JPH04283199A - 空中浮遊装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＶＴＯＬ機（垂直離着
陸飛行機）に係わり、１つまたは複数のダクテッドファ
ンを有する空中浮遊装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダクテッドファンを使用するＶＴＯＬ機
は、別名フラィングプラットフォームとして１９４０年
から１９６０年ごろにわたり主としてアメリカで研究と
試作が行われた。試作機のほとんどは軍用飛行ジープを
目的としたが、結果としては安定性と移動性が軍用とし
ての要求を満たすにいたらず失敗に終わっている。従来
のダクテッドファン型ＶＴＯＬ機が現在まで実用化され
るに至っていない理由としては、機体の傾きおよび推進
方向の移動に対して自己安定性が悪いために複雑な姿勢
制御を必要とすること、ヘリコプタに比して燃料効率が
劣るとともに用途が限定されるため需要が無かったこと
等が挙げられる。機体の自己安定性に関しては、ビーク
ル重心を空力中心よりも下方におくと、機体が不安定に
なるとともに、長い脚を備えなければならないとか、ジ
ェト流路を妨げるために揚力損失が生じるとか、事故で
落下した時、パイロットに危険であると言う問題を有し
ているが、ビークル重心を空力中心よりも上方におくと
しても、ダクトの径を考慮しなければ、具体的な設計条
件とはなり得ないという問題をかかえている。

【０００３】この問題を解決するために、本発明者は、
特願昭６２−２０９７０号により外部要因による影響を
うけても自己安定性を確保することができると共に、特
別の姿勢制御を必要とすることがない１つまたは複数の
ダクテッドファンを有する空中浮遊装置を出願した。こ
れを図９により説明する。図中、１は空中浮遊装置、２
は機体、３はエンジン、４はダクト、５はダクトリップ
部、６は２重反転ロータ、７は支持脚、ＣＧは機体重心
、ＡＣは空力中心、ｍはビークル全体の質量、Ｕはビー
クル重心の水平移動速度、ＵＤ　はダクトの水平移動速
度、Ｔは推力、θはビークルのピッチ姿勢角、Ｈはダク
テッドファンに作用する水平空気力、Ｉはピッチングの
質量慣性能率、Ｍはダクテッドファンに作用するピッチ
ングモーメント、ｈはダクテッドファンの空力中心（Ａ
Ｃ）からビークル重心（ＣＧ）までの距離を示す。

【０００４】理論的にはダクテッドファン型ＶＴＯＬ機
の安定要因は４つある。すなわち、 （イ）ホバリング中の機体１が水平方向に移動するとき
、ダクトリップ部５に圧力差が生じこれによりピッチン
グモーメントＭが発生する。 （ロ）ロータを通過する流れはダクト４により規制され
るので機体２が水平移動しても常に垂直に吹き降ろされ
る。このため機体の移動を阻止しようとする抵抗Ｈが発
生する。 （ハ）機体２がピッチング運動をしたときロータ６およ
びダクト４にピッチダンピングモーメントが発生する。 （ニ）機体２の重心ＣＧより空力中心ＡＣ迄の距離ｈで
ある。

【０００５】この問題を解決するために、上記出願にお
いては、１つのダクト又は同一の複数のダクトを有する
機体と、該機体に固定される駆動装置と、前記ダクト内
に配設され該駆動装置により駆動されるローターと、ロ
ーター駆動時の反力トルクを吸収する反トルク消去手段
とを備えた空中浮遊装置において、機体の重心と空力中
心との距離に対する前記ダクトの径の比を機体の傾きお
よび推進方向の移動に対して安定する領域に設定するよ
うにしている。この安定領域については、機体の傾き及
び推進方向の移動に対して運動方程式をたて、その特性
方程式の係数を機体の重心と空力中心との距離に対する
ダクトの径の比の関数となるように変換し、機体の安定
条件を求めた結果、ダクトの径に対する機体の重心と空
力中心との距離の比（ｈ＊＝ｈ／Ｄ）が、０．８５〜０
．９１の狭い範囲内で機体が安定する領域が存在するこ
とが判明した。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の空中浮遊装置においては、機体の安定領域が狭いた
めに、設計の自由度が小さくなり、また、乗員の体重、
姿勢等が制限されると共に、不安定領域に近いために、
何かの理由で重心がずれた場合に機体が不安定になると
いう問題を有している。その後のラジコン模型実験にお
いて、機体の少しの前傾により著しい前進速度が生じる
が、機体の頭が仲々上がらないことが判り、これを解決
するために、機体の重心より上方に帆を付ければ、前進
速度の増大により帆に空気抵抗が生じ、これにより機体
の頭上げモーメントが生じるのではないかというアイデ
アが浮かんだ。問題は現実的な帆のサイズ及び高さで安
定性を増すかどうかである。

