WO2014119155A1

WO2014119155A1 - 垂直離着陸機

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Publication number: WO2014119155A1
Application number: PCT/JP2013/083733
Authority: WO
Inventors: 正善恒川; 田村　哲也
Original assignee: 株式会社Ihi
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-08-07
Also published as: AU2013375961B2; NZ706696A; EP2899122A1; EP2899122A4; JP6108077B2; JP2014144702A; US20150197337A1; EP2899122B1; US9950789B2; AU2013375961A1

Abstract

　揚力及び推力を発生させる推進器２と、座席４１及び接地脚４２を支持するメインフレーム４と、推進器２を支持するとともにメインフレーム４に対して前後方向に回動可能に配置されたサブフレーム５と、メインフレーム４に支持されるとともに推進器２に動力を供給する動力供給手段３と、サブフレーム５に接続された操縦桿６と、を有し、推進器２は、メインフレーム４の左右に各々配置された一対のダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒと、ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒに配置された左右方向に延びる回動軸２２と、回動軸２２に接続された制御翼２３と、を備え、制御翼２３を回動させることによってサブフレーム５がメインフレーム４に対して相対移動可能に構成されている。制御機構の追加を抑制しつつ、操縦性の向上を図ることができる。

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。

　また、特許文献２に記載された垂直離着陸機（個人飛行車輌）は、機体の横揺れ（ロール）及び縦揺れ（ピッチ）を制御するエアロフォイル断面の制御面と、機体の偏揺れ（ヨー）を制御する制御ベーンと、を有している。そして、この制御システムでは、一方の制御ベーンを一方向に動かすと、他方の制御ベーンが常に逆方向に等しく動くように設定され、この移動は機体を左に偏揺れさせ、これらの制御ベーンを逆方向に移動させると機体を右に偏揺れさせるように構成されている。

特開２００６－０５６３６４号公報特表２０１１－５２５８７９号公報

　上述した特許文献１や特許文献２に記載された垂直離着陸機では、推力を発生させるダクテッドファンが機体に固定されている。一般に、これらの垂直離着陸機では、重心の移動によって機体の姿勢制御を行うように構成されているが、機体を操縦しやすくするためには、特許文献２に記載されたように、機体のロール、ピッチ及びヨーに対応した制御機構を備えていることが好ましい。

　しかしながら、ロール、ピッチ及びヨーに対応した全ての制御機構を垂直離着陸機に搭載した場合には、機体重量が増加してしまう、メンテナンスが面倒である等の問題が生じる。

　本発明は上述した問題点に鑑み創案されたものであり、制御機構の追加を抑制しつつ、操縦性の向上を図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推進器と、座席及び接地脚を支持するメインフレームと、前記推進器を支持するとともに前記メインフレームに対して前後方向に回動可能に配置されたサブフレームと、前記メインフレーム又は前記サブフレームに支持されるとともに前記推進器に動力を供給する動力供給手段と、前記サブフレームに接続された操縦桿と、を有し、前記推進器は、前記メインフレームの左右に各々配置された少なくとも一対のダクテッドファンと、該ダクテッドファンに配置された左右方向に延びる回動軸と、該回動軸に接続された制御翼と、を備え、前記制御翼を回動させることによって前記サブフレームが前記メインフレームに対して相対移動可能に構成されている。

　本発明の垂直離着陸機によれば、推進器はサブフレームを介してメインフレームに回動可能に構成されていることから、操縦桿を操作することによって推進器を偏向させることができ、機体の偏揺れ（ヨー）を制御する機構を追加することなく、推進器を制御し得ることとなる。また、ダクテッドファンに制御翼を配置したことにより、サブフレームをメインフレームに対して相対移動させることができ、ダクテッドファンを偏向するために操縦桿を操作する力を補助することができ、より少ない力で操縦桿を操作し得ることとなる。

　上述した本発明の垂直離着陸機によれば、制御機構の追加を抑制しつつ、操縦性の向上を図ることができる。

本発明の第一実施形態に係る垂直離着陸機を示す正面図である。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動力伝達機構を示す構成図である。第一実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示す浮上状態説明図である。第一実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示す制御翼前方回動状態説明図である。第一実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示すサブフレーム回動状態説明図である。第一実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示す前進状態説明図である。第一実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示す制御翼後方回動状態説明図である。第一実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示すサブフレーム回動状態説明図である。第一実施形態に係る垂直離着陸機の他の作用を示す空中静止状態説明図である。第一実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示す機体傾斜状態説明図である。第一実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示す制御翼前方回動状態説明図である。第一実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示すメインフレーム回動状態説明図である。第一実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示す制御翼後方回動状態説明図である。第一実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示すサブフレーム回動状態説明図である。本発明の第二実施形態に係る垂直離着陸機を示す正面図である。本発明の第二実施形態に係る垂直離着陸機の側面図である。本発明の第三実施形態に係る垂直離着陸機を示す正面図である。本発明の第三実施形態に係る垂直離着陸機の側面図である。本発明の第四実施形態に係る垂直離着陸機を示す正面図である。本発明の第四実施形態に係る垂直離着陸機の側面図である。本発明の第五実施形態に係る垂直離着陸機を示す正面図である。本発明の第五実施形態に係る垂直離着陸機の側面図である。第五実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示す浮上状態説明図である。第五実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示す制御翼前方回動状態説明図である。第五実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示すサブフレーム回動状態説明図である。第五実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示す前進状態説明図である。第五実施形態に係る垂直離着陸機の他の作用を示す空中静止状態説明図である。第五実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示す機体傾斜状態説明図である。第五実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示す推力偏向用制御翼回動状態説明図である。第五実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示すメインフレーム回動状態説明図である。第五実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示す傾動用制御翼回動状態説明図である。第五実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示すサブフレーム回動状態説明図である。本発明の第六実施形態に係る垂直離着陸機を示す正面図である。本発明の第六実施形態に係る垂直離着陸機の側面図である。本発明の第七実施形態に係る垂直離着陸機を示す斜視図である。本発明の第七実施形態に係る垂直離着陸機の正面図である。本発明の第七実施形態に係る垂直離着陸機の側面図である。

