(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直離着陸（ＶＴＯＬ）機であって、
前方端部、後方端部、上面、および下面を有する胴体と、
前記胴体の前方端部に結合されたカナード翼と、
前記胴体の後方端部に結合された主翼と、
前記胴体に結合された少なくとも１つの垂直安定板と、
前記胴体の前方端部におよび前記胴体の長手方向軸に沿って配置された前方ロータユニットと、
前記胴体の前記後方端部におよび前記胴体の前記長手方向軸に沿って配置された後方ロータユニットであって、前記前方ロータユニットおよび前記後方ロータユニットはそれぞれ、
ステータを備えるダクテッドハウジング、
複数のピッチ設定されたブレードを備える少なくとも１つのロータ羽根、および
前記ステータに結合された電気モータであって、推力を生成するために前記少なくとも１つのロータ羽根を回転させるための電気モータ
を備える、後方ロータユニットと、
前記胴体に各ダクテッドハウジングを結合するための回転支持体であって、少なくとも１つの軸に沿った各ロータユニットの回転を可能にする回転支持体と、
各電気モータに電力を供給するための電池セットと
を備えることを特徴とするＶＴＯＬ機。
【請求項２】
前記回転支持体は、前記ロータユニットからの推力が前記長手方向軸に対して実質的に垂直に配向されるように、各ロータユニットを配向するように構成され、前記ロータユニットからの前記推力は、ホバー飛行で前記ＶＴＯＬ機を補助するための揚力を発生させることを特徴とする請求項１に記載のＶＴＯＬ機。
【請求項３】
前記回転支持体は、前記ロータユニットからの推力が前記長手方向軸に対して実質的に平行に配向されるように、各ロータユニットを配向するように構成され、前記ロータユニットからの前記推力は、前進飛行での前記ＶＴＯＬ機の推進を引き起こし、前記主翼は、前記前進飛行時に上方揚力を生成することを特徴とする請求項２に記載のＶＴＯＬ機。
【請求項４】
前記回転支持体は、ホバーリング中のロール制御およびヨー制御を、ならびに前進飛行時のヨー制御を可能にするために、前記ロータユニットの推力の側方配向を実現することを特徴とする請求項３に記載のＶＴＯＬ機。
【請求項５】
前記ロータユニットの圧力中心の高さが、ホバーリング時に前記ＶＴＯＬ機の質量中心の上方に位置することにより、振り子効果による安定性をもたらすことを特徴とする請求項１に記載のＶＴＯＬ機。
【請求項６】
前記主翼は、前記ＶＴＯＬ機が前方向に移動している間に飛行を補助するための上方揚力を生成し、前記カナード翼は、前記前方向への飛行時に操作者制御を可能にする操縦翼面を備えることを特徴とする請求項１に記載のＶＴＯＬ機。
【請求項７】
前記ＶＴＯＬ機上に配置された複数の安定増大センサであって、前記ＶＴＯＬ機の動作時に動作情報および配向情報を含む信号を発生させるための複数の安定増大センサと、
少なくとも前記複数の安定増大センサから前記信号を受領するための制御管理システムであって、前記安定増大センサからの入力に少なくとも部分的に基づき前記前方ロータユニットおよび前記後方ロータユニットを配向しそれらを駆動するための命令を発するための制御管理システムと
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＶＴＯＬ機。
【請求項８】
前記電池セットの電力容量をモニタリングするための電源管理システムをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＶＴＯＬ機。
【請求項９】
前記主翼は、
前記胴体の前記後方端部に結合された固定翼セクションと、
前記固定翼セクションに回転可能に結合された折畳み可能翼セクションと、
折り畳まれた状態から前進飛行時に揚力を生成する伸展された状態に前記折畳み可能翼セクションを移行するために前記固定翼セクションと前記折畳み翼セクションとの間に配置された折畳み機構と
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＶＴＯＬ機。
【請求項１０】
操作者により操縦される場合に前記前方ロータユニットおよび前記後方ロータユニットの出力および配向を調節する操作者制御部を備えるコックピットをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＶＴＯＬ機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直離着陸機に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の相互参照  
本願は、２０１２年１２月７日に出願された米国特許出願第１３／７０８，６１２号の利益を主張する国際出願であり、この出願は、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
航空機産業の分野は、多数の異なる形態の個人専用機を包含する。大多数の容易に入手可能であり手頃な価格の個人専用機は、保管用の格納庫または駐機場スペースの使用と、離陸および着陸用の滑走路とを必要とする固定翼設計である。これらの要件は、航空機の総稼働コストを増大させ、それを一般庶民にとって入手不可能なものにし得る。さらに、殆どの個人専用機は、従来的な制御に依存し、それらを操作するための訓練および専門的技術を必要とする。これらの航空機を操作するために必要とされる困難さおよび知識の度合いは、例えば従来の自動車を運転する場合のそれの数倍にしばしばなる。
【０００４】
対照的に、垂直離着陸（ＶＴＯＬ）機は、滑走路の使用を伴わずに操作され得る。２０世紀の初期のそれらの開始以来、ＶＴＯＬ機は、内燃機関、ターボファン、またはターボシャフトエンジンにより駆動されてきた。これらのタイプのエンジンは、信頼性があるが、異物（ＦＯＤ）によるエンジン損失の恐れを被り、それらの燃料として石油ベース製品に大きく依存し、高度に複雑かつ極めて高額である。現行の最新型ＶＴＯＬ機で使用されるターボファンおよびターボシャフトエンジンの危険かつ法外に高価な性質は、個人専用機市場においてそれらの使用を抑制してきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現行で使用中の多数のＶＴＯＬ機は、ティルトロータ機の形態であり、世界中で様々な軍により採用される。これらの航空機の多くは、主翼に配置されたロータからバランス調整された推力を生成するため、したがってロータが非動作状態になった後に不可能でないにせよ操縦を困難にする。さらに、現行のティルトロータ機の全体的な複雑性は、十分な訓練を受けた専門家パイロットにそれらの使用を限定してきた。しかし、従来の固定翼航空機の速度および効率と組み合わされた垂直上昇能力を含むティルトロータプラットフォームの多数の利点は、一般人にも入手可能となれば、運輸業に大変革を起こし得る。
【０００６】
詳細な説明が、添付の図面を参照として説明される。図面では、参照番号のもっとも左側の桁が、参照番号が初めに出現する図を示す。種々の図面内の同一の参照番号は、同様のまたは同一のアイテムを示す。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】例示の垂直離着陸（ＶＴＯＬ）機の斜視図である。
【図１Ｂ】例示の垂直離着陸（ＶＴＯＬ）機の斜視図である。
【図２】離陸モードから移行モードへそして前進飛行モードへの例示のＶＴＯＬ機の飛行の移行を示す概略図である。
【図３Ａ】伸展された着陸装置を有する例示のＶＴＯＬ機の側方立面図である。
【図３Ｂ】垂直（ホバー）飛行モードにおける例示のＶＴＯＬ機の側方立面図である。
【図３Ｃ】図２に示される例示のＶＴＯＬ機の側方立面図であり、垂直飛行時にロータユニットを通過する空気流を示す図である。
【図３Ｄ】前進飛行モードにおける例示のＶＴＯＬ機の側方立面図であり、前進飛行時にロータユニットを通過する空気流を示す図である。
【図４】図３Ｂに示される例示のＶＴＯＬ機の上面図である。
【図５】図１Ａに示される例示のＶＴＯＬ機の上面図である。
【図６Ａ】図３Ｂに示される例示のＶＴＯＬ機の上面図であり、ＶＴＯＬ機に選択的に含まれ得る様々な構成要素を示す図である。
【図６Ｂ】図３Ｂに示される例示のＶＴＯＬ機の上面図であり、ＶＴＯＬ機に選択的に含まれ得る様々な構成要素を示す図である。
【図７】ＶＴＯＬ無人航空機（ＵＡＶ）の斜視図である。
【図８】図７に示される例示のＶＴＯＬ  ＵＡＶの上面図であり、電池および収納コンパートメントの位置を含む様々な構成要素およびコンパートメントを示す図である。
【図９Ａ】図３Ｂに示される例示のＶＴＯＬ機の正面立面図であり、対称半部に航空機を二等分する垂直軸の方向に推力を生成するように構成された前方ロータユニットおよび後方ロータユニットを示す図である。
【図９Ｂ】図３Ｂに示される例示のＶＴＯＬ機の正面立面図であり、対称半部に航空機を二等分する垂直軸から角度αを有する方向に推力を生成するように構成された前方ロータユニットおよび後方ロータユニットを示す図である。
【図９Ｃ】空力ブレーキとしてロータユニットを使用する例示のＶＴＯＬ機の飛行の移行を示す概略図である。
