとき、推力ｆの鉛直方向成分ｆｖは揚力として機体に作用し、この鉛直方向成分ｆｖ（揚力）は重力ｇと釣り合うように調整される。また、推力ｆの水平方向成分ｆｈは、機体軸ＦＧを前方に移動させるように作用し、この水平方向成分ｆｈは機体の推力として作用し、機体を前方に移動（前進）させる。
　図５Ｂは左旋回時の飛行原理を示している。図５Ｂは正面図を示している。図５Ｂに示したように、左旋回時には、ファン２１の駆動軸及び機体軸ＦＧは、左側（図示右側）に傾斜している。このとき、ファン２１の推力ｆの鉛直方向成分ｆｖは揚力として機体に作用し、この鉛直方向成分ｆｖ（揚力）は重力ｇと釣り合うように調整される。また、推力ｆの水平方向成分ｆｈは、作用点Ｆを左側に移動させるように向心力として作用し、その反作用として重心Ｇを右側に移動させるように遠心力ｆｃが作用する。その結果、機体は姿勢を維持したまま左旋回することとなる。なお、右旋回時の飛行原理は、左旋回時の飛行原理を左右反転させた場合と同じであるため、ここでは説明を省略する。
　続いて、上述した飛行原理と同じ飛行原理を有する第二実施形態に係る垂直離着陸機１について、図６Ａ～図６Ｃを参照しつつ説明する。ここで、図６Ａ～図６Ｃは、本発明の第二実施形態に係る垂直離着陸機を示す図であり、図６Ａは機体全体を示す側面図、図６Ｂは座席とフレームの位置関係を示す側面図、図６Ｃはヒンジ部の拡大図、である。なお、上述した第一実施形態に係る垂直離着陸機１と同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。
　図６Ａ～図６Ｃに示した第二実施形態に係る垂直離着陸機１は、接地脚７をフレーム４に接続したものである。接地脚７を座席５ではなく、フレーム４に接続することにより、座席５の重量を軽くすることができ、ヒンジ（枢動軸４１及び挿通部５６）に係る負荷を軽減することができる。具体的には、接地脚７は、フレーム４に接続された支持フレーム４３に接続されている。支持フレーム４３は、例えば、略台形状のフレームにより構成されており、接地脚７が台形の下底を構成するように配置されている。また、支持フレーム４３は、図６Ｃにその一部を記載したように、下方に向かって左右の間隔が広くなるように形成されており、座席５の両側に支持フレーム４３が配置されるように構成されている。なお、ハンドル６は、支持フレーム４３に接続するようにしてもよい。
　次に、本発明の他の実施形態に係る垂直離着陸機１について、図７Ａ，図７Ｂを参照しつつ説明する。ここで、図７Ａ，図７Ｂは、本発明の他の実施形態に係る垂直離着陸機を示す図であり、図７Ａは第三実施形態に係る垂直離着陸機の機体全体を示す側面図、図７Ｂは第四実施形態に係る垂直離着陸機の機体全体を示す側面図、である。なお、上述した第一実施形態又は第二実施形態に係る垂直離着陸機１と同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。
　図７Ａに示した第三実施形態に係る垂直離着陸機１は、原動機３を座席５の下部に配置し、推進器２（ファン２１）を座席５の隣接部に配置したものである。他の構成については、第二実施形態に係る垂直離着陸機１と同じ構成であるため、詳細な説明を省略する。また、図示しないが、推進器２（ファン２１）は、座席５の下部に配置された原動機３の隣接部に配置して座席５よりも下部に配置するようにしてもよい。
　図７Ｂに示した第四実施形態に係る垂直離着陸機１は、推進器２が座席５の後部に配置される後部ファン２２を有するものである。他の構成については、第三実施形態に係る垂直離着陸機１と同じ構成であるため、詳細な説明を省略する。後部ファン２２は、例えば、ファン２１（左側ファン２１ａ及び右側ファン２１ｂ）よりも小型のダクテッドファンにより構成される。例えば、後部ファン２２が一基の場合には、左側ファン２１ａ、右側ファン２１ｂ及び後部ファン２２は、三角形の頂点を形成する位置に配置され、フレーム４は、三角形の各辺を構成するように形成される。また、例えば、後部ファン２２が二基の場合には、左側ファン２１ａ、右側ファン２１ｂ及び後部ファン２２は、四角形（例えば、正方形、長方形、台形等）の頂点を形成する位置に配置され、フレーム４は、四角形の各辺を構成するように形成される。
