JP5150001B1 - 垂直離着陸機 - Google Patents

Abstract

【課題】ローターの回転面を主翼の下方に向けて垂直に離着陸し、ローターの回転面を主翼の後方に向けて前進する垂直離着陸機において、軽量且つ簡単な構造でローターシャフトの長さの短縮化を図れる垂直離着陸機を提供する。
【解決手段】主翼３の翼弦中央Ｃよりも後縁側のエリアＢＡに機体の重心位置Ｇを設定し、重心位置Ｇから下方にローターシャフト２を延出し、ローターシャフト２を先端２ａが主翼３の下方に向く垂直姿勢と先端２ａが主翼３の後方に向く水平姿勢との間で回動させる。主翼３の後縁側エリアＢＡに設定された重心位置Ｇから下方にローターシャフト２が延出されているので、ローターシャフト２を後方に回動させて水平姿勢としたとき、ローター７の回転面を主翼３の後縁よりも後方とするために必要なローターシャフト２の長さを短くできる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ローターの回転面を下方に向けることで垂直に離着陸し、ローターの回転面を後方に向けることで前進する垂直離着陸機に関する。

垂直離着陸機として、主翼に、駆動源により回転駆動されるローターシャフトを、先端が主翼の下方を向く垂直姿勢と先端が主翼の後方を向く水平姿勢との間で回動可能に設け、ローターシャフトの先端にローターを取り付けたものが知られている（特許文献１の請求項１参照）。この垂直離着陸機は、ローターシャフトを先端が主翼の下方を向く垂直姿勢としてローターの回転面を主翼の下方に向けて垂直に離着陸し、ローターシャフトを先端が主翼の後方を向く水平姿勢としてローターの回転面を主翼の後方に向けて前進するようにしている。

垂直に離着陸する際にはローターシャフトが垂直姿勢とされるが、かかるローターシャフトは機体の重心位置に配置されることが望まれる。ローターシャフトが機体の重心位置から前方又は後方にずれていると、ローターによる揚力作用位置（ローターシャフト位置）と機体重量作用位置（重心位置）とのずれによって、垂直上昇下降時に、機体にピッチングモーメントが発生してしまうからである。例えば、ローターシャフトが機体の重心位置よりも前方にずれていると垂直上昇時にローターの揚力により機体が後転してしまい、ローターシャフトが機体の重心位置よりも後方にずれていると垂直上昇時にローターの揚力により機体が前転してしまう。

機体の重心位置は、通常、主翼の前縁から翼弦の２５％〜３０％程度後方の位置に設定されている。このため、重心位置にローターシャフトを垂直姿勢として配置すると、そのローターシャフトを機体の重心位置を中心として後方に回動させて、ローターの回転面を主翼の後縁よりも後方とするためには、ローターシャフトの長さ（機体の重心位置からローターシャフト先端のローター取付部までの長さ）を機体の重心位置から主翼の後縁までの距離（翼弦の７０％〜７５％程度）よりも長くしなければならない。かかるローターシャフトを垂直姿勢としてローターを主翼の下方に向けると、主翼の下面とローターの回転面との距離が長くなり、垂直上昇時（下降時）に機体の重心高が高くなって安定性が低下してしまう。

そこで、本発明者は、ローターの動力伝達機構を折り畳み式とすることで、ローターシャフトの短縮化を図り、垂直離着陸時にローターシャフトが垂直姿勢とされた際、主翼の下面とローターの回転面との距離を短くするようにした垂直離着陸機を提案した（特許文献１の請求項２参照）。この垂直離着陸機は、ローターシャフトを支持するケースを主翼に前後移動自在且つ回動自在に設け、垂直離着陸時には、ローターシャフトが垂直姿勢で支持されたケースを前方に移動させてローターシャフトを垂直姿勢で機体の重心位置に配置し、その状態からケースを後方に移動させて後方に回動させることでローターシャフトを水平姿勢としてローターの回転面を主翼の後縁よりも後方としている。

この構成によれば、ローターシャフトを単に機体の重心位置を中心として後方に回動させるものと比べ、ローターシャフトの長さを短縮化でき、ローターシャフトを垂直姿勢としてローターの回転面を主翼の下方に向けたとき、主翼の下面とローターの回転面との距離を短くできる。

特開平９−２３９５号公報

しかし乍ら、このようにローターシャフトを支持するケースを前後に移動させて回動させる場合、ケースをそのように移動・回動させつつ、ケースに支持されたローターシャフトを駆動源により回転駆動しなければならない。このため、構造の複雑化を招き、重量が増加し、実用化が極めて困難であった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、ローターの回転面を主翼の下方に向けて垂直に離着陸し、ローターの回転面を主翼の後方に向けて前進する垂直離着陸機において、軽量且つ簡単な構造でローターシャフトの長さの短縮化を図ることができる垂直離着陸機を提供することにある。