【図１０】図１Ａに示される例示のＶＴＯＬ機の部分上面図であり、胴体の長手方向軸から角度β間の方向に向けられた推力を生成するように構成された前方ロータユニットを示す図である。
【図１１Ａ】例示のＶＴＯＬ機の胴体にロータを連結する例示の回転アセンブリの等角図である。
【図１１Ｂ】例示のＶＴＯＬ機の胴体にロータを連結する例示の回転アセンブリの等角図である。
【図１１Ｃ】例示のＶＴＯＬ機の胴体にロータを連結する例示の回転アセンブリの等角図である。
【図１２Ａ】図９Ｂおよび図１０によるロータとロータの側方移動を引き起こすための例示の装置とを示す図である。
【図１２Ｂ】図９Ｂおよび図１０によるロータとロータの側方移動を引き起こすための例示の装置とを示す図である。
【図１２Ｃ】図９Ｂおよび図１０によるロータとロータの側方移動を引き起こすための例示の装置とを示す図である。
【図１３Ａ】例示のロータユニットの部分的に切り欠いた斜視図である。
【図１３Ｂ】例示のロータユニットの側方立面図である。
【図１４】例示のロータユニットの側方立面図である。
【図１５Ａ】図１３に示される例示のロータユニットの部分的に切り欠いた等角図であり、側方推力配向装置を示す図である。
【図１５Ｂ】図１３に示される例示のロータユニットの部分的に切り欠いた等角図であり、側方推力配向装置を示す図である。
【図１６】翼端ロータを備える例示のＶＴＯＬ機の上面図である。
【図１７】ＶＴＯＬ機のペイロードをバランス調整するために選択された短縮された胴体およびロータを有する例示のＶＴＯＬ機の上面図である。
【図１８】従来の翼構成を有する例示のＶＴＯＬ機の上面図である。
【図１９】前方ロータユニットが後方ロータユニットとコックピットとの間に配置された、例示のＶＴＯＬ機の上面図である。
【図２０】例示の複数乗員ＶＴＯＬ機の上面図である。
【図２１Ａ】別の例示の複数乗員ＶＴＯＬ機の側方立面図である。
【図２１Ｂ】別の例示の複数乗員ＶＴＯＬ機の側方立面図である。
【図２２Ａ】操作者が胴体にまたがる例示のＶＴＯＬ機の上面図である。
【図２２Ｂ】操作者が胴体にまたがる例示のＶＴＯＬ機の上面図である。
【図２２Ｃ】例示のＶＴＯＬ機の側方立面図である。
【図２２Ｄ】例示のＶＴＯＬ機の側方立面図である。
【図２３Ａ】例示のＶＴＯＬ機の側方立面図であり、胴体にロータユニットを連結する枢動アームを示す図である。
【図２３Ｂ】例示のＶＴＯＬ機の側方立面図であり、胴体にロータユニットを連結する枢動アームを示す図である。
【図２４Ａ】例示のＶＴＯＬ機の上面図であり、ロータユニットのクラスタを示す図である。
【図２４Ｂ】例示のＶＴＯＬ機の上面図であり、ロータユニットのクラスタを示す図である。
【図２５Ａ】非ダクテッドロータを使用する例示のＶＴＯＬ機の上面図である。
【図２５Ｂ】非ダクテッドロータを使用する例示のＶＴＯＬ機の上面図である。
【図２６】回転可能アームに結合されたロータユニットを使用する別の航空機の側方立面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本開示は、部分的には、固定翼飛行能力を備える垂直離着陸（ＶＴＯＬ）機に関する。ＶＴＯＬ機は、胴体の両端部におよび胴体の長手方向軸に沿って配置された推力生成ロータを備え得る。ロータは、電気ダクテッドファンであってもよい。しかし、ガスを動力源とするロータユニットなど他の動力源が使用されてもよい。各ロータユニットは、各ロータユニットが少なくとも１つの軸を中心とするロータユニットの動作により配向された推力を生成することを可能にする回転台座または枢動台座を介して胴体に結合され得る。回転ユニットを動かすことにより、航空機は、ホバーモードから移行モードにおよび次いで前進飛行モードに移行し、ならびに戻ることが可能である。航空機は、ホバーモードへの離昇により滑走路の使用を伴わずに離陸し得る。ホバーモードにある間は、ロータは、胴体に対して主に下方向に配向された推力を生成し得る。航空機が、ホバーモードでの持続飛行後に高度を上げると、ロータユニットは、移行モード中に、ロータが主に胴体の後部方向に配向された中心線推力を発生させ得る前進飛行モードへと移行し得る。ロータユニットは、後にホバーモードへと移行して戻って、滑走路の使用を伴わずに航空機を着陸させ得る。
【０００９】
航空機は、ロータからの最小推力で引き延ばされた飛行を可能にするために固定翼を備えてもよい。いくつかの実施形態では、航空機は、胴体の前方端部にカナード翼を、および胴体の後方端部にデルタ形状主翼を備えてもよい。しかし、以下で論じるような他の翼構成が使用されてもよい。翼は、補助翼、フラップ、フラッペロン、および前進飛行で航空機を制御するために必要な任意の他の操縦翼面を備えてもよい。いくつかの実施形態では、ロータは、航空機のヨー制御およびロール制御を支援するために配向された側方推力を生成してもよい。
【００１０】
様々な実施形態によれば、ＶＴＯＬ機は、各飛行モード（ホバーモード、移行モード、および前進飛行モード）で飛行を制御および持続する飛行制御コンピュータを採用してもよい。航空機の操作は、操作者制御から飛行制御コンピュータに単純な方向命令を与え、次いで飛行制御コンピュータが周囲環境内で飛行を持続するおよび／または物体を回避するための他の必要な動作を行いつつ命令を実行することによって実施され得る。したがって、操作者の視界からの航空機の制御は、ビデオゲームでの航空機の制御に類似するものになり得ると共に、最低限の訓練または航空学の専門的知識で可能となり得る。いくつかの実施形態では、ＶＴＯＬ機は、無人航空機（ＵＡＶ）または遠隔操縦機であってもよい。
【００１１】
本明細書で説明される装置、システム、および技術は、複数の方法で実装され得る。以下、例の実装形態が、添付の図面を参照として提示される。
【００１２】
図１Ａおよび図１Ｂは、例示の垂直離着陸（ＶＴＯＬ）機の斜視図である。
【００１３】
図１Ａは、ＶＴＯＬ機がホバーモードにある場合の例示のＶＴＯＬ機１００の等角図である。図１の航空機は、前方端部１０４、後方端部１０６、上面１０８、および下面１１０を有する胴体１０２を有する。ＶＴＯＬ機１００は、胴体１０２の上面１０８内に配置されたコックピット１１２を備えてもよい。コックピット１１２は、有人飛行用に少なくとも１つの操作者が着座するためのスペースを備える。いくつかの実施形態では、コックピット１１２は、１または複数の乗客および／または他のペイロードのためのスペースを備えてもよい。いくつかの実施形態では、ＶＴＯＬ機１００は、無人飛行用に装備されてもよい。コックピット１１２は、耐候性のおよび比較的静かな環境を提供する円蓋１１４を備えてもよい。円蓋１１４は、アクリル、プラスチック、ガラス、または任意の他の透明な材料から形成され得る。
【００１４】
ＶＴＯＬ機１００は、プッシュ−プル構成での推進のための推力を生成する、前方ロータユニット１１６（１）および後方ロータユニット１１６（２）を備える少なくとも２つのロータユニット１１６を備える。ロータユニット１１６は、胴体１０２の長手方向軸１１８に沿って配置される。ロータユニットは、同一面に沿ってまたは異なる面に沿って配置されてもよい（例えば１つのロータユニットが他のロータユニットよりも胴体１０２の上面１０８の近くに配置される、等）。ロータユニット１１６は、電気モータによりまたはガスを動力源とするエンジンにより駆動されてもよい。いくつかの実施形態では、ハイブリッドシステムが、電気モータを動力源とするロータを駆動するために液体燃料を電気エネルギーに変換するために使用されてもよく、および／または燃料を動力源とする発電機が、電気モータに電力を供給してもよい。
【００１５】
１または複数の実施形態によれば、ロータ１１６は、前方ロータユニット１１６（１）のロータが時計回り方向に旋回する一方で後方ロータユニット１１６（２）のロータが反時計回り方向に旋回するかまたはその逆である、逆回転するものであってもよい。ロータユニット１１６は、ロータ羽根から、またはロータ羽根および整流羽根（ステータ）の両方から構成されてもよい。ロータ羽根および整流羽根の両方を備えるいくつかの実施形態では、前方ロータユニットおよび後方ロータユニットの両方におけるロータ羽根は、同一方向に回転してもよい。整流羽根は、定位置に固定されロータ羽根を支持するステータを有して実装されてもよい。整流羽根は、ロータ羽根からの推力に与えられる渦を無効化するように構成された複数の空力ブレードから構成されてもよい。
【００１６】
ロータユニット１１６のプッシュ−プル構成は、１つのみのロータユニットが前進飛行モードで推力を生成する場合に、より高い制御性を許容し得る。なぜならば、ロータユニット１１６は、長手方向軸１１８に沿っておよび前進飛行方向に実質的に整列した状態での両方で配置されるからである。したがって、１つのみのロータユニットが前進推力を生成する場合には、ＶＴＯＬ機１００に対して最小限に与えられるヨーまたはロールが存在し得る。ＶＴＯＬ機１００は、前方ロータユニット１１６（１）が殆どまたは全く推力を生成しないプッシュモードか、または後方ロータユニット１１６（２）が殆どまたは全く推力を生成しないプルモードにおいて動作し得る。また、ＶＴＯＬ機は、ロータユニット１１６が殆どまたは全く推力を生成しない滑空モードでも動作し得る。
