(57)【要約】【課題】現在の自家用自動車に代えて自宅の庭からでも発着が可能な、より簡便でより安全な軽量ＶＴＯＬ機とその軽量ＶＴＯＬ機に適したガスタービンエンジンを提供する。【解決手段】エンジン部３のガスタービンエンジンからの燃焼ガス流と冷却空気流を受けて機台に一次揚力を発生させるためにガスタービンエンジンの回りに環状翼１８を設け、環状翼１８を通過したガス流を当てて下方に変流させて機台に二次揚力を発生させるカウリング１９を環状翼１８の回りに設け、カウリング１９の後方位置にガス流を後方に放出する開放部を設け、この開放部の後縁に昇降舵２０ａを有する水平尾翼２０と方向舵２１とを設けた。【選択図】図１
2008074356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操縦者のための座席とエンジンの作動コントローラーと操縦機構を備えた機台を有し、
この機台にはエンジン部と翼部が支持されており、
前記エンジン部は、
ガスタービンエンジンとガスタービンエンジンからの燃焼ガス流と冷却空気を水平方向に指向させる機構を有し、
前記翼部は、
ガスタービンエンジンからの燃焼ガス流と冷却空気流を受けて機台に一次揚力を発生させるためにガスタービンエンジンの回りに環状に設けた環状翼と、
環状翼の回りに設けられ、環状翼を通過したガス流を当てて下方に変流させて機台に二次揚力を発生させるカウリングとを有し、
このカウリングの後方位置にはガス流を後方に放出する開放部を設け、この開放部の後縁に昇降舵を有する水平尾翼と方向舵とを設けた軽量ＶＴＯＬ機。
【請求項２】
中心軸回りに回転可能な水平円板を有し、
この水平円板の上面中央部分に、空気と燃料の混合気を水平円板の外周側に送る混合気送風羽根を設け、
混合気送風羽根の外周側に、前記混合気の流れを上方に導く環状の隔壁を設け、
環状の隔壁の外周側に、前記混合気を燃焼させた燃焼ガスを受けて水平円板を回転駆動させるとともに前記燃焼ガスを水平円板の外周側に送る駆動羽根を設け、
さらに、水平円板の下面に、冷却空気を水平円板の外周側に送る冷却空気送風羽根を設け、
水平円板の上面全周から燃焼ガスを、水平円板の下面全周から冷却空気を２層の噴流として水平に放出させるガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、垂直離着陸機いわゆるＶＴＯＬ、とくに、少人数用の軽量ＶＴＯＬ機、及びその動力源として利用可能なガスタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ガスタービンエンジンを動力源とするＶＴＯＬ機自体は広く知られており、とくに、これを小型化して一人用としたものも提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、人体の背に着脱自在に取り付けられるようになったそれぞれ可変ピッチプロペラを有するホバリング用の第１のガスタービンエンジンと推進用の第２のガスタービンエンジンを有し、これらのガスタービンエンジンを制御部によって操作できるようにしたＶＴＯＬ機が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、２基のガスタービンエンジンを備え、それぞれのガスタービンエンジンから排出される圧縮空気が流通する２つの抽気流路に２つの逆止弁を設け、２つの抽気流路を流通してきた圧縮空気を逆止弁下流において集合させて集合空気流路とし、この集合空気流路を流通してきた圧縮空気を推力を発生する推力発生手段とし、低出力状態で運転すると燃費が悪化するガスタービンエンジンの欠点を、最高出力を最大定格出力の１３０％の出力とすることによって、２基のエンジン運転時のエンジン低出力状態の燃費を改善したものが開示されている。
【０００５】
これらの軽量ＶＴＯＬ機は、燃費を向上させるとともに、安全性を確保することを目的としたものではあるが、通常の家庭の空き地からでも発進でき、安全に帰着できる程の安全性と安定性を有しているとは云えない。
【０００６】
また、これらの軽量ＶＴＯＬ機に使用されている従来のガスタービンエンジンは、軸出力でプロペラや回転翼を回転させて出力を得るため、構造が複雑となり、コストが高くなり、故障による安全上の問題も多くなる。
【特許文献１】特開２００４−２６８６４０号公報
