JP4223921B2 - 垂直離着陸飛翔装置 - Google Patents

Description

本発明は、救助活動等に利用可能な小型の垂直離着陸飛翔装置に関する。

垂直離着陸飛翔装置の代表例としてヘリコプターが知られている。また、特許文献１では、複数の揚力発生用プロペラユニットを備えた垂直離着陸航空機が提案されている。しかしながら、これらの装置は機体が大きいために機動性に欠けるという欠点がある。また、プロペラ（ロータ）が機体の周囲に大きく張り出しているため、たとえば火災現場や事故現場などに近接して、要救助者を救助したり消火活動を行うことが難しいという問題点もある。したがって、救助活動等への利用を考えた場合には、より小型の機動性に優れた垂直離着陸飛翔装置が望まれる。

小型の垂直離着陸飛翔装置としては、たとえば、ベル社のロケットベルト、トレック・エンターテイメント社のミレニアムジェット、ウィリアムス社のＸ−ＪＥＴなどが知られている。しかし、これらの装置は、推力の大きさや方向を操縦者の感覚や体重移動によって制御しなければならず、熟練した飛行技術が要求されるという課題がある。
特開２００２−３７０６９６号公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、簡単かつ安全に操縦可能な小型の垂直離着陸飛翔装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の垂直離着陸飛翔装置は以下の構成を採用する。

垂直離着陸飛翔装置は、機体に対してほぼ垂直上方に推力を発生する複数の推力発生機と、推力発生機を駆動する駆動源と、乗員席と、を有する。ここで、推力発生機は、機体の前部および後部にそれぞれ配置され、駆動源および乗員席の座面は、飛翔装置の重心が機体中央よりも下になるよう機体前部の推力発生機と機体後部の推力発生機の間であって、推力発生機よりも低い位置に配置されていることが好ましい。

このようなレイアウトにより、機体前後の推力発生機の間、かつ、下寄りに重心が位置し、飛行時にはこの重心を機体前後の推力発生機の推力で上から吊り下げるかたちとなる。したがって、飛行中の機体安定性が増し、安全性が向上する。

また、機体の前後に推力発生機を配置することで機体幅を小さくすることができ、乗員席を設けて搭乗者に着座姿勢をとらせることで機体高さも小さくすることができる。よって、飛行中の空気抵抗や、横風などにより作用する空力モーメントを小さく抑えることができ、飛行安定性の向上と燃費向上とを図ることができる。

さらに、機体側方には推力発生機が存在しないので、建物などの接近目標物に対して機体側方から接近することが可能となる。

上記構成において、推力発生機は、それぞれの推力の方向が機体の重心のほぼ鉛直上方にあたる一点において交差するように配置されていることが好ましい。ここで、推力の合力の水平分力がほぼゼロになるように、各推力発生機を配置するとなおよい。

このようなレイアウトによれば、推力の合力の垂直分力が重心のほぼ鉛直上方に作用することになるので、垂直離着陸飛翔装置は、重心位置にあるおもりを推力の交差する点（支点）で吊り下げた単振り子と同じような挙動を示す。したがって、機体がロール方向またはピッチング方向に傾斜した場合には、振り子の原理によって傾きを修正する方向に復元力が発生し、姿勢が補正されることになり、飛行中の機体安定性をさらに向上させることが可能となる。

上記構成において、地上走行可能な車輪と、その車輪を回転させる駆動源と、をさらに有することも好ましい。

これにより地上での機動性が向上する。また、地上走行可能な場所では車輪で移動し、水面上や高度を必要とする場合のみ飛行するようにすれば、燃料消費を低減することができる。

また、飛行中も車輪を回転させることによりジャイロモーメントを発生させることができ、車輪の操舵によって機体の姿勢を調整することが可能になる。

上記構成において、機体の姿勢角度を検出する検出手段と、車輪をロール方向に傾斜可能にする傾動機構と、飛行中の姿勢角度に応じて車輪の傾斜角度を調整する調整手段と、をさらに有することも好ましい。

飛行中、回転している車輪をロール方向に傾斜させるとジャイロモーメントが発生する。よって、飛行中の姿勢角度に応じて車輪の傾斜角度を調整することによって、風などの影響で機体が傾いたときに自動的に姿勢を補正することができ、飛行中の機体安定性を向上させることが可能になる。

上記構成において、少なくとも乗員の頭上を覆う保護部材と、保護部材の内部に格納されたパラシュートと、をさらに有し、パラシュートは、機体の重心のほぼ鉛直上方に固定されていることも好ましい。

保護部材を設けたことにより、機体が横転した場合などに搭乗者を保護することができる。また、パラシュートを設けたことにより、飛行中に機体が制御不能となった場合でも、機体の落下を防止して搭乗者の安全を確保することができる。また、パラシュートを重心のほぼ鉛直上方に固定しているので、パラシュート降下時の機体姿勢を安定に保つことができる。

