JPH0324384B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 発明の目的 ［産業上の利用分野］ この発明はヘリコプタやホーバクラフト等の浮
上機、特に４個以上のフアン（プロペラ、ロータ
を含む）を垂直に向けて回転させ、ホバリングを
行う浮上機の姿勢安定化を可能にする機構に関す
る。

不整地、傾斜地での林業、遭難救助等の作業を
空中から行う場合に使用可能な身近な乗物として
はヘリコプタやホーバクラフトがある。

［従来の技術］ しかるに、ヘリコプタにおいては、地面近くに
おいて地形が複雑な場合には、複雑な空気力学的
な地面効果を受けて操縦が困難となるので、比較
的高度の空中からロープを垂らして作業を行わざ
るを得ない。一方、ホーバクラフトの場合には、
浮上高度が低く、また浮上高度を高くするために
は大型となり、さらにフレキシブルスカートが摩
減するなどの問題があり、不整地用のホーバクラ
フトは実現されていない。

このような場合、比較的高度を浮上し、しかも
複雑な地面効果に対処するため多数のフアンを下
方に向けて回転し推力を得て、比較的高度を浮上
し、またそれぞれのフアンによる推力を調節して
複雑な地面効果に対してバランスをとることが考
えられ、又、近年多数のヘリコプタを連結して重
量物を運搬するための研究も行なわれているが、
いずれの場合も、特に重要な検討事項は、機体の
姿勢制御である。これらの機体の姿勢制御は従
来、主にフアンのサイクリツクピツチ、コレクテ
イブピツチ、及び回転数の操作によつて行つてい
るが、装置が複雑となり、簡便な浮上機に適用す
るのには必ずしも適していない。このようなこと
から、構造及び操作が簡単な姿勢制御機構を備え
た浮上機の開発が望まれている。

［発明が解決しようとする問題点］ この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたも
のであつて、多数（４個以上）のフアンまたはロ
ータによつて浮上する乗物の姿勢安定化をコレク
テイブピツチまたは回転数の操作のみによつて可
能とする姿勢制御機構を有する浮上機を提供する
ことを目的とするものである。

(ロ) 発明の構成 ［問題を解決するための手段］ この目的に対応して、この発明の姿勢安定化機
構を有する空気浮上機は、機体に取り付けた４個
以上のフアンを下に向けて回転させてホバリング
する空気浮上機であつて、前記４個以上のフアン
の一部のフアンの回転方向は残余のフアンの回転
方向と逆であり、前記フアンの回転軸を前記機体
の中心軸を中心とする円周方向であつて前記フア
ンの回転の反作用として受けるモーメントを増長
する方向に傾斜させて配置したことを特徴として
いる。

以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面に
ついて説明する。

第１図、第２図及び第３図において、１は浮上
機であり、浮上機１は機体２を備えている。ただ
し、第２図は第１図において−部断面図であ
り、第３図は第１図において−部断面図であ
る。機体２は４個の穴３を機体中心軸Ｇ方向にく
り抜いた形で、穴３はフアン４ａ〜４ｄのダクト
となる。４個のフアン４ａ〜４ｄは回転装置５の
回転部に取付けられている。さらに回転装置５は
固定装置６によつて機体２に固定する。回転装置
５を駆動するには、回転装置５に直接エンジンを
取付けて回転してもよく、又、エンジンを機体中
央に置きベルト駆動としてもよく、又、回転装置
に空気圧モータを取付けて駆動してもよい。さら
にまた、電気モータを使用してもよい。空気圧モ
ータ及び空気圧モータを使用する場合には外部に
ポンプ及び電源を設置しておくことにより工場で
の作業に使用することもできる。

特に重要なこととして、４個のフアン４ａ〜４
ｄの回転軸７は第３図に示す如く、機体２の中心
軸Ｇに対して一定角度だけ（例えば第３図の断面
内で角度θだけ）傾けてある。傾きの方向は機体
２の中心から見た場合に、フアン４ａと４ｃは傾
き方向が同じで、フアン４ｂと４ｄはフアン４
ａ，４ｃとは逆方向に傾いている。この実施例の
場合、傾き角θはすべてのフアン４ａ〜４ｄにつ
いて同じであるが、必ずしも同じである必要はな
い。