【特許文献２】特開２００６−２１３１６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、現在の自家用自動車に代えて自宅の庭からでも発着が可能な、より簡便でより安全な軽量Ｓ／ＶＴＯＬ機とその軽量Ｓ／ＶＴＯＬ機に適したガスタービンエンジンを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の軽量ＶＴＯＬ機は、
操縦者のための座席とエンジンの作動コントローラーと操縦機構を備えた機台を有し、
この機台にはエンジン部と翼部が支持されており、
前記エンジン部は、
ガスタービンエンジンとガスタービンエンジンからの燃焼ガス流と冷却空気を水平方向に指向させる機構を有し、
前記翼部は、
ガスタービンエンジンからの燃焼ガス流と冷却空気流を受けて機台に一次揚力を発生させるためにガスタービンエンジンの回りに環状に設けた環状翼と、
環状翼の回りに設けられ、環状翼を通過したガス流を当てて下方に変流させて機台に二次揚力を発生させるカウリングとを有し、
このカウリングの後方位置にはガス流を後方に放出する開放部を設け、この開放部の後縁に昇降舵を有する水平尾翼と方向舵とを設けたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の軽量ＶＴＯＬ機において得られる揚力の大部分は、環状に配置した環状翼へのガスタービンエンジンの燃焼ガス流と冷却空気流による圧力分布によって得られる。カウリングに当たるガス流の反力によって発生する揚力は二次的なもので機体の安定性を得るためのものである。
【００１０】
環状に配置した環状翼の翼断面形状は、強度が許す限り、重量が軽い形状が望ましくＮＡＣＡ型のものが望ましい。これによって比較的遅い流速のガスタービンエンジンの燃焼ガス流であっても効率よく充分な揚力を得ることができる。
【００１１】
上記構造を有する本発明の軽量Ｓ／ＶＴＯＬ機に用いるガスタービンエンジンとしては、比較的軽量で小容量のものが使用できるが、回転可能な水平円板の上面全周から高温の燃焼ガスを、下面全周から冷却空気を２層の噴流として水平に放出させるタイプのガスタービンエンジンが最も効率的に使用できる。
【００１２】
このようなタイプのガスタービンエンジンは、具体的には、中心軸回りに回転可能な水平円板の上面中央部分に、空気と燃料の混合気を水平円板の外周側に送る混合気送風羽根を設け、混合気送風羽根の外周側に、前記混合気の流れを上方に導く環状の隔壁を設け、環状の隔壁の外周側に、前記混合気を燃焼させた燃焼ガスを受けて水平円板を回転駆動させるとともに前記燃焼ガスを水平円板の外周側に送る駆動羽根を設け、さらに、水平円板の下面に、冷却空気を水平円板の外周側に送る冷却空気送風羽根を設けることによって得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によって、離着陸のための広い地上面積を必要とせず、通常の自動車並の大きさの、安価で且つ安全なＳ／ＶＴＯＬ機が実現できる。
【００１４】
Ｓ／ＶＴＯＬ装置を通常の自動車の屋根に取り付けることによって、安全且つ安価な空飛ぶ自動車を実現できる。
【００１５】
また、通常のガスタービンエンジンは、軸出力でプロペラや回転翼を回転させて出力を得るものであるが、本発明のガスタービンエンジンは、燃焼によって得られる燃焼ガス流と冷却空気流そのものを機体の揚力源と推進力源として用いるようにしており、これによって、シンプル且つ軽量で、しかも低コストで安全確実な軽量Ｓ／ＶＴＯＬ機を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を添付図に示す１人乗り用の陸上Ｓ／ＶＴＯＬ機に適用した実施例によって、その実施形態を説明する。
【実施例】
【００１７】
図１は、本発明の実施例の垂直断面を示す。同図において、１は機台を示す。この機台１は、二輪を並置した前車輪１ａと一輪型の後車輪１ｂからなる着地装置と、操縦者のためのキャビン１ｃを有する。
【００１８】
キャビン１ｃには、操縦者のための座席１ｄが設けられ、また図示してはいないが、エンジン作動のためのコントローラーと、昇降舵や方向舵などの操作のためのレバーあるいはハンドルからなる操縦機構が設けられている。
【００１９】
さらに、この機台１の上方位置には、支持フレーム２によって、機台１のほぼ中央上方にエンジン部３と、エンジン部３の外周側に位置する翼部４が支持されている。
