JP2010168034A - ダクト付きファンｕａｖ制御の代替方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御の代替方法を有するダクト付きファン航空機を提供すること。
【解決手段】このダクト付きファン航空機は、空気ダクトと、ファンと、中心本体と、複数の制御翼とを含む。各制御翼は、各制御翼の独立的な制御のための個々のサーボ機構を含み、したがって、最大の制御権限を提供する従来にない方法で制御翼を作動させることができる。
【選択図】図２

Description

政府の権利
米国政府は、ＤＡＲＰＡによって授与された契約書第ＭＤＡ０７２−０１−０−００１８号に基づき、本発明における一定の権利を取得している。

本発明は、一般にダクト付きファン航空機に関し、より詳細にはダクト付きファン航空機のための飛行制御の代替方法に関する。

無人飛翔体（ＵＡＶ）などのダクト付きファン航空機は、少なくとも１つのダクト付きファンと、ファン羽根を駆動させるためのファンエンジンとを有することができる。ダクト付きファン航空機は、多様な飛行条件における動作能力に関してよく知られている。たとえば、ダクト付きファン航空機は、前方飛行の能力を有し、静的な空中静止の空気力学的性能に関してよく知られている。

ＵＡＶは、カメラ、センサ、通信装置、または他のペイロードを搭載することができる遠隔操縦型または自動操縦型の飛行機である。ＵＡＶは、制御され持続された水平飛行の能力を有し、ジェットまたはエンジンのいずれかによって動力供給される。ＵＡＶは、遠隔制御されてよく、あるいは予めプログラム化された飛行計画またはより複雑な動的自動システムに基づいて自律的に飛行することもできる。

ＵＡＶは、有人飛行の航空機の使用が適切でない、または実行可能でないさまざまな用途に使用されることが増えてきた。そのような用途は、監視、偵察、目標物捕捉、データ取得、通信中継、おとり、嫌がらせ、または貨物飛行などの軍事的状況を含むことができる。これらの航空機はまた、人間監視者が危険にさらされる場合の消防活動、内乱または犯罪現場の警察官監視、自然災害における捜索支援およびハリケーン内部からのデータの収集などの科学研究など、ますます多くの民需用途において使用されている。

現在、多種多様なＵＡＶの形状、サイズおよび構成が存在している。通常、望まれる製品は、飛行機のペイロードであり、飛行機それ自体ではない。ペイロードは、飛行機が搭載しているものである。ＵＡＶは、ペイロード用の運搬システムであり、特定の用途および一連の要求事項を満たすように開発されている。上記で述べられたように、ＵＡＶが使用され得る用途は、数多く存在する。新しい用途ごとに、異なるタイプのペイロードが使用され得る。さまざまなペイロードは、さまざまな処理能力を必要とすることがあり、あるいはさまざまなサイズを含むことがあるので、一般的には、ペイロードのタイプごとにＵＡＶの変形形態が開発されねばならず、あるいは一般的には、まったく新しい飛行機が設計されねばならない。新しい飛行機の設計または使用中の現在のＵＡＶの変形形態の開発は、時間がかかりコストもかかる。

図１は、一般的なダクト付きファン航空機１００を示す絵画図である。ダクト付きファン航空機１００は、内部に配置されたファン１０４を有する空気ダクト１０２を含む。ダクト付きファン航空機は、中心本体１０６を有することができる。中心本体１０６は、航空機１００のその他の構成要素、たとえば航空機１００に動力供給するためのエンジン１０７、カメラ、またはアビオニクスシステム１０９などの航空機運用のための付加的な構成要素などを含む筺体でよい。ダクト付きファン航空機１００はまた、ダクトポッド１１３を含むこともできる。

ダクト付きファン航空機１００はまた、固定子組立体１１０および航空機１００に推力方向を与えるための複数の固定されたおよび／または可動式の翼１１２を含むこともできる。固定子組立体１１０および翼１１２は、空気ダクト１０２内に配置されたファン１０４の下流またはその下方に配置され得る。固定子組立体１１０は、ファン１０４によって生み出された旋回および回転を低減または解消するために空気ダクト１０２内のファン１０４のすぐ下方に配置され得る。翼１１２もまた、ファン１０４の下方に置かれ得る。たとえば、翼１１２は、空気ダクト１０２の出口部分のわずかに下方に置かれてよい。翼はまた、可動式のフラップ付き表面１１４を含むこともできる。