　以下、本発明の実施形態について図１Ａ～図１１Ｃ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は正面図、図１Ｂは側面図、図１Ｃは動力伝達機構を示す構成図、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及び図１Ｂに示すように、揚力及び推力を発生させる推進器２と、座席４１及び接地脚４２を支持するメインフレーム４と、推進器２を支持するとともにメインフレーム４に対して前後方向に回動可能に配置されたサブフレーム５と、メインフレーム４に支持されるとともに推進器２に動力を供給する動力供給手段３と、サブフレーム５に接続された操縦桿６と、を有し、推進器２は、メインフレーム４の左右に各々配置された一対のダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒと、ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒに配置された左右方向に延びる回動軸２２と、回動軸２２に接続された制御翼２３と、を備え、制御翼２３を回動させることによってサブフレーム５がメインフレーム４に対して相対移動可能に構成されている。

　前記推進器２は、メインフレーム４の左側（操縦者の左手側）に配置されるダクテッドファン２１Ｌと、メインフレーム４の右側（操縦者の右手側）に配置されるダクテッドファン２１Ｒと、これらのダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒを連結するサブフレーム５と、を有している。ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒは、一般に、略円筒形状のダクト２１ａと、ダクト２１ａ内に回転可能に配置されたプロペラ２１ｂと、により構成されており、プロペラ２１ｂの中心部の前方（上流側）にはノーズコーン２１ｃが配置され、プロペラ２１ｂの中心部の後方（下流側）にはテールコーン２１ｄが配置されている。ノーズコーン２１ｃは、プロペラ２１ｂにより吸い込まれる気体をダクト２１ａ内に滑らかに案内する機能を有し、テールコーン２１ｄはダクト２１ａから排出される気体を整流する機能を有している。

　また、ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒに形成された環状の流路の内側（メインフレーム４側）には、図１Ａ及び図１Ｂに示したように、回動軸２２及び制御翼２３が配設されている。回動軸２２は、ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒのダクト２１ａとテールコーン２１ｄとの間に掛け渡されており、その軸方向は、垂直離着陸機１の前後方向と垂直な方向（すなわち、左右方向）を向くように配設されている。回動軸２２は、一端がダクト２１ａに形成された軸受部２１ｅに回動可能に支持されており、他端がテールコーン２１ｄ内に配置されたアクチュエータ２２ａに接続されている。また、回動軸２２は、ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒの前後方向中心部（ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒの回転軸を結ぶ線分上）に配置されている（以下、かかる配置の回動軸を「中心部回動軸」と称する）。

　そして、この回動軸２２には、制御翼２３が接続されている。したがって、アクチュエータ２２ａを作動させることによって、回動軸２２を軸回りに回動させることができ、制御翼２３を前後方向に揺動させることができる。アクチュエータ２２ａと回動軸２２との間には、減速機を介在させるようにしてもよい。なお、図１Ｂにおいて、説明の便宜上、プロペラ２１ｂ、ノーズコーン２１ｃ及びテールコーン２１ｄを、破線で図示している。

　また、図示しないが、上述した回動軸２２及び制御翼２３は、ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒに形成された環状の流路の内側（メインフレーム４側）だけでなく、外側（大気側）にも配置するようにしてもよい。各ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒに配置された二本の回動軸２２は、アクチュエータ２２ａを個別に有していてもよいし、傘歯車等の動力伝達機構を介してアクチュエータ２２ａを共有していてもよい。なお、各ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒに個別にアクチュエータ２２ａを配置した場合には、垂直離着陸機１の姿勢に応じて左右の制御翼２３の回動角度を変更することにより、サブフレーム５の捻れを抑制することができる。

　前記動力供給手段３は、例えば、図１Ｃに示した動力伝達機構により、ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒに動力を供給する原動機である。動力源としては、原動機に替えて、電動モータやレシプロエンジン等を使用してもよいし、過給機を設置するようにしてもよい。動力供給手段３は、メインフレーム４の背面に固定されており、機体上部に配置されたオイルタンク３１から燃料が供給され、燃料を燃焼させて動力を出力し、後方に配置された排気ノズル３２から排気ガスを排出する。なお、図１Ｃにおいて、説明の便宜上、回動軸２２及び制御翼２３の図を省略してある。