【００１７】
いくつかの実施形態では、ロータユニット１１６は、ダクトにより囲まれた複数のブレード（ダクテッドロータユニット）を装備される。ダクテッドロータユニットは、単独プロペラに比べて高い推力対直径比を実現し得る。また、ダクテッドロータユニットは、ダクトが先端渦による推力損失を低減させるため、非常に効率的である。先端渦の低減は、ダクト内での動作中の各ブレードの先端部における低減された抗力により両ロータユニットの効率を上昇させる。さらに、先端渦の低減は、前方ロータユニットからの低減された乱気流により後方ロータユニットの効率を上昇させる。この上昇された効率は、前進飛行モード時にロータユニットからの推力の増加をもたらす。
【００１８】
様々な実施形態では、ロータは、ダクトを備えない場合がある（非ダクテッドロータ）。ＶＴＯＬ機が、非ダクテッドロータを有して構成される場合には、胴体１０２および／または円蓋１１４は、後方ロータユニット１１６（２）に直接的に層気流を案内するために羽根を装備されてもよい。いくつかの実施形態では、消散機構が、後方ロータユニット１１６（２）から離れるように乱気流をそらすために使用され、それにより後方ロータユニット１１６（２）への層気流を増加させ、後方ロータユニット１１６（２）の効率を上昇させ得る。
【００１９】
いくつかの実施形態では、ロータユニット１１６は、ハウジングと、ハウジングの内側に結合されたステータと、複数のブレードと、ステータに結合され複数のブレードに結合された電気モータとを備えてもよい。ハウジング（ダクテッドの場合）は、ロータユニットを通して空気を案内し、各ロータユニットの効率を上昇させる。ロータユニット１１６は、ほぼ同一サイズであってもよい。しかし、種々のサイズのロータユニットが、ホバーモードでの飛行用のＶＴＯＬ機１００のペイロードをバランス調整するために使用されてもよい。
【００２０】
各ロータユニット（１０７）は、回転台座１２０内に取り付けられてもよい。前方ロータユニット１１６（１）用の回転台座１２０は、場合によっては前翼１２２（カナード翼など）の間または中で胴体１０２の前方端部１０４に結合され得る。後方ロータユニット１１６（２）用の回転台座１２０は、場合によっては後翼１２４の間または中で胴体１０２の後方端部１０６に装着され得る。いくつかの実施形態では、回転台座は、ジンバル台座または枢動台座であってもよい。
【００２１】
回転台座１２０は、各ロータユニット１１６の長手方向軸１１８および横軸１２６を中心としたロータユニットの少なくとも部分的な運動自由度を許容し得る。ロータユニット１１６は、制御管理システムからの信号に基づき相互に無関係に動作し得る。制御管理システムは、操作者（機内操作者、遠隔操作者、または両方）および複数の安定増大センサからの信号を処理し、各ロータユニット１１６に出力信号を送出して、各ロータユニットに必要に応じて長手方向軸および横軸を中心として動作するように命じる。
【００２２】
図１Ｂは、前進飛行モードにおける例示のＶＴＯＬ機１００を示す。ロータユニット１１６は、ロータユニット１１６が長手方向軸１１８および横軸１２６に対して実質的に垂直に推力を配向するホバーモード（図１Ａに図示）から、移行モードを経由して、ロータユニット１１６が長手方向軸１１８と実質的に一致するように推力を配向する図１Ｂに示される前進飛行モードに移行するために、横軸１２６を中心として動作し得る。長手方向軸１１８および横軸１２６に対して垂直である垂直軸を中心とした動作は、前進飛行時にヨー制御のために配向された推力を生成し得る。また、いくつかの実施形態では、ロータユニット１１６は、ロータユニット１１６からの推力を配向するように動作し得る羽根を排気管に備えてもよい。
【００２３】
ＶＴＯＬ機１００は、炭素繊維、チタン、アルミニウム、または航空機作製に適した任意の他の材料から作製されたモノコック構造を備えてもよい。別の実施形態では、構造は、殻および縦通材が炭素繊維、チタン、アルミニウム、または航空機作製に適した任意の他の材料から作製された、セミモノコック設計を備えてもよい。航空機外板は、内蔵太陽電池を備え得る低摩擦表面である。
【００２４】
いくつかの実施形態では、前翼１２２は、カナード翼であってもよく、後翼１２４（この構成では主翼）は、デルタ翼であってもよい。しかし、他の翼構成が使用されてもよく、いくつかの例示の航空機を参照として以下で説明される。胴体１０２の前方端部１０４に結合された前翼１２２は、揚力面として機能し、前進飛行モードにおいてピッチ安定性をもたらし得る。カナード翼は、ＶＴＯＬ機１００の長手方向軸１１８を中心とした操縦性を許容するために補助翼などの操縦翼面１３０を有してもよい。補助翼、昇降舵、方向舵は、前進飛行時に通常の様式で作動される。
【００２５】
後翼１２４は、胴体１０２の後方端部１０６に装着され、揚力発生翼型であってもよい。後翼１２４は、従来的な形状の翼型、デルタ翼、または卵形状翼であってもよい。後翼１２４は、以下のもの、すなわち補助翼、フラップ、フラッペロン、および前進飛行モードにある間に操作者がＶＴＯＬ機１００のロールおよび／または速度を制御するのを可能にし得る任意の他の操縦翼面の中の任意のもののセットから単独でまたは組合せで構成された、操縦翼面１３２を装備されてもよい。また、後翼１２４上の操縦翼面１３２は、同一方向に同時に動くように構成され、それにより前進飛行にある間にＶＴＯＬ機１００のピッチ制御を実現してもよい。
【００２６】
ＶＴＯＬ機１００は、後方端部１０６の付近にて胴体１０２の下面１１０から外方に延在するベントラルフィン１３４を備えてもよい。ベントラルフィン１３４は、方向安定性（例えばヨー安定性およびピッチ安定性）をもたらし得る。いくつかの実施形態では、ベントラルフィン１３４は、着陸装置および／または操縦翼面を収容および／または支持し、また硬着陸時にエネルギー吸収デバイスとしても機能し得る。着陸装置は、抗力を低減させるために離陸後に収納可能であってもまたはなくてもよい２つの後方ストラットおよび１つの前方ストラットを備える三輪型構成を取るものとして実装されてもよい。
【００２７】
胴体または本体表面１３６の固定部分または可動部分が、ホバー飛行から前進飛行への転換時にロータユニットに進入する入口空気流を強化してもよい。これは、ダクトに進入する空気流を向上させて、入口縁部流れ剥離からのより少ない乱流および／または抗力でより良い効率をもたらし得る。
【００２８】
図２は、ホバーモード２０２から移行モード２０４へ、そして前進飛行モード２０６への例示のＶＴＯＬ機の飛行の移行を示す概略図である。
【００２９】
ホバーモード２０２は、離陸前に開始されてもよい。ホバーモード２０２では、ロータユニット１１６は、地面に対して実質的に平行であってもよい。着陸装置２０８が展開されてもよい。制御管理システムは、ホバーモード２０２での飛行を補助するために各ロータユニット１１６の推力レベルおよび推力方向に対する迅速な微視的調節および／または巨視的調節を行ってもよい。操作者が、ホバーモード２０２に航空機を命じてもよく、これは、制御管理システムに方向データを提供することを含み得る。ホバーモード２０２への離陸後に、操作者は、ホバーモードに留まるように航空機に命じるか、または移行モード２０４を経由して前進飛行への移行を開始し得る。
【００３０】
移行モード２０４は、ホバーモード２０２と前進飛行モード２０６との間で移行するために使用される暫定モードであってもよい。しかし、ＶＴＯＬ機１００は、移行モード２０４での引き延ばされた飛行を持続してもよい。移行モードは、大方は制御管理システムにより制御され得る。移行モード２０４では、ロータユニット１１６は、地面方向に下方に推力を配向する位置（ホバーモード２０２で使用される）から、前進飛行を引き起こすために後方に推力を配向する位置へと実質的に同時に回転し得る。移行モード２０４では、前翼１２２および後翼１２４は、幾分かの揚力を発生させ始めてもよく、操縦翼面１３０、１３２は、ＶＴＯＬ機１００のピッチおよびロールを制御するのに有効になり得る。ＶＴＯＬ機１００は、ＶＴＯＬ機１００の対気速度がしきい値対気速度に到達し、翼が揚力を生成すると、前進飛行モード２０６を開始する。いくつかの実施形態では、ロータユニット１１６の中の１または複数からの推力は、ＶＴＯＬ機１００が前進飛行モードで動作を開始すると、著しく低減され得る。なぜならば、翼により生成される揚力は、ホバーモード２０２時および移行モード２０４時にロータユニット１１６により発生された揚力に代わり得るからである。
【００３１】
前進飛行モード２０６では、ロータユニット１１６は、推力を発生させ航空機を前方に推進するプッシュ−プル能力で動作し得る。前進飛行モード２０６では、ロータユニットは、操作者および／または制御管理システムの制御下で配向された推力を生成し得る。配向された推力は、前進飛行モードでの航空機の安定性を上昇させ得る。
【００３２】
