JPS6154352A - 姿勢安定化機構を有する空気浮上機 - 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】 （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前、特
に４個以上のファン（プロペラ、ローフを含む）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Ｏピにする礪構に関する。

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
ブを乗らして作業を行わざるを１９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
ートが摩滅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ァンを下方に向けて回転
しく「力を得て、比較的歯爪を浮上し、またそれぞれの
ファンによる１１１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大えられ、又、近年多数のヘリ
コプタを連結して市ｍ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）１１
は従）Ｋ、主にファンのサイクリックピッチ、コレクテ
ィブピッチ、及び回転数の操作によって行っているが、
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。このにつなことから、４１１ｉ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っ
て、多数（４個以上）のファンまたはロータによって浮
上する乗物の姿勢安定化をコレクティブピッチまたは回
転数の操作のみによっ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）発明の梠成 ［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、機体に取り伺けた４１１！ｉ１以上の
ファンを下に向けて回転さけてホバリングする空気浮上
機であって、前記フン・ンの回転軸を前記機体中心軸に
対して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■１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は浮上はであり
、浮上機１は別体２を備えている。ただし、第２図は第
１図において■−■部断面断面図り、第３図は第１図に
おいて■〜■部断面断面図る。機体２は４個の穴３を別
体中心軸Ｇ方向にくり汲いた形で、穴３はファン４ａ〜
４ｄのダクトとなる。４個のファン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によって機体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（＝Ｉけて
回転してもよく、又、エンジンを）成体中央に置きベル
ト駆動としてもよ（、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
してちよい。空気圧モータ及び電気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１易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個のファン４８〜４ｄの回転
軸７は第３図に示す如く、機体２の中心１ｌｌｌｌｌＧ
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）傾けである。傾きの方向は機体２の中心から見た
場合に、ファン４ａと４０は傾き方向が同じで、ファン
４ｂと４ｄはファン４．１　、４ｃとは逆方向に傾いて
いる。この実施例の場合、傾き角θはすべてのファン４
８〜４ｄ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１１１゛進効寧を高める
。８は地面である。

し作用１ 以上のＪこうに１１１１成された浮上機１の作用は次の
通りである。

回転装置５を駆動してファン／１．］　　（〜４（１）
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。Ｊｏなわち地面効果である。

ファン１個（直径りとする）を地面から高さＩ）に置い
たときの推力りは地面のないときのｌｌｔ力り。

に対して、第４図に示すような特性を有することがＮＡ
ＳＡの研究で知られている。又、複数のファンを使用す
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ッション効果である。ざらに機体
形状による影響も存在する。例えばは外周辺に出っ張り
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
、ＩＷ力を減じるように動く。

したがってファン４８〜４ｄは周辺に配首ザるのがよい
。以上はよく知られた事実であり、設計時に考虞寸べき
事項である。

さて各ファン４８〜４ｄのＩＩＩ力は回転数を変えるこ
とに−一って操作することができる。またピッチを変え
ることによって操作することもできる。

一般的にいえば、回転とピッチＪｔに変化さけることが
望ましい。つまり、回転故に対応して最適４ｃピツチが
決まるからである。一般（こエンジン駆４山の場合には
短周期で回転数を変動ざＵることは困ツ１であるので、
姿勢安定化のためにピッ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
することによって回転故で制御）口することができる。

したがっ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、それはピッチを変えるか、回転数を変え
るかのいずれかによって行うこととする。ここで強調Ｊ
°べきは、この発明においては、通常のヘリコプタにお
けるサイクリックピッチ機構を必要としないことである
。

次に安定性について）ホベる。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１？Ｗ　１ｌｉｂをとれば、−ぞれらはＸ
、Ｙ、Ｚ方向の移りｊとＸ、Ｙ、Ｚ軸まわりの回転であ
る。しかし、Ｘ、Ｙの移り」に関しては、Ｘ、Ｙ軸まわ
りの回転の結果、機体が傾斜し、したがって各ファンの
１１カベクトルが（１イ］斜することによって水平方向
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７方向の移動の４個の成分を制ｔｉｌｌでき
ればよい。従ってファンの必肢最小個数は４である。

安定性には静安定ど動安定とがある。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復元する能力のこ
とである。動安定性は０１間的な変。

肋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１！ｌることができない。したがってこの
発明における姿勢制６１１　ＤＩ　＋ｉ４は静安定を制
御で１ｑることが可能な機（）へである。