さらに、保護部材の内部空間を利用してパラシュートを格納したので、パラシュート設置用の場所を確保する必要がなくなり、レイアウトの合理化を図ることができる。しかも、パラシュート打ち出し用の火薬の噴射ガスが保護部材の下面で遮られ、搭乗者に危険を及ぼすことがないという利点もある。

ここで、保護部材が翼形状断面を呈しているとなおよい。これにより、飛行中、保護部材の上面に揚力が発生するので、飛翔装置の浮力を補助し、動力の低減および燃費向上を図ることができる。

上記構成において、補助推力を発生するジェットノズルをさらに有することも好ましい。

機体が傾斜するなどして推力が不足した場合に、時間応答性の良好なジェットノズルで
補助推力を発生させるようにすれば、常にほぼ一定の飛行高度を保つことができ、操縦の簡易化と安全性の向上を図ることができる。

上記構成において、車輪のスポークがロータ形状を呈していることも好ましい。

スポークがロータ形状を呈しているので、飛行中に車輪を回転させることで回転軸方向に空気力（揚力）が発生する。よって、この空気力を利用して機体の姿勢制御を行うことが可能になる。

本発明によれば、操縦の簡単化と安全性の向上を図ることができる。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る垂直離着陸飛翔装置（以下、「飛翔装置」という。）の外観を示している。同図（ａ）は上視図、（ｂ）は側面図である。なお、本明細書において、前、後、左、右、上、下その他の方向は、特に断りのない限り、飛翔装置の操縦者を基準とした方向を表すものとする。

飛翔装置１は、機体前側から順に、機体前部１Ａ、機体中央部１Ｂ、機体後部１Ｃの３つのブロックから構成され、全体として幅方向に狭く、前後方向に長い外観を呈している。

機体前部１Ａと機体後部１Ｃには、それぞれ４つずつ推力発生機たるファン２が設けられている。ファン２は、機体の中心軸に対して左右均等に配置される。

機体中央部１Ｂのほぼ真中には、飛翔装置１を操縦する操縦者Ｈが着座するための乗員席４が設けられる。乗員席４の座面４ｂ、すなわち操縦者Ｈの荷重が主に作用する部位は、ファン２の推力発生面（回転面）よりも低い位置に配置されている。乗員席４の前方には、操縦に用いる操作パネル６および操縦桿７が配置され、乗員席４の後方には、同乗者用の後部乗員席４ａが設けられる。乗員席４，４ａの側方、すなわち機体中央部１Ｂの右側部と左側部は開放されており、搭乗者（操縦者Ｈ、同乗者）は機体側方から飛翔装置１に搭乗可能である。

機体中央部１Ｂの下端には、側方に張り出すステップ８が設けられており、このステップ８は乗降時の踏み段として、搭乗中の足置きとして、あるいは、荷物の載置台として用いられる。ステップ８の前端には、機体前部１Ａと機体中央部１Ｂとを仕切るための脚カバー９が設けられている。

さらに、機体中央部１Ｂにおいて、乗員席４，４ａの座面４ｂの下には、ファン２を駆動する駆動源３と、駆動源３の燃料を貯蔵する燃料タンク５とが配置される。本実施形態では、フェールセーフの観点から、同一構成の２基の駆動源３（３ａ，３ｂ）が向い合せに搭載されている。駆動源３は、ステップ８の後方にてステップ８の側端よりも外側に張り出す形状を呈しており、機体中央部１Ｂと機体後部１Ｃとを仕切る役割も担っている。なお、２基の駆動源３ａ，３ｂの配置としては、向い合せでなく、平行に設けてもよい。

ファン２の駆動方式としては、種々のもの、たとえば高圧ガス、電力、原動機軸出力などを採用可能であり、駆動方式に応じて駆動源３および駆動力をファン２に伝達する伝達
系の構成も異なる。図２は、高圧ガス方式の伝達系の一例を示している。この場合、駆動源３は、側面または背面に設けられた空気吸入口（不図示）から空気を取り込み、コンプレッサで圧縮する。そして、圧縮した高圧ガスを、配管１０を通じて伝達し、ファン２の入力軸に吹き付けてファン２を回転させる。図３に示す原動機軸出力方式の場合には、駆動源３から出力されたシャフト１１の回転力がギア１２を介して伝達され、ファン２を回転させる。また、電力方式の場合には、駆動源３で発電した電力を配線を介してファン２のモータに供給し、ファン２を回転させる。

ファン２は、駆動源３から供給された駆動力により高速に回転し、機体下方への空気流（図中の矢印）を生み出すことで、機体に対してほぼ垂直上方に推力を発生する。このファン２の推力によって、飛翔装置１は、垂直方向に離陸／着陸することができる。

離陸した後は、図４に示すように、機体を傾斜させてファン２の推力１３の分力１３ａを利用することにより、前後左右に進むための推進力を得る。このとき、機体の傾斜角度は、操縦桿７と連動させて機体前後のファン２の回転数を制御することにより調整可能である。

