JP2010036889A - 無人航空機に用いるモジュラーポッド - Google Patents

Abstract

【課題】取り外しおよび再取り付け可能な、無人航空機のためのポッドを提供する。
【解決手段】ポッドは外側シェルを有し、この内側に様々なペイロードが保持される。航空機のフレームの第１の表面は、複数の接続部または電気的接続部を備える。ポッドを第１の表面に取り外し可能に取り付けるために複数の取り付け部が用いられる。従って、同一の無人航空機を用いて、単にポッドを取り外し異なるポッドを固定された航空機コアに取り付けるだけで、広範囲のペイロードを運搬できる。これらのポッドは、航空機の外部の一部を形成するように形状付けられ、ポッドがフレームに取り付けられたときに、これらは航空機の空気動力学特性を向上させる。
【選択図】図４

Description

本発明は概ね無人航空機に関する。より詳細には、本発明は無人航空機に用いるモジュラーポッド（modular pod）に関する。

本発明は、米国軍により与えられた契約番号Ｗ５６ＨＡＶ−０５−Ｃ−０７２４による政府の支援のもとでなされたものであり。政府は本発明に関し一定の権利を有する。
無人航空機（Unmanned aerial vehicles, UAVs）は、遠隔操縦されるかまたは自律操縦される航空機であり、カメラ、センサ、通信機器、またはその他のペイロード（payloads）を保持することができる。ＵＡＶは、制御でき、持続でき、水平飛行でき、およびジェットまたはエンジンにより動力を供給できる。ＵＡＶは遠隔で制御され、または予めプログラムされた飛行計画あるいはより複雑な動的自動化システムに基づいて自律的に飛行する。

ＵＡＶは、有人航空機が適当でないまたは実行可能でないような様々な応用のためにますます用いられるようになってきている。このような応用は、たとえば、監視、偵察、ターゲット捕獲、データ取得、コミュニケーション中継、おとり、侵略、または補給飛行のような軍事的な状況を含む。これらの航空機は、たとえば、監視者が危険にあるときの消防、騒擾または犯罪現場の警察監視、自然災害の調査支援、および、ハリケーン内からのデータ収集のような科学調査のような、ますます多くの民間応用にも使用される。

現在、広範囲の形状、寸法および構成のＵＡＶが存在する。典型的には、望まれる製品は航空機自身ではなく航空機のペイロードである。ペイロードは、航空機が運んでいるものである。ＵＡＶはペイロードのための運搬システムであり、特定の応用および要求を満たすために開発される。前述のように、ＵＡＶを用いることができる多くの応用がある。これらの新しい応用のために、異なる形式のペイロードが用いられる。異なるペイロードは、異なる処理能力を必要とし、または異なる寸法を備え、典型的にはそれぞれの形式のペイロードのために様々なＵＡＶが開発されなければならず、あるいは完全に新しい航空機が設計されなければならない。新しい航空機の設計、または現在のＵＡＶのバリエーションの開発は時間がかかりコスト高である。

本発明によれば、無人航空機のための取り外し可能なポッドが提供される。この取り外し可能なポッドは、航空機コア自身のわずかな修正で、あるいは修正なしで、広範囲のペイロードを収容し運搬することができる。航空機のコアフレームの第１の表面は、複数の取り付け部を備える。これらの取り付け部は、は電気的または機械的な取り付け部とすることができる。複数の取り付け部は、様々なペイロードを保持するポッドを取り付けるために用いられる。航空機のエンジン支持部上に配置されるロック機構は、飛行中にポッドを適切な位置に維持するためにポッドを取り付ける。ポッドが航空機のフレームに取り付けられると、航空機は目的地に向かって飛行する。無人航空機が飛行を完了すると、航空機は着陸し、ポッドは取り外され積荷を下ろす。同一のポッドは後にフレームに再び取り付けてもよい。代替的に、様々な他のペイロードを保持する新しいポッドが他の運転のために必要とされるならば、新しいポッドがフレームの第１の表面に取り付けられる。ポッドは、各ポッドの先端が飛行時の航空機の空気動力学を高めるように形状付けられる。ポッドがフレームに取り付けられると、各ポッドは、航空機の外側表面の一部を形成し、ポッドの空気動力学的形状が航空機の飛行中の運転を支援する。