図３Ａ〜図３Ｄは、様々な動作モードにおける例示のＶＴＯＬ機１００を示す。図３Ａは、伸展された着陸装置を有する例示のＶＴＯＬ機の側方立面図である。ＶＴＯＬ機１００は、固定されたまたは収納可能な着陸装置２０８を備え得る。後方着陸装置は、ベントラルフィン１３４に結合され得る。着陸装置は、抗力を低減させるために離陸後に収納可能であってもまたはなくてもよい２つの後方ストラットおよび１つの前方ストラットを備える三輪型構成を取るものとして実装されてもよい。しかし、他の構成の着陸装置２０８が、ＶＴＯＬ機１００で使用される翼のタイプに応じて使用されてもよい。例えば、ＶＴＯＬ機１００が、主翼として前翼１２２を有して構成される場合には、着陸装置は、２つの前ストラットおよび１つの後ストラットを備え得る（尾部ドラッギング構成）。
【００３３】
前輪３０２は、胴体１０２から伸展および収納し得る。前輪３０２は、前輪３０２に幾分かの衝撃吸収を与える前方ストラット３０４を備えてもよい。いくつかの実施形態では、ベントラルフィン１３４は、後方ストラットに結合され得るか、または後方ストラットとして機能し得る。
【００３４】
また、図３Ａは、ロータユニット１１６の回転を示し、それにより、上述のようにホバーモード２０２から前進飛行モード２０６へのおよびその逆の移行を可能にする。また、図３Ａは、回転ダクトが前進飛行モードで地面から離れることにより、従来の発進および着陸が達成され得るロータユニット構成を示す。
【００３５】
図３Ｂは、ホバーモード２０２における例示のＶＴＯＬ機１００の側方立面図である。図３Ｂは、前方ロータユニット１１６（１）が後方ロータユニット１１６（２）よりも低い面に配置されているのを示す。しかし、前方ロータユニット１１６（１）は、後方ロータユニット１１６（２）よりも高い面または同一面に配置されてもよい。前方ロータユニット１１６（１）からの乱気流は、ロータユニット１１６が長手方向軸１１８に沿って依然として位置しつつ、胴体に対するロータユニットの配置に基づき後方ロータユニットから離れるように少なくとも部分的にそらされ得る。空気流のそらしは、より乱されない空気が後方ロータユニット１１６（２）に到達するのを可能にし、それにより場合によっては後方ロータユニット１１６（２）の効率を上昇させる。
【００３６】
前述で論じられたように、ＶＴＯＬ機１００は、胴体１０２の上面１０８に取り付けられたコックピット１１２を備えてもよい。コックピット１１２は、有人飛行用に操作者が着座するためのスペースを備えてもよい。コックピット１１２は、ハードウェア、制御器、制御管理システム（もしくはそれらの部分）、および／または他の制御機材、航行機材、もしくは飛行機材を備えてもよい。いくつかの実施形態では、ＶＴＯＬ機１００は、無人飛行用に装備されてもよく、したがってコックピット１１２を備えてもまたは備えなくてもよい。
【００３７】
図３Ｃは、図３Ｂに示される例示のＶＴＯＬ機１００の側方立面図であり、ホバーモード２０２での垂直飛行時のロータユニット１１６を通過する空気流３０６を示す。空気流３０６は、ロータユニット１１６の上方に低圧ボリューム３０８を、およびロータユニット１１６の下方に高圧ボリューム３１０を生成し得る。低圧ボリューム３０８は、低圧ボリューム３０８に向かって航空機の各部分を引っ張ることにより飛行を持続させる。低圧ボリューム３０８および高圧ボリューム３１０は、空気流３０６間で圧力差を生じさせる。圧力差は、航空機を浮遊状態に保つために必要とされる揚力を生成する一方で、ロータユニット１１６は、推力を生成するように空気を移動させる。低圧ボリューム３０８のより高い位置は、ハンモックにより支持された身体に対する安定性を生じさせるハンモックの端部の留め具に類似する安定性をＶＴＯＬ機１００の飛行に対してもたらす。ロータユニットの圧力中心３１４に対して低い質量中心３１２は、振り子効果により固有の安定性を生じさせる。
【００３８】
ロータユニット１１６を通過する空気流３０６は、ホバーへとＶＴＯＬ機１００を上昇させる。空気流３０６は、ロータ１１６の回転速度と、ロータユニット内のブレードのピッチと、他の要素とに部分的に基づき決定される。ロータ１１６は、ホバー時に同一速度で回転し得るか、またはそれらは、ホバー時に異なる速度で回転し得る。各ロータ１１６の速度は、操作者入力および安定増大センサのセンサ入力に基づき制御管理システムによって決定される。前方ロータユニット１１６（１）および後方ロータユニット１１６（２）は、同一サイズであってもよく、または異なるサイズであってもよい。ロータユニット１１６は、地面効果内外でホバーを維持するのに十分な揚力を生成する。
【００３９】
図３Ｄは、前進飛行モード２０６における例示のＶＴＯＬ機１００の側方立面図であり、前進飛行時にロータユニット１１６を通過する空気流３１６を示す。操作者が命ずると、ＶＴＯＬ機１００は、ホバーモード２０２から前進飛行モード２０６へと移行し得る。空気流３１６は、幾分かの層気流および幾分かの乱気流を有する境界気流を含む。様々な考慮要件が、後方ロータユニット１１６（２）内への乱気流を低減させるために採用され得る。羽根が、後方ロータユニット１１６（２）に層気流を供給するために翼および／または胴体１０２（または他の位置）に追加されてもよい。消散機構が、後方ロータユニット１１６（２）から離れるように乱気流をそらしてもよい。
【００４０】
いくつかの実施形態では、前進飛行は、前方ロータユニット１１６（１）などの単一のロータユニットにより駆動されてもよく、これは、前進飛行時にＶＴＯＬ機１００の周囲のいくつかの領域で乱気流を低減させるという要望を無効にし得る。
【００４１】
前進飛行モード２０６では、ロータユニット１１６は、飛行経路に対して実質的に平行に配向された推力を生成する。ロータユニット１１６は、プッシュ−プル能力内で動作し、後方ロータユニット１１６（２）は、航空機を前方に押し、前方ロータユニット１１６（１）は、航空機を前方に引き得る。前進飛行気流は、航空機の上部と、胴体および翼と、下部との間に圧力差を発生させる。圧力差は、航空機を浮遊状態に保つために必要とされる揚力を生成する一方で、ロータユニットは、前進移動のための推力を生成するために空気を押し通し引き通す。様々な実施形態では、揚力は、前進飛行モード２０６での飛行時には大方は翼によって発生され得る一方で、揚力は、ホバーモード２０２での飛行時にはロータユニット１１６の推力によって大方はまたは専ら発生され得る。
【００４２】
図４は、図３Ｂに示される例示のＶＴＯＬ機１００の上面図であり、ホバーモード２０２におけるロータユニット１１６を示す。ＶＴＯＬ機１００は、カナード翼としての前翼１２２と、主翼であるデルタ翼としての後翼１２４とを有して示される。ロータユニット１１６は、長手方向軸１１８と整列される。いくつかの実施形態では、前翼１２２は、前翼の全部分を回転させる前方操縦翼面１３０を備えてもよい。しかし、前翼１２２は、従来の補助翼および／または他の操縦翼面、羽根、および／または他の空気配向特徴を採用してもよい。
【００４３】
図５は、図１Ａに示される例示のＶＴＯＬ機の上面図である。ＶＴＯＬ機１００は、前進飛行モード２０６におけるロータユニット１１６を有して示される。前方操縦翼面１３０は、従来の補助翼を有する構成を示す。
【００４４】
図６Ａは、図３Ｂに示される例示のＶＴＯＬ機１００の上面図であり、制御供給部および収納コンパートメントを含む様々な構成要素およびコンパートメントを示す。ＶＴＯＬ機１００は、様々な実施形態に応じて、以下に説明する特徴のいくつかまたは全てを備え得る。
【００４５】
後翼１２４は、主翼であってもよく、前進飛行モード２０６での飛行時に揚力面を提供し得る。後翼１２４は、補助翼６０２を備えてもよく、これは、前進飛行モード２０６での飛行時におよび場合によっては移行モード２０４での飛行時にロール制御を実現する。いくつかの実施形態では、後翼１２４は、前進飛行モード２０６での飛行時におよび場合によっては移行モード２０４での飛行時の速度制御およびロール制御用にフラップまたはフラッペロンを備えてもよい。
【００４６】
いくつかの実施形態では、後翼１２４は、ホバーモード２０２での飛行時におよび場合によっては移行モード２０４での飛行時にロール安定性をもたらすために翼端スラスタ６０４を備えてもよい。翼端スラスタ６０４は、圧縮空気に連結された排気管を備えてもよく、これは、後翼１２４に対して実質的に垂直に下方へと高圧空気を放出する。いくつかの実施形態では、翼端スラスタは、後翼１２４内に取り付けられた電気的に駆動されるロータであってもよく、および／または図１６を参照としてさらに詳細に説明される前翼１２２上に場合によっては取り付けられてもよい。
【００４７】
後翼１２４は、圧縮空気、予備電池、ハードウェア、個人アイテム、および／または他のペイロードを収納するための収納コンパートメント６０６を備えてもよい。後翼１２４は、ＶＴＯＬ機１００の格納時に後翼１２４の折畳みを可能にするヒンジ６０８を備えてもよい。ヒンジ６０８は、後翼１２４の幅を縮小するために翼の内方セクションに対してまたは向かって（または垂直方向に）翼の外方セクションを折り畳むことを可能にし得る。折畳み機構６１０が、（ヒンジ６０８を中心とした回転により）折畳み位置から飛行位置へと翼を移行させるために使用されてもよい。折畳み機構６１０は、後翼１２４の外方セクションの引上げを補助するためのモータを備えてもよい。折畳み機構６１０は、後翼１２４をロックおよびロック解除し得る。折畳み機構６１０は、後翼１２４がロックもしくはロック解除されるおよび／または折り畳まれるかもしくは折り畳まれないかのいずれであるかを示すために信号を送信し得る。ヒンジ６０８および折畳み機構６１０は、前翼１２２上に実装されてもよい。例えば、前翼１２２が主翼である場合には、ヒンジ６０８および折畳み機構は、前翼１２２上に配置されてもよい。