上述の目的を達成すべく創案された本発明に係る垂直離着陸機は、機体を側方から見て、主翼の翼弦中央よりも後縁側のエリアに機体の重心位置を設定し、主翼から前記重心位置の下方に向けて延出され、先端にローターが取り付けられ、ローターに揚力を発生させるべく回転駆動されるローターシャフトと、ローターシャフトを、前記重心位置を中心として、先端が主翼の下方に向く第１姿勢と先端が主翼の後方に向く第２姿勢との間で回動させる回動手段とを備え、前記重心位置は、機体に唯一存在する前後方向の重心を通って機体の側方に延出されたライン上に位置し、そのラインとローターシャフトを延長したラインとが交差した位置であり、ローターシャフトが位置する主翼の翼弦において、翼弦中央よりも後縁側のエリアに設定され、ローターシャフトは、前記重心位置からローターシャフトの先端のローター取付部までの長さが、前記重心位置から主翼の後縁までの長さに応じて設定され、回動手段は、ローターシャフトを主翼に前記重心位置を中心として第１姿勢と第２姿勢との間で回動自在に支持する回動支持機構と、回動支持機構によって主翼に回動自在に支持されたローターシャフトの回動角度が変更されるように、ローターのサイクリックピッチを変更するピッチ変更機構と、ピッチ変更機構によるローターのサイクリックピッチの変更によって回動されたローターシャフトの回動角度を固定するロック機構とを備え、主翼は、前記重心位置よりも後縁側に空力中心が位置するように、前縁と翼弦中央との間のキャンバーよりも翼弦中央と後縁との間のキャンバーが大きい翼型である、ことを特徴とする垂直離着陸機である。

本発明に係る垂直離着陸機においては、ピッチ変更機構は、ローターシャフトが第１姿勢のときローターの前半分側の揚力よりも後半分側の揚力を高めるようにローターのサイクリックピッチを変更する機能を有し、ローターシャフトが第２姿勢のときローターの上半分側の揚力よりも下半分側の揚力を高めるようにローターのサイクリックピッチを変更する機能を有していてもよい。

本発明に係る垂直離着陸機においては、ローターシャフトが、左右の主翼に夫々配設され、回動支持機構が、左右の主翼の内部に夫々収容され主翼の付け根部から翼端に向けて延出されその軸回りに回動自在なパイプと、パイプの先端に取り付けられローターシャフトを支持するシャフト軸支部とを有し、パイプの回動に伴ってローターシャフトを第１姿勢と前記第２姿勢との間で回動させるものであり、左右のパイプの間に、双方のパイプの回動角度を機械的に同調させる連動機構を設けてもよい。

本発明に係る垂直離着陸機においては、連動機構は、左右のパイプの主翼の付け根部側の端部に夫々取り付けられた第１ブラケットと、主翼のスパン方向と平行に配置され軸受で支持された連動シャフトと、連動シャフトに間隔を隔てて取り付けられた第２ブラケットと、第２ブランケットと第１ブラケットとをリンク機構を成すように連結する連結アームとを有していてもよい。

本発明に係る垂直離着陸機においては、ロック機構は、連動シャフトの回動を固定するものであってもよい。

本発明に係る垂直離着陸機においては、左右の主翼に配設されたローターシャフトを駆動するための駆動源と、左右の主翼の内部に収容されたパイプ同士の間に配置されたギヤボックスと、ギヤボックスと駆動源との間に設けられた第１駆動シャフトと、ギヤボックスと左右のローターシャフトとの間に設けられた第２駆動シャフトとを備え、第２駆動シャフトが、パイプの内部に挿通されていてもよい。

本発明に係る垂直離着陸機においては、主翼の翼弦中央よりも後縁側のエリアに機体の重心位置を設定し、その重心位置から下方にローターシャフトを延出し、そのローターシャフトを回動手段によって先端が主翼の下方に向く第１姿勢と先端が主翼の後方に向く第２姿勢との間で回動させるようにしている。

主翼の翼弦中央よりも後縁側のエリアに設定された機体の重心位置から下方にローターシャフトが延出されているので、ローターシャフトを後方に回動させて第２姿勢としたとき、ローターの回転面を主翼の後縁よりも後方とするために必要なローターシャフトの長さを、機体の重心位置が主翼の前縁側のエリア（前縁から翼弦の２５％〜３０％程度後方）に設定されている通常の場合よりも、短くできる。

かかる効果は、機体の重心位置を主翼の翼弦中央よりも後縁側のエリアに設定し、その重心位置から下方にローターシャフトを延出することで達成しているので、ローターの動力伝達機構を折り畳み式とした従来例と比べると、軽量且つ簡単な構造でローターシャフトの長さの短縮化を図ることができる。

また、ローターシャフトを短くできることから、ローターシャフトを先端が下方に向く第１姿勢としてローターを主翼の下方に向けた際、ローターの回転面と地面との距離を確保でき、機体の重心高を低くすることが可能となる。よって、垂直上昇時（下降時）の安定性が向上する。