ダクト付きファン航空機１００は、さらに、中心本体１０６を支持するエンジン架１１１を含むことができる。エンジン架１１１はまた、ＵＡＶの着陸装置１０８に対する連結を提供する。

多様な飛行条件において効果的かつ制御可能であるために、航空機１００などのダクト付きファン航空機は、好ましくは、多様な飛行条件においてダクトのへり部周りに清潔な付着気流（ａｔｔａｃｈｅｄ ａｉｒ ｆｌｏｗ）を有する。さらに、ダクト付きファン航空機は、好ましくは、効果的かつ制御可能であるために、好都合な重心を有する。また、ダクトファンの相互作用の音響学的特性を最小限に抑えるために、ファン内への流入速度が一様である形が望ましい。

さらに、ダクト付きファン航空機は、運用時にさまざまな構成要素を搭載する必要があり得る。たとえば、運用中のダクト付きファン航空機は、限定的ではないが、視覚センサ、赤外線センサ、カメラ、無線通信装置、慣性センサ装置、地表面センサ装置および／またはペイロードを搭載する必要があり得る。ダクト付きファン航空機のサイズが限定されているため、ダクト付きファン内にさまざまな装置を格納するためには、それらの装置は、ダクト付きファン航空機に取り付けられた外部ポッド内に置かれ得る。これらのポッドは、（ｉ）重心の移動を引き起こし、（ｉｉ）空気の取り込みおよび排出を遮断することによってダクト内部の気流特性との負の干渉を生み出し、（ｉｉｉ）ＵＡＶが前方飛行中であるときＵＡＶ上にさらなる抗力を生み出すことがある。さらに、装置の重量が付加されると、エンジン能力および燃料格納容量の追加が必要になり得る。外部ポッドに対する必要性を低減または解消しながらダクト付きファン航空機の空気力学的要求事項を維持するためには、ダクトのへり部内において容積を増加させることが有益であり得る。

ダクト付きファン上の従来の複数の翼型要素の制御翼の組は、たいてい連繋して、または一緒に動作し、１つのサーボ機構だけで作動され得る。しかし、各翼が独立的に制御されるように設計されるならば、翼対は、逆の方法で、すなわち、抗力を発生させ、したがってモーメントを発生させるために、かつ／またはダクト付きファン航空機のより良好な制御を可能にするために航空機の推力のつり合いをとる（ｔｒｉｍ）のを助けるために互いに向かって偏向され得る方法で作動され得る。

したがって、各制御翼がそれ専用のサーボ機構によって作動されるダクト付きファン航空機を設計することが望ましいはずである。

本開示は、空気ダクトと、ファンと、中心本体と、空気ダクト内に配置された複数の制御翼とを有するダクト付きファン航空機を説明する。各制御翼は、前縁を有し、各翼を独立的に制御するための個々のサーボ機構を有する。

ダクト付きファン航空機を制御するための方法もまた説明される。本方法は、空気ダクトと、ファンと、中心本体とを提供するステップと、空気ダクトの内部またはその下流に配置され、各々が前縁を有する複数の制御翼を提供するステップと、各制御翼用の個々のサーボ機構を提供するステップとを含む。本方法は、空気ダクト上に抗力を発生させるために、２つの隣接する制御翼の前縁を互いに向かって偏向させるステップをさらに含む。

これらならびに他の態様および利点は、添付の図面を適宜参照して以下の詳細な説明を読み取ることによって、当業者に明白になるであろう。さらに、この概要は、単に例にすぎず、特許請求される本発明の範囲を限定することを意図するものではないことを理解されたい。