ダクト付きファンのコアから取り外しおよび交換可能なポッドは、ＵＡＶに融通性を提供する。単にポッドを取り外し異なるポッドを同一の航空機のコアに取り付けるだけで、同一のＵＡＶを使用して広範囲のペイロードを運搬できる。これにより、単一のタイプの無人航空機だけを構成するだけでよいので、製造に関する多大な簡略化が可能になる。また、異なるタイプの複数の無人航空機を保管し維持する必要がなくなるのでコストを削減できる。

この航空機は、人間のパイロットの生命や、地上偵察チームの生命を過度に危険にさらすことなく、敵の活動に関する情報を提供できる。民間使用においては、この航空機は、ＳＷＡＴ活動の監視のための法の執行により用いることができる。

以下に様々な実施形態が添付図面とともに説明される。図中のいくつかの特徴は、明確さのために簡略化してい図示されている。全ての代替形態および補助形態が図面に示されているわけではなく、本発明は、図面の内容に制限されるものではない。添付図面は以下の通りである。

本発明の一施形態によるダクトファン航空機のコアの斜視図である。 図２ａは例示的なアビオニクスポッドの斜視図である。図２ｂは例示的なペイロードポッドの斜視図である。図２ｃは例示的な共通燃料ポッドの斜視図である。 例示的な一実施形態による形状を備える、互いに取り付けられた４つの例示的なポッドの斜視図である。 図４ａポッドが取り付けられ且つ着陸脚が取り付けられた図１のダクトファンの斜視図である。図４ｂは図４ａのダクトファンの側面図である。

図１は本発明の一実施形態によるダクトファンコア１００の斜視図を示している。ダクトファンコア１００は無人航空機に使用される。
ダクトファンコア１００は、フレーム１１０、エンジン１２０、複数の制御翼１３０、ファン１４０、ダクト部分１５０、複数のバー１６０、複数のアクチュエータ１７０（図４ｂに示す）、ギアボックスアセンブリ（図示せず）、および複数のエンジン支持部１９０を有する。エンジン１２０は、排気ポート１２２、ライト１２４、およびアンテナホルダ１２６を有する。フレーム１１０は第１の表面１１２を有する。複数のエンジン支持部１９０の各々は、第１の端部１７２および第２の端部１７４を有する。

ファン１４０はダクト部分１５０内に取り付けられる。ダクト部分１５０はフレーム１１０に取り付けられ、図１に示すようにフレーム１１０を通って延びる。エンジン１２０はファン１４０に取り付けることができる。複数のエンジン支持部１９０の各々の第２の端部１７４はフレーム１１０の第１の表面１１２に取り付けられ、複数のエンジン支持部１９０の各々の第１の端部１７２はエンジン１２０に取り付けられる。複数のアクチュエータ１７０の各々は、複数の制御翼１３０の各々に取り付けられる。複数の制御翼１３０の各々は、複数のバー１６０のうちの１つのバーによりフレーム１１０に取り付けられる。複数の制御翼の各々は、複数のアクチュエータ１７０の各々に取り付けられる。ギアボックスアセンブリはエンジン１２０に取り付けられる。