　また、後部ファン２２の駆動軸は、ファン２１（左側ファン２１ａ及び右側ファン２１ｂ）の駆動軸と平行となるように配置してもよいし、図示したように、後部ファン２２の駆動軸を前方に傾斜するように配置してもよい。なお、ファン２１を座席５の下部又は隣接部に配置した場合には、ファン２１及び後部ファン２２の駆動軸を内側に傾斜させるように、すなわち、正面視したときにファン２１及び後部ファン２２が略Ｖ字形状を構成するように配置して、静安定を保持し易くするようにしてもよい。
　続いて、第三実施形態に係る垂直離着陸機１の飛行原理について、図８Ａ～図９Ｂを参照しつつ説明する。ここで、図８Ａ～図８Ｄは、第三実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示す図であり、図８Ａはホバリング時におけるファンの側面方向からの状態説明図、図８Ｂは　ホバリング時におけるファンの正面方向からの状態説明図、図８Ｃはホバリング外乱発生時におけるファンの側面方向からの状態説明図、図８Ｄはホバリング外乱発生時におけるファンの正面方向からの状態説明図である。図９Ａ，図９Ｂは、第三実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示す図であり、図９Ａは前進時におけるファンの側面方向からの状態説明図、図９Ｂは左旋回時におけるファンの正面方向からの状態説明図である。
　各図において、ファン２１以外の機体の図を省略し、機体の重心をＧとし、揚力の作用点をＦとしている。第三実施形態に係る垂直離着陸機１では、重心Ｇは作用点Ｆよりもわずかに下方に位置しているものとする。また、ファン２１（左側ファン２１ａ及び右側ファン２１ｂ）は、正面視したときに略Ｖ字形状を構成するように配置されているものとする。図８Ａ，図８Ｃ及び図９Ａにおいて、図示左側が前進側（機首側）であり、図示右側が後進側である。また、図８Ｂ，図８Ｄ及び図９Ｂにおいて、図示右側が機体左側であり、図示左側が機体右側である。
　図８Ａ，図８Ｂはホバリング時の飛行原理を示している。図８Ａの側面図及び図８Ｂの正面図に示したように、ホバリング時には、ファン２１の駆動軸は鉛直方向に向いており、作用点Ｆと重心Ｇとを結ぶ機体軸ＦＧも鉛直方向に向いている。このとき、ファン２１は、鉛直方向上方に推力ｆを発生し、この推力ｆが揚力として機体に作用する。なお、図８Ｂの正面図に示したように、ファン２１の推力ｆは、左側ファン２１ａの推力ｆａと右側ファン２１ｂの推力ｆｂの合力によって求められる。また、機体には、鉛直方向下方に重力ｇが生じている。したがって、ホバリング時には、推力ｆ（揚力）と重力ｇとが同じ大きさを有し、釣り合った状態となっている。
　図８Ｃ，図８Ｄはホバリング外乱発生時の飛行原理を示している。まず、図８Ｃの側面図に示したように、ホバリング時に風等の外乱を受けて機体が前方（図示左側）に傾いた場合を想定する。この場合、ファン２１の駆動軸及び機体軸ＦＧは、前方に傾斜した状態となる。このとき、ファン２１の推力ｆの鉛直方向成分ｆｖは揚力として機体に作用し、この鉛直方向成分ｆｖ（揚力）は重力ｇと釣り合うように調整される。また、機体軸ＦＧが前方に傾斜していることから、重力ｇは機体軸ＦＧ方向の軸方向成分ｇａと傾斜方向成分ｇｔとに分離することができる。この傾斜方向成分ｇｔは、重心Ｇを作用点Ｆに対して前方向に移動させることとなるため、復元力として機体に作用する。
