(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に円形の断面を有し長手方向に延在する中心軸とともにダクトを定義しているリングウイング胴体と、該ダクト内部に置かれた推進手段と、飛行中の航空機を制御する可動エーロフォイルとを備え、該リングウイングは一端が斜めに切りとられていて、該リングウイングを水平飛行時に見れば、その後端が斜めに切りとられていて不等長の対向する両側を備えたリングウイングを形成するようにし、後部下側が後部上側を超えて伸びているようにした航空機。
【請求項２】
前記リングウイングは該リングウイングを通った平面状のスライスによって切りとられている請求項１記載の航空機。
【請求項３】
前記リングウイングは曲ったスライスによって切りとられており、該リングウイングで作られる角度が該リングウイングの長い方の側では相対的に浅く、該リングウイングの短い方の側では相対的に鋭くなっている請求項１記載の航空機。
【請求項４】
前記リングウイングの長い方の側の外部にあるコンパートメント内に部品とペイロードとの一方または両方が収納されている請求項１ないし３のいずれか１項記載の航空機。
【請求項５】
前記リングウイングの長い方の側の内部に用意されたコンパートメント内部に部品とペイロードとの一方または両方が収納されている請求項１ないし４のいずれか１項記載の航空機。
【請求項６】
前記コンパートメントはリングウイングの端に備えられており、この端は水平飛行時には前方となる請求項４または５記載の航空機。
【請求項７】
ピッチ制御用エーロフォイルが、展開されていないときには、前記リングウイングの下側と実質的に平坦にあるように置かれている請求項１ないし６のいずれか１項記載の航空機。
【請求項８】
前記ピッチ制御用エーロフォイルが前記リングウイングの長い方の側の素子として用意されている請求項７記載の航空機。
【請求項９】
さらに２つの直交羽根を備え、一方の羽根は前記ピッチ制御用エーロフォイルと同じ方向に空気力学的揚力を与えるものである請求項７または８記載の航空機。
【請求項１０】
無人とされている請求項１ないし９のいずれか１項記載の航空機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はリングウイング（環状翼）航空機に係り、それに限定するわけではないが、とくにリングウイングを組込んだマイクロ無人航空ビークル（micro-Unmanned Air Vehicles，UAV’s）で使用するのに適している。そうは言っても、この発明はどんな大きさのリングウイング航空機でも使用するのに適していて、それが有人でも無人でもよい。
【０００２】
【従来の技術】
無人航空ビークルは多数の応用が見付けられており、広範囲の種類のペイロード（有償荷重）を運ぶために使用されている。パイロットのいない場合には、航空機はその大きさを小さくして、一般には１５０ｍｍ以下まで小さくする。寸法を減らし、パイロットという形での余分の荷重をなくすことがより軽量の航空機を作るための一定の駆動力とよく調和している。
【０００３】
フレキシビリティについてみると、ＵＡＶにとっての利点はホバリング（空中停止）も高速での水平飛行も両方できるということである。この基準がリングウイング航空機の発展につながってきたのであり、リングウイング航空機は言い換えると、実質的に円形断面をしたリング状の形の翼（ウイング）によって定義されるダクト内に置かれたプロペラもしくは他の推進システム（プロパルジョンシステム）を有したものである。リングウイング航空機は米合衆国特許No.5,295,643でHughes Missile Systems Companyに与えられたものに開示されているが、その航空機の大きさは開示されていない。Hughesの航空機は“トロイダル”リングウイングを有しており、これがダクトを規定している。（もっとも、このリングウイングは断面がほぼ平坦であって、それにより本質的には環状シリンダであると考えることができるものである。）プロペラとステータとベイン（羽根）はダクト内部に置かれている。Hughesの航空機では、ステータは回転するプロペラによって作られるスワールする（旋回している）空気を真直ぐにするように働き、それにより回転するプロペラにより航空機に加えられるトルクと均衡（バランス）をとるのを助けている。ベインは制御サーフェスとして使用されて、空輸（エアボーン）の際に航空機のピッチとヨーとを制御するようにしている。