　図１Ｃに示したように、垂直離着陸機１の動力伝達機構は、動力供給手段３と、動力供給手段３の出力軸の先端に接続されたスプロケット３３と、両端部に傘歯車３４ａを有するとともに中間部にスプロケット３４ｂを有する動力伝達シャフト３４と、スプロケット３３，３４ｂ間に掛け渡されたローラチェーンと、動力伝達シャフト３４を回転可能に支持する軸受３５と、を有し、動力供給手段３により出力される動力は、チェーン駆動機構を介して動力伝達シャフト３４に伝達され、動力伝達シャフト３４の回転は傘歯車３４ａを介してダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒの駆動軸に伝達される。

　動力供給手段３と動力伝達シャフト３４との動力伝達は、チェーン駆動機構に限定されるものではなく、ベルト駆動機構であってもよいし、歯車駆動機構であってもよいし、減速機や増速機を介在させるようにしてもよい。また、各ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒの回転数を個別に制御したい場合には、各ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒに個別に動力供給手段３を接続するようにしてもよい。動力伝達シャフト３４を支持する軸受３５は、動力供給手段３が固定されるメインフレーム４に配置されており、動力供給手段３の出力軸と動力伝達シャフト３４との位置関係が変動しないように構成されている。

　前記メインフレーム４は、機体の骨格をなす部材であって、推進器２、動力供給手段３、座席４１、接地脚４２等を支持する構成部品である。メインフレーム４は、機体の軽量化を図るためにフレーム構造であることが好ましい。メインフレーム４の下部には、乗員が着座する座席４１（例えば、前部座席及び後部座席）、着陸時に地面等に接地する脚部を構成する複数の接地脚４２、機体のモーメントやバランスを安定させる尾翼４３、乗員の足を支持するフットレスト４４等が配置されている。座席４１にはシートベルトを配置してもよいし、接地脚４２にはダンパーを配置してもよい。

　また、座席４１の前方には整流手段であるカウル４５が接続されている。カウル４５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ており、側面部にはバックミラーが配置されていてもよい。また、座席４１とカウル４５との接続部４６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、動力供給手段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、メインフレーム４の背面には動力供給手段３の本体が固定されており、メインフレーム４の上部（天井部）にはオイルタンク３１が固定されている。また、メインフレーム４の天井部には、雨避け用のルーフ部を構成する板部材を配置するようにしてもよい。

　前記サブフレーム５は、左右のダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒを接続する構成部品である。また、サブフレーム５には、座席４１の前方に延設された操縦桿６が接続されている。操縦桿６は、サブフレーム５から座席４１の前方まで延設されており、操縦桿６を前後方向に回動させることによってサブフレーム５をメインフレーム４に対して前後方向に回動させるように構成されている。操縦桿６は、サブフレーム５及び推進器２を回動させるものであるため、推進器２の外周面に操縦桿６が接続されていてもよい。そして、サブフレーム５は、図１Ｃに示したように、フレーム連結部５１によりメインフレーム４に回動可能に接続される。

　かかるフレーム構造により、座席４１や動力供給手段３はメインフレーム４に固定されていることから、一体構造をなしており、相対移動しないように構成されている。一方、推進器２（ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒ）はサブフレーム５に固定されていることから、サブフレーム５をメインフレーム４に回動可能に接続することにより、推進器２（ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒ）を座席４１や動力供給手段３に対して相対移動（回動）させることができる。

　フレーム連結部５１は、動力伝達シャフト３４の回転軸とサブフレーム５の回動軸とが同軸上に配置されるように構成されている。また、フレーム連結部５１は、例えば、メインフレーム４の下面に接続されるとともに動力伝達シャフト３４を挿通可能な第一筒部を有する本体部５１ａと、サブフレーム５の下面に接続されるとともに第一筒部の内側に挿嵌される第二筒部を有する回動部５１ｂと、第一筒部と第二筒部との間に配置された軸受（図示せず）と、を有する。かかる構成によれば、動力伝達シャフト３４とダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒとの連結部（傘歯車３４ａ）における接続状態を維持したまま、ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒを動力伝達シャフト３４の回転軸に沿って回動させることができ、推進器２の向きを変更することができる。なお、フレーム連結部５１は、メインフレーム４とサブフレーム５とを相対移動（回動）させることができればよく、図示した構成に限定されるものではない。

　上述したように、推進器２を有するサブフレーム５は、機体の骨格を形成するメインフレーム４に対して回動可能に構成されており、操縦桿６を操作して動力伝達シャフト３４の軸回りに回動させることによって、推進器２（ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒ）を前後方向に回動（傾斜）させることができ、機体の進行方向等を制御することができる。ここで、動力供給手段３はメインフレーム４に固定されていることから、サブフレーム５の軽量化を図ることができるものの、推進器２（ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒ）の作動中にサブフレーム５を回動させるには、推力や揚力に負けない大きな力を必要とする。本発明は、このサブフレーム５をメインフレーム４に対して相対移動（回動）させる際に必要とする力を低減するために、制御翼２３を配置したものである。