あるいは、機体を傾斜させるのではなく、図５に示すように、機体前方への推進力を発生する第２のファン１４を設けてもよい。この第２のファン１４の回転数も操縦桿７と連動して制御される。なお、第２のファン１４の駆動力は、ファン２と同じく駆動源３から得ればよい。

上記構成の飛翔装置１にあっては、駆動源３および乗員席４の座面４ｂが、機体前部１Ａのファン２と機体後部１Ｃのファン２の間であって、ファン２よりも低い位置に配置されている。つまり、飛翔装置１の重心Ｇは、図４，５に示すように機体中央下寄りに位置し、飛行時にはこの重心Ｇを機体前後のファン２の推力で上から吊り下げるかたちとなる。したがって、飛行中の機体安定性が増し、安全性が向上する。

また、機体の前後にファン２を配置したことにより機体幅が小さくなり、乗員席４を設けて搭乗者に着座姿勢をとらせたことにより機体高さも小さくなる。よって、飛行中の空気抵抗や、横風などにより作用する空力モーメントを小さく抑えることができ、飛行安定性の向上と燃費向上とを図ることができる。

また、操縦桿７を操作して機体前後のファン２もしくは第２のファン１４の回転数を制御することにより飛行制御を行うことができるので、操縦の簡単化を図ることができる。特に、第２のファン１４を設けた場合には、前進飛行時に機体を前傾させる必要がないので、安全性をさらに向上することができる。

ところで、冬場など外気温が低い場合に、ファン２の空気流や駆動源３の吸入空気流が搭乗者に直接触れると、凍傷などの事故を引き起こすおそれがある。その点、本実施形態では、機体前後のファン２の間に乗員席４をレイアウトすることで、ファン２の空気流が搭乗者に直接当たらないようにしているので、事故の発生を未然に防止できる。しかも、機体前部１Ａとステップ８との間を脚カバー９で仕切り、機体後部１Ｃとステップ８との間を駆動源３で仕切ることで、不測の事態においても誤って空気流に触れることがないように配慮している。また、駆動源３を乗員席４の下に設け、その空気吸入口を側面（ステップ８の外側）または背面に設けているので、吸入空気流が搭乗者に触れることもない。

また、機体の前後にファン２を配置するレイアウトとしたので、図６に示すように、建物などの接近目標物に対して機体側方から接近することが可能となる。さらに、乗員席４の側方は開放されているので、機体側方の目標物に対して容易にアクセス可能である。図
６は、火災の起きている建物に接近し、消火活動や被災者の救助を行う様子を示している。

なお、本実施形態では、前後に４つずつ計８個のファン２を設けているが、ファン２の数や配置については適宜変更可能である。また、乗員席４の数や機体の形状なども適宜変更可能である。たとえば、図７の変形例では、機体前後にそれぞれ２つずつファン２を設け、その間に駆動源３と１つの乗員席４を配置しており、図８の変形例では、機体前後にそれぞれ１つずつファン２を設け、その間に駆動源３と１つの乗員席４を配置している。かかる変形例においても、ファン２、駆動源３、乗員席４などを上記実施形態と同様にレイアウトすることで、上記実施形態に準じた作用効果を奏することが可能である。

（第２の実施形態）
図９〜図１１に、本発明の第２の実施形態を示す。

上記第１の実施形態では、ファン２の推力が鉛直上方を向いていたのに対し、第２の実施形態では、ファン２のそれぞれの推力の方向が機体の重心Ｇのほぼ鉛直上方にあたる一点において交差するようにファン２が配置されている点で異なる。その他の構成は第１の実施形態のものと同様であるため、以下では相違する部分を中心に説明する。

本実施形態の飛翔装置は、機体前部と機体後部にそれぞれ２つずつ計４個のファン２を有している。それぞれのファン２は、水平方向傾斜角α、垂直方向傾斜角βをつけて、上面がやや機体内側を向くように取り付けられている。よって、各ファン２の推力の方向（推力軸）は、機体上方の一点Ｐにおいて交差する。このとき、各推力の水平分力は互いにつり合うので、推力の合力は点Ｐにおいて鉛直上方に作用する力とみなすことができる。

一方、駆動源３および乗員席４の座面は、機体前部のファン２と機体後部のファン２の間であって、ファン２よりも低い位置に配置され、ちょうど前後のファン２のほぼ中間、すなわち点Ｐのほぼ鉛直下方に機体の重心Ｇがくるように設定されている。

このようにレイアウトされた飛翔装置は、重心Ｇにあるおもりを支点Ｐで吊り下げた単振り子と同じような挙動を示す。つまり、図１０に示すように、風などの影響により重心Ｇ周りに空力モーメントが作用し、機体がロール方向に傾いた場合には、振り子の原理によって傾きを修正する方向に復元力が発生する。また、図１１に示すように、機体がピッチング方向に傾いた場合も同様に復元力が発生する。