フレーム１１０はダクト部分１５０の一部として製造できる。代替的にフレーム１１０は、ダクト部分１５０から分離して製造して、ダクト部分１５０に取り付けるようにしてもよい。フレーム１１０は、セメントまたは接着剤によりダクト部分１５０に取り付けることができる。代替的に、フレーム１１０は、機械的にダクト部分１５０に取り付けてもよい。フレーム１１０は金属から製造することができる。代替的に、フレーム１１０は、耐久性のあるプラスチックまたはその他の材料から製造してもよい。フレーム１１０の第１の表面１１２は、電気的接続部および機械的接続部の両方を備えることができる。第１の表面１１２は、印刷回路板（printed circuit board, PCB）とすることができ、または、埋め込み式の電気的トレースを備えることができる。リボンまたはエッジコネクタ、または印刷回路板エッジを用いることができる。代替的に、第１の表面１１２は、燃料ライン迅速解放継手（fuel line quick-disconnect fitting）を備えてもよい。複数のエンジン支持部１９０は、第１の表面１１２に固定することができる。フレーム１１０は、図１に示すように、複数の凹部１１４を備えることができる。エンジン支持部の第２の端部１７４は、複数の凹部のうちの１つの凹部内に挿入され、エンジン支持部１９０がフレーム１１０に固定されるようにすることができる。代替的に、フレーム１１０は凹部を備えず、各エンジン支持部１９０がフレーム１１０の第１の表面１１２に固定されるようにしてもよい。

エンジン１２０はタービンエンジンとすることができる。代替的に、エンジン１２０は、多数の他の形式のエンジンとしてもよい。エンジン１２０は、フレーム中心の一方の側面に対してオフセットしており、これにより航空機の重心を調節できる。図１において、たとえば、エンジン１２０の一部１２８は、フレームの右側にオフセットしている。排気ポート１２２は開口として機能し、これにより排気ガスがエンジンを出ることができる。ライト１２４は、好ましくはファンが運転中のときに点灯し、飛行中の他の航空機に対する警報として機能し、また、ＵＡＶの位置決め時の制御センターに対する警報として機能する。１つのライト１２４のみが示されているが、より多くのライトまたは他の信号装置を航空機に使用することができる。また、ライト１２４の位置は、図１に示すものと異なる位置にしてもよい。ライト１２４は点滅するようにすることができる。代替的に、ライト１２４は、航空機の飛行中の全行程にわたって点灯し続けるようにしてもよい。ギアボックスアセンブリはエンジン１２０に取り付けられる。

複数のエンジン支持部１９０は、エンジン１２０をフレーム１１０内に支持するように機能する。各エンジン支持部の第１の端部１７２は、エンジン１２０に取り付けることができる。４つのエンジン支持部１９０が図１に示されているが、他の数のエンジン支持部を用いてもよい。代替的に、第２の端部１７４をフレーム１１０の異なる部分に取り付けるようにしてもよい。

複数のバー１６０の各々は、フレーム１１０と各制御翼１３０との間を延び、制御翼に取り付けられる。複数のバー１６０は制御翼に機械的に取り付けることができる。複数のバー１６０は、金属または耐久性プラスチックから形成することができる。複数のバー１６０は、複数の制御翼１３０を安定化させるように機能する。複数のバー１６０は、代替的にフレーム１１０の一部とすることもできる。

ＵＡＶは、バックパック内で輸送されるように設計することができる。モジュラー式軽量装備パック（modular lightweight load carrying equipment pack, MOLLE）は、陸軍、海軍のバックパックである。ＭＯＬＬＥパックは、完全に統合され、モジュラー式ロードベアリングシステムであり、バットパック（butt pack）を備えるロードベアリングベスト(load bearing vest)、支持ポーチ（sustainment pouch）を備えるメインラック（main ruck）、および外側フレームに取り付けられた寝袋区画を備える。また、パトロールパックもあり、これは、別個にまたは、追加された荷物運搬能力のためのメインラックに組み合わせて用いることができる。ＭＯＬＬＥは、その作戦を実行するのに必要な荷物に適合するようにいくつかの異なるバリエーションで構成される。ロードベアリングベストは、典型的には、弾薬およびハンドグレネードのためのポケットが装備されている。ダクトファンコア１００は、好ましくは、ＭＯＬＬＥパック内に収容できるように設計されるが、ダクトファンコア１００は、多数の他のバッグまたはバックパックに収容できるように構成されてもよい。ダクトファンコア１００は、非軍事応用に用いることができ、これらの応用のためのパック内に収容できなくてもよい。