第２図に示すように、ダクト３は上部に丸みを
つけて空気を吸込む時に負圧を生じさせ推進効率
を高める。８は地面である。

［作用］ 以上のように構成された浮上機１の作用は次の
通りである。

回転装置５を駆動してフアン４ａ〜4dを回転
させると推力が生じる。すなわち地面近くで流線
１１が下方で拡がるので、地面がない場合に比べ
推力は増加する。すなわち地面効果である。フア
ン１個（直径Ｄとする）を地面から高さｈに置い
たときの推力Ｌは地面のないときの推力L_∞に対
して、第４図に示すような特性を有することが
NASAの研究で知られている。又、複数のフア
ンを使用するときには、相互干渉による地面効果
も生じる。第２図の中央付近下部の流線の如く、
押し上げるような空気の流れが生じ、推力が増
す。これはいわゆるエアクツシヨン効果である。
さらに機体形状による影響も存在する。例えば機
体周辺に出つ張りがある場合には外部より下に回
り込む空気の流れを生じ、推力を減じるように働
く。したがつてフアン４ａ〜４ｄは周辺に配置す
るのがよい。以上はよく知られた事実であり、設
計時に考慮すべき事項である。

さて各フアン４ａ〜４ｄの推力は回転数を変え
ることによつて操作することができる。またピツ
チを変えることによつて操作することもできる。
一般的にいえば、回転とピツチ共に変化させるこ
とが望ましい。つまり、回転数に対応して最適な
ピツチが決まるからである。一般にエンジン駆動
の場合には短周期で回転数を変動させることは困
難であるので、姿勢安定化のためにピツチを操作
して制御を行う。電気モータや空気圧モータの場
合には、電流やバルブを調節することによつて回
転数で制御することができる。したがつてこの発
明においては、単に推力を操作するとのみ述べる
が、それはピツチを変えるか、回転数を変えるか
のいずれかによつて行うこととする。ここで強調
すべきは、この発明においては、通常のヘリコプ
タにおけるサイクリツクピツチ機構を必要としな
いことである。

次に安定性について述べる。一般に浮上機１は
６個の自由度を有する。いま第１図の左下隅に示
したようにＸ，Ｙ，Ｚの座標軸をとれば、それら
はＸ，Ｙ，Ｚ方向の移動とＸ，Ｙ，Ｎ軸まわりの
回転である。しかし、Ｘ，Ｙの移動に関しては、
Ｘ，Ｙ軸まわりの回転の効果、機体が傾斜し、し
たがつて各フアンの推力ベクトルが傾斜すること
によつて水平方向の力を生じ移動を行うので、実
際には、Ｘ，Ｙ，Ｚまわりの回転とＺ方向の移動
の４個の成分を制御できればよい。従つてフアン
の必要最小個数は４である。

安定性には静安定と動安定とがある。静安定は
機体が正常な位置または姿勢からずれた場合に複
元する能力のことである。動安定性は時間的な変
動を考慮したときの安定性である。動安定を得る
ためにはまず静安定であることが必要である。

この発明で対象とする浮上機は本質的に制御を
加えなければ静安定を得ることができない。した
がつてこの発明における姿勢制御機構は静安定を
制御で得ることが可能な機構である。

Ｘ軸のまわりの回転を操作するには、第１図の
フアン４ｂと４ｄの推力を加減すればよい。例え
ば、Ｘ軸まわり正方向に機体が傾いたときにはフ
アン４ｂの推力を増加させるかフアン４ｄの推力
を減少させるか、または同時に両方を調節すれば
よい。同様にＹ軸まわりの回転を操作するには、
フアン４ａと４ｃの推力を加減すればよい。この
ような操作は通常２ロータのタンデム型ヘリコプ
タで行なわれており周知である。又、Ｚ方向の移
動を行うには全体の推力を加減すればよい。これ
も周知である。

