JP4628994B2 - 飛行船型空中クレーン - Google Patents

Description

本発明は、飛行船にクレーンを搭載し、安価で安全に貨物を吊り上げて移送することができるようにした飛行船型空中クレーンに関する。

国土の７割が山岳の日本では森林保全のために間伐材が発生するが、安価な搬出手段が無い為や林業若年労働者の不足により搬出困難となっており、山間に放置され腐敗し地球温暖化を加速するメタンガスの放出源となっている。この間伐材は集積して液化燃料やガスに変換すれば自動車や工場や家庭用燃料として役立つ。このバイオマス燃料は太陽や風のエネルギーと比較しても格段に安価で再生可能なクリーン・エネルギーである。

したがって、上記のような森林であっても容易に且つ安価に間伐材等を搬出する手段が求められている。その手段の一つとしてヘリコプタを利用することが考えられるが、ヘリコプタは高価であり、搬送料が高くなって間伐材等の搬出には適していない。したがって水素ガス等の軽量ガスを用いる飛行船や、空気を加熱して浮力を得る熱気球の利用が考えられるが、熱気球は燃料を大量消費するため適していない。そのため飛行船を空中クレーンとして使用することが好ましい。

飛行船を空中クレーンとして利用する計画は以前にもあり、その一つとして、アメリカで試作されたヘリスタットは飛行船のガス嚢とヘリコプタを結合した構造であり、この機体は飛行船用に作られたガス嚢に４機のヘリコプタを結合してヘリウムの浮力で自重を負担し運搬物の重量をヘリコプタの揚力で受け持つ方式であった。そのため荷役運搬中は大きな騒音と振動が発生し、またヘリコプタのロータ径が大きいので気嚢から離れた片持ち構造となり、この支持構造の剛性不足で試験運転中に破損し開発が中止された。

また、近年、ドイツで１６０トンの荷物を一本吊りし、１０，０００ｋｍ以上、無着陸で輸送するカーゴリフタ号の開発が計画された。この機体は全長１５０ｍ、最大径７０ｍ、ガス嚢の排除体積は４０万ｍ^３で総浮力は約４００トンになる。ベルリン郊外に同機２機が入れる格納庫の建設が完了したものの以降の開発は資金問題等で進められていない。

なお飛行船にクレーンを搭載し貨物を搬送可能とした技術は特許文献１に記載されている。
特開２００４−２４９９５４号公報

前記のように大規模な飛行船型クレーンの開発が資金問題等で中絶した経験から、本件発明者等は小型・小規模、地上操縦と自動操縦による飛行船型クレーンの開発を目指して研究開発を進め、各種の試作を行っている。このような飛行船型クレーンは「新しい産業機械」ということができ、型式証明を得た航空機の様にどの空域でも自由に飛行出来る様にするよりは、始めは限られた空間で飛行させ運行コストを押さえることが考えられる。限られた空間とは、たとえば、通常、航空機の飛行しない空域で地上高度１５０ｍ以下程度であり、この高さ制限内で、空中クレーンの操縦者と少数の作業者しか居ない山林内や海や湖沼上空での飛行を想定している。

今後、小型の飛行船型クレーンが広く社会に受け入れられるようになった時の具体的用途としては、（１）山林・海上での輸送や運搬車両・作業船のための荷役。（２）産業廃棄物の不法投棄監視。（３）災害時の救難支援および通信と監視基地。（４）市街地での警備・監視、（５）湖沼・原野での監視・観測や採取作業、等の広範囲での利用が期待されるが、特に前記のような山岳地帯での樹木の集材に好適に利用することができる。

したがって本発明は、山岳地帯での樹木の集材を初めとする広範囲の分野で、安価で安全に、且つ簡単な操作で貨物の搬送を行うことができるようにした飛行船型空中クレーンを提供することを主たる目的とする。