【０００４】
リングウイングを使用することはプロペラの雑音特性（ノイズシグネチャ）を減らすことと、プロペラと接触することになるやもしれない何かもしくはだれかの損傷とプロペラの損傷との両方に対して保護をするプロペラ用の保護ハウジングを提供することとの利点を有している。しかしながら、リングウイング設計の主たる利点は、それが、プロペラを水平に配向することによる、ホバリング用と、プロペラを垂直に配向することによる水平飛行用との両方で使用可能ということである。Hughesの航空機では、垂直から水平への飛行の変換がベインの使用によって効果を生ずるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Hughesの特許文献はその航空機に関するローリングの点については何も論じておらず、またヨーまたはピッチについての何らかの特徴についても詳細に論じているところが含まれていない。リングウイングＵＡＶの設計にあたってはこれらの重要点があることは明らかであり、その理由はこれらの航空機は自律的に制御されるか、遠隔制御によるののいずれかで制御されなければならず、それにより、航空機の制御と安定性とが強化されなければならないのであって、例えば有人ビークル上ではパイロットが航空機の姿勢といった自己のバランス感覚からの直接のフィードバックをもつこととなる。自由操縦（オートパイロット）が使われる場合には、ＵＡＶの自然の安定性（ナチュラルスタビリティ）は極めて重要であり、その理由は複雑さ、寸法、及び特に重要なのはオートパイロットシステムとして航空機に搭載されるものの質量をそれが減らすことになるからである。
【０００６】
ピッチとヨー面内での自然の安定性は航空機の重心をピッチ及びヨー面内の空気力学的中性点（ニュートラルポイント）の前方に置くことによって得られる。空気力学的圧力がリングウイングのすべての部分に作用するリングウイング手段の形状は作用線としてリングの中心を本来通過するものを有している。連続するリングウイングの対称性は、こういった圧力がローリングモーメントに対して何の寄与も生じないことを確かなものとする。リングウイングは連続している必要はないことを認識されたい。リングは２以上の部分に分けることができて、それでもなお空気力学的圧力からのローリングモーメントへの寄与はないことになっている。
【０００７】
しかしながら、本来的な中性的な対称性がリングウイング航空機にあることは問題を生ずることとして考えることができる。この理由はローリング軸の周りの何らかの騒乱は、航空機を騒乱のない状態に回復させるためにインクレメンタルな空気力学的ローリングモーメントを何もなしで、航空機をある姿勢に留めることによる。すなわち何らかの誘起されたローリングを正すようにする航空機についての傾向が存在しない。この自由にローリングをさせる傾向は航空制御システムにとってビークルを制御する手段を用意するという要件に通じ、それによって複雑を増して、よくあることであるが、航空機の質量を加えることになる。
【０００８】
この発明の目的は上述したリングウイングＵＡＶの以前の設計の不利益を克服することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第一の視点からとらえると、この発明は航空機であり、その構成は長手方向に延びる中心軸を備えたダクトを定義するリングウイングと、ダクト内に置かれた推進手段と、飛行中に航空機を制御するための可動のエーロフォイルとを含んでおり、このリングウイングは一端で斜めに切りとられていて、この端は水平飛行時には後方にあって、等しくない長さの両側（対向する側）を備えたリングウイングを形成している。
【００１０】
ここでいう用語リングウイングは実質的に円形の断面をもつリングを包含することを意図しており、断面は連続しているものでも途中に何かがあってもよく、言い換えると、リングの一部分（セグメント）が省かれていてもよい。これは中心軸の周りに翼（ウイング）を対称としておくためによく行なわれている。
【００１１】