【００４８】
１または複数の実施形態によれば、ＶＴＯＬ機１００は、ＶＴＯＬ機の部分の位置、角度、加速度、および／または配向をモニタリングする１または複数の安定増大センサ６１２を備えてもよい。例えば、安定増大センサ６１２は、ＶＴＯＬ機１００のピッチ、ロール、およびヨーと、経時的なそれぞれの変化とをモニタリングするジャイロスコープおよび／または加速度計を備えてもよい。安定増大センサ６１２は、制御管理システム６１４へ信号により入力を供給し得る。
【００４９】
制御管理システム６１４は、ホバーモード２０２、移行モード２０４、および前進飛行モード２０６で飛行を維持するようにロータユニット１１６をどのように配向および駆動するかを決定するために、安定増大センサ６１２からの信号と操作者制御を経由した操作者（パイロット）からの入力とを処理し得る。例えば、安定増大センサ６１２は、ＶＴＯＬ機１００に加わる突風または他の力による航空機の急激な傾斜を検出し得る。応答して、安定増大センサ６１２は、制御管理システム６１４に信号を送信し得る。制御管理システム６１４は、風の力などを無効化させる等、およびしたがってＶＴＯＬ機１００の飛行を安定化させるために１または複数のロータユニットに推力を配向させるために、ロータユニット１１６の中の１または複数の再位置決めを引き起こさせ得る。また、一方で、制御管理システム６１４は、操作者からの命令を処理し得る。制御管理システム６１４は、安定的な飛行を維持するために、安定増大センサ６１２および操作者からの制御入力に優先順位をつけてもよい。例えば、操作者が、持続された飛行を損ない得る命令を提供すると、制御管理システム６１４は、命令を無視する、および／または別の命令が発せられる前に（場合によっては安定増大センサ６１２からの信号に応答して）限定された持続時間にわたってのみ命令を実行することによって、飛行を持続するための動作を取ってもよい。
【００５０】
操作者は、飛行制御部を使用して制御管理システム６１４に入力信号を送出する。次いで、制御管理システムは、飛行制御部および／または安定増大センサ６１２から信号を受領する。制御管理システム６１４は、安定増大センサ６１２からの入力と操作者からの入力とに優先順位をつけ、次いで各ロータユニットの方向／配向および／または出力レベルを調節する。また、制御管理システム６１４は、前進飛行モード２０６での飛行時および場合によっては移行モード２０４での飛行時にロール制御のために補助翼６０２および／または他の制御供給部の位置を判定してもよい。しかし、いくつかの実施形態では、補助翼６０２および／または他の制御供給部は、ケーブルおよびレバーの使用によって、およびしたがって制御管理システム６１４のバイパス使用によってなど、機械的に制御されてもよい。ホバーモード２０２での飛行時に、制御管理システム６１４は、ロール制御を引き起こすまたはそれに対抗するように配向された推力を準備するために翼端スラスタ６０４に信号を送出し得る。
【００５１】
ロータ１１６は、各ロータ１１６のハブに配置された電気モータ６１６により駆動され得る。電気モータ６１６は、ブラシレス磁石モータであってもよい。電気モータ６１６は、電池セット６１８の中の１または複数の電池を使用して駆動され得る。電池セット６１８は、ＶＴＯＬ機１００内の１または複数の位置に配置された１または複数の電池を使用して実装されてもよい。電池の配置は、質量中心がロータユニット間の中間点の実質的に付近となるようなペイロードの分配の考慮を含み得る。したがって、電池は、電池の重量を分散させるためにＶＴＯＬ機全体にわたり他の位置に配置されてもよい。電池１１８は、冷却ダクト６２０と流体連通状態にあってもよく、これは、電池１１８により発生された熱を低減させるために電池１１８に外気および／または流体を通過させてもよい。配線グリッド６２２が、電池セット６１８、制御管理システム６１４、および電源管理システム６２４に接続してもよい。
【００５２】
電源管理システム６２４は、電池セット６１８の電池残量を判定、モニタリング、および管理してもよい。電源管理システム６２４は、制御管理システム６１４に電池残量および／または他の情報を通信してもよく、これは次いで、ＶＴＯＬ機をどのように制御するか（例えば推力の方向および量の決定、操作者への警告メッセージの送信、飛行モードの引起しおよび／または防止等）を決定する時にこの情報を使用し得る。例えば、電源管理システム６２４が、電池残量が使い尽くされるかまたは使い尽くされた状態に近くなる（例えばしきい値量を越えるなど）ことを示すと、制御管理システム６１４は、前進飛行モード２０６での飛行を持続しつつ滑走路を使用してＶＴＯＬ機を着陸させるように操作者に信号を供給し得る。なぜならば、電池セット６１８は、ホバーモード２０２での持続された飛行を実現するためにロータユニット１１６を駆動することができない場合があるからである。
【００５３】
いくつかの実施形態では、電源管理システム６２４は、操作者が、１つのロータがプルモード（例えば前方ロータユニット１１６（１））またはプッシュモード（例えば後方ロータユニット１１６（２）を使用して）で航空機に全ての推力を供給する電力節約モードを選択し得る設計であってもよい。
【００５４】
図６Ｂは、図６Ａに示される例示のＶＴＯＬ機１００の上面図であり、予備電源および／または非常用電源を提供するための様々な構成要素を示す。様々な構成要素は、電気モータ６１６に電力を供給するおよび／または電池セット６１８を充電するために選択的に備えられてもおよび／または使用されてもよい。
【００５５】
いくつかの実施形態によれば、ＶＴＯＬ機１００は、配線グリッド６２２を経由して電源管理システム６２４と通信状態にある太陽電池６２６を装備されてもよい。太陽電池６２６は、ＶＴＯＬ機が飛行中である間に、および／またはＶＴＯＬ機１００が飛行中ではない（例えば太陽の当たる場所で格納される等）間に電池セット６１８を充電することを可能にし得る。太陽電池６２６は、主翼（例えば図６Ｂ内の後翼１２４）上に取り付けられてもよい。しかし、太陽電池６２６は、ＶＴＯＬ機１００の任意の表面上に取り付けられてもよく、または太陽電池（７０９）は、ＶＴＯＬ機１００の外板の少なくとも一部分に一体化されてもよい。
【００５６】
様々な実施形態では、ＶＴＯＬ機は、ファン、ブレード、または翼を展開する抗力交流発電機６２８を備えてもよい。ファン、ブレード、または翼は、動作を引き起こすことができ、これは次いで、抗力交流発電機に電流を発生させ得る。抗力交流発電機６２８は、配線グリッド６２２を経由して電池１１８および電源管理システム６２４と通信状態にあってもよい。抗力交流発電機６２８により発生された電流は、電池セット６１８を充電するために使用され得る。抗力交流発電機のファン、ブレード、または翼は、非使用時に抗力を無効化するために航空機外板内に収納されてもよい。操作者、電源管理システム６２４、および／または制御管理システム６１４からの信号に基づき、ファン、ブレード、または翼は、電池セット６１８を充電するためにＤＣ電源に変換され得る電流を発生させるように展開され得る。抗力交流発電機の使用は、ＶＴＯＬ機が滑空飛行時に抗力交流発電機６２８を展開することが可能である非常事態に、またはファン、ブレード、もしくは翼からの追加の抗力がＶＴＯＬ機１００の飛行を妨げない他の状況に確保されてもよい。
【００５７】
図７は、ＶＴＯＬ無人航空機（ＵＡＶ）７００の斜視図である。ＶＴＯＬ  ＵＡＶ７００は、１または複数の翼間に配置された凹状胴体７０２を備えてもよい。いくつかの実施形態では、ＶＴＯＬ  ＵＡＶ７００は、単翼７０４（例えば凹状胴体７０２を囲む卵形状翼など）と、空力横滑りを低減させ、前進飛行における方向安定性を上昇させるための１または複数の安定板７０６とを備えてもよい。しかし、ＶＴＯＬ  ＵＡＶ７００は、ＶＴＯＬ  ＵＡＶ７００が航空機内に配置されたコックピットおよび操作者制御部を備えない点でのみ、ＶＴＯＬ機１００と異なり得る。ＶＴＯＬ  ＵＡＶ７００は、ＶＴＯＬ  ＵＡＶ７００から離れて配置された操作者から入力を受領し得るまたはし得ない制御管理システムを備えてもよい。ＶＴＯＬ  ＵＡＶ７００は、炭素繊維、チタン、アルミニウム、または航空機フレームに適した任意の他の材料から作製されたモノコック構造を備えてもよい。いくつかの実施形態では、構造は、殻および縦通材が炭素繊維、チタン、アルミニウム、または航空機フレームに適した任意の他の材料から作製された、セミモノコック設計を備えてもよい。外板は、上記で論じられたように、内蔵太陽電池を備え得る低摩擦表面である。
【００５８】