本発明に係る飛行船型空中クレーンは、上記課題を解決するため、浮揚ガスを充填したガス嚢からなる機体と、機体の左右において各々前後に設けた推進機と、機体の左右両側に、前記ガス嚢の浮心と同一垂線上で、かつ浮心と水平位置が同位置に、前記機体の前後方向に回動する支点で支持された支持アームと、該支持アームを介して、吊り荷の支点が前記浮心と合致するよう、回動自在に設けた吊り下げ具とを備え、前記各推進機は、駆動軸から放射状に延びる駆動腕の端部に回動自在に支持した複数の回転翼と、前記複数の回転翼の傾斜を相互に関連して調節可能にする回転翼傾斜調節部材とを有し、前記回転翼傾斜調節部材により回転翼の傾斜を調節して推進方向を可変とし、機体の上昇・降下、ピッチ角及びヨー角の制御、並びに前後並進移動を行うことを特徴とする。

また本発明に係る他の飛行船型空中クレーンは、前記飛行船型空中クレーンにおいて、前記回転翼傾斜調節部材は、任意に移動可能に設けた１つのスリップリングと、該スリップリングを中心に回動する支持板と、各回転翼と前記支持板とを両端部で回動自在に各々連結する制御腕とからなり、前記スリップリングの移動により前記複数の回転翼の傾斜を相互に関連して調節可能にしたことを特徴とする。

また本発明に係る他の飛行船型空中クレーンは、前記飛行船型空中クレーンにおいて、前記回転翼の駆動腕による支持部分は、回転翼の空力中心と重心とを一致させた部分とし、回転翼の空力負荷と遠心力による慣性負荷力を駆動腕で受けるように構成したことを特徴とする。

また本発明に係る他の飛行船型空中クレーンは、前記飛行船型空中クレーンにおいて、前記回転翼の重心を、前記回転翼の駆動腕による支持部分と、前記回転翼傾斜調節部材の結合部との間に位置するように構成したことを特徴とする。

本発明は上記のように構成したので、山岳地帯での樹木の集材を初めとする広範囲の分野で、安価で安全に、且つ簡単な操作で貨物の搬送を行うことができるようにした飛行船型空中クレーンを提供することができる。

本発明は、山岳地帯での樹木の集材を初めとする広範囲の分野で、安価で安全に、且つ簡単な操作で貨物の搬送を行うことができるようにした飛行船型空中クレーンを提供するという課題を、浮揚ガスを充填した機体と、機体の左右において各々前後に設けた推進機と、機体の両側において機体の浮心と同一垂線上で浮心と水平位置が同位置になる各支点に回動自在に設けた吊り下げ具とを備え、前記各推進機は、駆動軸から放射状に延びる駆動腕の端部に回動自在に支持した複数の回転翼と、前記複数の回転翼の傾斜を相互に関連して調節可能にする回転翼傾斜調節部材とを有し、前記回転翼傾斜調節部材により回転翼の傾斜を調節して推進方向を可変とし、機体の任意の移動を行うことにより実現した。

本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１に示す例においては、充填するヘリウム等の浮揚ガスの浮力を利用するための回転楕円体、もしくは前後端部が円みをおびた円筒体のガス嚢を機体１としており、その前部左右の下側と後部左右の下側に各々１対づつ計４個の、後述するような水平軸回転翼式全方位推進機（サイクロイダル・プロペラという）２、３、４、５を取り付け、当該ガス嚢による機体１の浮心Ｐと同一垂線上で、浮心Ｐと水平位置がほぼ同位置に、機体１の前後方向に回動して振れることのできる支点で支持された支持アーム６を、機体の左側と右側に取り付け、両支持アーム６の下端にロッド７を固定し、ロッド７にはロープ等のクレーン用の吊り下げ具８を連結している。

この吊り下げ具８にはウィンチ９を備え、このウィンチ９により下端にフック１０を備えたロープ１１を巻き取ることができるようにしている。このような構造により、フック１０に地上の吊り荷を玉掛けし、地上または空中の一点から他の点へ、前記のようなサイクロイダル・プロペラを用いた推進機によって姿勢制御をしつつ、任意の地点に移動をさせることができる空中飛行船型クレーンとすることができる。なお、機体１において大きな力を受ける支持アーム６の取付部分には、適宜補強部材１３を設ける。