リングウイングをその後部で斜めに切り取ることによって、リングウイングの中心軸から重心がオフセットした航空機を作ることが理解されよう。振り子効果は重心が航空機が飛行中（エアボーン）は最低高度に常にあることが可能となることを確かにする。したがって、航空機がローリングするとして、重心の高さの増加に起因するローリングモーメントは航空機のローリングの動きを作ることになり、それによって重心が可能とされる最低高度に戻るようにする。もっと重心がリングウイングの中心軸からオフセットすると、ローリング軸の周りの乱れを補正するために航空機をローリングする傾向は大きくなることが理解できる。したがって、航空機は好ましい方位配向をもち、制御サーフェスはこの好ましい方位配向に向くことができる。ローリング安定性はこうして重力のオフセット中心による回復用モーメントを介して得られるのであって、空気力学的な回復用モーメントを介しているのではない。
【００１２】
加えて、前ではなく後でリングウイングを切取ることは好都合なことであり、その理由は、航空機が高速前進飛行にあるときに、ピッチ及びヨー面内の空気力学的中性点の前方に重心点を作ることによる。本願出願人は基本的なリングウイング形状の簡単な修正が大きく利点をもたらすことを実現したことに注意すべきであり、その理由は、リングウイングの中心軸から重心をオフセットして自己修正形のローリング制御を与えることに加えて、また中心を航空機の前方へ向けて移動させ、言い換えると、簡単な修正が全３軸での大きく改善された安定性を与えてもいることに注目されたい。
【００１３】
オプションとして、リングウイングは平面状のスライスをリングウイングを介してすることにより切りとられる。平面状のスライスは長手方向に延びている中心軸に対して２５゜〜６５゜の角度を作るのがよい。さらによいのはこの角度が２５゜〜４５゜であり、もっとよいのは実質的に４５゜に等しい角度とすることである。オプションとして、リングウイングは曲ったスライスによって切りとられ、リングウイングとの間で作られる角度はリングウイングの長い方の側で相対的に浅いものであり、リングウイングの短い方の側で相対的に鋭いものとする。この構成は浅い方の端に対して重心のシフトをより大きなものとする。
【００１４】
ペイロード（有償荷重）と航空機の他の部品でリングウイングの中心軸上にある必要のないもの（例えば、距離（レムーブ）制御受信機、バッテリィ、あるいは燃料タンク、モータ速度制御器など）は航空機の全体の質量のかなりの主要部分を構成しているので、リングウイングの中心軸からずれて（オフセットして）置かれなければならない。振り子効果を最大にするために、部品及び／又は、何らかのペイロードをリングウイングの長い方の側の外部にあるコンパートメントの内に収納するのが好都合である。これに代るか、これに加えて、部品及び／又は何れかのペイロードはリングウイングの長い方の側の内部に用意されたコンパートメント内に収納できるようにすることができる。好都合なのは、このコンパートメントがリングウイングの一端に用意されることで、この端は水平飛行時には前方であることとし、その理由はこの構成が全３軸での安定性を助けることによる。
【００１５】
航空機はリングウイングの中心軸からオフセットして用意されたピッチ制御用エーロフォイル部品をもつことができる。オプションとして、それが、展開されていないときには、リングウイングの長い方の側と実質的に平らになるように置かれていてよい。好都合なのは、リングウイングの長い方の側の素子として用意されるようにできることである。
【００１６】
便利なのは、航空機がさらに２つの直交するベイン（羽根）を備えていて、その一方のベインがピッチ制御用エーロフォイルと同じ方向方向で空気力学的揚力（リフト）を与えることである。これらのベインは航空機のローリングとヨーイングの姿勢を主として制御してよく、またこれらのベインは例えば回転（ターン）の効果を生じさせるために、ある種の操縦ではピッチ制御用エーロフォイルと一緒に動作してよい。
【００１７】
オプションとして、上記定義のいずれの航空機も無人とされる。リングウイングの直径は５０ｃｍよりも小さくてよく、もっとも２５ｃｍより小さい直径が現在は好ましいとされている。
【００１８】