問題はＺ軸のまわりの回転である。いま、各フ
アンは水平に取付けられているとすれば、Ｚ軸の
まわりのモーメントとしては、各フアンのトルク
の反作用の総和が働く。例えば回転数を加減して
トルクを操作したとしても安定性を得ることはで
きない。何となれば、トルクは微小であるため、
各フアンの微小な傾斜や、地面効果により、働く
モーメントを打ち消すことができない。通常ヘリ
コプタはＺ軸まわりの回転はテールロータによる
が、タンダム型の場合にはサイクリツクピツチに
よつてモーメントを発生させている。この発明の
対象とする浮上機ではサイクリツクピツチ機構も
テールロータも有しないが、フアンの回転軸を傾
斜させた機構によつてＺ軸まわりの回転を制御す
ることができる。

すなわち、各フアンの回転軸を意図的に数度傾
けた機構によつて、相対抗する２つのモーメント
が発生するが、推力を調節してそれらのバランス
をとるものである。すなわち、第１図で、フアン
４ａと４ｃは右回転であるから、反作用として左
まわりのモーメントを受けるが、それを増長する
ように、左まわりのモーメントを発生するように
傾ける。このようにトルクの反作用を増長する方
向に傾けると、逆に傾けた場合に比べ傾斜角を小
さくとることができ、傾斜による推力の垂直成分
の減少を最小限にすることができる。第１図で、
破線の円はダクト下面を表わし、実線の円は上面
を表わすとすればこのようなモーメントが発生す
る。逆にフアン４ａと４ｄは右回転のモーメント
が発生するように傾ける。以上のようにして、Ｚ
軸まわりの回転の安定を得ることができる。

第５図はこの発明の他の実施例として、８個の
フアンを有する浮上機の平面図である。例えば第
５図で矢印で示した方向に各フアンは回転するも
のとすれば、フアン４ａ，４ｃ，４ｅ，４ｇ，の
グループとフアン４ｂ，４ｄ，４ｆ，４ｈ，のグ
ループに分ける。そして第１のグループは右回転
のモーメントを発生するように破線の円の如く回
転軸を傾斜させる。第２のグループは左回転のモ
ーメントを発生するように回転軸を傾斜させる。
このようにフアンの個数を増加すれば、よりよい
安定性が得られる。例えば、第５図のようにXY
軸を定め、Ｙ軸まわりに正方向回転して傾斜して
いて水平に戻すようにしなければならない場合を
考えると、Ｘのプラス側の推力を上げ、マイナス
側の推力を下げる必要がある。このときＸ軸及び
Ｚ軸のまわりのバランスを崩さないで、推力の増
減を図るとき、フアンの個数が多いので、増減の
幅が小さくなり、スムースな安定化制御を行うこ
とができる。

このように姿勢を安定化するためには最低４個
のフアンを必要とするが、４個以上のフアンを使
用した安定化機構は４個のフアンの場合を拡張、
細分化すればよい。

［実施例］ 次に模型を用いたこの発明の実験例について説
明する。

（） 実験システム 第６図に示すように、模型は４個のフアン（直
径15、発泡スチロール製）をDCモータ（マブチ
RE140）で回転させて浮上する。回転方向はフア
ン４ａと４ｃが反時計方向、フアン４ｂと４ｄは
時計方向である。電線はフレーム中央の穴を通し
て下に垂らす。全重量は100ｇである。

模型の位置及び姿勢は８個のポスト１３ａ〜１
３ｈがそれぞれ模型の導電先端部１４ａ〜１４ｄ
に接触しているか否かで検出する。実験の目的は
各フアンの回転数を調節してどのポストにも接触
しない状態にすることである。このため、ポスト
及び導電先端部にアルミ箔を張りつけ、先端部を
接地する。

コンピユータを含めた電気的な接続を第７図に
示す。ポストと導電先端部とは、接触、非接触を
短周期で繰り返すので、フリツプフロツプに入力
し、一定時間（実験では0.2秒）以内にフリツプ
フロツプがONになるかどうかで判定する。モー
タ駆動用アンプは仕様では1.65Aが出力最大とな
つているが、浮上高度を上げて実験に余裕を待た
せるために2A流している。一方、モータの定格
電流は0.6Aである。したがつて、実験時間を一
分程度としているが、この限界を超えた使用のた
め後述のように特性が変化する。