垂直離着陸機を斜め後方から見た斜視図である。 上記垂直離着陸機を左翼端方向から見た主翼、ローターシャフト及びローターの側面図であり、（ａ）はローターシャフトを先端が下方に向く第１姿勢とした側面図、（ｂ）はローターシャフトを先端が後方に向く第２姿勢とした側面図である。 上記垂直離着陸機（本発明の実施形態ではない参考形態）の側面図である。 上記垂直離着陸機の背面図（ローターシャフトが第１姿勢であり、水平尾翼、垂直尾翼を省略）である。 上記垂直離着陸機の部分平断面図（ローターシャフトが第２姿勢）である。 （ａ）は図５の部分拡大図、（ｂ）は（ａ）の部分側断面図である。 上記垂直離着陸機のローターシャフトを先端が下方を向く第１姿勢から先端が後方を向く第２姿勢に回動させるときの説明図であり、（ａ）はローターシャフトが第１姿勢の説明図、（ｂ）〜（ｄ）はローターシャフトを第１姿勢から第２姿勢に回動させる過程を示す説明図、（ｅ）はローターシャフトが第２姿勢の説明図である。 上記垂直離着陸機のローターシャフトを先端が後方を向く第２姿勢から先端が下方を向く第１姿勢に回動させるときの説明図であり、（ａ）はローターシャフトが第２姿勢の説明図、（ｂ）〜（ｄ）はローターシャフトを第２姿勢から第１姿勢に回動させる過程を示す説明図、（ｅ）はローターシャフトが第１姿勢の説明図である。 本発明の一実施形態に係る垂直離着陸機の側面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（垂直離着陸機１の概要）
図１、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、この垂直離着陸機１は、主翼３の翼弦中央よりも後縁側のエリアに機体の重心位置を設定し、主翼３から重心位置の下方に向けてローターシャフト２を延出し、ローターシャフト２を前記重心位置を中心として先端２ａが主翼３の下方に向く第１姿勢（以下垂直姿勢）と先端２ａが主翼３の後方に向く第２姿勢（以下水平姿勢）との間で回動するようにしたものである。なお、垂直姿勢には、完全に垂直ではなく多少（例えば５度以下の範囲）傾いた略垂直姿勢も含まれ、水平姿勢には、完全に水平ではなく同じく多少傾いた略水平姿勢も含まれる。

垂直離着陸機１は、胴体４と、胴体４に取り付けられた主翼３と、主翼３よりも後方の胴体４の後部に取り付けられた水平尾翼５と、同じく胴体４の後部に取り付けられた垂直尾翼６とを備えている。左右の主翼３には、上述したローターシャフト２が１個ずつ設けられ、各ローターシャフト２の先端２ａには、ローター７が夫々取り付けられている。左右のローターシャフト２は、後述する回動手段によって、前記重心位置を中心として、垂直姿勢と水平姿勢との間で回動されるようになっている。

胴体４の内部には、左右のローターシャフト２を回転させるための駆動源（エンジン、モーター等）８が設けられ、胴体４及び主翼３の内部には、駆動源８の回転力を各ローターシャフト２に伝達し、左右のローターシャフト２を相互に逆回転する動力伝達機構９が設けられている。動力伝達機構９は、主翼３の付け根部（胴体４への取付部）の内部に収容されたギヤボックス１０と、駆動源８とギヤボックス１０との間に設けられた第１駆動シャフト１１と、ギヤボックス１０と左右のローターシャフト２との間に夫々設けられた第２駆動シャフト１２とを有する。

（機体の重心位置Ｇ）
図３に垂直離着陸機１の側面図を示す。機体の重量が矢印Ｘのように作用する機体の重心位置Ｇは、主翼３の翼弦中央Ｃよりも後縁側のエリアＢＡ（以下後縁側エリア）に設定されている。通常、機体の重心位置Ｇは、主翼３の翼弦中央Ｃよりも前縁側のエリアＦＡ（以下前縁側エリア）に設定されているが、本発明に係る垂直離着陸機１では後縁側エリアＢＡに設定されている。機体の重心位置Ｇを主翼３の後縁側エリアＢＡに設定するため、図１に示すように駆動源８の設置位置が通常よりも後退されていて主翼３の近傍となっている。

図３に示すように、この参考形態（本発明の実施形態ではない）においては、機体の重心位置Ｇは、主翼３の揚力が矢印Ｙのように作用する空力中心ＡＣ（Aerodynamic Center）よりも後方に設定されている。このため、水平尾翼５が通常とは逆に水平飛行時に矢印Ｚに示す上向きに揚力を発生させる翼形状、取付角度となっており、空力中心ＡＣに作用する主翼３の上向きの揚力（矢印Ｙ）と、重心位置Ｇに作用する下向きの機体重量（矢印Ｘ）と、水平尾翼５に発生する上向きの揚力（矢印Ｚ）とによって、バランス（ピッチング方向のバランス）が保てるようになっている。また、水平尾翼５の面積は、安定性を高めるため、機体の重心位置Ｇが主翼３の前縁側エリアＦＡに設定された通常の機体よりも広く設定されている。