添付の図面を例として参照し、この発明を記述して行く。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１ないし３から見ることができるように、この発明の第１の実施例による航空機１０はコンパートメント１２を備えたリングウイング１１と後部エレベータ１３とを備えている。コンパートメント１２はリングウイング１１の前方部分１１ａの下に置かれている。航空機の大きさは、リングウイング１１が直径１２ｃｍであるという事実から測ることができる。リングウイング１１は角度αで斜めに切取られていて、この角度αはリングウイングの長手方向に延びる中心軸３１に対するもので４５゜としてあり、リングの一部で成る前部１１ａと尾部１１ｂとを規定している。リングウイング１１は平面形式で切りとられていて、それにより尾部１１ｂは均一なテーパ状であって、航空機の後部で、エレベータ１３と適合している。尾部１１ｂの中心線はエレベータ１３の中心線と一致している。
【００２０】
ここで航空機の前部を見ると、前方のフェアリング（整形板）１４ａはリングウイング１１により規定されたボイド（空間）１６の中心から突出している。前方のフェアリング１４ａは４枚ブレードプロペラ１５の前部に直接置かれていて、プロペラ１５はボンド１６のちょうど内部にあって、リングウイング１１の長手方向軸１７の周りに回転する。プロペラ１５の背後では、後方のフェアリング１４ｂが長手方向軸に沿って延びていて、リングウイング１１の尾部１１ｂの上で終っている。４つのベイン（羽根）がボンド１６の内部で前部１１ａの後方に置かれていて、リングウイング１１の長手方向軸１７の周りに対称に配列されて、垂直ベイン１８ａの対と水平ベイン１８ｂの対となっている。ベイン１８はリングウイング１１の前部１１ａの上部に僅かながら突出していて、言い換えると尾部１１ｂと僅かに重なっている。
【００２１】
コンパートメント１２がリングウイング１１の下側に置かれていて、それにより前部１１ａの長さにまたがっていて、リングウイング１１の先端１１ｃの前に突出している。コンパートメント１２は空気力学的な形状をもつように輪郭（プロフィル）が作られていて、言い換えると外側サーフェスが別のフェアリングを構成している。
【００２２】
１対の、延在する支持体１９がボンド１６をリングウイング１１の前部１１ａの後方でまたいでいて、１つは水平に、１つは垂直であって、フェアリング１４ａ，１４ｂとベイン１８とを支持している。
【００２３】
図４は航空機１０の垂直断面であり、航空機をより詳しく示している。図示のように、コンパートメントは中空であり、航空機の数個の部品を収納している。とくに、これらの部品は高性能バッテリィ２０であって航空機に給電し、受信機２１であってオペレータによって使用される手持ちの送信機により送られた飛行制御命令を受け、また電子的なモータ速度制御器２２となっている。加えて、ペイロード２３もまた示されている。最適の空気力学的輪郭をコンパートメント１２がもつことを確実にするために、部品２０，２１，２２とペイロード２３とは一方が他方の前にあるようにされ、それによってコンパートメントが浅くしかも狭い幅のものとなることを確かなものとしている。コンパートメント１２の空気力学的プロフィルは図４にはっきりと示されている。
【００２４】
さらに、図４はまたリングウイング１４がエーロフォイルの特徴的な断面輪郭を持ち、それによってリングウイング１１により生成された揚力（リフト）を最大とすることも示している。リングウイング１１の空気力学的輪郭はその周りで均一となっている。この典型的なエーロフォイルの輪郭はまたエレベータ１３に対してもまたベイン１８に対しても使用されている。
【００２５】
プロペラ１５はプロペラ１５の背後の後部フェアリング１４ｂ内に作られた空洞内に収納されたモータ２４によって動力を受け、プロペラ１５はモータ２４の中心軸上にマウントされている。モータ２４の本体は後部フェアリング１４ｂの側部を形成している。モータ２４を後部フェアリング１４ｂ内部に置くことは、航空機１０の最適な空気力学的条件を確保する。支持体１９がモータ２４の背後で後部フェアリング１４ｂを通り、スルーホールでその寸法が適切なはめ合い（スナグフィット）を確保できるようなものに入って進み、リングウイング１１内に用意された孔の内部で適切な状態で終っている。この支持体１９はリングウイング１１内に用意された孔の内部でしっかりと接着されている。