【０００７】本発明は、上記問題及び課題を解決するも
のであって、機体の安定領域を増大させ、外部要因によ
る影響をうけても自己安定性を確保することができると
共に、特別の姿勢制御を必要とすることがない空中浮遊
装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そのために本発明の空中
浮遊装置は、ダクトを有する機体と、該機体に固定され
る駆動装置と、前記ダクト内に配設され該駆動装置によ
り駆動されるローターと、該ローター駆動時の反力トル
クを吸収する反トルク消去手段とを備えた空中浮遊装置
において、機体の重心より上方に空気抵抗体を設けると
共に、機体の重心とダクトの空力中心との距離に対する
前記ダクトの径の比を機体の傾きおよび推進方向の移動
に対して安定する領域に設定したことを特徴とする。前
記空気抵抗体としては、帆、風船又は風車がある。また
、前記機体の重心とダクトの空力中心との距離に対する
前記ダクトの径の比を０．７５以上１．５以下に設定す
るのが好ましい。

【０００９】

【作用及び発明の効果】本発明においては、ダクトを有
する機体と、該機体に固定される駆動装置と、前記ダク
ト内に配設され該駆動装置により駆動されるローターと
、該ローター駆動時の反力トルクを吸収する反トルク消
去手段とを備えた空中浮遊装置において、機体の重心よ
り上方に空気抵抗体を設けると共に、機体の重心とダク
トの空力中心との距離に対する前記ダクトの径の比を機
体の傾きおよび推進方向の移動に対して安定する領域に
設定することにより、従来と比較して機体の安定領域を
増大させ、外部要因による影響をうけても自己安定性を
確保することができると共に、特別の姿勢制御を必要と
することがない空中浮遊装置を提供することができるも
のである。

【００１０】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照しつつ説明
する。図１は本発明の空中浮遊装置の１実施例を示す構
成図、図２は図１における２重反転ローターの駆動機構
を説明するための構成図である。

【００１１】図１において、空中浮遊装置１は機体２と
、機体２に固定されるエンジン３およびダクト４を有し
、該ダクト４には揚力を発生させるためのダクトリップ
部５を設け、また、ダクト４内には、前記エンジン３に
より駆動される２重反転ローター６が配設されると共に
、ダクト４の下面には支持脚７が設けられている。さら
に、機体２の上部には空気抵抗体としての帆８が取付け
られる。なお、飛行中は、直交する二つの水平方向のど
ちらに対しても安定でなければならないので、帆８は、
平面視で十字形に配置する必要がある。さらに、十字形
に配置する帆のうちの前進したい方向に面する帆をパイ
ロットの手動操作により後ろ向きに角度を可変させるよ
うにして前進速度を増大させることも可能である。 また、帆の変わりに風船とか、風車を付けることも考え
られる。風船の場合には、その体積を容易に変化させる
ことができる利点があり、風車の場合には帆よりも軽量
化できると共にフェザリングによる可変抗力化の利点が
ある。

【００１２】図２に示すように、２重反転ローター６は
、互いに反対方向に回転するローター６ａ、６ｂを有し
、一方のローター６ａはサンギヤ９を供えるエンジン３
のクランク軸１０に連結され、他方のローター６ｂはキ
ャリヤ１１に連結されている。該キャリヤ１１には同一
円上に２〜５セットのダブルピニオン１２、１３が回転
自在に設けられ、該ダブルピニオン１２、１３は互いに
噛合され、一方のダブルピニオン１２は前記サンギヤ９
と噛合され、他方のダブルピニオン１３は、本体２に固
定されているリングギヤ１４と噛合されている。そして
、リングギヤ１４の歯数をサンギヤの歯数の２倍とする
ことにより、エンジン３の駆動によりローター６ａ、６
ｂを互いに反対方向に等回転させ、ローターの回転によ
って生じる反力トルクを打消すものである。

【００１３】次に、上記空中浮遊装置１の自己安定性の
条件について解析する。

【００１４】機体の推力（揚力）をＴ、パワーをＰ、空
気密度をρ、ダクト内の流れの断面積をＡ、ダクト出口
の軸方向流速をＶ、体積流量をＶ＊とすると、下記の式
が成立する。