（ローターシャフト２）
図３に示すように、左右のローターシャフト２は、夫々、左右の主翼３から機体の重心位置Ｇの下方に向けて延出されており、重心位置Ｇを中心として、先端２ａが主翼３の下方に向く垂直姿勢と先端２ａが主翼３の後方に向く水平姿勢との間で、回動するようになっている。左右のローターシャフト２の先端には、ローター７（以下ローターブレードとも言う）が夫々取り付けられている。ローターブレード７は、通常のヘリコプターと同様に、サイクリックピッチ、コレクティブピッチが変更できるようになっている。

図４に左右のローターシャフト２が垂直姿勢となった垂直離着陸機１の背面図を示す。なお、水平尾翼５及び垂直尾翼６は省略している。主翼３には、上反角θ（例えば３度程度）が設定されており、左右のローターシャフト２は、左右の主翼３に夫々直交するように取り付けられている。これにより、左右のローター７によって発生した風（推力）の方向（矢印Ｗ）が、僅かに主翼３の翼幅（スパン）方向外側に向くことになり、左右のローター７の推力の合力が機体の中心線ＣＬ上に作用する。よって、ローターシャフト２が地面に対して垂直となっている場合よりも、垂直上昇時（下降時）に機体の安定性が向上する。

（回動手段１３）
図５に左右のローターシャフト２が水平姿勢となった垂直離着陸機１の部分平断面図を、図６（ａ）に図５の部分拡大図を、図６（ｂ）に図６（ａ）の部分側断面図を夫々示す。図中、Ｆは前方、Ｒは後方を表す。左右のローターシャフト２は、回動手段１３によって、垂直姿勢と水平姿勢との間で回動される。回動手段１３は、左右のローターシャフト２を主翼３に重心位置Ｇを中心として垂直姿勢と水平姿勢との間で回動自在に支持する回動支持機構１４と、左右のローターブレード７のサイクリックピッチを変更するピッチ変更機構１５と、左右のローターシャフト２の回動角度を固定するロック機構１６とを備えている。

（回動支持機構１４）
図５に示すように、回動支持機構１４は、左右の主翼３の内部に夫々回動自在に収容されたパイプ１７と、パイプ１７の先端に取り付けられたシャフト軸支部１８とを有し、シャフト軸支部１８にローターシャフト２が回転自在に支持されている。パイプ１７は、主翼３の付け根部（胴体４への取付部）から主翼３の翼端に向けて主翼３の切欠部１９まで延出されており、主翼３及び胴体４に設けた軸受２０、２１によって、軸回りに回動自在に支持されている。切欠部１９は、主翼３のスパン方向の中程に、主翼３の後縁側を切り欠くように形成され、この切欠部１９の内方に、パイプ１７の先端に取り付けられたシャフト軸支部１８が回動可能に配置されている。かかる構成により、パイプ１７の回動に伴って、シャフト支持部１８が切欠部１９の内方にて回動し、シャフト支持部１８に支持されたローターシャフト２が垂直姿勢と水平姿勢との間で回動する。左右のローターシャフト２の回動角度は、連動機構２２によって同調されるようになっている。

（連動機構２２）
図５、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、左右の主翼３の内部に夫々収容された左右のパイプ１７の回動角度は、連動機構２２によって同調が取られ、同角度とされるようになっている。連動機構２２は、左右のパイプ１７の主翼３の付け根部側の端部に取り付けられた第１ブラケット２３と、主翼３の付け根部の内部にスパン方向に沿って配置され軸受２４で支持された連動シャフト２５と、連動シャフト２５のスパン方向の左右に夫々取り付けられた第２ブラケット２６と、第２ブラケット２６と第１ブラケット２３とを連結する連結アーム２７とを有する。第１ブラケット２３、連結アーム２７、第２ブラケット２６はリンク機構を構成する。この構成によれば、左右の何れか一方のパイプ１７の回動角度の変動が、一方の第１ブラケット２３、連結アーム２７、第２ブラケット２６、連動シャフト２５、他方の第２ブラケット２６、連結アーム２７、第１ブラケット２３を介して他方のパイプ１７に伝わるため、左右のパイプ１７の回動角度が同調される。この結果、左右のローターシャフト２の回動角度が同調される。

（ピッチ変更機構１５）
図５に示すように、左右のローターシャフト２には、ローター（ローターブレード）７のサイクリックピッチを変更するピッチ変更機構１５が設けられている。ピッチ変更機構１５は、通常のヘリコプター（ラジコンを含む）と同様の構成となっており、ローターブレード７のサイクリックピッチ、コレクティブピッチを変更するようになっている。ピッチ変更機構１５は、ローターシャフト２に挿通されたスワッシュプレート２８を備えており、スワッシュプレート２８をローターシャフト２に対して傾けることでローターブレード７のサイクリックピッチを変更し、スワッシュプレート２８をローターシャフト２に沿って移動させること等でローターブレード７のコレクティブピッチを変更する。スワッシュプレート２８の傾斜、移動は、シャフト軸支部１８に取り付けられたローターコントローラー２９により、リンク３０を介してなされる。ローターコントローラー２９及びリンク３０は、ローターシャフト２の回転から切り離されている。リンク３０は、ローターコントローラー２９内に設けられたサーボモーター等によって作動される。

