JP6567054B2 - 傾斜翼付きマルチロータ - Google Patents

Description

本発明は、３台以上のエンジンを有し、その縦軸の回りを自由に回転可能な自由翼（ｆｒｅｅ ｗｉｎｇ）を備え、従って、水平飛行中には飛行機に揚力を提供する多重翼の飛行機に関する。

近年、垂直に離陸でき、次いで水平に飛行できる飛行機の開発、製造および使用に従事する、広範囲の産業が出現してきた。これらの飛行機は有人または無人であり、様々な名称、例えばＶＴＯＬ（垂直離着陸機）飛行機、マルチロータ飛行機、傾斜飛行機、その他などを持っている。そのような飛行機は、飛行機の垂直離着陸を可能にする複数のエンジン（プロペラまたはジェット）を有することにより特徴づけられる。飛行機は一旦離陸すると、エンジンの方向が、水平飛行において飛行機を前方へ推進させるために調節され得る。明確にするため、本願においては、前記飛行機を「マルチロータ飛行機」と呼ぶ。マルチロータ飛行機は、プロペラエンジンまたはジェットエンジンのいずれかを使用して、離陸し、ホバリングし、水平に飛ぶことができる。この飛行機は、センサーと、飛行機のエンジンおよびプロペラへのコマンドを制御し送信する飛行制御コンピュータとを使用して、制御され安定化される。マルチロータ飛行機の利点は、垂直に離着陸でき、空中でホバリングし、且つ、水平方向へも飛行できる能力である。

マルチロータ飛行機の欠点の１つは、それが飛行状態を保てる時間が比較的短いことである。この制限は、飛行機が水平飛行中であるとき、エンジンからのエネルギーのうちの一部が、水平方向の前進移動のために利用されるという事実から生じる。したがって、マルチロータ飛行機のあるモデルは、水平飛行中のエネルギー効率を高めるための翼を含む。翼を備えるマルチロータ飛行機のあるモデルにおいて、エンジンは、固定接続によって翼と連結され、それにより両者間の角度が固定され、エンジンの回転運動と、翼の回転とが同時に発生する。他のモデルにおいて、翼とエンジンとはシャーシに対し固定される。エンジンと翼とが固定接続部材によって相互連結される前述の飛行機の欠点は、離着陸の両方の最中、およびホバリング時に生じるようになる。翼が地面に対して垂直の場合（エンジンがヘリコプターにおいて機能するように上方を向いている状態）であって、且つ風が強い状態のとき、抗力および不安定が続いて生じる。同様に、エンジンと翼の両方が固定接続手段によってシャーシに接続される飛行機の場合、負の揚力及び／又は抗力が、追い風または横風のいずれかによって、離陸、ホバリングまたは着陸の最中に、翼に生じる。これは、エネルギー損失（エンジン動作の増大の要求）をもたらし、さらに悪ければ、飛行機がその垂直の着地ラインまたはホバリング地点から逸脱することをもたらす。この問題は、そのような飛行機が建物の屋上に着陸しようとする場合に特に厳しくなり、このような場合には、着陸のまさにその瞬間の横風によって、その着陸地点から飛行機を逸脱させることになる。

飛行機を安定させるためのアクチュエーターや様々な機械的メカニズムの使用は、前記のような構成要素の追加により、信頼性を減少させるとともに、前記構成要素が飛行に対し重要である場合には、これは実際の危険となる。さらに前記メカニズムは重量があり、このため、飛行機の最長飛行時間または最大積載量を減少させる。従って、本発明において、それらの縦シャフト上で自由に可動な自由翼は、マルチロータに連結される。自由翼は、アクチュエーターによって制御されてもよく、あるいは制御されなくてもよく、この場合、自由翼が生成する角度および揚力は、それらに対する空気流の結果として生じる。

ここで、翼を有するマルチロータ飛行機の様々なモデルに存在する問題点を要約する：
（ａ）シャーシに対して固定された翼を備える飛行機において：水平飛行中、翼は、従来の飛行機のように機能する。ホバリング時（飛行機が地上の固定点上方に停留している間）、または着陸時（飛行機が地上の固定点の垂直上方に位置するとき）、および風が強くないという条件の時、問題は生じない。しかしながら、横風、突風または追い風が発生したならば、飛行機は固定点から変移し、これにより前述したような問題を生じさせる。
（ｂ）エンジンに固定された翼を備え、飛行機シャーシに対し翼と一緒にエンジンが回転する飛行機において、水平飛行中、飛行機は従来の飛行機と同様に機能する。しかしながら、ホバリング時または着陸時、翼は地面に向かって垂直に向けられるのに対し、エンジンは上方に面する；したがって、任意の方向からの任意の風が、飛行機を前記固定点から変移させる。さらに、この場合は、翼の移動自体が、エンジンの修正と翼の修正との間で衝突を引き起こす作用を有しているために、障害を制御することができない。