フアンの回転数は2600r.p.m.、浮上高度1.5cmで
ある。

（） 基本的な空力特性 プロペラの空力特性について既によく調べられ
ており、次の関係式が成立する。

Ｔ＝C_Tρn²D⁴ (1) Ｑ＝C_Qρn²D⁵ (2) Ｐ＝C_Pρn³D⁵ (3) ただし ρ：空気密度，ｎ：プロペラ回転数 Ｄ：プロペラ直径，Ｔ：推力 Ｑ：トルク，Ｐ：パワ，C_Q：トルク係数 C_T：スラスト係数， C_P（2πC_Q）：パワ係数 である。

又、地面の影響すなわち地面効果についても、
地面が水平の場合については調べられている。そ
れによれば、ｈをホバリング高度、L_∞を地面効
果のないときの推力、Ｌを地面効果を含む推力と
すれば、Ｌ／L_∞は第４図に示すように、高度が
低くなれば急速に増大する。

第８図は実験システムの空力特性である。横軸
のPtotalは全消費パワであるが、９割近くはモー
タの銅損として消費されている。〇印近くの数字
は銅損Pcopperを差引いた値である。このような
効率の悪さは定格値をはるかに超えた状態で使用
していることに原因がある。図中、〇印はフアン
の回転数ｎであり、ストロボを用いて測定した。
同図より、(3)式とよく一致していることが分る。
△印は浮上高度ｈである。浮上高度はフアンの直
径の他、フアンの面積及びピツチによつても変化
する。ピツチが大であれば浮上高度も大となるこ
とが、又浮上に必要な最小パワも大となることが
実験的に確認された。したがつて、高度に応じて
ピツチを変化させて消費エネルギーを小とする必
要がある。

（） 制御方法と実験結果 制御は各フアンの回転数を操作して行う。Ｘ軸
とＹ軸方向の移動は、それぞれフアン４ａと４
ｃ，４ｂと４ｄ推力を調節することによりバラン
スをとる。

Ｚ軸まわりの回転に関しては、トルクは(2)式に
よつて定まるので、フアン４ａと４ｃ及び４ｂと
４ｄを互いに反対方向に回転させ、回転数を調節
することが先ず考えられる。しかし、実験の結果
そのような方法では困難であることが判明した。
理由は、フアンの回転の反作用として働くトルク
は推力ベクトルの傾きによつて生じるモーメント
に比し、はるかに小さいことである。たとえ、モ
ータとフアンを精密に取付けたとしても地形の凹
凸によつてモーメントが発生するので解決となら
ない。

そこで、この実験では次の機構によつてバラン
スを取ることを可能にした。すなわち、フアンを
わざと若干（数度）傾斜させてモーメントを発生
させる。しかもフアン４ａと４ｃは時計方向のモ
ーメントを発生するように傾斜させ、４ｂと４ｄ
は反時計方向のモーメントを発生するように傾斜
させる。互いに反対方向のモーメントを調節して
バランスをとることができる。

いま、フアンｉの回転数をn_iだけ増加したと
き、全体の推力、Ｘ及びＹ方向の力、さらにＺ軸
まわりのモーメントがそれぞれ4T，2x，2y，4N
だけ増加したとする。このとき近似的に次式が成
立する。

4T＝n₁＋n₂＋n₃＋₄ (4) 2x＝n₂−n₃ (5) 2y＝n₂−n₄ (6) 4N＝n₂＋n₄−n₁−n₃ (7) ただし、右辺の各項の係数が１となるように、
Ｔ，ｘ，ｙ，Ｎは正規化されているとする。

逆に(4)〜(7)式から、 n₁＝Ｔ−Ｎ＋ｘ (8) n₂＝Ｔ＋Ｎ＋ｙ (9) n₃＝Ｔ−Ｎ−ｘ (10) n₄＝Ｔ＋Ｎ−ｙ (11) が得られる。すなわち、バランスをとるために
4T，2x，2y，4Nなる力及びモーメントを出した
い場合には(8)〜(11)式からn_iを決定することができ
る。