ダクトファンコア１００は約２．７ｋｇから３．６ｋｇ（６−８ｌｂｓ）とすることができる。しかし、ダクトファンコア１００の重量は用いる材料や寸法に応じてこの値よりも大きくまたは小さくしてもよい。ＵＡＶは地上から約３０ｍから約１５０ｍ（１００から５００フィート）の高さで運転でき、典型的にはＵＡＶは、地上から３．５ｍから１５０ｍ（１０から５００フィート）の高さで飛行するであろう。ＵＡＶは、前方および下方の昼夜のビデオまたは静止画を提供できる。ＵＡＶは、雨や適度な風を含む様々な天候条件でも運転できる。このシステムは最小限の操作訓練が必要になる。携帯用の地上ステーションを、航空機を案内し、カメラからの画像を受信するのに用いることができる。地上ステーションは、ＵＡＶの航路をプログラムし、または航空機を手動で制御するために用いることができる。また、航空機は、昼間の運転のための電子光学カメラを備えることができ、あるいは、夜間の作戦のために赤外カメラを備えることができる。

ＵＡＶは自動的に運転してプログラムや偵察のような単純な作戦を実行することができ、あるいは、クルーの制御の下で運転することができる。クルーはパイロットおよびセンサの操作者を含む。パイロットは、航空機をＣバンド視線データリンク（C-band line-of-sight data link）または、Ｋｕバンド衛星リンク（Ku-band satellite link）を通じて命令を伝達する制御装置を用いて操縦できる。航空機はＬ−３ Ｃｏｍ衛星データリンクシステム（L-3 Com satellite data link）を介して命令を受信することができる。パイロットまたは他のクルーメンバーは、航空機から受け取った画像およびレーダーを使用し、ＵＡＶの制御に関する決定を行う。

図２ａ−２ｃは例示的なポッド２００を示し、ポッド２００はダクトファンコア１００に取り付けられる。各ポッドは先端エッジ２１０を有する。先端エッジはポッドの輪郭の最前ポイントを結ぶラインであり、ポッドの前エッジである。航空機が前方に運動するとき、先端エッジは空気に最初に接触する部分である。先端エッジは、空気の流れに垂直になるようにすることができ、この場合、これはストレート翼（straight wing）と呼ばれる。先端エッジは、所定角度で空気の流れにぶつかるようにしてもよく、この場合、これはスウェプト翼（swept wing）と呼ばれる。ポッド２００の先端エッジ２１０は、ＵＡＶの空気動力学的な状態を改善するような形状とすることができる。たとえば、先端エッジ２１０は、凸な曲線２１２を備えることができる。ポッド２００がフレーム１１０に取り付けられて無人航空機が飛行しているとき、航空機の空気速度を改善し空気が航空機にぶつかることによる妨害を最小化するように、空気が先端エッジ２１０にぶつかり所望の方向に流れる。さらに、各ポッド２００は、ポッドがフレーム１１０に固定されたときに、ポッドがＵＡＶの外側部分を形成するようにしてもよい。ポッドの一部は、ポッド基部付近で外側シェルの内側表面上に凹部（図示せず）を有し、ポッド基部が第１の表面１１２に取り付けられたときに、ポッドの凹部がダクト部分１５０に静置し、内側表面の非凹部は、ダクト部分１５０と同一平面上にある。これにより、ポッド２００をダクト部分１５０に統合できる。空気は、外側シェル２１４の外側表面と、外側シェル２１４の内側表面の両方の上を流れる。外側シェル２１４の内側表面は、空気が先端エッジにぶつかるように形状付けられ、空気が下に流れ、内側表面に沿って案内されてファン１４０に衝突する。