本出願の添付図面は、本発明および本出願の範囲を限定することを意図するものではない。図面は、単に本発明を図示することを意図するものであり、それらは、多くの可能性のある実施例のうちの１つを構成しているに過ぎない。

図Aは、水平姿勢のマルチロータ飛行機と、これに作用する外力ベクトルとを示し、図Ｂは、前傾し、前方へ水平飛行しているマルチロータ飛行機を示す。 １対の自由翼（４００）を含むマルチロータ飛行機（１００）を示す。 自由翼（４００）を含むマルチロータ飛行機（１００）と、水平飛行中においてこれに作用する外力ベクトルとを示す。 右方向に偏走するマルチロータ（１０００）を示す。 左方向に偏走するマルチロータ（１０００）を示す。 自由翼（４０００）を備えるマルチロータ（１０００）を示す。 自由翼（４０００）を備えるマルチロータ（１０００）を示す。 自由翼（４０００）を備えるマルチロータ（１０００）を示す。 自由翼（４０００）を備えるマルチロータ（１０００）を示す。

本発明は、一方では、飛行効率を向上させ、かつエネルギーを節減するために翼が使用され得るように設計され、他方では、飛行機のシャーシまたはエンジンに連結された翼を備えるマルチロータ飛行機に存在する問題を回避するように設計された自由翼を有するマルチロータ飛行機に関する。

マルチロータ飛行機は、エンジンおよびプロペラを操作するセンサーおよび飛行コンピュータによって、自動的に安定化され制御される。したがって、例えば、ユーザが飛行機を前方へ飛行させることを望む場合、リヤエンジンは加速するためのコマンドを受け取り、フロントエンジンは速度を落とすコマンドを受け取る。これにより、推進力が飛行機を水平方向へ推進させる一方で、飛行機を前方に回動させ傾斜させるモーメントが生成する。エネルギーのうちの一部が前進運動に必要であるので、飛行機が高度を維持するためには、エンジンの出力を増大させなければならない；したがって、図１Ａおよび１Ｂに示すように、飛行機はこの状態においてより多くのエネルギーを消費する。図１Ａは、水平姿勢でホバリングするマルチロータ飛行機（２）を示している。揚力ベクトル（４）はエンジンおよびプロペラ（５）によって加えらる全外力であり、重力ベクトル（６）は飛行機（２）の重心に作用する。これらの２つの外力の大きさが等しい場合、飛行機（２）は平衡状態、つまり、ホバリングして、飛行高度を維持している状態である。

図１Ｂは、水平前進飛行中（または向い風に面しているとき）の前傾した飛行機（２）を示している。揚力ベクトル（４）は、エンジンおよびプロペラ（５）の作用で生成され、構成成分に分解し得る合力である。前方ベクトル（８）は前進移動を可能にする合力（４）の構成成分である。ベクトル（１０）は飛行高度を決定する合力の構成成分である。

ベクトル（１０）は、ベクトル（４）およびベクトル（６）の両方よりも小さいことが理解される；従って、この状態では、飛行機は高度を落とし降下する。飛行機がその高度を維持することを可能にするためには、ベクトル（１０）がベクトル（６）、すなわち飛行機の全重量と等しくなるまで、合力を増大させなくてはならない。これによって平衡がもたらされ、飛行機が飛行高度を維持することを可能にする。合力の増大によって、エネルギーの消耗が引き起こされ、飛行時間が短縮する。

本発明は、図２および３に示されるような、シャーシ（２００）、３以上のエンジン（３００）、および自由翼（４００）（またはシャーシの一方側の一対の翼）を含むマルチロータ飛行機（１００）に関する。自由翼（４００）は、軸接続部材（１８）によって、シャーシ（２００）に連結されている。したがって、自由翼（４００）とシャーシ（２００）との間の角度は、アクチュエーター（５００）または翼上の空気流の外力を使用することによって、変更され得る。

水平成分（以下「水平飛行」とも言う）によって飛行中の揚力を生成するために、自由翼（４００）は、気流方向（１４）に対し、特定の正の迎え角を有していなくてはならない。シャーシ（２００）が気流方向に対し前傾するので、自由翼（４００）がシャーシに対し永続的に連結されないことが重要である。さもなければ、負の角度が生成され、その結果、高度およびエネルギーの両方の損失を引き起こす。