【００２６】
ベイン１８にはスルーホールが備えられていて、これがベイン前方端の幅にわたって延びていて、スルーホールの寸法は、スルーホールを通って延びる支持体１９内に摺動するはめ合い（スライデングフィット）を与えるものとなっている。したがって、ベイン１８は支持体１９の周りに軸動して、飛行中に制御サーフェスを用意する。各ベイン１８はクランクアームとリンケージ２６ａによってベイン１８と結ばれている関係のサーボモータ２５ａによって移動される。このサーボモータ２５ａは空気力学的カバー２８内にはめ合っているリングウイング１１の窪み（リセス）２７ａ内部に収納されている。同じように、エレベータ１３もまたクランクアートとリンケージ２６ｂによって結ばれたサーボモータ２５ｂによって展開されるが、ここでサーボモータ２５ｂは尾部１１ｂのカバーをつけた窪み２７ｂ内部に収納されている。すべてのサーボモータ２５ａ，２５ｂはその動力をバッテリィ２０から描き出していることはプロペラモータ２４がしているのと同じである。配線（図示せず）が配電し、窪みや中空部内でルート設定されている。
【００２７】
前方フェアリング１４ａは空中であり、このことは内部空間が貯蔵場所として使用されていないときに、別のペイロードについての余地を与えるので好都合であり、航空機１０の全質量を低減する。
【００２８】
航空機１０の全質量についての重要な特徴は、航空機１０の各種部品の材料の選択についても働きがある。低密度材料が一般には好ましい。とくに、スチロフォームがリングウイング１１と、コンパートメント１２と、ベイン１８と、エレベータ１３と、フェアリング１４ａ，１４ｂについて使用される。カーボンファイバ複合物チューブが支持体１９について使用され、またクランクアームとリンケージ２６ａ，２６ｂについても、ばね鋼ワイヤと組合せて使用される。コンパクトで、小質量のサーボモータ２５ａ，２５ｂとモータ２４とが採用される。
【００２９】
材料と、部品形状と、上述の位置決めとを注意深く選ぶことは、航空機１０の重心２９がリングウイング１１の中心軸の下側に来て、しかもリングウイング１１の先端１１ｃに近いところへ来るようにするという２つの結果をもたらす。したがって、航空機１０はピッチとヨーの面でのかなりの安定性を備えており、ローリング軸の周りの安定性に加えて、ローリング軸の周りでの自己修正となっている。
【００３０】
航空機１０の飛行に関する特徴をここで記述する。航空機１０は通常の模型グライダ技法を用いて発射（ローンチ）される。すなわち、長い長さをもつ弾性材料が航空機を水平飛行するように発射し、プロペラ１５はそのときはすで動いている。
【００３１】
レベル水平飛行では、ベイン１８は正確には水平と垂直に位置していないが、回転しているプロペラ１５が航空機１０をローリングする傾向を作り出すので、プロペラによって作られるトルクを勘案すると僅かにオフセットしている。飛行状態での航空機１０の制御はピッチ制御についてはエレベータ１３を、ローリング制御についてはベイン１８を用いて達成される。ヨー制御は必要がないことが見付けられており、ターンは通常のやり方でピッチとロールとの制御を組合せて用いることにより達成される。
【００３２】
ホバリングのときには、プロペラ１５は水平に配向し、エレベータ１３は最下位置となる。このモードでは、エレベータ１３はピッチを制御し、ベイン１８はローリングとヨーイングの両方を制御する。正確に直立した配向となるのではなく、航空機１０はわずかに傾いて、スラスト軸と一致したライン上で重心２９を維持するようにする。スラスト軸の微細な制御のためには、プロペラ１５は通常のヘリコプタのようなピッチ／コレクティブ機構をもつことができ、それによってプロペラブレード１５の角度が回転中に変化して、アプローチングセクタからリトリーテングセクタまで変る。これに代って、この微細な制御はモータ２４をジンバル上にマウントして、それによってプロペラ１５の回転軸全体が傾くことができるようにすることにより達成することもできる。航空機１０は、ホバリングモードでは航空機１０の傾きを僅かに変えることにより低速で周辺を移動できる。
【００３３】
水平飛行とホバリングとの間の遷移は通常のピッチアップ操縦を用いて達成され、その際にはエレベータ１３もしくはベイン１８をモータ２４のスロットル動作と組合せて用いて始動がされる。ホバリングから水平飛行への遷移は逆のやり方で達成される。