各ポッド２００はモジュールである。モジュールは、システムを内蔵した部品であり、他の部品との確立されたインターフェースを備える。ポッド２００は、ポッド自身を分解することなく交換できるユニットとすることができる。ポッド２００は、外側シェル２１４および内側部（図示せず）を備えることができる。各ポッド２００の内側はコンテナとして機能し、ペイロードを収容する。各ポッドのペイロードまたは輸送能力は変更することができる。無人航空機において、たとえばペイロードは輸送装備または機器である。より具体的には、たとえば、ポッド２００は、カメラ、燃料、ガス、または電子機器を収容することができる。ＵＡＶに様々なポッドを使用することができる。図２ａはアビオニクスポッド２２０の斜視図を示している。アビオニクスポッド２２０は、カメラ、レーザーデザイナー（laser designer）、レンジファインダー（range finder）、または電源のようなアビオニクス機器を運搬するために用いることができる。アビオニクスポッド２２０は、特定の作戦のための電子機器を収容するために延長部２２２を備えてもよい。ペイロードポッド２３０は、たとえば監視のような、そのポッドのために設計された用途の目的のための統合飛行管理装置（integrated flight management）を運搬するために用いることができる。共通燃料ポッド２４０は、燃料を運搬するために用いることができる。ポッド２００は、航空機の航路の下の地面を写真撮影するためまたはビデオ録画するためのカメラを備えるペイロードを運搬することができる。

ポッド２００は、必ずしも無人航空機に使用されなくてもよい。ポッド２００は、陸上車両に用いられてもよい。たとえば、ポッド２００が無人航空機から取り外された後に、ポッド２００は、所望の目的地に到着する前に陸上車両に取り付けられてもよい。ポッド２００は、ＵＡＶのときに用いた取り付け機構と同一のものを用いて陸上車両に取り付けることができる。

例示的な実施形態による形状を備える４つの取り付けられたポッドが、図３とともに説明される。図３は、互いに取り付けられた４つのポッドを示しているが、ＵＡＶに取り付けるときに、代わりに、図４に示すようエンジン支持部１９０に取り付けるようにしてもよい。図３に示すように取り付けられたら、ポッド３００は円周を形成する。図３に示されているように、各ポッド３００はリップ部３０２を有する。リップ部３０２は内側リップ部３０４と外側リップ部３０６とを備える。ポッドの断面が１−１により示される線により切り取られ、これはポッド３００の広い部分の断面である。また、断面が２−２で示される線により切り取られ、これはポッドの狭い部分の断面である。代替的に、断面は取り付けられたポッドの円周に沿う他の位置で切り取られてもよい。

各ポッドの断面は、最大半径距離のリップハイライト位置３０８および３１０を含む。リップハイライト位置３０８は、半径方向におけるリップ部３０２の最先端位置である。リップハイライト位置３０８の軸方向の高さは、複数の断面により変更可能である。最大半径距離の位置３１０は、断面における半径方向の厚さの最大値の位置である。最大距離の位置３１０の半径方向距離は、複数の断面により変更可能である。ポッドが組み立てられたときに、図３に示されるように設計されると、円周に沿って互いに約９０度隔てられた４つの幅広の断面および幅広の断面の間の狭い断面を備える。この設計は、図３に示されるような爪形状設計（claw-shaped design）と言及される。しかし、ポッドはこの爪形状に限定されず、他の数多くの設計が可能である。一例として、ポッドは、均一な高さを備えるようにしてもよく、高くなった形状を備える設計を備えることができる。このポッドの形状は必要なペイロード要求に依存し、用いるペイロードに適合するように変更できる。爪形状設計において、各ポッドは、４つのポッドのアッセンブリが複数のピーク３２０、３２２、３２４、３２６および、複数の対応するトラフ３２１、３２３、３２５、３２７を備えるように構成される。各断面および位置に関する特定の値は、所望のポッドサイズ、所望の空気動力学特性、および他の設計パラメータに応じて変更可能である。さらに、ピークおよびトラフの数は、所望の設計パラメータ、空気流れ特性に応じて変更可能である。好ましい実施形態において、ハイライト３０８の軸方向の高さは、前進飛行時におけるピークによる流れの妨害を低減するために、トラフに向かってバイアスさせてもよい。