ピッチ変更機構１５は、ローターブレード７のサイクリックピッチを、回動支持機構１４によって主翼３に重心位置Ｇを中心として回動自在に支持されたローターシャフト２の回動角度が、水平姿勢と垂直姿勢との間で変更されるように、制御する機能を有する。具体的には、ピッチ変更機構１５は、図７（ａ）に示すようにローターシャフト２が垂直姿勢のとき、図７（ｂ）に示すようにローター７の前半分側７ｆの揚力Ｆ１よりも後半分側７ｒの揚力Ｆ２を高めるようにローター７のサイクリックピッチを変更する機能を有する。このようにローター７の揚力がアンバランスとなることで、図７（ｃ）に示すようにローター７の回転面が前方に傾いてローターシャフト２が上方に回動し、図７（ｄ）に示すようにローターシャフト２が水平姿勢となる。ローターシャフト２が水平姿勢となったなら、ピッチ変更機構１５は、ローター７のサイクリックピッチを一定とし、図７（ｅ）に示すようにローター７の揚力のアンバランスを解消する。かかるサイクリックピッチの制御は、ローターシャフト２を垂直姿勢から水平姿勢に変更する場合、即ち、機体を垂直上昇下降させている状態から前進状態に切り替える場合に場合に適用される。一方、機体をローター７の推力で前進飛行させる場合には、図７（ｅ）に示すように、ローターシャフト２が水平姿勢に保持された状態で、ピッチ変更機構１５は、ローター７のサイクリックピッチを一定とし、コレクティブピッチを制御する。コレクティブピッチを大きくすることで前進飛行時の機体の速度が増し、コレクティブピッチを小さくすることで速度が減ずる。

ピッチ変更機構１５は、図８（ａ）に示すようにローターシャフト２が水平姿勢のとき、図８（ｂ）に示すようにローター７の上半分側７ｕの揚力Ｆ３よりも下半分側７ｄの揚力Ｆ４を高めるようにローター７のサイクリックピッチを変更する機能を有する。このようにローター７の揚力がアンバランスとなることで、図８（ｃ）に示すようにローター７の回転面が後方に倒れるように傾いてローターシャフト２が下方に回動し、図８（ｄ）に示すようにローターシャフト２が垂直姿勢となる。ローターシャフト２が垂直姿勢となったなら、ピッチ変更機構１５は、ローター７のサイクリックピッチを一定とし、図８（ｅ）に示すようにローター７の揚力のアンバランスを解消する。かかるサイクリックピッチの制御は、ローターシャフト２を水平姿勢から垂直姿勢に変更する場合、即ち、機体を前進させている状態から垂直上昇下降状態に切り替える場合に場合に適用される。一方、機体を垂直に上昇或いは下降させる場合には、図８（ｅ）に示すように、ローターシャフト２が垂直姿勢に保持された状態で、ピッチ変更機構１５は、ローター７のサイクリックピッチを一定とし、コレクティブピッチを制御する。コレクティブピッチを大きくすることで機体が垂直に上昇し、コレクティブピッチを小さくすることで機体が下降する。

（ロック機構１６）
図５、図６（ａ）に示すように、連動シャフト２５の中程には、連動シャフト２５の回動をロック（固定）することで、左右の主翼３に夫々収容された左右のパイプ１７の回動角度を固定し、左右のローターシャフト２の回動角度を固定するロック機構１６が設けられている。ロック機構１６は、連動シャフト２５に固定されたドラムの内周面にシューを押し付ける所謂ドラムブレーキ構造、又は連動シャフト２５に固定されたディスクをパッドで挟持するディスクブレーキ構造等となっており、連動シャフト２５の回動を固定することで、上述したピッチ変更機構１５によるローター７のサイクリックピッチの変更によって回動された左右のローターシャフト２の回動角度を固定する。

ロック機構１６によって固定されるローターシャフト２の回動角度は、図７（ａ）に示す垂直姿勢の角度（９０度）、図７（ｅ）に示す水平姿勢の角度（０度）に限られない。ロック機構１６は、ロータシャフト２が図７（ａ）から図７（ｅ）に回動する途中、又は図８（ａ）から図８（ｅ）に回動する途中で、連動シャフト２５の回動を固定することで、左右のロータシャフト２を０度から９０度の範囲の任意の角度で同調を取って固定できる。