　次に、図８Ｄの正面図に示したように、ホバリング時に風等の外乱を受けて機体が左側（図示右側）に傾いた場合を想定する。この場合も同様に、推力ｆの鉛直方向成分ｆｖ（揚力）は重力ｇと釣り合うように調整され、重力ｇの傾斜方向成分ｇｔは、重心Ｇを作用点Ｆに対して左方向に移動させることとなるため、復元力として機体に作用する。また、ファン２１（左側ファン２１ａ及び右側ファン２１ｂ）が略Ｖ字形状に配置されていることから、左側ファン２１ａの推力ｆａは略鉛直方向に生じており、右側ファン２１ｂの推力ｆｂは内側に傾斜した方向に生じている。したがって、左側ファン２１ａの推力ｆａは揚力として機体に作用し、右側ファン２１ｂの推力ｆｂの鉛直方向成分ｆｂｖは揚力として機体に作用する。いま、左側ファン２１ａ及び右側ファン２１ｂの推力ｆは同じ大きさに調整されているとすれば、推力ｆａ＞鉛直方向成分ｆｂｖの関係が成り立つ。この揚力の差分（ｆａ－ｆｂｖ）は、左側ファン２１ａを上方に押し上げるように作用し、復元力として機体に作用する。
　図９Ａは前進時の飛行原理を示している。図９Ａは側面図を示している。図９Ａに示したように、前進時には、機体軸ＦＧに対してファン２１の駆動軸は前方（図示左側）に傾斜しており、ファン２１は駆動軸方向に推力ｆを発生している。このとき、推力ｆの鉛直方向成分ｆｖは揚力として機体に作用し、この鉛直方向成分ｆｖ（揚力）は重力ｇと釣り合うように調整される。また、推力ｆの水平方向成分ｆｈは、機体軸ＦＧを前方に移動させるように作用し、この水平方向成分ｆｈは機体の推力として作用し、機体を前方に移動（前進）させる。
　図９Ｂは左旋回時の飛行原理を示している。図９Ｂは正面図を示している。図９Ｂに示したように、左旋回時には、機体軸ＦＧは左側（図示右側）に傾斜している。また、ファン２１（左側ファン２１ａ及び右側ファン２１ｂ）が略Ｖ字形状に配置されており、左側ファン２１ａの推力ｆａは略鉛直方向に生じ、右側ファン２１ｂの推力ｆｂは内側に傾斜した方向に生じているものとする。このとき、左側ファン２１ａの推力ｆａは揚力として機体に作用し、右側ファン２１ｂの推力ｆｂの鉛直方向成分ｆｂｖは揚力として機体に作用する。そして、ファン２１の推力ｆ（推力ｆａと推力ｆｂの合力）の鉛直方向成分ｆｖ（すなわち、推力ｆａと鉛直方向成分ｆｂｖの合力）は揚力として機体に作用し、この鉛直方向成分ｆｖ（揚力）は重力ｇと釣り合うように調整される。また、推力ｆの水平方向成分ｆｈ、すなわち、右側ファン２１ｂの推力ｆｂの水平方向成分ｆｂｈは、作用点Ｆを左側に移動させるように向心力として作用し、その反作用として重心Ｇを右側に移動させるように遠心力ｆｃが機体に作用する。その結果、機体は姿勢を維持したまま左旋回することとなる。なお、右旋回時の飛行原理は、左旋回時の飛行原理を左右反転させた場合と同じであるため、ここでは説明を省略する。
　続いて、第四実施形態に係る垂直離着陸機１の飛行原理について、図１０Ａ～図１１Ｂを参照しつつ説明する。ここで、図１０Ａ～図１０Ｄは、第四実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示す図であり、図１０Ａはホバリング時におけるファンの側面方向からの状態説明図、図１０Ｂはホバリング時におけるファンの正面方向からの状態説明図、図１０Ｃはホバリング外乱発生時におけるファンの側面方向からの状態説明図、図１０Ｄはホバリング外乱発生時におけるファンの正面方向からの状態説明図である。図１１Ａ，図１１Ｂは、第四実施形態に係る垂直離着陸機の飛行原理を示す図であり、図１１Ａは前進時におけるファンの側面方向からの状態説明図、図１１Ｂは左旋回時におけるファンの正面方向からの状態説明図である。
　各図において、ファン２１及び後部ファン２２以外の機体の図を省略し、機体の重心をＧとし、揚力の作用点をＦとしている。第四実施形態に係る垂直離着陸機１では、重心Ｇは作用点Ｆよりもわずかに上方に位置しているものとする。また、ファン２１（左側ファン２１ａ及び右側ファン２１ｂ）は、正面視したときに略Ｖ字形状を構成するように配置されているものとする。また、後部ファン２２はファン２１に対して前方に傾斜した状態に配置されているものとする。図１０Ａ，図１０Ｃ及び図１１Ａにおいて、図示左側が前進側（機首側）であり、図示右側が後進側である。また、図１０Ｂ，図１０Ｄ及び図１１Ｂにおいて、図示右側が機体左側であり、図示左側が機体右側である。