Ｘ軸のまわりの回転を操作するには、第１図のファン４
ｂと４ｄの推力を加減Ｊればよい。例えば、Ｘ帖まわり
正方向に機体が傾いたときに（よ）／ン４ｂの推力を増
加させるかファン４ｄの推力を減少させるか、または同
時に両方を調節覆ればよい。同様にＹ＠まわりの回転を
操作するには、ファン４ａと４０のｊ１力を加減ツ゛れ
ばよい。このような操作は通常２０−タのタンデム型ヘ
リコプタで行イに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、各ファンは水
平に取付けられているとすれば、Ｚ輔のまわりのモーメ
ントとしては、各ファンのトルクの反作用の総和が動く
。例えば回転数を加減してトルクを操作したとして；ｂ
安定性を１ｑることはできない。河となれば、トルクは
微小であるため、各ファンの微小な傾斜１ｂ、地面効果
により、にＪ＋　＜モーメントを打ち濤すことができな
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Ｊ：るが、タンデム型の場合にはサイクリックピッチ
によっ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ックピッチ機構らテールロー
タも有しないが、ファンの回転１１１１１＋をＩｔｎ斜
させた義横によってＺ軸まわりの回転を制御することが
できる。

すなわら、各ファンの回転軸を意図的に故度傾けた数構
によって、相対抗する２つのモーメトが発生するが、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、ファン４ａと４０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ずるよ
うに傾ける。このようにトルクの反作用を増員する方向
に傾けると、逆に傾けＩＣ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。逆にファン４ｂ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１ｑることができる。

第５図はこの発明の他の実施１シリとして、８　ｆｌ！
ａの　　　　−ファンを有する浮上機の平面図である。

１９１］えば第５図で矢印で示した方向に各ファンは回
転するものとすれば、ファン４ａ、４ｃ、４ｅ、４ｇ、
のグループどファン４ｂ、４．ｄ、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Ｊ：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１−を発生ず
るように回転１１１１を傾斜さける。

このようにファンの個数を増加すれば、にりよい安定性
が（ｑ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σ２１＋のまわりのバランスを崩さない
で、推ノコの増減を図るとぎ、ファ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個のファン
を必要とするが、４個以上のファンを使用した安定化は
横は４個のファンの場合を拡張、細分化ずればよい。

［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。

（Ｉ）実験システム 第６図に示すように、模型は４個のファン（ｒｉ径１５
ｃｍ、発泡スチロール装）をＤＣモータ（マブチＲＥ１
４０）で回転させて浮上する。回転方向はファン４ａと
４０が反時計方向、ファン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。全車ｈ
ｌは１００ｇである。

模型の位置及び姿勢は８個のポスト（１３ａ〜１３ｈ）
がそれぞれ模型の導電先端部（１４８〜１４ｄ）に接触
しているか否かで検出する。実験の目的は各ファンの回
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。

コンピュータを含めた電気的な接続を第７図に示ず。ポ
ストと導電先端部とは、接触、非接触を短周期で繰り返
ずので、フリップフロップに入力し、一定時間（実験で
は０．２秒）以内にフリップフロップがＯＮになるかど
うかで判定ヅ゛る。モータ駆動用アンプは仕様では１．
６５Ａが出力最大となっているが、浮上ｉ！！ｉ度を上
げて実験に余裕を侍たけるために２Ａ流している。一方
、モータの定格電流は０．６Ａである。したがって、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）ホのように特性が変化する。

ファンの回転数は２６０Ｏｒ、Ｄ、ｍ、、浮上高度１．
５ｃｍである。

（？ｒ　）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Ｊる。

′Ｌ４　　　　　　（１） Ｔ＝Ｃ工ρｎ［） Ｑ＝ＣＱｏｎ　Ｄ　　　　　　　（２＞Ｐ＝Ｃｐρｎ　
Ｄ　　　　　　（３） ただし ρ：空気密度、ｎ：プロペラ回回転゛ Ｄ：プロペラ直径、Ｔ：ＨＣ力 Ｑ：１〜ルク、　　Ｐ：パワ、　Ｃα：トルク係数ＣＴ
ニスラスト係数、　Ｃρ（−２π気）：パワ係数である
。

又、地面の影響ずなわら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カを地面効果のないとぎの推力、
し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Ｐｔ０ｔａｌは全消費パワであるが、９゛潤近く
はモータの銅損として消費されている。Ｏ０近くの数字
は銅損ｐ　ｃｏｐｐｅｒを差引いた値である。このにう
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、○叩はファンの回転数ｎ
であり、ストロボを用いて３１１１定した。同図より、
（３）式とより一敗していることが分る。Δ印は浮上高
度１１である。？７上高度はファンの直径の他、ファン
の而Ｒｊ及びピッチによっても変化する。ピッチが大で
あれば浮上高度も大となることが、又浮上に必要な／ｌ
ｕ小パワも大どなることが実験的に確認された。したが
って、高度に応じ゛Ｃピッチを変化させて消費エネルギ
ーを小とする必要がある。

（ＩＩＩ　）　ｆｆ、す（卸方法と実験結果制御は各フ
ァ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）Ｐン４ａと４ｃ。