自由翼に、気流に対し特定の正の角度を与えるために、翼の操作を管理するアクチュエーターやコンピュータ制御される翼設置式エンジンが使用されてもよい。代わりの例として、空気の動きに対し自動的に最適な状態に到達する完全な自由翼（４００）が、介在物なしに、使用されてもよい。これは翼構造によって可能であるが、この場合、様々な飛行姿勢に対し、空気力学にあまり効率的ではないであろう。

自由翼（４００）は、自由翼が軸周りを自由に回転できるような方法で、軸（１８）によってシャーシ（２００）に連結されている。自由翼（４００）は、気流（１４）に対して自動的に安定化され（またはコンピュータ制御されるアクチュエーターによって安定化され）、ベクトル（１６）として示される、エンジン（３００）によって生成される揚力を補う、上向きの揚力を付加する。

例えば図３に示される自由翼は、軸（１８）の回りを自由に回転し得る。ベクトル（１６）は、自由翼によって生成される上向きの揚力であり、その中心は軸（１８）の背後に位置し、従って、翼の後端縁を軸（１８）の周りに上昇させるモーメント（２２）を生成する。翼上に位置する操縦翼面、または翼の後端縁の上向きの傾斜によって、上向きモーメント（２２）とは反対方向のモーメント（２４）を発生させる下向きの外力（２６）がもたらされ、その結果、翼が向かいあう気流を安定化されるとともに揚力を生成する平衡状態に到達する。ホバリング間の効率を維持するために、飛行機（１００）は風と対面する状態を保持しなくてはならず、飛行中においては、翼は、対抗する空気流に対し自由状態が保持されなければならない。飛行機に組み込まれる指定のソフトウェア、飛行コンピュータおよびセンサーは全て、水平飛行中に自由翼（４００）の向きを維持するために使用される。

前述の記載および本出願に添付した図面から明らかなように、本発明は、プロペラ（３００）とシャーシとの間の角度が固定されるように、固定接続部材によって飛行機（１００）のシャーシ（２００）に連結される、３つ以上のプロペラ（３００）を有するマルチロータ飛行機（１００）に関する。さらに、本発明の主題である、飛行機（１００）は、飛行機（１００）の翼（４００）とシャーシ（２００）との間の角度を変更することが可能な軸（１８）によって、シャーシ（２００）に接続される１以上の自由翼（４００）を備える。翼（４００）の迎え角は、モーター、プロペラ。あるいは翼を回転させる他の任意の手段であり得るアクチュエーター（５００）を使用して、変更され得る。代わりの例では、自由翼（４００）が自由に回転できるような方法で連結されるので、その迎え角は、自由翼（４００）へ向かう、および、自由翼上の空気流に応じて変化し得る。

したがって、水平飛行中、翼の周囲の水平気流は、翼（４００）の揚力ベクトルが上方を向く方向になるような方法で、翼の迎え角を調節する。これにより、飛行機（１００）の揚力が増大し、プロペラ（３００）を動作させるのに必要なエネルギー量が減少する。本発明は、２つの自由翼（４００）を加えることによって、飛行機（１００）の他の態様を実施し得る。さらに、シャーシ（２００）に対する翼（４００）の軸接続部材（１８）は、翼が３６０度、無限回転できるようなものであり得る。

飛行機（１００）が例えば横風中で、ホバリングし、離陸し、または着陸する場合、
飛行機（１００）は、地表点上方に維持するために、風に向かって側方に傾斜し、翼（４００）の前端縁が風に対面する位置に到達するまで、翼を回転させる。したがって、抗力と、飛行機（１００）が着地しようとしている地表点から変移する程度とを、相当減少させる。図面および詳細説明で示すように、翼の両側（左と右）は独立して回転可能であり、これにより、特にヨー軸上での、マルチロータの制御が可能である。抗力は、翼の両側に異なって作用するので、翼の各側を独立して製作することにより、マルチロータモーターおよびプロペラによって生成される運動量と比較して、非常に小さな運動量を生成する。同様の理由で、マルチロータは風が強い条件でより安定している。

自由翼（４００）は、翼揚力および飛行機の、最適で迅速な制御を可能にするため、操縦翼面を備えてもよい。代わりの例において、自由翼（４００）は、翼がその軸（１８）の周りに上方へ回転する可能範囲を制限するための、制限装置を備え得る。言いかえれば、低速で揚力を生成するために、翼の後部は、特定角度を超えるべきでない。しかしながら前記制限装置は、離陸、ホバリングするおよび着陸に必要であるので、翼の後部が低下することを阻止するべきでない。