　図１０Ａ，図１０Ｂはホバリング時の飛行原理を示している。図１０Ａの側面図及び図１０Ｂの正面図に示したように、ホバリング時には、ファン２１の推力ｆ１と後部ファン２２の推力ｆ２の合力が作用点Ｆに対して鉛直方向の推力ｆを発生させるように機体の姿勢が調整される。具体的には、ファン２１の駆動軸は後方側に傾斜し、後部ファン２２の駆動軸は前方側に傾斜した状態に維持される。なお、図１０Ｂの正面図に示したように、ファン２１の推力ｆ１は、左側ファン２１ａの推力ｆａと右側ファン２１ｂの推力ｆｂの合力によって求められる。また、作用点Ｆと重心Ｇとを結ぶ機体軸ＦＧも鉛直方向に向いており、機体には鉛直方向下方に重力ｇが生じている。したがって、ホバリング時には、推力ｆ（揚力）と重力ｇとが同じ大きさを有し、釣り合った状態となっている。
　図１０Ｃ，図１０Ｄはホバリング外乱発生時の飛行原理を示している。まず、図１０Ｃの側面図に示したように、ホバリング時に風等の外乱を受けて機体が前方（図示左側）に傾いた場合を想定する。この場合、ファン２１の推力ｆ１と後部ファン２２の推力ｆ２の合力である推力ｆ及び機体軸ＦＧは、前方に傾斜した状態となる。このとき、推力ｆの鉛直方向成分ｆｖは揚力として機体に作用し、この鉛直方向成分ｆｖ（揚力）は重力ｇと釣り合うように調整される。また、ファン２１及び後部ファン２２が前方に傾斜した結果、ファン２１の揚力（推力ｆ１の鉛直方向成分）は大きくなり、後部ファン２２の推力ｆ２の鉛直方向成分ｆ２ｖは小さくなる。したがって、ファン２１の揚力の増加分は機体の前部を上方に押し上げるように作用し、後部ファン２２の揚力の減少分は機体の後部を下方に押し下げるように作用する。すなわち、この揚力の変動分は、機体に対して復元力として作用することとなる。なお、図では、ファン２１の推力ｆ１が鉛直方向に向いている場合を図示している。
　次に、図１０Ｄの正面図に示したように、ホバリング時に風等の外乱を受けて機体が左側（図示右側）に傾いた場合を想定する。この場合も同様に、推力ｆの鉛直方向成分ｆｖ（揚力）は重力ｇと釣り合うように調整される。また、ファン２１（左側ファン２１ａ及び右側ファン２１ｂ）が略Ｖ字形状に配置されていることから、左側ファン２１ａ及び右側ファン２１ｂが左側に傾斜した結果、左側ファン２１ａの揚力（推力ｆａの鉛直方向成分）は大きくなり、右側ファン２１ｂの推力ｆｂの鉛直方向成分ｆｂｖは小さくなる。したがって、左側ファン２１ａの揚力の増加分は機体の左側を上方に押し上げるように作用し、右側ファン２１ｂの揚力の減少分は機体の右側を下方に押し下げるように作用する。すなわち、この揚力の変動分は、機体に対して復元力として作用することとなる。なお、図では、左側ファン２１ａの推力ｆａが鉛直方向に向いている場合を図示している。
　図１１Ａは前進時の飛行原理を示している。図１１Ａは側面図を示している。図１１Ａに示したように、前進時には、機体軸ＦＧが前方（図示左側）に傾斜した状態に固定されており、ファン２１及び後部ファン２２の駆動軸も前方に傾斜した状態になっている。このとき、ファン２１の推力ｆ１は鉛直方向成分ｆ１ｖ及び水平方向成分ｆ１ｈに分離することができ、後部ファン２２の推力ｆ２は鉛直方向成分ｆ２ｖ及び水平方向成分ｆ２ｈに分離することができる。鉛直方向成分ｆ１ｖと鉛直方向成分ｆ２ｖの合力は、推力ｆの鉛直方向成分ｆｖを構成し、この鉛直方向成分ｆｖ（揚力）は重力ｇと釣り合うように調整される。また、水平方向成分ｆ１ｈと水平方向成分ｆ２ｈの合力は、推力ｆの水平方向成分ｆｈを構成し、この水平方向成分ｆｈは機体の推力として作用し、機体を前方に移動（前進）させる。