　なお、上述した動力供給手段３は、図示しないが、メインフレーム４ではなくサブフレーム５に配置されていてもよい。この場合、動力伝達シャフト３４の回転軸とサブフレーム５の回動軸とは、同軸上に配置する必要はなく、動力伝達機構の簡素化を図ることができる一方で、サブフレーム５の重量が増加し、サブフレーム５の操作（回動）に大きな力を必要とすることとなる。しかしながら、上述した制御翼２３を配置することにより、サブフレーム５をメインフレーム４に対して相対移動（回動）させる際に必要とする力を低減することができる。

　ここで、制御翼２３の動作について、図２Ａ～図３Ｆを参照しつつ説明する。図２Ａ～図２Ｆは、第一実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示す図であり、図２Ａは浮上状態、図２Ｂは制御翼前方回動状態、図２Ｃはサブフレーム回動状態、図２Ｄは前進状態、図２Ｅは制御翼後方回動状態、図２Ｆはサブフレーム回動状態、を示している。図３Ａ～図３Ｆは、第一実施形態に係る垂直離着陸機の他の作用を示す図であり、図３Ａは空中静止状態、図３Ｂは機体傾斜状態、図３Ｃは制御翼前方回動状態、図３Ｄはメインフレーム回動状態、図３Ｅは制御翼後方回動状態、図３Ｆはサブフレーム回動状態、を示している。なお、各図において、説明の便宜上、垂直離着陸機１の機体本体を符号１０として簡略化して図示するとともに、操縦桿６及び軸受部２１ｅの図を省略してある。

　図２Ａ～図２Ｄは、垂直離着陸機１を浮上状態から前進状態に移行させる動作を示している。図２Ａは垂直離着陸機１の浮上状態を示している。この浮上状態では、推進器２は上下方向に向いており、上方から空気を吸い込み下方に空気を噴き出すことによって機体本体１０を浮上又は浮揚させる。このとき、制御翼２３は、推進器２の気流を阻害しないように、下方に真っ直ぐ向いた状態に保持されている。

　垂直離着陸機１を前進させたい場合には、推進器２を前方に傾斜させて後方に向かって空気を噴き出し、推進力を得る必要がある。かかる操作は、基本的に操縦桿６で行うことになるが、本実施形態ではその操作に必要な力を低減するために、制御翼２３の揚力を利用している。まず、図２Ｂに示したように、制御翼２３を前方に回動させると、プロペラ２１ｂを通過した空気は、制御翼２３の前面に衝突し、制御翼２３は後方に向けて揚力を発生させる。

　その結果、図２Ｃに示したように、推進器２（サブフレーム５）は機体本体１０（メインフレーム４）に対して相対移動し、推進器２の頭部（ノーズコーン２１ｃ側）が前方を向くように回動することとなる。したがって、制御翼２３を回動させるだけで所定の方向に推進器２を回動させることができ、操縦桿６の操作に必要な力を低減することができ、操縦をサポートすることができる。

　最終的に、図２Ｄに示したように、推進器２を傾斜させた状態を保持したまま、制御翼２３を推進器２の傾斜角度と同じ角度となるように回動させることにより、推進器２の後方に空気を噴き出すことができ、安定した推進力を得ることができる。

　次に、前進状態から浮上状態又は浮揚状態に戻る場合には、図２Ｅに示したように、推進器２が傾斜した状態で制御翼２３を後方に回動させる。このとき、プロペラ２１ｂを通過した空気は、制御翼２３の後面に衝突し、制御翼２３は前方に向けて揚力を発生させる。

　その結果、図２Ｆに示したように、推進器２（サブフレーム５）は機体本体１０（メインフレーム４）に対して相対移動し、推進器２の頭部（ノーズコーン２１ｃ側）が上方を向くように回動することとなる。したがって、制御翼２３を回動させるだけで所定の方向に推進器２を回動させることができ、操縦桿６の操作に必要な力を低減することができ、操縦をサポートすることができる。

　上述した制御翼２３の回動は、図１Ａに示したアクチュエータ２２ａによって操作され、アクチュエータ２２ａの駆動は座席４１又は操縦桿６に配置された操作ボタンや操作レバー（図示せず）によって制御される。

　図３Ａ～図３Ｆは、空中静止状態にある垂直離着陸機１が突風等の外乱によって煽られて姿勢が崩れた場合に、空中静止状態に復帰させる場合の動作を示している。図３Ａは垂直離着陸機１の空中静止状態を示している。この空中静止状態では、推進器２は上下方向に向いており、上方から空気を吸い込み下方に空気を噴き出すことによって、機体本体１０に生じる重力と揚力とを釣り合わせるようにしている。このとき、制御翼２３は、推進器２の気流を阻害しないように、下方に真っ直ぐ向いた状態に保持されている。

　空中静止状態にある垂直離着陸機１が突風等の外乱を受けた場合、例えば、図３Ｂに示したように、推進器２、機体本体１０及び制御翼２３の位置関係を保持したまま、垂直離着陸機１の全体が前方に傾く場合がある。この傾斜状態から空中静止状態に復帰させる場合には、まず、図３Ｃに示したように、制御翼２３を前方に回動させる。このとき、プロペラ２１ｂを通過した空気は制御翼２３の前面に衝突し、制御翼２３は後方に向けて揚力を発生させる。