本発明の第２の実施形態は、図４および５に概略的に示すマルチロータ（１０００）に関する。マルチロータ飛行機（１０００）における垂直軸である、軸（１０２６）の周りの回転は、通常、時計回りに回転するプロペラ（５０００）と、反時計周りに回転するプロペラとの間のモーメント差の結果である。これらのモーメントは、マルチロータの最適制御のために、比較的小さい。マルチロータ（１０００）は、シャーシ（２０００）および４以上のプロペラ（５０００）を含む。シャーシ（２０００）は、本体（２１００）および１対のシャフト（２２００）（２３００）から成り、ここでの説明のために、それぞれ「右シャフト」（２２００）および「左シャフト」（２３００）と言うものとする。

プロペラ（５０００）は前記各シャフトの端部に連結され、シャフト（２２００）（２３００）は、軸接続部材（１０１８）によって本体（２１００）に接続される。４つのプロペラ（５０００）が、例えば上方へ向かう同じ力で動作する場合、４台のすべてのエンジン（５０００）が１つの水平面に位置するような方法で、マルチロータ（１０００）は垂直に上昇する。

ユーザがマルチロータ（１０００）を、たとえば右へ偏走させたい場合、ユーザは、右シャフト（２２００）上の一方のプロペラ出力を増大させ、同じシャフト（２２００）上の他方のプロペラ出力を減少させればよい。これにより、右シャフト（２２００）が、本体（２１００）に接続された軸（１０１８）の周りに回転することをもたらす。一方のプロペラが上昇し、他方が下降するので、マルチロータの右への偏走がもたらされる。

図４は、右シャフト（２２００）上のエンジン（１０１４）および左シャフト（２３００）上のエンジン（１０２０）の推進力が増大することにより、右側へ時計回りに偏走するマルチロータ（１０００）を示す（同様に、エンジン１０１６および１０２２中の推進力を同時に減少させることも可能である）。したがって、主軸（１０２６）の周りでのマルチロータの偏走がもたらされる。図５に、マルチロータが左に偏走する反対の状況を示す。

本発明の第３の実施形態は、前述のマルチロータ（１０００）に関する。本例でも、図６−９において、いくつかの姿勢を概略的に示すように、軸接続手段によって、シャーシ（２０００）の本体（２１００）に連結される自由翼（４０００）を備えている。

Claims (5)

1. シャーシ（２００）、各々がプロペラを備えている少なくとも３つのエンジン（３００）、および少なくとも１つの自由翼（４００）を含むマルチロータ飛行機であって、
   自由翼の迎え角が、前記自由翼上の空気流に応じて前記シャーシに対して変化するよう設計されるように、前記自由翼（４００）が軸接続部材（１８）によって前記シャーシに連結されていることを特徴とするマルチロータ飛行機。
2. シャーシ（２００）、各々がプロペラを備えている少なくとも３つのエンジン（３００）、少なくとも１つの自由翼（４００）、およびコンピュータ制御されるアクチュエーター（５００）を含むマルチロータ飛行機であって、
   前記コンピュータ制御されるアクチュエーターが、前記自由翼上の空気流に応じて前記コンピュータ制御されるアクチュエーター（５００）によって前記シャーシに対する自由翼の迎え角を変化させるよう設計されるように、自由翼（４００）が軸接続部材（１８）によって前記シャーシに連結されていることを特徴とするマルチロータ飛行機。
3. 前記自由翼は、前記自由翼の揚力及び抗力の強度と方向の制御、及びマルチロータ飛行機の操縦を可能にするように設計される操縦翼面を備えている、請求項１または２に記載のマルチロータ飛行機。
4. 前記軸接続部材の周りに上方へ回転する前記自由翼の可能範囲を制限するように設計される制限装置を更に含む、請求項１または２に記載のマルチロータ飛行機。
5. 少なくとも４つのエンジンを含み；ここで、前記シャーシは、本体、１対の右シャフト、及び１対の左シャフトを含み；前記エンジンの各々は前記シャフトの各々の端部に連結され；前記１対のシャフトの少なくとも１つは１つの軸接続部材により本体に接続され；前記軸接続部材により本体に接続された前記１対のシャフトの少なくとも１つに連結された１つのエンジンの出力が増大したとき、前記１対のシャフトの少なくとも１つは、本体に対して相対的に捻れて、その垂直軸上でマルチロータ飛行機の回転を引き起こし；それによって、マルチロータ飛行機を回転させ、且つ前記マルチロータ飛行機の望まれない回転を無効にすることを可能にする、請求項１または２に記載のマルチロータ飛行機。

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