現時点で好ましい実施形態が、付属の図面を併用して以下で説明され、図中、同様の参照番号は、さまざまな図内の同様の要素を示す。

ダクト付きファン航空機を示す絵画図である。 図２Ａは、制御翼が標準位置にある、ダクト付きファン航空機を示す絵画図である。図２Ｂは、２つの制御翼が互いに向かって偏向された、図２Ａのダクト付きファン航空機を示す絵画図である。 図３Ａは、翼上または翼の内部に取り付けられたサーボ機構を示す絵画図である。図３Ｂは、翼の外側に取り付けられたサーボ機構を示す絵画図である。 図４Ａは、標準位置にある空気ダクトの底面の絵画図である。図４Ｂは、２つの制御翼が互いに向かって偏向された、図４Ａの空気ダクトの底面の絵画図である。 図５Ａは、連繋して偏向された翼の側面の絵画図である。図５Ｂは、連繋して偏向された翼の側面の絵画図である。図５Ｃは、本出願による方法で偏向された翼の側面の絵画図である。図５Ｄは、本出願による方法で偏向された翼の側面の絵画図である。

ダクト付きファン航空機は、その優れた静的な空気力学的空中静止性能、３次元の高精密な位置保持、低速飛行、高精密な垂直離陸および着陸（「ＶＴＯＬ」）および安全近距離運用で知られている。ダクト付きファン航空機は、運用を自律的に実施するように予めプログラム化されてよく、あるいはダクト付きファン航空機は、人間の操作員によって制御されてもよい。したがって、ダクト付きファン航空機は、無人飛翔体（「ＵＡＶ」）であり得る。

ＵＡＶは、ＵＡＶの飛行および運用を制御するために機上にアビオニクス装置を有することができる。たとえばアビオニクスは、飛行制御の方向、飛行、安定性補正、およびその他の側面を制御することができる。さらに、ＵＡＶは、ＵＡＶが成し遂げるように課された使命に適合させたさまざまな装置を機上に搭載することができる。ＵＡＶは、周囲についての情報を取得するために機上にセンサを搭載することができ、あるいはＵＡＶは、目標場所におろされるペイロードを搭載することができる。ＵＡＶを駆動させるためのＵＡＶエンジンは、ＵＡＶの機上に燃料が搭載されることを必要とする。アビオニクス装置、センサ、ペイロード、および燃料は、ＵＡＶ上に格納され得る。

多様な飛行条件において効果的かつ制御可能であるために、ダクト付きファン航空機は、好ましくは、多様な飛行条件においてダクトのへり部周りに清潔な付着気流を有する。さらに、ダクト付きファン航空機は、好ましくは、効果的かつ制御可能であるために、好都合な重心を有する。また、ダクトファンの相互作用の音響学的特性を最小限に抑えるために、ファン内への流入速度が一様である形が望ましい。

ダクト付きファン式ＵＡＶの飛行制御は、特に不安定または荒れ狂う風の中で操縦する際、多量の制御権限に依存する。本出願の設計は、１つの方向、すなわちダクトの背面において別の形で従来の制御翼を使用するダクト付きファン航空機の１つの回転軸周りにさらなる制御権限を得ることを可能にする。

一般的なダクト付きファン航空機では、制御翼の対は一緒に、または連繋して作用する。しかし、本出願は、分離された隣接する翼を使用する。各翼は、その隣の翼表面から独立して移動するためにそれ専用のサーボ機構またはなんらかの他の類似の機構を必要とする。電力を使用することにより、サーボ機構は、制御翼を特定の位置に移動および保持するための機械的回転を与える。したがって、翼は互いに独立して移動する。次いで、制御翼の前縁が互いに向かって偏向され得、それにより、ダクトのその部分にわたって大きな抗力が発生する。

図２Ａを参照すると、ダクト付きファン航空機１００が示されている。ダクト付きファン航空機１００は、空気ダクト１０２であって、その内部または下流に配置されたファン１０４を有する空気ダクト１０２を含む。ダクト付きファン航空機はまた、中心本体１０６を含むこともできる。中心本体１０６は、航空機１００のその他の構成要素、たとえば航空機１００に動力供給するためのエンジン１０７、カメラ、またはアビオニクスシステム１０９などの航空機運用のための追加的な構成要素などを含む筺体でよい。ダクト付きファン航空機１００は、それが着陸装置１０８によって地上に位置するときに安定化される。図に示される着陸装置１０８は、環状であるが、代替のタイプの着陸装置が使用されてもよい。