（動力伝達機構９）
図１に示すように、動力伝達機構９は、胴体４に収容された駆動源８の回転力を第１駆動シャフト１１を介して主翼３の付け根部の内部に収容されたギヤボックス１０に伝達し、ギヤボックス１０から左右の第２駆動シャフト１２を介して左右のローターシャフト２に伝達し、左右のローターシャフト２を相互に逆回転させるものである。

図５、図６（ａ）に示すように、ギヤボックス１０は、左右の第２駆動シャフト１２を同方向に回転させる。左右の第２駆動シャフト１２は、ギヤボックス１０から夫々左右の主翼３のスパン方向の外方に向けて延出され、連動機構２２の第１ブラケット２３に形成された孔３１を挿通し、回動支持機構１４のパイプ１７の内部を挿通し、パイプ１７の先端に取り付けられたシャフト軸支部１８まで延出されている。かかる第２駆動シャフト１２は、パイプ１７の内周面に軸受３２を介して回転自在に支持されており、パイプ１７の回動とは無関係に、即ち、パイプ１７の回動角度に応じて変動するローターシャフト２の回動角度とは無関係に、駆動源８及びギヤボックス１０によって回転されるようになっている。

図５に示すように、左右の第２駆動シャフト１２の先端には、傘歯車３３が夫々取り付けられている。この傘歯車３３は、シャフト軸支部１８に回転自在に支持されたローターシャフト２の端部に取り付けられた傘歯車３４に、噛合されている。かかる動力伝達機構９によれば、図１に示す駆動源８の回転力が第１駆動シャフト１１を介して図５に示すギヤボックス１０に伝達され、左右の第２駆動シャフト１２が同方向に回転され、傘歯車３３、３４を介して左右のローターシャフト２が相互に逆方向に回転駆動される。また、左右の第２駆動シャフト１２が左右のパイプ１７の回動とは無関係に回転されるので、左右のローターシャフト２は、左右のパイプ１７の回動状況によって変動する左右のローターシャフト２の回動角度に拘わらず、相互に逆方向に同期して同じ回転数（ｒｐｍ）で回転駆動される。

図５において、ローターシャフト２の延長線と第２駆動シャフト１２の延長線との交点が、機体の重心位置Ｇとなっており、パイプ１７が回動することでローターシャフト２が図３に仮想線で示すように機体の重心位置Ｇを中心として下方に回動するようになっている。ここで図５に示す重心位置Ｇは、図３に示す機体に唯一存在する前後方向の重心を通って機体の側方に延出されたライン上に位置し、そのラインとローターシャフト２を延長したラインとが交差した位置である。また、重心位置Ｇからローターシャフト２の先端のローター取付部までの長さＬ１が、重心位置Ｇから主翼３の後縁までの長さＬ２に応じて設定されており、ローター７が主翼３の後縁と干渉しないようになっている。

（垂直離着陸）
上述した垂直離着陸機１は、垂直に離陸する際、図７（ａ）に示すように、左右のローターシャフト２を垂直姿勢とした状態で上述のロック機構１６（図５参照）によりローター７の回動角度を固定する。そして、ピッチ変更機構１５により、ローター７のサイクリックピッチを一定とし、コレクティブピッチを大きくすることで、揚力を増大させて離陸する。その後、図７（ｂ）に示すように、ピッチ変更機構１５（図５参照）によりローター７の前半分側７ｆの揚力Ｆ１よりも後半分側７ｒの揚力Ｆ２が大きくなるようにローター７のサイクリックピッチを制御することで、図７（ｃ）に示すようにローター７の回転面を前進方向に傾け、ロック機構１６によりローターシャフト２の回動角度を斜めの状態で固定し、機体を前進させる。なお、ローターシャフト２の回動角度を斜めの状態で固定した後、ローター７のサイクリックピッチを一定として、ローター７の揚力アンバランスを解消してもよい。

機体の速度が増し、主翼３に十分な揚力が発生する所定速度となったなら、ロック機構１６により斜めの状態で固定されていたローターシャフト２の回動角度をフリーとすると共に、ローター５のサイクリックピッチを上述したように制御することで、図７（ｄ）に示すように、ローター７の回転面を主翼３の後方に向け、ローターシャフト２を水平姿勢とする。ローターシャフト２が水平姿勢となったなら、ロック機構１６によりローターシャフト２の回動角度を固定し、前進飛行に移行する。前進飛行時には、図７（ｅ）に示すように、ピッチ変更機構１５により、ローター７のサイクリックピッチを一定とすることでローターの揚力アンバランスを解消し、コレクティブピッチを制御することで機体の速度を変更することができる。前進飛行から垂直に着陸する際には、上述とは逆の手順となる（図８（ａ）〜図８（ｅ）参照）。

また、図７（ａ）に示すように、左右のローターシャフト２を垂直姿勢として垂直に離陸した後、ピッチ変更機構１５により、サイクリックピッチを機体の重量と釣り合わせるように一定とすることで空中でホバリングでき、その状態でサイクリックピッチを制御することで機体を前後左右に自在に移動させることができる。また、図７（ｃ）に示すローターシャフト２の傾斜角度を制御することで、低速から高速まで安定して巡航できる。