したがって、本実施形態の構成によれば、第１の実施形態のものよりもさらに飛行中の機体安定性が向上する。そして、機体安定性が向上すると、姿勢制御用の馬力（コントロールパワー）を低減することができるので、燃費の向上を図ることができ、たとえば同一燃料の条件であれば飛行時間を増大させることが可能となる。

（第３の実施形態）
図１２，図１３に、本発明の第３の実施形態を示す。

本実施形態の飛翔装置は地上走行可能な車輪を有している。その他の構成は上記実施形態のものと同様であるため、以下では相違する部分を中心に説明する。

飛翔装置の機体前部と後部には、衝撃吸収装置１５を介して、地上走行用の車輪１６が設けられている。車輪１６の駆動源としては、ファン２の駆動源３を共用してもよいし、駆動源３で発電した電力で動作するモータを設けてもよい。機体前部の車輪１６は、操縦桿７の操舵と連動して左右に回動可能である。

地上走行時には、ファン２の駆動を止め、車輪１６のみ回転させて移動する。進路の変更は操縦桿７を操舵することにより行う。これにより地上での機動性が向上する。また、地上走行可能な場所では車輪１６で移動し、水面上や高度を必要とする場合のみ飛行するようにすれば、燃料消費を低減でき、稼働時間を大幅に伸ばすことができる。

一方、飛行時は、ファン２と車輪１６の両方を駆動する。このとき、操縦桿７を操舵して車輪１６を回動させると、車輪１６に対し、回転軸と回動軸の両方に直交する方向にジャイロモーメントが発生する。すなわち、図１３（ａ）に示すように車輪１６を右側に回動すると、ヨー方向右向きの力が作用し、同図（ｃ）に示すように車輪１６を左側に回動すると、ヨー方向左向きの力が作用する。このように、車輪１６を設けたことにより、飛行中においてもヨー方向に姿勢を変えることが可能となる。

（第４の実施形態）
図１４〜図１７に、本発明の第４の実施形態を示す。

本実施形態の飛翔装置はロール方向の姿勢を調整する手段を有している。その他の構成は上記実施形態のものと同様であるため、以下では相違する部分を中心に説明する。

図１４に示すように、飛翔装置の機体前部と後部には、衝撃吸収装置１５を介して、地上走行用の車輪１６が設けられている。車輪１６の駆動源としては、ファン２の駆動源３を共用してもよいし、駆動源３で発電した電力で動作するモータを設けてもよい。機体前部の車輪１６は、操縦桿７の操舵と連動して左右に回動可能である。

また、飛翔装置には、機体の姿勢角度を検出するジャイロ（検出手段）１８と、車輪１６をロール方向に傾斜可能にする傾動機構１９と、機体の姿勢を制御する姿勢制御コンピュータ２０と、が設けられている。ジャイロ１８および傾動機構１９は、姿勢制御コンピュータ２０に接続されている。ここでは、姿勢制御コンピュータ２０が、飛行中の姿勢角度に応じて車輪１６の傾斜角度を調整する調整手段として機能する。

図１５および図１６を参照して、傾動機構１９の構成を詳しく説明する。傾動機構１９は、左右一対のアクチュエータ２１を有して構成される。アクチュエータ２１の下端は、連結部２２を介して、車輪１６と衝撃吸収装置１５からなる車輪ユニット２３に連結されている。この連結部２２は、アクチュエータ２１と車輪ユニット２３とをロール方向に回動自在に連結する。

アクチュエータ２１は、ステップモータ２４、出力軸２５、伸縮部２６などから構成される。機体に設けられた姿勢制御コンピュータ２０からステップモータ２４に制御信号が入力されると、制御信号に応じた回転数だけステップモータ２４が回転する。ステップモータ２４の回転により、ネジの切られた出力軸２５が回転すると、伸縮部２６の位置が上昇／下降する。これにより、アクチュエータ２１の長さが伸縮する。

左右のアクチュエータ２１は独立に制御可能であって、それぞれの長さを互いに異ならせることができる。この両アクチュエータ２１の長さの差異により、車輪ユニット２３（車輪１６）の傾斜角度が決定される。つまり、図１５（ａ）のように左右のアクチュエータ２１の長さが同じ場合には車輪１６は垂直になり、同図（ｂ）のように機体右側のアクチュエータ２１が左側よりも短くなった場合には車輪１６はロール方向右側に傾斜し、同図（ｃ）のように機体左側のアクチュエータ２１のほうが短くなった場合には車輪１６はロール方向左側に傾斜するのである。