ダクト付きファン航空機１００はまた、固定子組立体１１０を含むこともできる。固定子組立体１１０は、エンジン回転力に対抗する正しい量の反回転力を与えることによってファン１０４によって生み出された旋回および回転を低減または解消するために、空気ダクト１０２内のファン１０４のすぐ下方に配置され得る。固定子組立体１１０はまた、航空機の構造的完全性を増強することもできる。

ダクト付きファン航空機１００はまた、航空機の制御に必要な力およびモーメントを提供するための複数の固定されたまたは可動式の制御翼１１２を含むこともできる。翼１１２は、空気ダクト１０２内のファン１０４の下方に配置され得る。翼１１２は、制御翼支持体１１７によって空気ダクト１０２に連結され得る。翼１１２は、空気ダクト１０２の出口部のわずかに下方に置かれ得る。翼１１２は、ファンの気流内に、航空機の重心（ＣＧ）の場所から離して置かれる。翼１１２は、ＣＧから遠くに置かれるほど、航空機姿勢の制御のためのモーメントを与えるより良好な位置に位置する。翼はまた、後縁１１５において可動式のフラップ付き表面１１４を含むこともできる。フラップ付き表面１１４は、制御翼１１２が偏向されるときに偏向する。可動式のフラップ付き表面１１４は、単一の剛性表面よりも大きな上向き力を生み出す。制御翼１１２の前縁１１６が互いに向かって偏向されると、多量の抗力が生成され得る。

本出願では、各制御翼１１２の表面（合計で８つの表面）は、それ専用のサーボ機構または独立的な作用方法を必要とする。サーボ機構は、電気信号を機械力に変換する。サーボ機構１１８は、図３Ａに示されるように、翼１１２それ自体上またはその内部に取り付けられてよく、あるいは図３Ｂに示されるように外部に取り付けられる場合は連結システムを介して翼を移動させることができる。各翼がそれ専用のサーボ機構１１８を有する場合、翼１１２は独立して自由に移動する。翼１１２はまた、図２Ｂ、４Ｂ、および５Ｄに示されるように、翼対の前縁１１６が互いに向かって「閉」位置に移動される場合に多量の抗力を発生させることもできる。

航空機の推力はまた、主要なファン速度または羽根の上下揺れ角を変更せずに、４つの翼対１１２のすべてを類似の方法で同時に偏向させて全体的な航空機の推力に変化を発生させることにより、ある程度まで制御され得る。各翼は、それ専用のサーボ機構を有しているため、翼は、（図５Ａおよび５Ｂに示されるように）連繋して作動するとき、航空機を制御するための上下揺れ、横揺れ、または偏揺れの制御モーメントを生み出すために使用され得る。上下揺れ、横揺れ、および偏揺れのモーメントは、航空機のｘ、ｙ、およびｚ軸方向周りの特有のモーメントである。翼を偏向させるこの方法は、飛行機上の抗力ブレーキとほぼ同様に、他の方向に結果的に生じる力をまったく有することなく抗力を発生させる。抗力ブレーキは、多くの異なる形態を有するが、飛行機の減速を助けるために空気力学的抗力を発生させるように配備された表面でよい。類似の方法で、対向する翼は、ファンの推力を適合させるために空気力学的抗力を発生させることができる。この技術の可能な用途は、飛行中の推力に対する小さなつり合い（ｔｒｉｍ）変更、または迅速な離陸操縦の一部としての地上における大きな推力変更を含む。

運用中、航空機１００は、飛行しているときに強い不安定な風または突風に遭遇することがあり、それが、航空機を、それが元々進行していた方向とは異なる方向に傾かせる傾向があり得る。ダクト付きファン航空機（図１に描かれるように）は、不安定な状態においてその飛行を安定化するために風上にすばやく傾くことができることが重要である。要求された風上への機首下げの傾きを達成するためには、航空機は、ダクトのへり部の風上側に存在する固有の機首上げの上下揺れモーメントに打ち勝たねばならない。したがって、ダクト付きファン飛行機を風上に傾かせると、吹いてくる風から逃れるその自然な傾向に打ち勝つことが必要になる。本出願は、ステーションの保持および他の任務目的のために航空機が移動する必要がある方向に傾くためのより多くの制御権限を航空機１００に与える。