（作用・効果）
図３に示すように、本実施形態に係る垂直離着陸機１は、主翼３の翼弦中央Ｃよりも後縁側のエリアＢＡに機体の重心位置Ｇを設定し、その重心位置Ｇから下方にローターシャフト２を延出し、そのローターシャフト２を先端２ａが主翼３の下方に向く垂直姿勢と先端２ａが主翼３の後方に向く水平姿勢との間で回動させる。垂直姿勢となったローターシャフト２が機体の重心位置Ｇに配置されているので、ローター５による揚力作用位置（ローターシャフト２位置）と機体重量作用位置（重心位置Ｇ）とが一致し、機体にピッチングモーメントが発生せず、機体が安定して垂直に上昇又は下降する。

主翼３の後縁側エリアＢＡに設定された機体の重心位置Ｇから下方にローターシャフト２が延出されているので、そのローターシャフト２を重心位置Ｇを中心として後方に回動させて水平姿勢としたとき、ローター７の回転面を主翼３の後縁よりも後方とするために必要なローターシャフト２の長さを、機体の重心位置Ｇが主翼３の前縁側エリアＦＡ（前縁から翼弦の２５％〜３０％程度後方の位置）に設定されている通常の場合よりも、短くできる。

かかる効果は、機体の重心位置Ｇを主翼３の後縁側エリアＢＡに設定し、その重心位置Ｇから下方にローターシャフト２を延出することで達成している。よって、ローター７の動力伝達機構を折り畳み式とした従来例と比べると、軽量且つ簡単な構造でローターシャフト２の長さの短縮化を図ることができる。

ローターシャフト２を通常の場合よりも短くできることから、ローターシャフト２を先端２ａが下方に向く垂直姿勢としてローター７を主翼３の下方に向けた際、ローター７の回転面と地面との距離を確保でき、主翼３の位置を通常の場合よりも下げてローター７の回転面を地面に近付け、機体の重心高を低くすることが可能となる。よって、垂直上昇時（下降時）の安定性が向上する。

ローターシャフト２の回動は、ローターシャフト２を主翼３に重心位置Ｇを中心として垂直姿勢と水平姿勢との間で回動自在に支持しておき、ローター７のサイクリックピッチを変更することで達成している。よって、ローター７が回転している状態でローターシャフト２自体をアクチュエータで直接回動させる場合よりも、無理なくローターシャフト２を回動でき、ローターシャフト２に加わるストレスが小さく、信頼性・耐久性が向上する。

左右のローターシャフト２の回動角度は、連動機構２２によって同調されている。よって、左右のローターシャフト２の回動角度が不揃いとなることによる機体の不安定化を回避できる。また、左右のロータ７の回転数（ｒｐｍ）は、動力伝達機構９によって同調されている。よって、左右のロータ７の回転数が不揃いとなることによる機体の不安定化を回避できる。

図３に示すように、機体の重心位置Ｇを主翼３の後縁側エリアＢＡに設定しているため、主翼３の空力中心（揚力中心）ＡＣが重心位置Ｇよりも前方となっている。即ち、通常、重心位置Ｇは空力中心ＡＣよりも前方に設定されるが、この機体では逆になっている。このため、水平尾翼５を通常とは逆に水平飛行時に揚力Ｚが発生する翼形状、取付角度としている。これにより、水平飛行時（前進飛行時）に、空力中心ＡＣに作用する主翼３の揚力Ｙと、重心位置Ｇに作用する機体重量Ｘと、水平尾翼５に発生する揚力Ｚとによって、機体のピッチング方向のバランスを保つことができる。また、水平尾翼５の面積を通常よりも広く設定することで、安定性を高めている。

（実施形態）
図９に本発明の一実施形態に係る垂直離着陸機１ａを示す。この垂直離着陸機１ａは、空力中心ＡＣが機体の重心位置Ｇよりも後方に位置する主翼３ａである点が前参考形態と相違し、その他は前参考形態と略同様の構成となっている。よって、前参考形態と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、相違点を説明する。

この垂直離着陸機１ａの主翼３ａは、機体の重心位置Ｇよりも後縁側に主翼３の空力中心ＡＣが位置するように、前縁と翼弦中央Ｃとの間のキャンバーよりも翼弦中央Ｃと後縁との間のキャンバーが大きい翼型となっている。なお、前縁と翼弦中央Ｃとの間においては、キャンバーを零とし、対称翼としてもよい。

かかる翼型の主翼３ａとすることで、機体の重心位置Ｇを主翼３ａの後縁側エリアＢＡに設定しても、その重心位置Ｇよりも後方に空力中心ＡＣを設定できる。重心位置Ｇを通常の場合と同様に空力中心ＡＣよりも前方とすることで、水平尾翼５ａを通常の場合と同様に水平飛行時に下向きの力Ｚａを発生させる翼形状、取付角度とすることができ、機体の安定性が向上する。その他、この実施形態の基本的な作用効果は、前参考形態と同様であるので、説明を省略する。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例又は修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。例えば、本発明に係る垂直離着陸機は、人や貨物の運搬に利用するのみならず、無人観測機やラジオコントロール機等にも適用できる。