図８は、図７に示される例示のＶＴＯＬ  ＵＡＶ７００の上面図であり、電池および収納コンパートメントの位置を含む様々な構成要素およびコンパートメントを示す。ＶＴＯＬ  ＵＡＶ７００は、プッシュ−プル構成での推進のために推力を生成するロータユニット１１６を備える。ロータユニット１１６および／または他の構成要素は、ＶＴＯＬ機１００を参照として上記で論じられたものと同様に構成され得る。例えば、ＶＴＯＬ  ＵＡＶ７００は、翼端スラスタ６０４、安定増大センサ６１２、制御管理システム６１４、電気モータ６１６、電池セット６１８、冷却ダクト６２０、配線グリッド６２２、電源管理システム６２４、太陽電池６２６、および／または抗力交流発電機６２８の中の１または複数を備え得る。
【００５９】
いくつかの実施形態では、ＶＴＯＬ  ＵＡＶ７００は、複数のカメラなどの偵察および／または動作構成要素８０２を備えてもよい。例えば、カメラが、胴体の下部に配置されて、ＶＴＯＬ  ＵＡＶ７００の下方の物体および風景等を見ることが可能であってもよい。別のカメラ（または同一のカメラ）が、航空機の正面および／または背後の物体および風景等を見ることが可能であってもよい。他のカメラおよび／または偵察構成要素（例えばラジオ、温度センサ等）が、ＶＴＯＬ  ＵＡＶ７００により採用されてもよい。偵察および／または動作構成要素８０２は、ラジオ、光学機器、または他の送信技術を使用したデータの送信により、ＶＴＯＬ  ＵＡＶ７００から離れて配置された操作者もしくは他の人間またはデバイスに信号を送信してもよい。
【００６０】
図９Ａは、図３Ｂに示される例示のＶＴＯＬ機１００の正面立面図であり、対称半部に胴体１０２を二等分する垂直軸１２８の方向に推力を生成するように構成された前方ロータ１１６（１）を示す。前方ロータユニット１１６（１）からの推力は、垂直軸１２８に対して実質的に平行に向けられる。
【００６１】
図９Ｂは、図９Ａに示される例示のＶＴＯＬ機１００の正面立面図であり、前方ロータユニット推力軸９０２と対称半部に航空機を二等分する垂直軸１２８との間に角度α1を有する方向に推力を生成するように構成された前方ロータ１１６（１）を示す。ロータユニット推力軸９０２は、前方ロータユニット１１６（１）により発生された推力の方向に対して平行である。後方ロータ１１６（２）は、後方ロータユニット推力軸９０４と垂直軸１２８との間に角度α2を有する方向に推力を生成するように構成され得る。上記で論じられたように、制御管理システム６１４は、安定増大センサ６１２からの信号および／または操作者からの入力に応答して安定化された飛行を実現するために、ロータユニットに回転台座１２０を介して動作を生じさせ得る。したがって、ロータユニット１１６は、ＶＴＯＬ機１００の飛行を維持するために、相互に無関係におよび制御管理システム６１４の制御下で動作し得る。本明細書で説明されるロータユニットの運動自由度は、ホバーモード２０２での安定的な飛行を維持するのを補助する。
【００６２】
図９Ｃは、着陸前に航空機を迅速に減速するために９０度を超えて負方向に回転されたロータユニットを示す。この構成では、ロータユニットから発生された推力は、飛行方向に配向され、それにより航空機の前進対気速度を減速させる。
【００６３】
図１０は、図１Ａに示される例示のＶＴＯＬ機１００の部分上面図であり、前方ロータユニット推力軸１００２と胴体１０２の長手方向軸１１８との間の角度β間の方向に配向された推力を生成するように構成された前方ロータ１１６（１）を示す。上記で論じられたように、制御管理システム６１４は、安定増大センサ６１２からの信号および／または操作者からの入力に応答して配向された推力を生成するために、ロータユニットに回転台座１２０を介して動作を生じさせ得る。したがって、ロータユニット１１６は、ＶＴＯＬ機１００の飛行を維持するために、相互に無関係におよび制御管理システム６１４の制御下で動作し得る。本明細書で説明されるロータユニットの運動自由度は、前進飛行モード２０６での飛行時および場合によっては移行モード２０４での飛行時に側方に配向された推力を許容する。
【００６４】
図１１Ａ〜図１１Ｃは、例示のＶＴＯＬ機１００の胴体１０２にロータユニットを可動に結合した例示の回転アセンブリ１１００の等角図である。
【００６５】
図１１Ａは、電気モータ１１０４がロータユニット１１０２の中心に配置されたロータ１１０２を備える例示の回転アセンブリ１１００を示す。ロータ１１０２は、回転台座１１０６内に取り付けられ、これは、その横軸および長手方向軸を中心とした回転を可能にする。回転台座１１０６は、ビーム１１０８（例えばステータ）に連結された内方フレーム１１１０を備えてもよく、これは、ロータ１１０２および電気モータ１１０４を支持する。点線は、移行モード２０４でのロータユニットを示す。
【００６６】
図１１Ｂは、外方フレーム１１１２が内方フレーム１１１０を支持する例示の回転アセンブリ１１００を示す。外方フレーム１１１２および内方フレーム１１１０は、図１１Ｃに示されるように長手方向軸および横軸を中心として相互に対して回転可能である。ＶＴＯＬ機１００の胴体１０２は、外方フレーム１１１２を形成してもよく、または外方フレーム１１１２は、胴体１０２に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、回転台座は、ジンバル台座および／または枢動台座であってもよい。
【００６７】
図１２Ａ〜図１２Ｃは、図９Ｂおよび図１０による回転アセンブリ１１００を介してロータ１１０２の動作を引き起こすための例示の機構１２００の等角図である。
【００６８】
図１２Ａは、第１のモータ１２０４とロータユニット１１０２の動作を引き起こす歯車１２０６とを備える第１の駆動アセンブリ１２０２を示す。第１の駆動アセンブリ１２０２は、制御管理システム６１４の制御下にあってもよく、これは、第１の軸を中心としてロータ１１０２の移行（例えば図９Ｂおよび図１０に示される移行など）を引き起こすためにいずれかの方向に第１のモータ１２０４を選択的に駆動し得る。第１の駆動アセンブリ１２０２は、回転アセンブリ１１００を参照として説明される内方フレーム１１１０を備えてもよい。
【００６９】
第２の駆動アセンブリ１２０８は、第２のモータ１２１０と、軸に沿った傾斜制御のためにロータ１１０２の動作を引き起こす滑車１２１２とを備えてもよい。第２の駆動アセンブリ１２０８は、制御管理システム６１４の制御下にあってもよく、これは、第２の軸を中心としてロータユニット１１０２の移行（例えば図３Ａに示す移行など）を引き起こすためにいずれかの方向に第２のモータ１２１０を選択的に駆動し得る。第２の駆動アセンブリ１２０８は、回転アセンブリ１１００を参照として説明される内方フレーム１１１０を備えてもよい。図１２ｂは、第１の機構１２１４および第２の機構１２１６などの機構１２００の複数の例を含む構成を示す。図１２Ｃは、ＶＴＯＬ機１００の胴体１０２内の例示の機構１２００を示す。
【００７０】
図１３Ａは、例示のロータユニット１３００の部分的に切り欠いた等角図である。ロータユニット１３００（本明細書ではロータおよび／またはロータユニット１１６とも呼ばれる）は、ロータ羽根１３０２、ステータ１３０４、および電気モータ１３０６を備える。いくつかの実施形態では、ロータユニット１３００は、ダクト１３０８を備えてもよく、これは、ロータユニット１３００を通しておよびそこから空気流を配向するハウジングであってもよい。ロータ羽根１３０２は、電気モータ１３０６により回転されてもよく、推力を生成するためにロータユニットに空気を引き通す。空気がロータユニット羽根１３０２を通り流れると、回転がダクト１３０８内の空気に与えられる。ステータ１３０４は、ダクト１３０８（これもまたハウジングとして機能する）にロータユニット羽根１３０２および電気モータ１３０６を結合する。
【００７１】
案内羽根が、各ダクト内に径方向に配置され、推力を配向するように作動されてもよい。
【００７２】
いくつかの実施形態では、ステータ１３０４は、構造支持を与え、整流羽根として機能する湾曲ブレードを備えてもよい。整流羽根は、ロータユニット羽根１３０２のブレードとは逆の方向にピッチ設定されたブレードを備える。整流羽根のピッチ設定されたブレード同士が逆方向であることは、ロータユニット羽根１３０２により空気に与えられる回転を低減させ、それにより、整流羽根の使用を伴わない場合よりも実質的に低い乱流となる排気が結果として得られる。しかし、第２の羽根１３０２（２）が、回転可能であり、ステータ１３０４とは別個のパーツであってもよい。いくつかの実施形態では、ロータユニット１３００は、非ダクテッドロータユニットであってもよく、ダクト１３０８を備えなくてもよい。
【００７３】
図１３Ｂは、例示のロータユニット１３００の側方立面図である。電気モータ１３０６は、前方コーン１３１０と空気の推力を使い果たすロータユニットの側に配置された後方コーン１３１６との間に収容され得る。前方コーン１３１０および後方コーン１３１６は、ＶＴＯＬ機１００の飛行時にロータユニット１３００により引き起こされる抗力を低減させる空力特徴である。前方コーンおよび後方コーンは、モータ冷却を向上させるために通気されてもよい。
【００７４】