【００１５】

【数１】

【００１６】僅かなダクト前進速度ＵＤ　がある時の、
ダクテッドファンに作用する抵抗Ｈは、 Ｈ＝（ρＡＶ）ＵＤ　＝ＴＵＤ　／Ｖ となる。以上は単純な運動量理論に基づく理想状態のも
のである。また、上式のＨは有害抵抗を含まない。抵抗
Ｈは移動速度ＵＤ　の２乗ではなく１乗である、従って
低速でも非常に大きい。また、ファン突端の周速をＶＴ
　とし、Ｔ／ρＡ（ＶＴ）２　＝無次元数とおくと、Ｔ
／Ａ＝無次元数×ρ（ＶＴ）２　となる。従って、ファ
ン・ブレード突端速度ＶＴ　さえ一定ならば円板荷重Ｔ
／Ａはダクト

【００１７】の寸法による影響を受けない
。また、

【数１】式により、Ｖもダクトの寸法による影
響を受けない。

【００１８】次に、機体の自己安定性の解析を行うと、
ビークル重心の水平方向の運動方程式およびビークル重
心まわりの回転運動方程式は、それぞれ

【００１９】

【数２】

【００２０】記号の説明 Ａ　　：ダクト内の流れの断面積 ρ　　：空気密度 ｍ　　：ビークル全体の質量 Ｕ　　：ビークル重心の水平移動速度 ＵＤ　：ダクトの水平移動速度 ＵＳ　：帆の水平移動速度 Ｔ　　：推力 θ　　：ビークルのピッチ姿勢角、頭上げ正、単位ｒａ
ｄＨ　　：ダクテッドファンに作用する水平空気力、後
方向き正 Ｉ　　：重心まわりの質量慣性能率 Ｍ　　：ダクテッドファンに作用するピッチングモーメ
ント、頭上げ正 ｈ　　：ダクテッドファンの空力中心（ＡＣ）からビー
クル重心（ＣＧ）までの距離 ｈＳ　：ダクテッドファンの空力中心（ＡＣ）から帆ま
での高さ ＣＤＳ：帆の有害抵抗面積 ＳＳ　：帆の面積 ここで、Ｔ≒ｍｇ、Ｈ＝ｍｇＵＤ　／Ｖ、ＵＤ　＝Ｕ＋
ｈ（ｄθ／ｄｔ）、

【００２１】ＵＳ　＝Ｕ−（ｄθ／ｄｔ）（ｈＳ−ｈ）
であり、さらに、

【数２】式の無次元化を図るために次のように定義する
。

【００２２】

【数３】

【００２３】従って、

【数２】式は次のようになる。

【００２４】

【数４】

【００２５】上式のマトリクスＡは定数であるから前式
の右辺の第１項は線形であり、第２項は非線形である。

【００２６】以下において、τ＝０でｕ＝０、θ＝０．
０５、Г＝０という初期値を与えて、ルンゲクッタ法に
より、τ＝１のきざみでｕ、θ、Гの変化を計算した。

【００２７】以下に計算に用いる諸定数の根拠について
説明する。図３は、ブレード角１０度のときの可変ベー
ンの入口における馬力荷重と円板

【００２８】荷重の関係を示している。図で理想ホバリ
ング効率Ｅ＝１．０は、

【数１】式を変形し、

【００２９】

【数５】

【００３０】図４（Ａ）はＤ＝２８インチのダクテッド
ファンの模型を示し、図４（Ｂ）は風洞試験の結果であ
り、推力Ｔ＝３０（ｌｂ）におけるダクテッドファンに
作用するピッチングモーメントＭとビークル重心の水平
移動速度Ｕとの関係を示している。ここで、ｒはダクト
のリップ半径、Ｄはダクト内径、θは風洞流に対するダ
クトの傾斜角を示している。これにより、ダクトリップ
の大きい場合、

【００３１】

【数６】

【００３２】図５は、２つのダクテッドファンを有する
ものである。ここで、Ｄ＝２８″、ｍ＝８０（ｌ　ｂ）
、長軸まわりの慣性能率Ｉ＝２．２であり、これから１
ダクテッドファンを有するビークルへの近似として、下
記の値を得る。 Ｉ＊＝Ｉ／ｍＤ２　＝０．１６２５ 図６（Ａ）は、日本航空宇宙学会誌第３１巻第３５２号
における内藤晃氏の論文「ダクテッドロータのピッチダ
ンピング」に発表されているピッチ・ダンピングとロー
タのバネ係数Ｋβとの関係を示すもので、図中、曲線は
計算結果であり点は実験データを示しているが、いずれ
にしても、機体がピッチング運動をしたときロータおよ
びダクトに発生するピッチダンピングは、