　図１１Ｂは左旋回時の飛行原理を示している。図１１Ｂは正面図を示している。図１１Ｂに示したように、左旋回時には、機体軸ＦＧは左側（図示右側）に傾斜している。また、ファン２１（左側ファン２１ａ及び右側ファン２１ｂ）が略Ｖ字形状に配置されており、左側ファン２１ａの推力ｆａは略鉛直方向に生じ、右側ファン２１ｂの推力ｆｂは内側に傾斜した方向に生じているものとする。このとき、左側ファン２１ａの推力ｆａは揚力として機体に作用し、右側ファン２１ｂの推力ｆｂの鉛直方向成分ｆｂｖは揚力として機体に作用する。そして、ファン２１の推力ｆ（推力ｆａと推力ｆｂの合力）の鉛直方向成分ｆｖ（すなわち、推力ｆａと鉛直方向成分ｆｂｖの合力）は揚力として機体に作用し、この鉛直方向成分ｆｖ（揚力）は重力ｇと釣り合うように調整される。また、推力ｆの水平方向成分ｆｈ、すなわち、右側ファン２１ｂの推力ｆｂの水平方向成分ｆｂｈは、作用点Ｆを左側に移動させるように向心力として作用し、その反作用として重心Ｇを右側に移動させるように遠心力ｆｃが機体に作用する。その結果、機体は姿勢を維持したまま左旋回することとなる。なお、ここでは、説明の便宜上、後部ファン２２の作用を無視している。また、右旋回時の飛行原理は、左旋回時の飛行原理を左右反転させた場合と同じであるため説明を省略する。
　本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明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　推進器
３　原動機
４　フレーム
５　座席
５ａ　前部座席
５ｂ　後部座席
６　ハンドル
７　接地脚
２１　ファン
２２　後部ファン
４１　枢動軸
５６　挿通部

Claims (8)

  1. 　揚力及び推力を発生させるファンを有する推進器と、
    　該推進器に動力を供給する原動機と、
    　前記推進器及び前記原動機を連結するフレームと、
    　該フレームに対して前後方向に回動可能に接続されるとともに前記フレームに吊下げ支持された座席と、
    　前記フレームに接続されたハンドルと、
    　前記フレーム又は前記座席に接続された接地脚と、を有し、
    　前記推進器は、着陸時に前記ファンの駆動軸が鉛直方向となるように前記フレームに接続されており、
    　前記ハンドルを操作することによって、前記座席に対して前記フレームを相対移動させ、前記推進器の向きを変更するようにした、ことを特徴とする垂直離着陸機。
  2. 　前記座席は、前部座席及び後部座席を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の垂直離着陸機。
  3. 　前記フレームは、左右方向に延設された枢動軸を有し、前記座席は、前記枢動軸を挿通可能な挿通部を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の垂直離着陸機。
  4. 　前記推進器は、前記座席の左側に配置される左側ファンと、前記座席の右側に配置される右側ファンと、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。
  5. 　前記推進器は、前記座席の後部に配置される後部ファンを有する、ことを特徴とする請求項４に記載の垂直離着陸機。
  6. 　前記推進器は、前記座席の上部又は下部に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の垂直離着陸機。
  7. 　前記推進器は、隣接部に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の垂直離着陸機。
  8. 　前記推進器は、ダクテッドファンである、ことを特徴とする請求項１に記載の垂直離着陸機。
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