　したがって、推進器２（サブフレーム５）は機体本体１０（メインフレーム４）に対して相対移動しようとするが、機体本体１０の姿勢が崩れて機体本体１０の重心がずれていることから、図３Ｄに示したように、機体本体１０（メインフレーム４）が推進器２（サブフレーム５）に対して相対移動することとなる。なお、この動作は、推進器２（サブフレーム５）が機体本体１０（メインフレーム４）に対して相対移動していることと同義である。

　図３Ｄに示した状態では、機体本体１０の姿勢は正常な状態に戻っているものの、推進器２が前方に傾斜していることから、空中静止状態を維持することができず、垂直離着陸機１は前進しようとしてしまう。そこで、次に、推進器２の姿勢を正常な状態に戻すための操作を行う。

　図３Ｅに示したように、推進器２が傾斜した状態で制御翼２３を後方に回動させる。このとき、プロペラ２１ｂを通過した空気は、制御翼２３の後面に衝突し、制御翼２３は前方に向けて揚力を発生させる。その結果、図３Ｆに示したように、推進器２（サブフレーム５）は機体本体１０（メインフレーム４）に対して相対移動し、推進器２の頭部（ノーズコーン２１ｃ側）が上方を向くように回動することとなる。

　最終的に、図３Ａに示した状態となるように、制御翼２３を回動させることにより、垂直離着陸機１を空中静止状態に復帰させることができる。上述した制御翼２３の回動は、図１Ａに示したアクチュエータ２２ａによって操作され、アクチュエータ２２ａの駆動は座席４１又は操縦桿６に配置された操作ボタンや操作レバー（図示せず）によって制御するようにしてもよい。また、機体本体１０に姿勢の傾きを検出するジャイロスコープ等のセンサを配置して、機体本体１０が傾斜した場合に自動的にアクチュエータ２２ａを操作して制御翼２３の回動を制御するようにしてもよい。

　続いて、本発明の他の実施形態に係る垂直離着陸機について、図４Ａ～図７Ｂを参照しつつ説明する。ここで、図４Ａ，図４Ｂ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４Ａは正面図、図４Ｂは側面図、である。図５Ａ，図５Ｂは、本発明の第三実施形態に係る垂直離着陸機を示す図であり、図５Ａは正面図、図５Ｂは側面図、である。図６Ａ，図６Ｂは、本発明の第四実施形態に係る垂直離着陸機を示す図であり、図６Ａは正面図、図６Ｂは側面図、である。図７Ａ，図７Ｂは、本発明の第五実施形態に係る垂直離着陸機を示す図であり、図７Ａは正面図、図７Ｂは側面図、である。なお、各図において、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４Ａ及び図４Ｂに示した第二実施形態に係る垂直離着陸機１は、ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒの流路内の前部に配置された前部回動軸２２ｆと、ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒの流路内の後部に配置された後部回動軸２２ｒと、を有するものである。これらの前部回動軸２２ｆ及び後部回動軸２２ｒには、第一実施形態と同様に、制御翼２３が接続されている。以下、前部回動軸２２ｆ及び後部回動軸２２ｒのように、ノーズコーン２１ｃ又はテールコーン２１ｄの前後に配置された回動軸を「側部回動軸」と称する。図示した第二実施形態では、側部回動軸（前部回動軸２２ｆ及び後部回動軸２２ｒ）は、制御翼２３がダクト２１ａの流路内に収まる位置に配置されている。前部回動軸２２ｆ及び後部回動軸２２ｒの軸受部２１ｅ及びアクチュエータ２２ａは、ダクト２１ａのハウジング内に配置される。なお、図４Ａにおいて、説明の便宜上、ダクテッドファン２１Ｒを点線で図示している。

　かかる第二実施形態に係る垂直離着陸機１は、第一実施形態における中心部回動軸に替えて側部回動軸に制御翼２３を接続したものである。第二実施形態における制御翼２３の操作方法は、例えば、図２Ａ～図２Ｆや図３Ａ～図３Ｆに示した第一実施形態における制御翼２３と実質的に同一であり、詳細な説明を省略する。

　図５Ａ及び図５Ｂに示した第三実施形態に係る垂直離着陸機１は、上述した第二実施形態における制御翼２３をダクト２１ａの下部に配置したものである。このように、制御翼２３をダクト２１ａの流路の外に配置することにより、制御翼２３の表面積を大きく形成することができ、制御翼２３の応答性を向上させることができる。なお、図５Ａにおいて、説明の便宜上、ダクテッドファン２１Ｒを点線で図示している。

　図６Ａ及び図６Ｂに示した第四実施形態に係る垂直離着陸機１は、側部回動軸（前部回動軸２２ｆ及び後部回動軸２２ｒ）をダクト２１ａのハウジングの一部に配置したものである。ダクト２１ａのハウジングは、前面部及び後面部の一部が制御翼２３を挿入可能な形状に切り欠かれている。かかる構成によれば、推進器２の流路中に制御翼２３が常時配置されていないことから、制御翼２３を使用しない場合における気流の乱れや圧損を低減することができる。また、ダクト２１ａの内面から制御翼２３の表面に沿って空気を流すことができ、揚力を効率よく発生させることができる。