図１７は、飛行時の姿勢制御の様子を示している。飛行中、車輪１６は一定速度で回転している。横風２７などを受けて機体の姿勢が変化すると、ジャイロ１８によって機体の姿勢角度が検出され、検出値が姿勢制御コンピュータ２０に入力される。姿勢制御コンピュータ２０は、検出された姿勢角度に基づいて、車輪１６を傾斜させる方向および角度を算出する。この算出結果は回転数制御信号としてステップモータ２４に送信される。図示の例では、横風２７の影響で機体が左方向にロールしたため、車輪１６を左方向に傾斜させて、機体を右方向にロールさせるような復元モーメントを発生させている。

このように、本実施形態の構成によれば、風などの影響で機体が傾いたときに自動的に姿勢が補正されるので、飛行中の機体安定性が向上する。

（第５の実施形態）
図１８〜図２０に、本発明の第５の実施形態を示す。

本実施形態の飛翔装置はパラシュートを内蔵した保護部材を有している。その他の構成は上記実施形態のものと同様であるため、以下では相違する部分を中心に説明する。

図１８に示すように、飛翔装置には、操縦者Ｈの頭上を覆う保護部材２８が設けられている。保護部材２８は、乗員席４の左右に設けられた支持部材２９によって支持され、機体の重心Ｇのほぼ鉛直上方に配置される。保護部材２８および支持部材２９は、機体が横転した場合などに搭乗者を保護する機能を担っている。

保護部材２８は、翼形状断面を呈する。そのアスペクト比は、空気抵抗が小さく且つ揚力が最大に得られる値、たとえば６程度、に設定することが好ましい。これにより、飛行中、保護部材２８の上面に揚力が発生するので、飛翔装置の浮力を補助し、動力の低減および燃費の向上を図ることができる。

また、図１９の透視図に示すように、保護部材２８の中央内部には、翼形状の内部空間を利用して、非常用のパラシュート３０が格納されている。パラシュート３０と保護部材２８下面の間には、パラシュート３０打ち出し用の火薬３１が配備されており、この火薬３１には起動プラグ３２が繋がっている。起動プラグ３２は、姿勢制御コンピュータと操作パネルの手動スイッチとにパラレルに接続される。なお、パラシュート３０のラインの下端は、機体の重心Ｇのほぼ鉛直上方に固定されている。

図２０に、パラシュートの打ち出しの様子を示す。姿勢制御コンピュータが落下中と判断した場合、もしくは、操縦者Ｈが手動スイッチを操作した場合には、起動プラグ３２へ信号が流れる。そして、火薬３１が点火すると、パラシュート３０が機体上方に打ち出される。パラシュート３０は機体の落下により生じる風圧によって開き、機体の降下速度を緩慢にする。

したがって、横風や突風の影響などで機体が制御不能になった場合でも、機体の落下を防止して搭乗者の安全を確保することができる。

また、パラシュート３０を保護部材２８の内部に設けて、打ち出し用の火薬３１の噴射ガスが保護部材２８の下面で遮られるようにしたので、搭乗者に危険を及ぼすことがない。

さらに、パラシュート３０を重心Ｇのほぼ鉛直上方に固定したので、パラシュート降下時の機体姿勢を安定に保つことができる。

（第６の実施形態）
図２１〜図２４に、本発明の第６の実施形態を示す。

本実施形態の飛翔装置は補助推力を発生するジェットノズルを有している。その他の構成は上記実施形態のものと同様であるため、以下では相違する部分を中心に説明する。

図２１に示すように、飛翔装置の機体前部と機体後部には、それぞれ空気ジェットノズル３３が設けられている。空気ジェットノズル３３は、機体の重心Ｇを通る垂線に対して対称な位置に、すなわち、機体の中心軸と機体の重心Ｇとを通る平面上に配置される。

空気ジェットノズル３３は、高圧ガス方式の駆動源３と配管１０で接続されている。空気ジェットノズル３３は、上方向と下方向とに２つのノズルを有しており、上方向または下方向に高圧ガスを噴射して推力を発生させる。この点、高圧ガスを回転駆動力として用いるファン２とは推力発生原理が異なる。

空気ジェットノズル３３と配管１０の間には、姿勢制御コンピュータ２０に接続されたコントロール弁３４が設けられている。コントロール弁３４は姿勢制御コンピュータ２０からの制御信号にしたがって、空気ジェットノズル３３のノズルの切り替え、噴射量の制御などを行う。

図２２（ａ）に示すように、水平姿勢で飛行している場合には、ファン２の推力軸がほぼ鉛直上方を向き、垂直方向推力がほぼ最大となる。これに対し、同図（ｂ）に示すように、機体の姿勢角度を自ら変えたり、外乱風３５の影響で機体が傾いたりして傾斜姿勢となった場合には、推力軸も傾斜してしまうため、垂直方向推力（分力）が減り、飛行高度が下がってしまう。図２３は、水平姿勢と傾斜姿勢を比べた場合の垂直方向推力の不足分を表している。