本発明は、ローターの回転面を下方に向けることで垂直に離着陸し、ローターの回転面を後方に向けることで前進する垂直離着陸機に利用できる。

１ 垂直離着陸機
２ ローターシャフト
２ａ 先端
３ 主翼
Ｃ 翼弦中央
ＢＡ 後縁側エリア
Ｇ 重心位置
７ ローター
７ｆ 前半分側
７ｒ 後半分側
７ｕ 上半分側
７ｄ 下半分側
１３ 回動手段
１４ 回動支持機構
１５ ピッチ変更機構
１６ ロック機構
ＡＣ 空力中心
Ｌ１ 重心位置からローターシャフトの先端のローター取付部までの長さ
Ｌ２ 重心位置から主翼の後縁までの長さ

Claims (6)

1. 機体を側方から見て、主翼の翼弦中央よりも後縁側のエリアに機体の重心位置を設定し、
   前記主翼から前記重心位置の下方に向けて延出され、先端にローターが取り付けられ、該ローターに揚力を発生させるべく回転駆動されるローターシャフトと、
   該ローターシャフトを、前記重心位置を中心として、先端が前記主翼の下方に向く第１姿勢と先端が前記主翼の後方に向く第２姿勢との間で回動させる回動手段とを備え、
   前記重心位置は、機体に唯一存在する前後方向の重心を通って機体の側方に延出されたライン上に位置し、そのラインと前記ローターシャフトを延長したラインとが交差した位置であり、前記ローターシャフトが位置する主翼の翼弦において、翼弦中央よりも後縁側のエリアに設定され、
   前記ローターシャフトは、前記重心位置から前記ローターシャフトの先端のローター取付部までの長さが、前記重心位置から前記主翼の後縁までの長さに応じて設定され、
   前記回動手段は、前記ローターシャフトを前記主翼に前記重心位置を中心として前記第１姿勢と前記第２姿勢との間で回動自在に支持する回動支持機構と、該回動支持機構によって前記主翼に回動自在に支持された前記ローターシャフトの回動角度が変更されるように、前記ローターのサイクリックピッチを変更するピッチ変更機構と、該ピッチ変更機構による前記ローターのサイクリックピッチの変更によって回動された前記ローターシャフトの回動角度を固定するロック機構とを備え、
   前記主翼は、前記重心位置よりも後縁側に空力中心が位置するように、前縁と翼弦中央との間のキャンバーよりも翼弦中央と後縁との間のキャンバーが大きい翼型である、ことを特徴とする垂直離着陸機。
2. 前記ピッチ変更機構は、
   前記ローターシャフトが前記第１姿勢のとき前記ローターの前半分側の揚力よりも後半分側の揚力を高めるように前記ローターのサイクリックピッチを変更する機能を有し、
   前記ローターシャフトが前記第２姿勢のとき前記ローターの上半分側の揚力よりも下半分側の揚力を高めるように前記ローターのサイクリックピッチを変更する機能を有するものである、請求項１に記載の垂直離着陸機。
3. 前記ローターシャフトが、左右の主翼に夫々配設され、
   前記回動支持機構が、左右の主翼の内部に夫々収容され主翼の付け根部から翼端に向けて延出されその軸回りに回動自在なパイプと、該パイプの先端に取り付けられ前記ローターシャフトを支持するシャフト軸支部とを有し、前記パイプの回動に伴って前記ローターシャフトを前記第１姿勢と前記第２姿勢との間で回動させるものであり、
   左右の前記パイプの間に、双方のパイプの回動角度を機械的に同調させる連動機構を設けた、請求項１又は２に記載の垂直離着陸機。
4. 前記連動機構は、左右の前記パイプの主翼の付け根部側の端部に夫々取り付けられた第１ブラケットと、主翼のスパン方向と平行に配置され軸受で支持された連動シャフトと、該連動シャフトに間隔を隔てて取り付けられた第２ブラケットと、該第２ブランケットと前記第１ブラケットとをリンク機構を成すように連結する連結アームとを有する、請求項３に記載の垂直離着陸機。
5. 前記ロック機構は、前記連動シャフトの回動を固定するものである、請求項４に記載の垂直離着陸機。
6. 左右の主翼に配設された前記ローターシャフトを駆動するための駆動源と、
   左右の主翼の内部に収容された前記パイプ同士の間に配置されたギヤボックスと、
   該ギヤボックスと前記駆動源との間に設けられた第１駆動シャフトと、
   前記ギヤボックスと左右の前記ローターシャフトとの間に設けられた第２駆動シャフトとを備え、
   該第２駆動シャフトが、前記パイプの内部に挿通された、請求項３から５の何れか１項に記載の垂直離着陸機。

Images