　図７Ａ及び図７Ｂに示した第五実施形態に係る垂直離着陸機１は、上述した中心部回動軸（回動軸２２）及び側部回動軸（前部回動軸２２ｆ及び後部回動軸２２ｒ）の両方を推進器２に配置したものである。これらの中心部回動軸及び側部回動軸に接続された制御翼２３は、上述した他の実施形態と同様の操作を行うことによって垂直離着陸機１の姿勢を制御することができる。また、このように、中心部回動軸及び側部回動軸を有する場合に、中心部回動軸（回動軸２２）に接続された制御翼２３をダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒの推力偏向用に使用し、側部回動軸（前部回動軸２２ｆ及び後部回動軸２２ｒ）に接続された制御翼２３をサブフレーム５の傾動用に使用することもできる。なお、これらの制御翼２３は、ダクト２１ａ内に収まるように配置されていてもよいし、ダクト２１ａの外にはみ出るように配置されていてもよい。

　ここで、第五実施形態における制御翼２３の動作について、図８Ａ～図９Ｆを参照しつつ説明する。図８Ａ～図８Ｄは、第五実施形態に係る垂直離着陸機の作用を示す図であり、図８Ａは浮上状態、図８Ｂは制御翼前方回動状態、図８Ｃはサブフレーム回動状態、図８Ｄは前進状態、を示している。図９Ａ～図９Ｆは、第五実施形態に係る垂直離着陸機の他の作用を示す図であり、図９Ａは空中静止状態、図９Ｂは機体傾斜状態、図９Ｃは推力偏向用制御翼回動状態、図９Ｄはメインフレーム回動状態、図９Ｅは傾動用制御翼回動状態、図９Ｆはサブフレーム回動状態、を示している。なお、各図において、説明の便宜上、垂直離着陸機１の機体本体を符号１０として簡略化して図示するとともに、操縦桿６の図を省略してある。

　図８Ａ～図８Ｄは、垂直離着陸機１を浮上状態から前進状態に移行させる動作を示している。図８Ａは垂直離着陸機１の浮上状態を示している。この浮上状態では、推進器２は上下方向に向いており、上方から空気を吸い込み下方に空気を噴き出すことによって機体本体１０を浮上又は浮揚させる。このとき、全ての制御翼２３は、推進器２の気流を阻害しないように、下方に真っ直ぐ向いた状態に保持されている。

　垂直離着陸機１を前進させたい場合には、推進器２を前方に傾斜させて後方に向かって空気を噴き出し、推進力を得る必要がある。かかる操作は、基本的に操縦桿６で行うことになるが、本実施形態ではその操作に必要な力を低減するために、側部回動軸（前部回動軸２２ｆ及び後部回動軸２２ｒ）に接続された制御翼２３の揚力を利用している。まず、図８Ｂに示したように、側部回動軸（前部回動軸２２ｆ及び後部回動軸２２ｒ）に接続された制御翼２３を前方に回動させると、プロペラ２１ｂを通過した空気は、制御翼２３の前面に衝突し、制御翼２３は後方に向けて揚力を発生させる。

　その結果、図８Ｃに示したように、推進器２（サブフレーム５）は機体本体１０（メインフレーム４）に対して相対移動し、推進器２の頭部（ノーズコーン２１ｃ側）が前方を向くように回動することとなる。したがって、側部回動軸（前部回動軸２２ｆ及び後部回動軸２２ｒ）に接続された制御翼２３を回動させるだけで所定の方向に推進器２を回動させることができ、操縦桿６の操作に必要な力を低減することができ、操縦をサポートすることができる。なお、中心部回動軸（回動軸２２）に接続された制御翼２３は、推力偏向用制御翼であるため、ここでは使用しない。

　最終的に、図８Ｄに示したように、推進器２を傾斜させた状態を保持したまま、側部回動軸（前部回動軸２２ｆ及び後部回動軸２２ｒ）に接続された制御翼２３を推進器２の傾斜角度と同じ角度となるように回動させることにより、推進器２の後方に空気を噴き出すことができ、推進力を得ることができる。なお、前進状態から浮上状態又は浮揚状態に戻る場合の操作については、側部回動軸（前部回動軸２２ｆ及び後部回動軸２２ｒ）に接続された制御翼２３の回動方向を反転させるだけであるため、ここでは、詳細な説明を省略する。

　図９Ａ～図９Ｆは、空中静止状態にある垂直離着陸機１が突風等の外乱によって煽られて姿勢が崩れた場合に、空中静止状態に復帰させる場合の動作を示している。図９Ａは垂直離着陸機１の空中静止状態を示している。この空中静止状態では、推進器２は上下方向に向いており、上方から空気を吸い込み下方に空気を噴き出すことによって、機体本体１０に生じる重力と揚力とを釣り合わせるようにしている。このとき、全ての制御翼２３は、推進器２の気流を阻害しないように、下方に真っ直ぐ向いた状態に保持されている。