【００３３】

【数７】

【００３４】ｈ＊＝０．７５、０．８０、０．８３、０
．８５、０．９１、０．９３、０．９５、１．００、１
．３０、１．４０、１．５０ ＣＤＳ＊＝０、０．０１、０．０３、０．０５ｈＳ＊＝
１、２、４、６、８、１０ 図８は計算結果をまとめた図であり、網点部が安定領域
を示している。例えば、帆の有害抵抗面積がＣＤＳ＊＝
０．０５、ダクテッドファンの空力中心から帆までの高
さがｈＳ＊＝４では、ダクトの径に対する機体の重心と
空力中心との距離の比ｈ＊は、１．３≦ｈ＊≦０．８５
の範囲で安定領域にあり、ｈ＊の安定領域範囲は、Δｈ
＊＝０．４５となる。また、ＣＤＳ＊＝０．０５、ｈＳ
＊＝６では、１．５≦ｈ＊≦０．８０の範囲で安定領域
にあり、ｈ＊の安定領域範囲は、Δｈ＊＝０．７０とな
る。これは、前述の従来の場合、０．８５≦ｈ＊≦０．
９１の範囲で安定領域にあり、ｈ＊の安定領域範囲は、
Δｈ＊＝０．０６の場合と比較すれば格段に安定領域が
拡大されたことを示している。

【００３５】また、ＣＤＳ＊が０．０１〜０．０５の範
囲で変わるよりも、ｈＳ＊の変化の方が安定化に及ぼす
影響が著しい。すなわち、帆を大きくするよりも帆を高
くするほうが安定化に寄与することになる。

【００３６】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実
施例においては、１つのダクテッドファンを有する空中
浮遊装置について説明しているが、例えば、特願昭６２
−２０９７０号にて示すような複数のダクテッドファン
で支持される空中浮遊装置に適用してもよい。

【００３７】また、上記実施例においてはエンジンを駆
動源としているが、電動モータを採用してもよい。

【００３８】また、上記実施例においては、反トルク消
去手段として、２重反転ロータの駆動機構に遊星歯車機
構を採用しているが、駆動装置を２つ設け各々のロータ
を独立に駆動させてもよい。さらに、ダクトの入口に可
変ベーンを設け、該可変ベーンの角度を調節することに
より、反トルクを消去するとともに、ロール、ピッチお
よびヨーの姿勢制御を行うようにすれば、機体の安定性
は一層向上することになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空中浮遊装置の１実施例を示す構成図

【図２】図１における２重反転ローターの駆動機構を示
す構成図

【図３】馬力荷重と円板荷重との関係を示す図

【図４】
（Ａ）はダクテッドファンの模型を示す図、（Ｂ）は（
Ａ）の模型におけるピッチングモーメントを説明するた
めの図

【図５】（Ａ）および（Ｂ）は２ダクテッドファンの模
型を示す図

【図６】（Ａ）はピッチダンピングの計算結果と実験結
果を示す図、（Ｂ）はブレードの変位を説明するための
図

【図７】ダクトリップの大小と揚力との関係を示す図

【
図８】本発明の空中浮遊装置の安定領域を説明するため
の図

【図９】従来の空中浮遊装置を示す構成図

【符号の説明】

１…空中浮遊装置、２…本体、３…エンジン、４…ダク
ト ６ａ、６ｂ…ローター、６…反トルク消去手段、８…空
気抵抗体（帆） ＣＧ…機体重心、ＡＣ…空力中心 ｈ…ダクテッドファンの空力中心からビークル重心まで
の距離 ＣＤＳ＊…帆の有害抵抗面積 ｈＳ＊…ダクテッドファンの空力中心から帆までの高さ
ｈ＊…ダクトの径に対する機体の重心と空力中心との距
離の比

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ダクトを有する機体と、該機体に固定され
   る駆動装置と、前記ダクト内に配設され該駆動装置によ
   り駆動されるローターと、該ローター駆動時の反力トル
   クを吸収する反トルク消去手段とを備えた空中浮遊装置
   において、機体の重心より上方に空気抵抗体を設けると
   共に、機体の重心とダクトの空力中心との距離に対する
   前記ダクトの径の比を機体の傾きおよび推進方向の移動
   に対して安定する領域に設定したことを特徴とする空中
   浮遊装置。
2. 【請求項２】前記空気抵抗体が帆、風船又は風車である
   ことを特徴とする請求項１に記載の空中浮遊装置。
3. 【請求項３】前記機体の重心とダクトの空力中心との距
   離に対する前記ダクトの径の比を０．７５以上１．５以
   下に設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に
   記載の空中浮遊装置。