【００２０】
図２はエンジン部３の構造を後述する環状翼１８とともに示す垂直断面図であり、図３は、その説明の都合上から、外カバーを上面から見たａ部と、上カバーを上面から見たｂ部と、水平円板を上面から見たｃ部と、水平円板を下面から見たｄ部を組み合わせた図である。なお、ｃ部及びｄ部では環状翼も示している。
【００２１】
エンジン部３は、ガスタービンエンジン５を有し、このガスタービンエンジン５は、水平円板６を有する。水平円板６は、その上面を上カバー７で、下面を下カバー８で覆われ、その中心軸を上カバー６及び下カバー７の中心部に回転自在に支承することにより、中心軸回りに回転可能となっている。
【００２２】
水平円板６の上面中央部分には、空気と燃料の混合気を水平円板６の外周側に送る混合気送風羽根６ａが設けられ、混合気送風羽根６ａの外周側には、混合気の流れを上方に導く環状の隔壁６ｂが設けられ、環状の隔壁６ｂの外周側には、混合気を燃焼させた燃焼ガスを受けて水平円板６を回転駆動させるとともに燃焼ガスを水平円板６の外周側に送る駆動羽根６ｃが設けられている。これらの混合気送風羽根６ａ、環状の隔壁６ｂ及び駆動羽根６ｃは、水平円板の上面に一体的に設けられている。また、水平円板６の下面には、冷却空気を水平円板６の外周側に送る冷却空気送風羽根６ｄが一体的に設けられている。
【００２３】
水平円板６は上カバー７で覆われている。この上カバー７の中心部のボス７ａで水平円板の中心軸の上端が回転可能に支承される。上カバー７の中心部の空気流入用の開口部７ｂ近傍に燃料ノズル９が設けられており、この燃料ノズル９は図示しない燃料タンクとパイプでつながれる。上カバー７の中心部下面は混合気送風羽根６ａに近接するように形成されており、その外周側は立ち上げられて円筒部７ｃが形成されている。
【００２４】
この円筒部７ｃに皿形の逆止弁１０が上下方向に摺動可能に配置されている。この逆止弁１０の下方向の動きは上カバー７に設けられた止環１１で止められ、逆止弁１０が水平円板６の隔壁６ｂに近接して止まる。上方向の動きは上カバー７に設けられたピン１２で止められる。このピン１２はレバー１３で操作され、これによって逆止弁１０の上下方向の動きを制御し、水平円板６の隔壁６ｂとの隙間を加減して、燃料と空気の混合気の流量を加減する。
【００２５】
上カバー７の円筒部７ｃの上部は環状の燃焼室となり、その上部に設けた２〜３本の電熱栓１４で混合気に点火する。燃焼ガスの上流側（水平円板６の内周側）への逆流は逆止弁１０で止められるので、燃焼ガスの全量が下流側（水平円板６の外周側）の駆動羽根６ｃに吹き付けられ、水平円板６が回転駆動される。また、燃焼ガスは駆動羽根６ｃによって水平円板６の外周側に送られ、水平円板６の上面全周から噴流として水平に放出される。
【００２６】
また、上カバー７の上面には冷却ひれ７ｄが設けられており、上カバー７の上面は外カバー１５で覆われている。これによって、放出される燃焼ガスによる吸出し効果で上カバー７の上面を空気が流れ、上カバー７を冷却するようにしている。
【００２７】
一方、水平円板６の下面には冷却空気送風羽根６ｄが設けられ、水平円板６の下面は下カバー８で覆われている。この下カバー８の中心部のボス８ａで水平円板６の中心軸の下端が回転可能に支承される。また、下カバー８の内面は冷却空気送風羽根６ｄに近接するように形成されている。そして、水平円板６を回転駆動すると、冷却空気送風羽根６ｄによって冷却空気が図２に矢印２４で示すように水平円板６の外周側に送られ、水平円板６の下面が冷却されるとともに、冷却空気が水平円板６の下面全周から噴流として水平に放出される。
【００２８】
また、水平円板６の中心軸の下端には発電機１６が接続されており、水平円板６の回転により発電機１６を駆動させ、上述の電熱栓１４や照明の電源とするようにしている。
【００２９】
以上の構成において、ガスタービンエンジン３の始動は、始動用燃料ノズル２２から燃料を噴射して電熱栓１４で点火するとともに上カバー７に設けた空気ノズル１７から圧縮空気を駆動羽根６ｃに吹き付けて水平円板６を回転させることにより行う。
【００３０】