　空中静止状態にある垂直離着陸機１が突風等の外乱を受けた場合、例えば、図９Ｂに示したように、推進器２、機体本体１０及び制御翼２３の位置関係を保持したまま、垂直離着陸機１の全体が前方に傾く場合がある。この姿勢では、推進器２が前方に傾斜していることから、垂直離着陸機１は操縦者の意向に反して前進しようとしてしまう。そこで、まず、図９Ｃに示したように、中心部回動軸（回動軸２２）に接続された制御翼２３を前方に回動させる。このとき、プロペラ２１ｂを通過した空気は、中心部回動軸に接続された制御翼２３によって、下方に向かって噴き出されるように偏向されることとなり、垂直離着陸機１の前進を抑制することができる。

　また、同時に、中心部回動軸に接続された制御翼２３は後方に向けて揚力を発生させることから、推進器２（サブフレーム５）は機体本体１０（メインフレーム４）に対して相対移動しようとする。このとき、機体本体１０の姿勢が崩れて機体本体１０の重心がずれていることから、図９Ｄに示したように、機体本体１０（メインフレーム４）が推進器２（サブフレーム５）に対して相対移動することとなる。なお、この動作は、推進器２（サブフレーム５）が機体本体１０（メインフレーム４）に対して相対移動していることと同義である。

　図９Ｄに示した状態では、機体本体１０の姿勢は正常な状態に戻っているものの、推進器２が前方に傾斜していることから、空中静止状態を維持することができず、垂直離着陸機１は前進しようとしてしまう。そこで、次に、推進器２の姿勢を正常な状態に戻すための操作を行う。

　図９Ｅに示したように、推進器２が傾斜した状態で側部回動軸（前部回動軸２２ｆ及び後部回動軸２２ｒ）に接続された制御翼２３を後方に回動させる。このとき、プロペラ２１ｂを通過した空気は、側部回動軸に接続された制御翼２３の後面に衝突し、制御翼２３は前方に向けて揚力を発生させる。その結果、図９Ｆに示したように、推進器２（サブフレーム５）は機体本体１０（メインフレーム４）に対して相対移動し、推進器２の頭部（ノーズコーン２１ｃ側）が上方を向くように回動することとなる。

　最終的に、図９Ａに示した状態となるように、側部回動軸（前部回動軸２２ｆ及び後部回動軸２２ｒ）に接続された制御翼２３を回動させることにより、垂直離着陸機１を空中静止状態に復帰させることができる。

　このように、制御翼２３を推力偏向用と推進器傾動用とに機能分担させることにより、突風等の外乱によって垂直離着陸機１が煽られた場合であっても、推進器２を正常な状態に戻す前に、直ちに推力発生方向を偏向することができ、その後、推進器２を元の状態に復帰させることができ、円滑かつ迅速な姿勢制御を行うことができる。

　続いて、本発明の他の実施形態に係る垂直離着陸機について、図１０Ａ～図１１Ｃを参照しつつ説明する。ここで、図１０Ａ，図１０Ｂは、本発明の第六実施形態に係る垂直離着陸機を示す図であり、図１０Ａ（ａ）は正面図、図１０Ｂは側面図、である。図１１Ａ～図１１Ｃは、本発明の第七実施形態に係る垂直離着陸機を示す図であり、図１１Ａは斜視図、図１１Ｂは正面図、図１１Ｃは側面図、である。なお、各図において、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１０Ａ及び図１０Ｂに示した第六実施形態に係る垂直離着陸機１は、側部回動軸（前部回動軸２２ｆ及び後部回動軸２２ｒ）及び制御翼２３をダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒの上部に配置したものである。具体的には、側部回動軸及び制御翼２３は、プロペラ２１ｂよりも上部のダクト２１ａ内に配置される。かかる構成であっても、回動軸及び制御翼２３がダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒの下部に配置されている実施形態と同様の操作により、垂直離着陸機１の姿勢制御を行うことができる。

　図１１Ａ～図１１Ｃに示した第七実施形態に係る垂直離着陸機１は、推進器２（ダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒ）を座席４１の下部に配置したものである。ここで、座席４１の下部とは、推進器２への動力伝達シャフト（図示せず）が座席４１よりも下部にある状態を意味している。すなわち、推進器２は、座席４１の下部に配置されるように、サブフレーム５を介してメインフレーム４に接続されている。かかる構成の垂直離着陸機１においても、上述した第一実施形態～第六実施形態に示した制御翼２３を推進器２に配置することにより、垂直離着陸機１の姿勢制御を行うことができる。

　本発明は上述した実施形態に限定されず、例えば、垂直離着陸機１が突風等の外乱によって後方に傾斜した場合には図３Ａ～図３Ｆ及び図９Ａ～図９Ｆに記載した各制御翼２３の回動方向を反転させるだけでよい、側部回動軸は前部回動軸２２ｆ又は後部回動軸２２ｒのいずれか一方のみを配置してもよい、推進器２は二対以上のダクテッドファンを有していてもよいし、推進器２は一対のダクテッドファン２１Ｌ，２１Ｒに加えて後部に一つのダクテッドファンを有していてもよい等、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。