上記のような空中飛行船型クレーンの飛行制御に際しては、
低速で効きの悪い尾翼等の受動的な制御翼は使用することなく、図２〜４に示すようにすべて前記サイクロイダル・プロペラで行う。即ち、機体姿勢のピッチ角の制御は図２に示すように、前・後のサイクロイダル・プロペラ２、３ を互いに反対に上下方向に推力を出すことにより行う。また機体のヨー角制御は図３に示すように、左・右に配置したサイクロイダル・プロペラを反対方向に推力を出させて行う。なお、ロール角制御は吊り下げ荷物の重量が拘束となり、不必要なので行わない。また、前後並進移動はすべてのサイクロイダル・プロペラの推力を前または後に向けて行う。更に図４に示すように、水平姿勢のままでの上昇・降下は、すべてのサイクロイダル・プロペラの推力を上または下に向けて行う。また、機体１の各姿勢角の中間方向への推進は、サイクロイダル・プロペラの推力方向をその方向に向けることにより行うことができる。

上記のように、飛行船型空中クレーンの駆動方式を４輪とし、吊り荷の吊り支点を浮揚ガスの気嚢の浮心Ｐとほぼ合致させることにより、空中飛行船型クレーンの飛行運動機能の中で、飛行安全上最も重要な上昇運動にかかわる、飛行船型空中クレーンの機体姿勢のピッチ角を自由に制御する機能を保持できる。

飛行船型空中クレーンの機体本体は加圧膜構造としても、ほぼシェル構造に近く、その構造表面内方向でのみ、負荷力を機体変形が最小に保持できるので、クレーンの吊り荷の支点は浮揚ガス気嚢である機体１の表面の２点とし、荷重が面内で作用する様に設置することが好ましい。この２点を結ぶ仮想線は当該気嚢中に保持されたガスの浮心点の近くを通過させることによって、この仮想線を機体ピッチ角運動の中心軸にでき、機体の飛行運動に対して、浮力と吊り荷による拘束モーメントが最小となるようにすることができる。

この支点の配置はガス嚢表面の任意の箇所に置くことが出来るが、飛行船型空中クレーンの飛行運動機能で安全上、最重量な上昇性能を支える機体ピッチ角制御への、浮力と吊り荷の負荷モーメント力を最小になるように決定することが最も好ましい。上昇機能として、飛行船型空中クレーンの機体を水平にしたまま並進運動して上昇する方法もあるが、この水平姿勢でのまま機体の横方向への並進運動は機体の抗力がもっとも大きくなり、不利である。したがって、機体の前方から風を受けて進む姿勢で上昇した方が最小推進パワーで、即ち抗力が最小で、最も速やかに上昇が可能となり、地面近くでの大気擾乱に遭遇した時の上昇退避が容易となる。

上記のような飛行船型空中クレーンに用いるサイクロイダル・プロペラは、例えば図５に示すように回転する断面形状が対称形の２次元翼からなる回転翼２０を図示の例では４枚、その運動軌跡が回転円筒となる面Ｆ上に配置し、回転方向にこれら各回転翼２０の前縁を向け、すべての回転翼２０を等間隔で回転円筒面Ｆ上に配置する。回転翼２０は全て、その空力中心付点にピボットもしくは軸受の駆動支持部２１を介して結合した駆動腕２２を有し、この駆動腕２２によってその中心Ｏの駆動軸を、図示されていないモータ等で回転駆動する。

回転翼２０における駆動支持部２１から離れた点に、各回転翼２０の対称軸線Ｓ上に別のピボットとしての制御支持部２３を各々備え、この制御支持部２３のピボットに対して制御腕２６の一端部を回動自在に固定している。この制御腕２６の他端部は、図６に拡大して示すように、前記回転円筒面Ｆの回転中心Ｏとは別であって、且つこれらの回転機構と干渉しない位置に配置された１個のスリップリング２４に対して回動自在に支持されている支持板２７に、それぞれ回動支点２５において連結している。図示実施例における回動支点２５は、スリップリング２４の中心Ｑに対して放射状に配置しており、スリップリング２４は図示されない別途の機構によって上下左右に任意に移動できるようにしている。