実験システムでは推力の増減は床が平面である
ので無いとして、Ｎ，ｘ，ｙの調節のみを行う。
又、Ｎ，ｘ，ｙの直接測定は出来ず、それらの符
号のみがポストとの接触によつて知られる。そこ
で、逐次n_iを変化させて安定化を試みる。n_iの最
小単位を±１とすれば、ｘ，ｙ，Ｎの最小単位も
±１となる。そこでＮ，ｘ，ｙの符号によつてそ
れぞれ１又は−１をとり、(8)〜(11)式に従つてn_iを
決定し、それをサンプル時刻ごとに繰返す。

次にポストとの接触状態とＮ，ｘ，ｙの対応を
次のように定める。ポストｉ（ｉ＝ａ〜ｈ）の状
態をSiで表わし次式で決定する。（Si＝１のとき
接触、Si＝０のとき非接触） IF（S_{a f}＋S_{c h}＋S_{e b}＋S_{g d}）Ｎ＝１ (12) IF（S_{b e}＋S_{d g}＋S_{f a}＋S_{h c}）Ｎ＝−１
（13） IF（S_{c g}＋S_{h d}）×＝１ （14） IF（S_{d h}＋S_{g c}）×＝−１ （15） IF（S_{b f}＋S_{e a}）ｙ＝１ （16） IF（S_{a e}＋S_{f b}）×＝−１ （17） ただし、（ ）内は論理式であり、一つでも接
触するポストがあればポストから離れるように定
めたものである。

第９図は以上の機構及び制御方法を用いて実験
したときの実験結果で、各モータへの出力値をグ
ラフにしたものである。ただしサンプル周期は約
0.2秒である。最初モータに同じ値を出力してい
るが、特性の違いによつてバランスを生じるので
逐次調節していることが分る。図でどの出力も変
化していない部分が、どのポストにも接触してい
ない状態に対応している。

２秒以上非接触の状態にある部分を斜線で示
す。フアン駆動部の特性変化により、安定状態を
持続するのが困難であるが、40秒後にはかなり長
時間安定している。実際の浮上機では、通常の航
空機で利用させているような精度の高い加速計等
をポストの代りに利用すれば、急速に安定な状態
に到達でき、また安定の状態を持続することが本
実験例により明らかとなる。

(ハ) 発明の効果 以上の説明から明らかな通り、この発明の浮上
機の姿勢制御機構によれば、フアンのコレクテイ
ブピツチ又は回転数の操作による推力だけを操作
することにより、サイクリツクピツチの操作をす
ることなしに姿勢を制御することができ、したが
つて、構造及び操作が簡単な姿勢制御機構を備え
た浮上機を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に示す浮上機の平
面説明図、第２図は第１図における−部断面
図、第３図は第１図における−部断面図、第
４図はフアン又はロータの地面効果を示すグラ
フ、第５図はこの発明の他の実施例に係る浮上機
の平面図、第６図は実験用模型の平面説明図、第
７図は制御系を示すブロツク図、第８図は実験シ
ステムの空力特性を示すグラフ、第９図は各モー
ターへの出力値を示す実験結果グラフである。 １…浮上機、２…機体、３…穴（ダクト）、４
ａ〜４ｄ…フアン、５…回転装置、６…固定装
置、７…回転軸、８…地面、１１…流線、１３ａ
〜１３ｈ…導電ポスト、１４ａ〜１４ｄ…導電先
端部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 機体に取り付けた４個以上のフアンを下に向
   けて回転させてホバリングする空気浮上機であつ
   て、前記４個以上のフアンの一部のフアンの回転
   方向は残余のフアンの回転方向と逆であり、前記
   フアンの回転軸を前記機体の中心軸を中心とする
   円周方向であつて前記フアンの回転の反作用とし
   て受けるモーメントを増長する方向に傾斜させて
   配置したことを特徴とする姿勢安定化機構を有す
   る空気浮上機。