姿勢制御コンピュータ２０は、機体が傾斜姿勢になったこと、あるいは、飛行高度が低下したことを検知すると、推力不足を補填するためにメインの推力発生機であるファン２の回転数を増大する。しかしながら、上述したように、ファン２のようなジェットエンジン方式の推力発生機ではエネルギー変換によるタイムロスが大きく、目標推力到達までの時間応答性が悪い。具体的には、図２４に示すように、目標到達まで２秒程度要してしまう。

そこで、本実施形態では、姿勢制御コンピュータ２０は、ファン２の回転数を増大させる一方で、コントロール弁３４を制御して空気ジェットノズル３３から補助推力を発生させる。空気ジェットノズル３３の応答性は、図２４に示すように、０．０３秒と良好なため、垂直方向推力の不足分を迅速に補填することができ、飛行高度の変動を最小限に抑えることができる。そして、姿勢制御コンピュータ２０は、ファン２によるメイン推力の上昇に応じて、空気ジェットノズル３３の噴射量を少なくしていき、メイン推力が目標推力に達した時点で空気ジェットノズル３３をオフにする。

以上述べた方法によれば、機体の姿勢によらず、常にほぼ一定の飛行高度を保つことができ、操縦の簡易化と安全性の向上を図ることができる。

また、前後の空気ジェットノズル３３を重心Ｇを通る垂線に対して対称な位置に配置したので、補助推力によって機体に余計なモーメントが作用することがなく、機体姿勢を安定に保つことができる。

なお、本実施形態では、下方向へのジェット噴射のみ説明したが、たとえば、傾斜姿勢
から水平姿勢に変更したときや、外乱風の影響により機体が上昇した場合などに、上方向のジェット噴射を用いることで、下方向にマイナスの補助推力を発生させることもできる。また、ピッチング方向に傾斜した機体姿勢を迅速に補正するために、上方向と下方向のジェット噴射を組み合わせて用いることもできる。

また、ここでは機体の前後にのみ空気ジェットノズルを設けたが、図７、図９に示すように、機体の左右にも空気ジェットノズルを設けたり、空気ジェットノズルに上方向と下方向だけでなく前／後／左／右のノズルを追加したりすることも好ましい。

（第７の実施形態）
図２５〜図２８に、本発明の第７の実施形態を示す。

本実施形態では、車輪のスポークがロータ形状を呈している。その他の構成は上記実施形態のものと同様であるため、以下では相違する部分を中心に説明する。

図２５（ａ）は、本実施形態の飛翔装置が具備するロータ車輪３６を示す斜視図である。ロータ車輪３６は機体前部と機体後部にそれぞれ設けられる。ロータ車輪３６の外周部（タイヤ）３７とハブ部３８の間を接続するスポーク３９は、ロータ（プロペラ）形状を呈している。具体的には、スポーク３９は、図２５（ｂ）のごとく楕円翼断面形状を有し、長軸方向（Ａ−Ａ方向）がロータ車輪３６の回転面に対して所定の角度を有するように斜めに取り付けられている。また、ハブ部３８には、図２５（ｃ）に示すように、回転数ピックアップ４０が内蔵されている。

図２６は、飛翔装置の側面透視図である。ロータ車輪３６は、ファン２の駆動源（高圧ガス方式、原動機軸出力方式など）３から回転駆動力を得る。姿勢制御コンピュータ２０は、回転数ピックアップ４０および駆動源３に接続されており、駆動源３の出力を適宜制御することでロータ車輪３６の回転方向および回転数を制御する。

飛行中にロータ車輪３６を回転させると、ロータ車輪３６にジャイロモーメントが発生する。よって、操縦桿７でロータ車輪３６の向きを変えることで、第３の実施形態と同様、ヨー方向の姿勢を変化させることができる。また、ロータ車輪３６のスポーク３９がロータ形状となっているため、ロータ車輪３６が回転するとその回転軸方向に空気力（揚力）が発生する。このジャイロモーメントと空気力はロータ車輪３６の回転数を上げるほど大きくなり、反対に回転数が下がるほど小さくなる。また、ロータ車輪３６を逆転させると、逆方向の空気力が発生する。本実施形態では、スポーク３９を左右対称な楕円翼としたので、ロータ車輪３６の正転時と逆転時とでほぼ同等の大きさの空気力を得ることができる。

このような空気力を用いれば、図２７に示すように、外乱風４１の影響で機体が左方向にロールした場合には、機体前後のロータ車輪３６を正転させることで、元の姿勢に復帰させるような復元ロールモーメントを発生させることができる。逆に、図２８に示すように、外乱風４２の影響で機体が右方向にロールした場合には、機体前後のロータ車輪３６を逆転させることで、元の姿勢に復帰させることができる。また、機体前後のロータ車輪３６の回転方向を異ならせることで、機体にヨーモーメントを発生させることも可能である。