水平円板６が回転すると、混合気送風羽根６ａの回転により上カバー７の開口部７ｂから空気が吸い込まれる。そして、この空気と燃料ノズル９から噴射された燃料が混合され、その混合気が図２に矢印２３で示すように逆止弁１０を押し開けて円筒部７ｃ（燃焼室）に入り、電熱栓１４によって点火される。混合気を燃焼させた燃焼ガスは、図２に矢印２５で示すように水平円板６の外周側に流れ、駆動羽根６ｃに吹き付けられる。これによって、水平円板６の回転が継続し、混合気の燃焼も継続する。この水平円板６の回転により、水平円板６の下面では冷却空気が水平円板６の外周側に送られる。その結果、水平円板６の上面全周から燃焼ガスが、水平円板６の下面全周から冷却空気が、２層の噴流として水平に放出される。なお、ガスタービンエンジン（水平円板６）の回転速度は、上記のピン１２を上下させて逆止弁１０のストロークを制御し、隔壁６ｂとの間隔を通る混合気の流量を加減して行う。
【００３１】
このように、本発明のガスタービンエンジンは、従来のガスタービンエンジンのように軸出力でプロペラや回転翼を回転させて出力を得る構造ではなく、水平円板の回転により、その全周から燃焼ガスと冷却空気を２層の噴流として放出する構造であるため、構造が簡単となり、コストも低くなり、故障も少なくなる。すなわち、本発明のガスタービンエンジンは、基本的には、水平円板６と上カバー７と下カバー８と逆止弁１０と外カバー１５の５部品のみで構成される。これらの部品はすべて軽合金のダイキャスト鋳物で製造することができ、機械加工は最小限で済むので、構造が簡単となり、低コスト化及び軽量化を図ることができる。また、複雑なプロペラや回転羽根を設ける必要がないので、故障が少なくなり、安全も確保される。
【００３２】
図４と図５は、上記図２と図３に示すガスタービンエンジンからの燃焼ガス流と冷却空気流により、機体に揚力と推進力を付与する翼部の構造をそれぞれ垂直断面と平面によって示す図である。
【００３３】
この翼部４は、図１に示すように、機台１に取り付けられた支持フレーム２に取り付けられており、環状翼１８とカウリング１９と水平尾翼２０と方向舵２１とからなる。この翼部４によって、ガスタービンエンジン３からの燃焼ガス流と冷却空気流によって揚力を生み、安定した推進力を生み出す。
【００３４】
図４と図５において、環状翼１８は、断面が揚力効果に優れたＮＡＣＡ型の翼を、外方に３〜５度の仰角を付けてガスタービンエンジン３の回りに環状に配置されている。ガスタービンエンジン３からの燃焼ガス流は、図４に矢印で示すように、環状翼１８の上面に沿って外周方向に定常状態では後述するように毎時２１６ｋｍ以上の比較的高速で流れ、ガスタービンエンジン３からの冷却空気流は環状翼１８の下面に沿って外周方向に流れる。その上面を流れる高速の燃焼ガス流と比較的低速の冷却空気流による環状翼１８の上下面への圧力分布によって一次揚力が得られる。
【００３５】
環状翼１８の翼断面形状は、強度が許す限り、重量が軽くなる形状が望ましくクラークＹ型の形状のものが望ましい。これによって比較的遅い流速の燃焼ガス流であっても充分な揚力を得ることができる。
【００３６】
揚力の大きさは環状翼１８の面積とその上面、下面の圧力差の積となる。本発明では上面を高温の密度の低い燃焼ガスが高速で流れるので、冷却空気が流れる下面に比しさらに圧力差が大きくなり揚力を増す。
【００３７】
例えば、自動車の後部トランク上面に設けられたスタビライザーは巾２０ｃｍ、長さ１２０ｃｍ、面積２４００ｃｍ２で車速毎時０〜２００ｋｍで０〜６００ｋｇの下向き圧力で後輪タイヤを押してスリップを防止することが知られている。
【００３８】
本発明の実施例では環状翼１８の外径は１０２ｃｍ、内径は４２ｃｍ、面積は８６４０ｃｍ２である。また、ガスタービンエンジンの水平円板６上面の混合気送風羽根６ａ外端の直径は２３ｃｍで毎分０〜５０００回転で周速は毎時０〜２１６ｋｍとなる。
【００３９】
空気と燃料の混合気は０〜２１６ｋｍの周速で旋回し環状の隔壁６ｂにより上方に導かれ、逆止弁１０を押上げ燃焼室を旋回し、赤熱した電熱栓１４にふれて爆発燃焼し、その圧力で逆止弁１０を押下げ、燃焼ガスの全量が旋回速度を上げ駆動羽根６ｃに当り水平円板６を回転させ水平円板６の接線方向に毎時０〜２１６ｋｍ以上の速度で環状翼１８上面に放出される。
【００４０】
したがって、上記の自動車のスタビライザーと比較して揚力の大きさは水平円板６の回転数毎分０〜５０００で０〜６００ｋｇ以上となり、機体自重を考えても５人までの人員をのせ垂直に離陸し飛行することができる。
【００４１】