【００３４】
何らかの理由で航空機１０がローリングをすると、例えば突風による乱れとか、ターン操縦時のローリングとかがあって、ローリングをすると、重心２９による得られた高さ増が原因となったローリングモーメントは反対向きのローリングをする傾向を作り出すことになり、それによって重心２９は最低高さに戻ることができる。したがって、突風により乱されるときには、航空機１０は誘起されたローリングをベイン１８とかエレベータ１３を使用する必要なしに直ちに補正することになる。ターン操縦の場合には、航空機１０はベイン１８とエレベータ１３とがもはや展開されないとすぐに安定な飛行中配向に自己補正をすることになる。
【００３５】
この発明の第２の実施例が図５と６とに示されている。この実施例は広い意味では第１の実施例と対応がとれているので、類似部品には類似参照番号をあてている。
【００３６】
この代りの実施例は第１にリングウイング１１の尾部１１ｂと、エレベータ１３の設計に違いがある。リングウイング１１は曲った線（面）に沿って斜めに切りとられているので、リングウイング１１の上部は相対的に鋭い角度で切りとられ、それからは漸進的に浅くなっていって、“Ｖ”字形のビーバの尾の部分１１ｂと一致するようにしている。可動エレベータ１３はこの“Ｖ”字の各側部に置かれていて、その前縁でヒンジどめされている。こういったエレベータ１３はタンデム方式で動作して航空機１０のピッチを制御するか、航空機１０のローリングを制御するために組合せて動作する。
【００３７】
この代りの実施例はまた航空機１０の部品のいくつかが違っていて、これらの部品がリングウイング１１の下側前部内に置かれたコンパートメント内に収納されている。このコンパートメントは明白には示されていないが、その位置は図５の参照番号３０によっておおよそ示されている。
【００３８】
当業者は修正がここに記述してきた実施例について、この発明範囲を逸脱せずに可能であることを理解すると考えられる。
【００３９】
例えば、回転するプロペラ１５により作られるトルクを補償するためにベインを用いるのではなく、反対方向に回転するプロペラを採用することもできる。これが作られるスラストを増すという利点をもたらすが、その条件はプロペラブレードの正しい最適化が行なわれることとする。
【００４０】
航空機１０の部品用にスチロフォームを使用する代りに、部品はシリカエーロゲルから作ることができ、好都合なのは、このゲルが非常に低密度であるにも拘らず大きな構造上の強度をもっていることである。軽量のハネカム充填材を薄いシェル内に含んでいる複合構造も使用できる。大型航空気としてこの発明が実施されるときには、通常の航空機材料を使うことができて、例えばリングウイング１１はスパー（翼桁）ストラット（支柱）、及びリブ（翼小骨）についての通常の構造をもつことができる。リングウイング１１の周りに均一に留まっている輪郭が上述の実施例で使用されているが、この輪郭はリングウイング１１の周りで変化することができる。例えば、余計な揚力を得るためには大げさとした（exaggerated）反りかえり（camber）がリングウイング１１の上と底の部分で使用でき、この反りかえりは両部分に対して同じ向きとなっている。明らかに、リングウイング１１のプロフィルは同じ向きとなっている反りかえりに対して上と底の部分の間で変化していなければならない。
【００４１】
遠隔制御によって航空機１０を操作するのではなく、航空機は例えばオートパイロットを採用した自律形のものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の第１の実施形態による航空機の斜視図。
【図２】  図１の航空機の平面図。
【図３】  図１の航空機の正面図。
【図４】  図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図。
【図５】  この発明の第２の実施形態による航空機の斜視図。
【図６】  図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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