なお、本実施形態においても、第４の実施形態のごとくロータ車輪３６をロール方向に傾斜可能な機構を設け、ジャイロモーメントと空気力を組み合わせて姿勢制御を行うことも好ましい。

（第８の実施形態）
図２９〜図３１に、本発明の第８の実施形態を示す。

本実施形態の飛翔装置は、人の重量を推定する手段を有している。その他の構成は上記実施形態のものと同様であるため、以下では相違する部分を中心に説明する。

図２９に示すように、飛翔装置の前部と両側部の３箇所に、撮像装置であるＣＣＤカメラ４３と距離測定装置４４とが対にして設けられている。ＣＣＤカメラ４３は赤外線カメラの機能を有していることが好ましい。ＣＣＤカメラ４３と距離測定装置４４は、姿勢制御コンピュータ２０に接続されている。

図３０に示すように、ＣＣＤカメラ４３で対象者４５を撮像すると、その画像が姿勢制御コンピュータ２０に入力される。このとき同時に距離測定装置４４によって対象者４５までの距離が測定され、その測定値が姿勢制御コンピュータ２０に入力される。

姿勢制御コンピュータ２０は、図３１に示すように、まず画像の輪郭抽出を行い２次元面積を算出する。次に、ＣＣＤカメラ４３と対象者４５の間の距離に基づいて、対象者４５の身長を計算しスケールを合わせる。続いて、２次元面積を奥行き方向に押し出して仮想的な３次元モデルを生成し、体積を計算する。奥行き方向の押し出し量は、たとえば「身長：奥行き＝１８０：３０」の比率を用いればよい。そして、体積に人の平均密度を乗じて、対象者４５の推定重量を算出する。

本実施形態によれば、対象者４５の重量を予め推定することができるので、その者を搭乗させて飛行可能か否かを容易に判断することができる。

また、ＣＣＤカメラ４３および距離測定装置４４を機体側方にも設けたので、対象者４５に横方向から近づく場合でも、重量推定処理を行うことができる。

（第９の実施形態）
図３２〜図３４に、本発明の第９の実施形態を示す。

本実施形態の飛翔装置は、搭乗重量の増加に応じて推力を調整する手段を有している。その他の構成は上記実施形態のものと同様であるため、以下では相違する部分を中心に説明する。

図３２に示すように、飛翔装置の前部と両側部の３箇所に、撮像装置であるＣＣＤカメラ４３と距離測定装置４４とが対にして設けられている。ＣＣＤカメラ４３は赤外線カメラの機能を有していることが好ましい。また、飛翔装置の左右のステップ８には、重量センサー４６が設けられている。ＣＣＤカメラ４３、距離測定装置４４、重量センサー４６、駆動源３は、姿勢制御コンピュータ２０に接続されている。

図３３と図３４を参照して、推力調整処理の流れを説明する。図３３は、火災の発生している建物から要救助者４７を救助する様子を示している。図３４は、推力調整処理のフローチャートである。

姿勢制御コンピュータ２０は、まず、第８の実施形態と同様にして、要救助者４７の重量を推定する。そして、ステップＳ１において、重量推定値Ｄ１に基づき、要救助者４７を搭乗させた場合に安定飛行を行うに十分な推力を得ることができるか否か判断する。ここで、推力不十分と判断された場合には、要救助者４７を搭乗させることができない（ステップＳ２）。

一方、推力十分と判断された場合、姿勢制御コンピュータ２０は重量センサー４６から重量データＤ２を取り込む。そして、姿勢制御コンピュータ２０は、重量の増加分に応じた十分な推力が得られるまで推力を１％ずつ増加するフィードバックループ制御を実行する（ステップＳ３，Ｓ４）。図３３の黒矢印は増加前の推力、白矢印は増加後の推力を示している。

適切な推力まで増加したらループを抜け、要救助者４７が搭乗を完了したか否か判断する（ステップＳ５）。搭乗終了ならば処理を終了する。また、搭乗途中であればステップＳ１に戻り、新たな重量データＤ２を取り込んで、その重量増加分に応じた推力を増加する。

上記ループ処理を繰り返すことによって、要救助者４７がステップ８に足を掛けてから乗員席に搭乗するまでの間の搭乗重量の変化に追随して、適宜推力が増加するので、建物の近くでホバリング中のまま要救助者４７を安全に搭乗させることができる。

以上、第１〜第９の実施形態を例示して本発明の一具体例を説明したが、本発明の範囲は上記実施形態に限られるものではなく、その技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。また、第１〜第９の実施形態の構成を任意に組み合わせることも好ましい。