カウリング１９は、環状翼１８の回りに、その内面を下向きに湾曲させて設けられており、環状翼１８の上下面を通過したガスタービエンジンン３からの燃焼ガス流と冷却空気流がその内面に衝突した結果、下方に方向転換し下向きの噴流となり、その際、反力として第２の揚力を発生する。このカウリング１９には、図５に示すように、平面がその後方部分を除いて円形に形成されており、これによって、下方に排出するガスの流量と向きとが自然に調整され、これが機体の安定化に寄与することになる。すなわち、カウリング１９に当たるガス流の反力によって発生する揚力は二次的なもので機体の安定性を得るためのものである。
【００４２】
操縦席の後方位置に当たるカウリング１９の後方に形成された開放部１９ａにおいては、カウリング１９に当たるべき燃焼ガス流と冷却空気流がそのまま外方に噴出され、その外方に噴出されるガス流の反力が機体の推進力として機能する。
【００４３】
カウリング１９の後方に形成された開放部１９ａには、噴出ガス流によって、飛翔中の機体の上下方向の安定のための水平尾翼２０が設けられ、その後縁には昇降向きの調整のための昇降舵２０ａが設けられている。さらに、開放部１９ａの開放端の２箇所には左右動が可能な方向舵２１が設けられている。
【００４４】
図１に示す本発明の軽量Ｓ／ＶＯＬ機は、ガスタービンエンジン３の作動によって下記のように飛翔する。
【００４５】
まず、ガスタービンエンジン３からの燃焼ガス流が環状翼１８の上面に沿って外周方向に流れ、冷却空気流が環状翼１８の下面に沿って外周方向に流れることによって、上述のように、環状翼１８の上下面の圧力分布による第１の揚力が発生する。また、環状翼１８の下面に沿って流れる冷却空気流は、環状翼１８を、その下面に設けられた冷却ひれ１８ａ（図４参照）を介して冷却する。
【００４６】
そして、環状翼１８の上面を通過した燃焼ガス流と、環状翼１８の下面を通過した冷却空気流は、合流してカウリング１９の湾曲面で下方に曲げられ、その反力によって第２の揚力が発生する。
【００４７】
カウリング１９の後方は開放されているので、合流した燃焼ガス流と冷却空気流は後方に放出され、その反力で前方への推力が生じる。
【００４８】
そして、カウリング１９後方の開放部１９ａの両端をつなぐ水平尾翼２０後縁の昇降舵２０ａの操作によって機体の昇降を図るとともに、方向舵２１の操作によって機体の左右への向きを調整する。
【００４９】
さらに、昇降舵２０ａにより機体を前傾させると、推力の分力が前方への推力となる。一方、後傾させると後方への推力となり、前進ブレーキをかけさらに後進も可能である。
【００５０】
図６は、本発明の軽量Ｓ／ＶＴＯＬ機の第２の実施例を垂直断面によって示すもので、第１の実施例を示す図１に対応するものである。
【００５１】
この第２の実施例の場合は、搭乗者のためのキャビン１ｃをエンジン部３と翼部４の上方に位置させたもので、これによっても第１の実施例と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の軽量Ｓ／ＶＴＯＬ機の第１の実施例の垂直断面を示す。
【図２】図１に示すエンジン部の垂直断面である。
【図３】図２の一部破断による平面図である。
【図４】図１に示す翼部の垂直断面である。
【図５】図４の平面図である。
【図６】本発明の軽量Ｓ／ＶＴＯＬ機の第２の実施例の垂直断面を示す。
【符号の説明】
【００５３】
１  機台
１ａ  前車輪
１ｂ  後車輪
１ｃ  キャビン
１ｄ  座席
２  支持フレーム
３  エンジン部
４  翼部
５  ガスタービンエンジン
６  水平円板
６ａ  混合気送風羽根
６ｂ  隔壁
６ｃ  駆動羽根
６ｄ  冷却空気送風羽根
７  上カバー
７ａ  ボス
７ｂ  開口部
７ｃ  円筒部
８  下カバー
８ａ  ボス
９  燃料ノズル
１０  逆止弁
１１  止環
１２  ピン
１３  レバー
１４  電熱栓
１５  外カバー
１６  発電機
１７  空気ノズル
１８  環状翼
１８ａ  冷却ひれ
１９  カウリング
１９ａ  開放部
２０  水平尾翼
２０ａ  昇降舵
２１  方向舵
２２  始動用燃料ノズル
２３  混合気の流れ
２４  冷却空気の流れ
２５  燃焼ガスの流れ
【図１】
2008074356.tif 000003
【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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