　本発明に係る垂直離着陸機の第１の態様は、揚力及び推力を発生させる推進器と、座席及び接地脚を支持するメインフレームと、前記推進器を支持するとともに前記メインフレームに対して前後方向に回動可能に配置されたサブフレームと、前記メインフレーム又は前記サブフレームに支持されるとともに前記推進器に動力を供給する動力供給手段と、前記サブフレームに接続された操縦桿と、を有し、前記推進器は、前記メインフレームの左右に各々配置された少なくとも一対のダクテッドファンと、該ダクテッドファンに配置された左右方向に延びる回動軸と、該回動軸に接続された制御翼と、を備え、前記制御翼を回動させることによって前記サブフレームが前記メインフレームに対して相対移動可能に構成されているものとしている。

　本発明の第１の態様によれば、操縦桿を操作することによって推進器を偏向させることができ、機体の偏揺れ（ヨー）を制御する機構を追加することなく、推進器を制御し得ることとなる。また、サブフレームをメインフレームに対して相対移動させることができ、ダクテッドファンを偏向するために操縦桿を操作する力を補助することができ、より少ない力で操縦桿を操作し得ることとなる。

　本発明の第２の態様において、前記回動軸は、前記ダクテッドファンの前後方向中心部に配置された中心部回動軸と、前記ダクテッドファンの流路内の前部又は後部に配置された側部回動軸と、前記中心部回動軸及び前記側部回動軸の両回動軸と、のいずれかによって構成されており、回動軸にいずれの構成を採用しても、垂直離着陸機の姿勢制御を行い得ることとなる。

　本発明の第３の態様は、前記回動軸が、前記中心部回動軸及び前記側部回動軸によって構成されている場合に、前記中心部回動軸に接続された制御翼は前記ダクテッドファンの推力偏向用に使用され、前記側部回動軸に接続された制御翼は前記サブフレームの傾動用に使用される構成としている。

　本発明の第３の態様によれば、突風等の外乱によって垂直離着陸機が煽られた場合であっても、推進器を正常な状態に戻す前に、直ちに推力発生方向を偏向することができ、その後、推進器を元の状態に復帰させることができ、円滑かつ迅速な姿勢制御を行い得ることとなる。

　本発明の第４の態様において、前記回動軸及び前記制御翼は、前記ダクテッドファンの上部又は下部に配置されている構成としており、この態様によれば、制御翼の応答性を向上させ得ることとなる。

　本発明の第５の態様において、前記推進器は、前記座席の上部又は下部に配置されるように、前記サブフレームを介して前記メインフレームに接続されている構成としており、いずれの構成を採用しても、垂直離着陸機の姿勢制御を行い得ることとなる。

　本発明の第６の態様において、前記操縦桿は、前記サブフレームから前記座席の前方まで延設されており、該操縦桿を前後方向に回動させることによって前記サブフレームを前記メインフレームに対して前後方向に回動させるように構成されており、この態様によれば、操縦桿の操作に必要な力を低減し得ることとなる。

１　垂直離着陸機
２　推進器
３　動力供給手段
４　メインフレーム
５　サブフレーム
６　操縦桿
２１Ｌ，２１Ｒ　ダクテッドファン
２２　回動軸（中心部回動軸）
２２ｆ　前部回動軸（側部２２ｆ　回動軸）
２２ｒ　後部回動軸（側部回動軸）
２３　制御翼
４１　座席
４２　接地脚

Claims

　揚力及び推力を発生させる推進器と、
　座席及び接地脚を支持するメインフレームと、
　前記推進器を支持するとともに前記メインフレームに対して前後方向に回動可能に配置されたサブフレームと、
　前記メインフレーム又は前記サブフレームに支持されるとともに前記推進器に動力を供給する動力供給手段と、
　前記サブフレームに接続された操縦桿と、を有し、
　前記推進器は、前記メインフレームの左右に各々配置された少なくとも一対のダクテッドファンと、該ダクテッドファンに配置された左右方向に延びる回動軸と、該回動軸に接続された制御翼と、を備え、
　前記制御翼を回動させることによって前記サブフレームが前記メインフレームに対して相対移動可能に構成されている垂直離着陸機。
　前記回動軸は、前記ダクテッドファンの前後方向中心部に配置された中心部回動軸と、前記ダクテッドファンの流路内の前部又は後部に配置された側部回動軸と、前記中心部回動軸及び前記側部回動軸の両回動軸と、のいずれかによって構成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。
　前記回動軸が、前記中心部回動軸及び前記側部回動軸によって構成されている場合に、前記中心部回動軸に接続された制御翼は前記ダクテッドファンの推力偏向用に使用され、前記側部回動軸に接続された制御翼は前記サブフレームの傾動用に使用される請求項２に記載の垂直離着陸機。
　前記回動軸及び前記制御翼は、前記ダクテッドファンの上部又は下部に配置されている請求項１に記載の垂直離着陸機。
　前記推進器は、前記座席の上部又は下部に配置されるように、前記サブフレームを介して前記メインフレームに接続されている請求項１に記載の垂直離着陸機。
　前記操縦桿は、前記サブフレームから前記座席の前方まで延設されており、該操縦桿を前後方向に回動させることによって前記サブフレームを前記メインフレームに対して前後方向に回動させるように構成されている請求項１に記載の垂直離着陸機。