図１４は、例示の多羽根ロータユニット１４００の側方立面図である。多羽根ロータユニット１４００は、前方ロータ羽根１３０２（１）および後方ロータ羽根１３０２（２）と、前方ステータ１３０４（１）および後方ステータ１３０４（２）と、前方モータ１３０６（１）および後方モータ１３０６（２）とを備えてもよい。いくつかの実施形態では、前方モータ１３０６（１）および後方モータ１３０６（２）は、各ロータユニット羽根の回転を逆方向に引き起こしてもよい。前方ステータ１３０４（１）が直線ブレードを備えてもよい一方で、後方ステータ１３０４（２）が整流羽根であってもよく、ロータユニット羽根１３０２（２）のブレードの曲線とは逆に湾曲されたブレードを備えてもよい。２つ以上のロータ羽根が各ダクト内に位置する場合には、ロータは、渦効果を無効化するように逆方向に回転し、効率を向上させてもよい。
【００７５】
図１５Ａおよび図１５Ｂは、図１３に示す例示のロータユニットの部分的に切り欠いた等角図であり、推力配向装置を示す。図１５Ａは、内方ダクトに回転可能に結合された回転内方ダクト１５０２を有するロータユニット１３００を示す。図１５Ｂは、内方ダクトに回転自在に結合された回転羽根１５０４を有するロータユニット１３００を示す。回転内方リング１５０２および回転羽根１５０４は、前進飛行モード２０６および移行モード２０４でのＶＴＯＬおよび水平飛行時にヨー制御およびロール制御を実現することができ、ホバーモード２０２での飛行時にヨー制御およびロール制御を実現することができる。前進飛行モード２０６での飛行時に、補助翼（または他の制御表面）が、ヨーおよびロールを制御してもよい。
【００７６】
図１６は、翼端ロータ１６０２を備える例示のＶＴＯＬ機１００の上面図である。翼端ロータ１６０２は、ホバーモード２０２での飛行時におよび場合によっては移行モード２０４での飛行時にロール安定性をもたらし得る。翼端ロータ１６０２は、主翼の先端部付近に配置されてもよい。しかし、翼端ロータ１６０２は、翼端の全体方向に向かって外方におよび／または翼端から下方に推力を配向するために他の位置に配置されてもよい。
【００７７】
翼端ロータ１６０２は、上記で説明された主ロータ１１６よりも小さなサイズのロータであってもよい。また、翼端ロータ１６０２は、翼端ロータのプロファイルが翼の上部表面の上方にまたは翼の下部表面の下方に実質的に突出しないように、主ロータ１１６よりも薄くてもよい。いくつかの実施形態では、翼端ロータは、回転台座１２０を備えなくてもよく、したがって種々の方向に推力を配向するように動くことが可能でなくてもよい。しかし、翼端ロータ１６０２は、回転台座１２０、回転内方ダクト１５０２、および／または回転羽根１５０４などの方向機構を備えるように構成されてもよい。
【００７８】
ホバーモードでは、主ロータユニット１１６からの推力は、下方に配向されて、ＶＴＯＬ機１００が地面効果内外の両方でホバーリングするのを許容する。制御管理システム６１４は、水平なバランス調整されたホバーを維持するためにホバーモード２０２で回転速度を変動させてもよい。また、制御管理システム６１４は、ロータユニット１１６に信号を送出してロータユニット１１６に長手方向軸および横軸を中心として若干動作させるように命じることによって、安定的なホバーを維持しても、または前方、後方、もしくは側方にＶＴＯＬ機１００を移動させてもよい。翼端ロータ１６０２は、制御管理システム６１４により制御されてもよく、揚力においておよびホバー安定性において主ロータユニット１１６を補助してもよい。
【００７９】
翼端ロータ１６０２は、安定的なホバーを維持するために必要に応じて変動する時間間隔でＶＴＯＬ機１００に対して垂直な推力を発生させてもよい。翼端ロータ１６０２の動力出力は、制御管理システム６１４により決定されてもよい。いくつかの実施形態では、翼端ロータは、翼端ロータ１６０２により引き起こされる抗力を低減させるために前進飛行モード２０６での飛行時に翼端ロータ１６０２を覆って配置され得るカバーを備えてもよい。翼端ロータ１６０２は、特定の対気速度未満で開く翼の上側および下側にカバーを有してもよい。カバーは、前進飛行モード２０６および移行モード２０４での飛行時の抗力を低減させるために、航空機外板と実質的に同一平面に位置してもよい。
【００８０】
図１７〜図２５Ｂは、実質的に上記で説明されたように構成されたロータユニット１１６を使用するＶＴＯＬ機の様々な構成を示す。以下で示され説明されるＶＴＯＬ機は、機内操作者（パイロット）と共におよび／またはコックピットを備えてももしくは備えなくてもよいＵＡＶ構成で実装され得る。
【００８１】
図１７は、ＶＴＯＬ機のペイロードをバランス調整するために選択された短縮された胴体と種々のサイズのロータユニットとを有する例示のＶＴＯＬ機１７００の上面図である。ＶＴＯＬ機１７００の予想されるペイロードの質量中心が、後方端部１０６のより近くに配置される場合には、後方ロータユニット１１６（２）は、ホバーモード２０２での安定的な飛行を可能にするために前方ロータユニット１１６（１）よりも大きなまたはより強力なロータユニットであってもよい。より大きなロータユニットは、同一の毎分回転数速度でより大きな推力を生成し得る。ＶＴＯＬ機１７００は、後方ロータユニットがより大きなロータユニットである場合に、後方ロータユニット１１６（２）からのより強力なプッシュ式推力を有し得る。
【００８２】
ＶＴＯＬ機１７００は、図１に示されるＶＴＯＬ機１００に示された胴体１０２と比較して短縮された胴体１７０２を備え得る。短縮された胴体１７０２は、前方ロータユニット１１６（１）からの空気流の増大された消散を許容して、後方ロータユニット１１６（２）の上昇された効率を結果としてもたらし得る。
【００８３】
図１８は、従来の翼構成を有する例示のＶＴＯＬ機１８００の上面図である。ＶＴＯＬ機１８００は、２つの揚力発生表面、前方翼１８０２、および後方翼１８０４を備える。前方翼１８０２は、航空機の揚力の大部分を生成する。前翼１８０２は、補助翼１８０６を有し、これは、操作者が長手方向軸を中心として航空機を操縦するのを可能にする。後翼１８０４は、揚力面として機能し、ピッチ安定性をもたらす。後翼１８０４は、昇降舵１８０８を有し、これは、操作者が上下に調節するために横軸を中心として航空機を操縦することを可能にする。
【００８４】
ＶＴＯＬ機１８００は、胴体１８１０の長手方向軸に沿って回転台座内に取り付けられた２つのロータユニットを有する。この実施形態では、前方ロータユニット１１６（１）は、後方ロータユニット１１６（２）よりも大きな直径を有する。より大きなロータユニットは、同一の毎分回転数速度でより大きな推力を生成し得る。図１８に示される構成は、前方ロータユニット１１６（１）からより強力なプル式推力を結果としてもたらすことができる。
【００８５】
ＶＴＯＬ機１８００は、図１に示されるＶＴＯＬ機１００に示された胴体１０２と比較して短縮された胴体１８１０を備え得る。短縮された胴体１８１０は、前方ロータユニット１１６（１）からの空気流の増大された消散を許容して、後方ロータユニット１１６（２）の上昇された効率を結果としてもたらし得る。
【００８６】
図１９は、前方ロータが後方ロータとコックピットとの間に配置された例示のＶＴＯＬ機１９００の上面図である。コックピット１１２は、備えられた場合に、前方ロータユニット１１６（１）の前方に配置され得る。いくつかの実施形態では、コックピット１１２は、後方ロータユニット１１６（２）の背後に配置されてもよく、これは、別の代替的な構成となり得る。
【００８７】
図２０は、例示の複数乗員ＶＴＯＬ機２０００の上面図である。複数乗員ＶＴＯＬ機２０００は、前方端部および後方端部を有する２つの胴体２００２と、２つの主翼と、２つのロータユニット１１６とを効果的に有し得る。胴体２００２は、相互に対して実質的に平行に構成されてもよく、乗客または他のペイロードを収容するのに十分に大きなものであってもよい。２つの胴体２００２は、航空機の実質的に質量中心にておよび前方ロータユニットと後方ロータユニットとの間で空力ストラット２００４により結合され得る。
【００８８】
図２１Ａおよび図２１Ｂは、別の例示の複数乗員ＶＴＯＬ機２１００の側方立面図である。図２１Ａは、ホバーモード２０２における複数乗員ＶＴＯＬ機２１００を示す。図２１Ｂは、前進飛行モード２０６における複数乗員ＶＴＯＬ機２１００を示す。複数乗員ＶＴＯＬ機２１００は、乗客またはペイロードを輸送するために使用され得る単一の胴体２１０２を備えてもよい。ＶＴＯＬ機２１００は、ガスを動力源とするターボプロペラ、ジェットタービン、および／または他の非発電プラントなどの、推力を発生させるためのガスを動力源とするエンジン２１０４を使用してもよい。
【００８９】
図２２Ａおよび図２２Ｂは、操作者２２０２が胴体２２０４にまたがる例示のＶＴＯＬ機２２００の上面図である。図２２Ａは、ホバーモード２０２における飛行でのＶＴＯＬ機２２００を示す。ＶＴＯＬ機２２００は、２つの翼２２０６、ロータユニット１１６、および前面ガラス２２０８を備えてもよい。胴体２２０４は、オートバイに座る際にフレームにまたがる操作者に類似して、胴体の上方に位置した操作者に対応するように形状設定され得る。翼２２０６は、ＶＴＯＬ機２２００が前進飛行モード２０６で飛行している際に、揚力を生成し得る。図２２Ｂは、前進飛行モード２０６での飛行時のＶＴＯＬ機２２００を示す。