４ｂと４ｄの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）式によっ
て定まるので、ファン４ａと４Ｃ及び、１ｂと４ｄを互
いに反対方向に回転さす、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。ＩＴ山は、ファンの回転の反
作用として順くトルクは推力ベクトルの傾きにＪ：って
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、七−夕とファンを精密に取イ」（）だとしてし
地形の凹凸によってモーメントが発生づるので解決とな
らににい。

そこで、この実験では次のｇｌ　４ｉ４ににつてバラン
スを取ることを可能にした。ずなわら、ファンをわざと
若干（数度）傾斜させてモーメントを発生させる。しか
もファン４ａと４０は時計方向のモーメントを発生する
ように傾斜させ、４１）と４ｄは反時計方向のモーメン
トを発生ずるようにＩＬ？ｉ斜させる。互いに反対方向
のモーメントを５１′１節してバランスをとることがで
きる。

いま、ファンｉの回転数をｎｊだ（プ増加したとき、全
体の推力、Ｘ及びＹ方向の力、さらにＺ輔まわりのモー
メントがそれぞれ４Ｔ、２ｘ　、２ｙ　。

４Ｎだけ増加したとする。このとぎ近似的に次式が成立
する。

４　Ｔ＝１１１　＋１１２＋ｎ３＋ｎ４　　　　　　　
（４）２Ｘ　＝Ｊ−ｎ３　　　　　　　　　　　（５）
２ｙ　＝ｌｌ、−ｎ４（６） ４　Ｎ　＝ｎ、＋ｎ４−ｎ、−ｎｊ　　　　　　　（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）〜（７ｙ式から、 ｎ、＝Ｔ−Ｎ＋Ｘ　　　　　　　　　　　（８）ｎ２＝
Ｔ＋Ｎ＋ｙ　　　　　　　　　　　（９）ｎ３＝Ｔ−Ｎ
−ｘ　　　　　　　　　　　　　　（１０）ｎ午−Ｔ＋
Ｎ−’／　　　　　　　　　　　　　　　　　（＋１＞
が得られる。すなわち、バランスをとるＩζめに４Ｔ、
２ｘ　、２ｙ　、４Ｎなる力及びモーメンＩ−を出した
い場合には（８）〜（１１）式からｎｉを決定すること
かできる。

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　、Ｖ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って知られる１、そこで、逐次
１）１を変化させて安定化を試みる。１１ｉ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７１号によってそれぞれ１又は−
１をとり、（８）〜（１１）式に従ってｎｌ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ＶｒＪ：状態とＮ、ｘ、ｙの対応を次
のように定める。ポスト１（ｉ−ａ〜１））の状態を８
１で表わし次式Ｃ決定する。（Ｓｌ−１のとぎ接触、５
１＝０のとき非接触） ＩＦ（Ｓｌ、Ｓ、、＋キＳ９＋御ｓｔｓ畳）Ｎ＝−１（
１３＞Ｉ　Ｆ　（ＳＣ５ｇ＋　Ｓｌ、１ＳＨ）　ｘ　＝
　１　　　　　　　　（１４）Ｉ　Ｆ　（％Ｓｈ＋　５
ｑＳｃ）　ｘ　＝　　１　　　　　　　（＋５）Ｉ　Ｆ
　（８ｏＳＦ＋’Ｓ＋、Ｓａ）　ｙ　−１（１Ｇ）Ｉ　
Ｆ　（ＳａＳｅ＋５ＩＳ１））　Ｘ　＝−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陛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、特性の違いによって
アン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て示ザ。

）７ｙ駆リノ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。実際の浮上はでは、通常の航空別で利用させてい
るような精度の高い加速計等をボス１−の代りに利用ず
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（２７上別の
姿勢制御１ＵＩ構によれば、ファンのコレクティブピッ
チ又は回転数の操作によるＩＩＥ力だけを歴作すること
により、サイクリックピッチの操作をすることなしに姿
勢を制御１１することかでさ゛、したがって、構造及び
操作が簡単な姿勢制御機＋１４を備えた浮上機を１ｑ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づ浮上機の平面説明図
、第２図は第１図にＪ３けるＩＩ−Ｉｆ部面断面図第３
図は第１図における■−■部断面断面図４図はファン又
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ック図、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・・・１幾体　　３・・・穴（ダ
クト）４ａ〜４ｄ・・・ファン　　５・・・回転装置　
　６・・・固定装置　　７・・・回転軸　　８・・・地
面　　１１・・・流線　　１３ａ〜１３１）・・・導電
ポスト　　１４ａ〜１４ｄ・・・導電先端部 第１図 第　２　図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 機体に取り付けた４個以上のファ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って、前記ファンの
   回転軸を前記機体の中心軸に対して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。