それにより、例えば図７（ａ）に示すように回転翼２０の回転中心Ｏとスリップリング２４中心Ｑが一致しているときには中立状態であって、推力は働かない。それに対して同図（ｂ）のように、この場合はスリップリング２４を上下に動かすと、回転翼２０は駆動腕２２によって回転しつつも、制御腕２６の結合点の移動方向線上に対角に位置する２枚の回転翼２０のピッチ角を同方向に偏角させることにより、この１対の回転翼２０で同方向に推力を発生させることができる。このような力の発生状態を図５に示している。なお、このようなサイクロイダル・プロペラに類似する推進機構は、かって水上船舶分野で実用化されたことはあるが、未だ航空用に実用化されたことは無く、航空用に適用するためには複雑な制御機構の軽量化が必要となり、本発明者等による研究開発によって上記のような手法を開発し、実用化にめどをつけることができた。

上記、サイクロイダル・プロペラにおいては、各回転翼２０の全ての制御腕２６の回転中心側の結合点を支持する支持板２７を備えているスリップリング２４は、回転翼２０の回転にかかわらずに、機体上で、上下・左右に偏心させて、各回転翼２０の迎角制御を行うので、スリップリング２４を介して、回転翼の回転を逃げ、上下・左右の制御操作機構側への回転翼２０の回転運動を免れることができる。

回転翼２０の回転中に隣同士の制御腕２６のなす角度は変化するので、本来はこのスリップリング２４は全ての制御腕に各々必要となるが、本発明においては図６の例に示すように、中心Ｏの回転駆動軸を逃げるように、この駆動軸と干渉することを避けるため、駆動軸を内包するように設置したスリップリングを用いる。この図６に示すように、１個のスリップリング２４と同軸にならないように、当該スリップリング２４にこの回転軸と直角に取り付けられた平板状の支持板２７上に、制御腕の揺動を免れるピボットもしくは軸受を回転翼の数と同じだけ取り付ける。それにより、１個の当該スリップリング２４と結合した当該支持板２７とともに、各々独立したスリップリングの機能に代用する機構を持つサイクロイダル・プロペラの回転翼の制御機構を実現することができる。

このような構成を採用することにより、駆動軸と干渉しないようにするために、上下・左右の偏心距離分だけの内径を必要とし、過大な形状となるスリップリング２４を１個ににすることができ、他の複数個のスリップリングをすべて小型化できるため、軽量化に資することができる。また、回転駆動軸を大径のパイプ状にして、制御腕結合点をその中に位置し、干渉を排除する構造にしても同様の効果を奏することができる。

サイクロイダル・プロペラの回転翼制御の機構において、各回転翼２０の空力中心に回転翼２０の重心をほぼ一致させて、その点に軸受けもしくはピボットを置き、その点を駆動腕２２で駆動すれることにより、各回転翼２０の空力負荷と遠心力による慣性負荷力の両方を駆動腕２２で大部分保持することができるため、制御腕２６を動作させるのに小さいパワーで行うことができるようになる。

しかし、回転翼の回転速度が高くなり、推進機全体の前進速度が大きくなると、回転翼の偏角制御で大迎角が必要となり、図８に示すように、回転翼の外周の空気の流れで、回転翼の後縁が求心方向に押し戻されることになり、制御腕が圧縮力に耐える必要ができ、制御腕２６の重量が増大する。これを押さえるため、図８に示すように回転翼内の駆動腕の軸受から回転翼後縁方向の適度な位置に回転翼重心を置くようにし、遠心力を適度に制御腕に作用させて、対気力により回転翼後縁が求心方向に押し戻されるのを防ぐか、もしくは軽減することより、制御腕２６への圧縮力の負荷を防止するか軽減し、制御腕２６の重量の軽減化を行うことができる。