【００９０】
前面ガラス２２０８は、風、デブリ、または空気中の任意の他の物体から操作者を保護し得る。前面ガラス２２０８は、操作者の胴および頭を保護するのに十分な大きさであってもよい。いくつかの実施形態では、前面ガラス２２０８は、操作者の全身を遮蔽してもよい。前面ガラス２２０８は、アクリル、プラスチック、ガラス、または任意の他の透明な材料から作製され得る。前面ガラス２２０８は、飛散防止材料から形成されてもよい。
【００９１】
図２２Ｂを参照すると、操作者２２０２は、胴体２２０４の中心付近の着座位置からＶＴＯＬ機２２００を制御し得る。胴体２２０４は、操作者のためのシート２２１４およびフットレスト２２１６を備えてもよい。操作者２２０２は、オートバイハンドルバーと同様にハンドルバー２２１８からＶＴＯＬ機２２００に制御命令を発し得る。ハンドルバー２２１８は、スロットルを備えてもよく、これにより、操作者２２０２は、ロータユニット１１６の電源出力を変更し得る。いくつかの実施形態では、操作者２２０２は、レバー（例えばジョイスティック）、操舵輪、または操作者の所望のＶＴＯＬ機２２００の出力および方向を伝達することが可能な任意の他のデバイスを使用して制御命令を発してもよい。ハンドルバー２２１８の機械的動作は、制御管理システム６１４により電子信号へと伝達され得る。制御管理システム６１４は、操作者および複数の安定増大センサ６１２からの信号を処理し、各ロータユニット１１６に出力信号を送出して、ホバーモード２０２（図２２Ａ）から前進飛行モード２０６（図２２Ｂ）に移行するために必要に応じて長手方向軸および横軸を中心として独立的に動作するようにロータユニットに命じ得る。また、制御管理システム６１４は、スロットルから入力信号を受領し得る。各ロータユニット１１６の速度は、スロットルを介した操作者入力と、コンピュータ管理システム６１４で混合された安定増大センサ６１２入力とによって決定され得る。ロータユニット１１６は、地面効果の内外でのホバーを維持するのに十分な揚力を生成し得る。
【００９２】
図２２Ｃおよび図２２Ｄは、例示のＶＴＯＬ機の側方立面図である。図２２Ｃは、ホバーモード２０２での飛行時にロータユニット１１６を通過する空気流２２１０を示す。図２２Ｄは、ロータユニット１１６を通過するおよび前進飛行モード２０６での飛行時にＶＴＯＬ機２２００を越える空気流２２１２を示す。いくつかの実施形態では、前進飛行時に、前方ロータユニットからの後流が、上方表面の上に前方ロータユニットの後流の大部分を配向して、下方表面に対するより低圧のエリアを生成することにより強化された上昇能力を実現し得る。
【００９３】
図２３Ａおよび図２３Ｂは、例示のＶＴＯＬ機２３００の側方立面図であり、胴体２３０４にロータユニット１１６を連結する取付アーム２３０２を示す。
【００９４】
ロータユニット１１６は、回転台座１２０および取付アーム２３０２を備える取付アーム２３０２を介して胴体２３０４に可動的に結合され得る。回転台座１２０は、各ロータユニットの長手方向軸を中心とする運動自由度を許容し得る一方で、取付アーム２３０２は、図２３Ａに示されるようなホバーモード２０２から図２３Ｂに示されるような前進飛行モード２０６への移行を実現する。いくつかの実施形態では、取付アーム２３０２は、胴体２３０４から少なくとも部分的に離れるように推力および後流を移動させ得る。例えば、後方ロータユニット１１６（２）により受けられる空気は、前方ロータユニット１１６（１）から直接的に流れるものとはなり得ない。なぜならば、ロータユニット１１６は、取付アーム２３０２の使用による種々の面に配置され得るからである。いくつかの実施形態では、取付アーム２３０２は、「Ｌ字」形状であってもよく、または構造支持体もしくは翼を備える他の構成を有してもよい。
【００９５】
図２４Ａおよび図２４Ｂは、例示のＶＴＯＬ機２４００の上面図であり、ロータユニットのクラスタを示す。ＶＴＯＬ機は、ロータユニットの１または複数のクラスタ２４０２を備えてもよい。いくつかの実施形態では、クラスタ２４０２は、胴体の長手方向軸に沿って整列されたロータユニットを備え得る。この構成は、前進飛行モード２０６でのロータユニットの変位を結果的にもたらすことができ、これは、ロータユニットが回転後に胴体の上方または下方に移動し、それによってより清浄な吸気を受けることを引き起こす。しかし、他の構成のクラスタ２４０２が使用されてもよい。クラスタ２４０２は、図２４Ａに示されるような後方ロータユニットに対して、図２４Ｂに示されるような前方ロータユニットに対して、または前方ロータユニットおよび後方ロータユニットの両方で使用され得る。クラスタ２４０２に含まれるように選択されるロータユニットは、ＶＴＯＬ機２４００の質量中心の位置に基づき出力をバランス調整するように選択され得る。
【００９６】
図２５Ａおよび図２５Ｂは、非ダクテッドロータ２５０２を使用する例示のＶＴＯＬ機２５００の上面図である。非ダクテッドロータ２５０２は、従来のプロペラブレードと類似のまたは同一のものであってもよい。いくつかの例では、非ダクテッドロータ２５０２のブレードは、フェザリングされるか、または駆動シャフトに対するブレードの角度を変更するように他の方法で調節され得る。
【００９７】
図２６は、回転可能アーム２６０２に結合されたロータユニットを使用する別の航空機２６００の側方立面図である。ロータユニット１１６は、枢動位置２６０６を有する回転可能アーム２６０２を介して胴体２６０４に可動的に結合され得る。回転可能アーム２６０２は、回転可能アーム２６０２の回転によりホバーモード２０２から前進飛行モード２０６への移行を可能にし得る。いくつかの実施形態では、回転可能アーム２６０２は、胴体２６０４から少なくとも部分的に離れるように推力および後流を移動させ得る。
【００９８】
主題が、構造的特徴および／または方法論的行為に固有の言葉で説明されたが、添付の特許請求の範囲で定義される主題は、説明された特定の特徴または行為に必ずしも限定されない点を理解されたい。むしろ、特定の特徴および行為は、特許請求の範囲を実装する例示の形態として開示される。
【図１Ａ】
0006322647.tif 000002
【図１Ｂ】
0006322647.tif 000003
【図２】
0006322647.tif 000004
【図３Ａ】
0006322647.tif 000005
【図３Ｂ】
0006322647.tif 000006
【図３Ｃ】
0006322647.tif 000007
【図３Ｄ】
0006322647.tif 000008
【図４】
0006322647.tif 000009
【図５】
0006322647.tif 000010
【図６Ａ】
0006322647.tif 000011
【図６Ｂ】
0006322647.tif 000012
【図７】
0006322647.tif 000013
【図８】
0006322647.tif 000014
【図９Ａ】
0006322647.tif 000015
【図９Ｂ】
0006322647.tif 000016
【図９Ｃ】
0006322647.tif 000017
【図１０】
0006322647.tif 000018
【図１１Ａ】
0006322647.tif 000019
【図１１Ｂ】
0006322647.tif 000020
【図１１Ｃ】
0006322647.tif 000021
【図１２Ａ】
0006322647.tif 000022
【図１２Ｂ】
0006322647.tif 000023
【図１２Ｃ】
0006322647.tif 000024
【図１３Ａ】
0006322647.tif 000025
【図１３Ｂ】
0006322647.tif 000026
【図１４】
0006322647.tif 000027
【図１５Ａ】
0006322647.tif 000028
【図１５Ｂ】
0006322647.tif 000029
【図１６】
0006322647.tif 000030
【図１７】
0006322647.tif 000031
【図１８】
0006322647.tif 000032
【図１９】
0006322647.tif 000033
【図２０】
0006322647.tif 000034
【図２１Ａ】
0006322647.tif 000035
【図２１Ｂ】
0006322647.tif 000036
【図２２Ａ】
0006322647.tif 000037
【図２２Ｂ】
0006322647.tif 000038
【図２２Ｃ】
0006322647.tif 000039
【図２２Ｄ】
0006322647.tif 000040
【図２３Ａ】
0006322647.tif 000041
【図２３Ｂ】
0006322647.tif 000042
【図２４Ａ】
0006322647.tif 000043
【図２４Ｂ】
0006322647.tif 000044
【図２５Ａ】
0006322647.tif 000045
【図２５Ｂ】
0006322647.tif 000046
【図２６】
0006322647.tif 000047