ピーク３２０、３２２、３２４、３２６およびトラフ３２１、３２３、３２５、３２７の設計を調整することは、ダクトファンＵＡＶの重心を調整するのに便宜である。重心は、制御統制（control authority）とともに、ＵＡＶ上で維持されることが必要である。ポッド３００は重心および制御統制の両方を維持するように構成および設計される。制御翼１３０は、飛行中に適正に航空機を方向付け、また、直立姿勢を維持するために制御統制を必要とする。

内側リップ部分３０４は、リップハイライト位置３０８からポッドがダクトに取り付けられる位置３１２まで延びる部分である。内側リップ部分３０４の形状は、位置３０８と３１２との間の曲線で画定される。ポッド３００がＵＡＶのコアに取り付けられると、位置３１２は好ましくはダクト壁と面一になり、内部リップ部分３０４がダクト壁と統合される。内側リップ部分３０４は、ダクト部分１５０の壁を収容するように挿入するようにしてもよい。外側リップ部分３０６は、リップハイライト位置３０８から最大半径厚さの位置３１０まで延びる。外側リップ部分３０６の形状は、位置３０８と３１０との間の曲線により画定される。

図４ａは、図１のダクトファンコアが運転位置にあるときの斜視図を示している。図４ｂは、図４ａのダクトファンコアの側面図を示す。図４ａにおいて、ポッド２００は、フレーム１１０の第１の表面１１２に取り付けられる。さらに、ポッドの第１の表面への取り付け部に加えて、エンジン支持部１９０がさらなる取り付け支持を提供する。たとえば、各エンジン支持部１９０は、バタフライロック１９１を備えることができ、バタフライロック１９１は、各ポッドの対応する溝にスライド挿入され、各ポッドを飛行中に所定位置にラッチ固定する。代替的に、ピンまたは様々な他の支持機構およびロック機構を用いることもできる。着陸脚１９２が複数のエンジン支持部１９２に取り付けられている。着陸脚１９２は、ＵＡＶを地上から持ち上げるように機能し、制御翼１３０が航空機の離陸の準備動作をできるようにする。また着陸脚１９２は、航空機が最終目的地に到着したら航空機を着陸させるように機能し、航空機のコアを形成する部分を保護する。着陸脚１９２は、複数のエンジン支持部１９０に取り外し可能に取り付けることができる。代替的に、着陸脚１９２は、ダクトファンコア１００の他の部分に取り付けるようにしてもよい。

アンテナ１２８がアンテナホルダ１２６内に配置され、ＵＡＶが信号を受送信できるようにする。無人航空機は遠隔制御でき、または、特定の飛行のために自律制御できる。航空機が発射されると、制御翼１３０は飛行の方向を制御するための信号を受信する。制御翼１３０はこの信号に応答して動作し、航空機の飛行方向を案内するファン１４０からの空気の流れの方向を変更する。ＵＡＶが飛行しているとき、空気はポッド２００の先端エッジ２１０に接触し、各ポッドの表面の周りを流れる。航空機が最終目的地に到着すると（たとえば、基地に戻ると）、着陸脚１９２は地上に接触する。ポッド２００は取り外され、ペイロードが降ろされる。取り外されたポッドは、その後、再びフレーム１１０の第１の表面１１２に取り付けることができる。代替的に、新しいポッドがフレーム１１０の第１の表面に取り付けられてもよい。

Claims (3)

1. 無人航空機のためのモジュールであって、前記モジュールは外側シェルを有し、
   前記外側シェルは、外側表面と、
   内側表面と、
   基部と、を有し、前記基部は、複数の取り付け部を備え且つ前記無人航空機のフレームに取り付け可能であり、
   前記外側シェルはさらに先端エッジを備え、
   前記モジュールは内側部を備え、前記内側部はペイロードを有する、モジュール。
2. 請求項１に記載のモジュールであって、前記先端エッジは凸曲線を形成する、モジュール。
3. 請求項１に記載のモジュールであって、前記基部が前記フレームに取り付けられたときに、前記内側表面は、無人航空機のダクトと面一になる、モジュール。