前記のようなサイクロイダル・プロペラの動作の計算結果をグラフとともに示す。翼型はNACA-0012とし、前記図５の単独翼の迎角αと回転角度θの関係は図９に示すようになり、迎角αと揚力係数Ｃｌと抗力係数Ｃｄの関係は図１０に示すようになる。単独翼の周速度を２５m/sとした時の揚力と抗力を計算した結果を図１１に示す。推進機１基の推進翼が７枚の場合の揚力を翼毎に計算し、図中合計として示している合成値と共に図１２に示す。単独翼の抗力は、翼の変動成分(２３〜３５Ｎ)と支持椀の一定成分(１６Ｎ)からなり、７枚翼の合成抗力の最大値は約３６０Ｎとなった。また、回転数を変えた場合の揚力対動力特性を図１３に示す。

上記のような本発明による飛行船型空中クレーンは、（１）山林・海上での輸送や運搬車両・作業船のための荷役。（２）産業廃棄物の不法投棄監視。（３）災害時の救難支援および通信と監視基地。（４）市街地での警備・監視、（５）湖沼・原野での監視・観測や採取作業、等の広範囲での利用が期待される。

本発明による飛行船型空中クレーンの実施例の概要図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）背面図である。 同実施例における機体のピッチ角制御時の作動図である。 同実施例における機体のヨー角制御時の作動図である。 同実施例における機体の上下動制御時の作動図である。 本発明で用いるサイクロイダル・プロペラの作動説明図である。 同サイクロイダル・プロペラの中心部分の拡大図である。 同サイクロイダル・プロペラの各種作動態様を示す図である。 同サイクロイダル・プロペラの支持構造の説明図である。 同サイクロイダル・プロペラにおける翼の迎角αと回転角度θの関係を示すグラフである。 同サイクロイダル・プロペラにおける翼の迎角αと揚力係数Ｃｌと抗力係数Ｃｄの関係を示すグラフである。 同サイクロイダル・プロペラにおいて、単独翼の周速度を２５m/sとした時の揚力と抗力を計算した結果を示すグラフである。 同サイクロイダル・プロペラにおいて、推進機１基の推進翼が７枚の場合の揚力を翼毎に計算し合成値と共にに示すグラフである。 回転数を変えた場合の揚力対動力特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 機体
２、３、４、５ サイクロイダル・プロペラ
６ 支持アーム
７ ロッド
８ 吊り下げ具
９ ウインチ
１０ フック
１１ ロープ
１２ 吊り荷
１３ 補強部材

Claims (4)

1. 浮揚ガスを充填したガス嚢からなる機体と、
   機体の左右において各々前後に設けた推進機と、
   機体の左右両側に、前記ガス嚢の浮心と同一垂線上で、かつ浮心と水平位置が同位置に、前記機体の前後方向に回動する支点で支持された支持アームと、
   該支持アームを介して、吊り荷の支点が前記浮心と合致するよう、回動自在に設けた吊り下げ具とを備え、
   前記各推進機は、駆動軸から放射状に延びる駆動腕の端部に回動自在に支持した複数の回転翼と、前記複数の回転翼の傾斜を相互に関連して調節可能にする回転翼傾斜調節部材とを有し、前記回転翼傾斜調節部材により回転翼の傾斜を調節して推進方向を可変とし、機体の上昇・降下、ピッチ角及びヨー角の制御、並びに前後並進移動を行うことを特徴とする飛行船型空中クレーン。
2. 前記回転翼傾斜調節部材は、任意に移動可能に設けた１つのスリップリングと、該スリップリングを中心に回動する支持板と、各回転翼と前記支持板とを両端部で回動自在に各々連結する制御腕とからなり、前記スリップリングの移動により前記複数の回転翼の傾斜を相互に関連して調節可能にしたことを特徴とする請求項１記載の飛行船型空中クレーン。
3. 前記回転翼の駆動腕による支持部分は、回転翼の空力中心と重心とを一致させた部分とし、回転翼の空力負荷と遠心力による慣性負荷力を駆動腕で受けるように構成したことを特徴とする請求項１記載の飛行船型空中クレーン。
4. 前記回転翼の重心を、前記回転翼の駆動腕による支持部分と、前記回転翼傾斜調節部材の結合部との間に位置するように構成したことを特徴とする請求項１記載の飛行船型空中クレーン。
   

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