航空機を傾けるためにより大きな機首下げの上下揺れモーメントを提供するために、２つの制御翼１１２の前縁は互いに向かって偏向され、それにより、空気ダクト１０２の正面に大きな抗力が発生する。図４Ｂに示されるように、所望の傾きの方向の翼の対１１２だけが閉じられる。アビオニクスシステム１０９の一部であり得る飛行制御システムは、指令信号をサーボ機構に送信することによって翼１１２の偏向を制御する。飛行制御システムは、機上の電子装置（センサ、コンピュータなど）の集合体であり、中心本体１０６内など適切な空間が存在すればどのような場所にも配置される。機上の電子装置の一部またはすべてはまた、ダクトポッド１１３内に配置されてもよい。

それ専用のサーボ機構を有し、独立的に移動することができる各翼の別の利点は、航空機の推力が容易に適合され得ることである。代替の実施形態では、同じ概念が使用されるが、すべての４つの制御翼対に適用される。この方法では、制御翼１１２は、主要な上向きのファン速度または羽根の上下揺れ角の制御とは独立的に、飛行機のあるレベルの推力制御をもたらす。この方法は、高精密な操縦のための推力レベルの微調整のために、あるいはファン速度または羽根の上下揺れ角が荒れ狂う風の状態において十分すばやく応答することができない場合に有用であり得る。迅速な離陸のためにできるだけ早く最大推力を提供することが望まれる離陸時には、別の状況が起こることがある。４つの翼対が「閉」位置にある場合、ファンが全設計速度で回っていることがある場合でも航空機の推力は抑えられている。迅速な離陸は、次いで、翼をすばやくゼロ偏向に移動させて最高ファン推力を与えることによって可能にされる。

独立的な制御翼は、より多くのサーボ機構が存在するという理由で翼の対よりも重くなるため、本出願は直観で分かるものではない。このタイプの制御システム設計には追加的なサーボ機構が必要になる（翼表面１つにつき１個）ことは真実であるが、各翼用のサーボ機構を有することによって従来技術に比べて少なくとも２つの利点が得られる。第１は、重量、動力、および空間的要求事項において必要とされる増加を埋め合わせするのを助けるために、より小型のサーボ機構が使用され得ることである。第２は、システム冗長性であり、１つのサーボ機構が故障した場合、１つの翼対の機能性が完全に失われるわけではないので、航空機は、従来の設計と比較してより多くの制御維持の機会を有する。

本出願の特定の特徴および実施形態が本明細書で詳細に説明されてきたが、本出願は、すべての改変および強化を以下の特許請求の範囲の範囲および趣旨内に包含することが理解されよう。

１００ ダクト付きファン航空機
１０２ 空気ダクト
１０４ ファン
１０６ 中心本体
１０７ エンジン
１０８ 着陸装置
１０９ アビオニクスシステム
１１０ 固定子組立体
１１２ 制御翼
１１３ ポッド
１１４ フラップ付き表面
１１５ 後縁
１１６ 前縁
１１８ サーボ機構

Claims (3)

1. 空気ダクトと、
   ファンと、
   中心本体と、
   前記空気ダクトの内部または前記空気ダクトの下流に配置され、各々が前縁を有する複数の制御翼と、
   各翼を独立的に制御するための、各制御翼用の個々のサーボ機構とを備える、ダクト付きファン航空機。
2. 請求項１に記載のダクト付きファン航空機において、２つの隣接する制御翼の前記前縁が、前記空気ダクト上に抗力を発生させるために互いに向かって偏向される、ダクト付きファン航空機。
3. 請求項２に記載のダクト付きファン航空機において、前記制御翼の偏向を制御するための飛行制御システムをさらに備える、ダクト付きファン航空機。