第１の実施形態に係る垂直離着陸飛翔装置を示す図である。 高圧ガス方式の駆動伝達系を示す図である。 原動機軸出力方式の駆動伝達系を示す図である。 前方へ進む場合の飛行姿勢を示す図である。 前方への推進力を発生する第２のファンを設けた変形例を示す図である。 火災の発生している建物に接近する様子を示す図である。 垂直離着陸飛翔装置の変形例を示す図である。 垂直離着陸飛翔装置の変形例を示す図である。 第２の実施形態に係る垂直離着陸飛翔装置を示す図である。 機体がロール方向に傾いた場合の復元力を示す図である。 機体がピッチング方向に傾いた場合の復元力を示す図である。 第３の実施形態に係る垂直離着陸飛翔装置を示す図である。 車輪の操舵に応じてヨー方向に発生するジャイロモーメントを示す図である。 第４の実施形態に係る垂直離着陸飛翔装置を示す図である。 傾動機構の構成を示す図である。 アクチュエータの構成を示す図である。 車輪を傾斜させることによりロール方向の姿勢制御を行う様子を示す図である。 第５の実施形態に係る垂直離着陸飛翔装置を示す図である。 保護部材に格納されているパラシュートを示す図である。 パラシュートの打ち出しの様子を示す図である。 第６の実施形態に係る垂直離着陸飛翔装置を示す図である。 水平姿勢と傾斜姿勢での垂直方向推力の違いを示す図である。 水平姿勢と傾斜姿勢を比べた場合の垂直方向推力の不足分を表す図である。 ファンと空気ジェットノズルの時間応答性の違いを示す図である。 第７の実施形態に係るロータ車輪の構成を示す図である。 第７の実施形態に係る垂直離着陸飛翔装置を示す図である。 ロータ車輪を正転させることによりロール方向の姿勢制御を行う様子を示す図である。 ロータ車輪を逆転させることによりロール方向の姿勢制御を行う様子を示す図である。 第８の実施形態に係る垂直離着陸飛翔装置を示す図である。 対象者を撮像する様子を示す図である。 重量推定処理の流れを示す図である。 第９の実施形態に係る垂直離着陸飛翔装置を示す図である。 火災の発生している建物から要救助者を救助する様子を示す図である。 推力調整処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 垂直離着陸飛翔装置
１Ａ 機体前部
１Ｂ 機体中央部
１Ｃ 機体後部
２ ファン（推力発生機）
３，３ａ，３ｂ 駆動源
４，４ａ 乗員席
４ｂ 座面
５ 燃料タンク
６ 操作パネル
７ 操縦桿
８ ステップ
９ 脚カバー
１０ 配管
１１ シャフト
１２ ギア
１３ 推力
１３ａ 分力
１４ 第２のファン
１５ 衝撃吸収装置
１６ 車輪
１８ ジャイロ
１９ 傾動機構
２０ 姿勢制御コンピュータ
２１ アクチュエータ
２２ 連結部
２３ 車輪ユニット
２４ ステップモータ
２５ 出力軸
２６ 伸縮部
２７ 横風
２８ 保護部材
２９ 支持部材
３０ パラシュート
３１ 火薬
３２ 起動プラグ
３３ 空気ジェットノズル
３４ コントロール弁
３５ 外乱風
３６ ロータ車輪
３７ 外周部
３８ ハブ部
３９ スポーク
４０ 回転数ピックアップ
４１ 外乱風
４２ 外乱風
４３ ＣＣＤカメラ
４４ 距離測定装置
４５ 対象者
４６ 重量センサー
４７ 要救助者
Ｇ 重心
Ｈ 操縦者
α 水平方向傾斜角
β 垂直方向傾斜角

Claims (6)

1. 機体に対してほぼ垂直上方に推力を発生する複数の推力発生機と、
   推力発生機を駆動する駆動源と、
   乗員席と、を有し、
   推力発生機は、機体の前部および後部にそれぞれ配置され、且つそれぞれの推力の方向が機体の重心のほぼ鉛直上方にあたる一点において交差するように配置され、
   駆動源および乗員席の座面は、飛翔装置の重心が機体中央よりも下になるよう機体前部の推力発生機と機体後部の推力発生機の間であって、推力発生機よりも低い位置に配置されている
   垂直離着陸飛翔装置。
2. 地上走行可能な車輪と、その車輪を回転させる駆動源と、をさらに有する請求項１記載の垂直離着陸飛翔装置。
3. 機体の姿勢角度を検出する検出手段と、
   車輪をロール方向に傾斜可能にする傾動機構と、
   飛行中の姿勢角度に応じて車輪の傾斜角度を調整する調整手段と、
   をさらに有する請求項２記載の垂直離着陸飛翔装置。
4. 少なくとも乗員の頭上を覆う保護部材と、
   保護部材の内部に格納されたパラシュートと、をさらに有し、
   パラシュートは、機体の重心のほぼ鉛直上方に固定されている請求項１〜３のうちいずれか１項記載の垂直離着陸飛翔装置。
5. 補助推力を発生するジェットノズルをさらに有する請求項１〜４のうちいずれか１項記載の垂直離着陸飛翔装置。
6. 車輪のスポークがロータ形状を呈している請求項２または３記載の垂直離着陸飛翔装置。
   

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