垂直離着陸無人航空機機体構造
【課題】輸出、民生空域、および安全規制に適合する低コストかつ軽量のＵＡＶを提供するために、高い強度の複合材料の構造的部品部分、および軽量の空力的発泡体部分で選択的に形成された無人航空機を提供すること。
【解決手段】ＵＡＶの全重量をさらに削減するために、機械的要素は複数の機能を提供するように設計される。構造要素を同じまたは類似の非専門工程で製造し、かつ非構造要素を同じまたは類似の非専門工程で製造し、全体的な製造コストを削減することもできる。破砕性を提供し、かつ正常な飛行構造的整合性を維持するように、材料および結合要素が選択される。
【解決手段】ＵＡＶの全重量をさらに削減するために、機械的要素は複数の機能を提供するように設計される。構造要素を同じまたは類似の非専門工程で製造し、かつ非構造要素を同じまたは類似の非専門工程で製造し、全体的な製造コストを削減することもできる。破砕性を提供し、かつ正常な飛行構造的整合性を維持するように、材料および結合要素が選択される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に無人航空機（ＵＡＶ）の分野に関する。より具体的には、本発明は、推進システムとして１つまたは複数のダクテッドファンを備えた垂直離着陸（ＶＴＯＬ）が可能なＵＡＶの分野を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
無人航空機（ＵＡＶ）は、パイロットが搭乗していない、および／または、遠隔に制御される航空機である。ＵＡＶは、遠隔に制御される、または、あらかじめプログラムされた飛行計画またはより複雑な動的自動化および視覚システムに基づいて自律的に飛行させることができる。ＵＡＶは現在、偵察および攻撃のシナリオを含む多くの軍事的任務で使用されている。武装したＵＡＶは、無人戦闘航空機（ＵＣＡＶ）として知られている。
【０００３】
ＵＡＶはまた、人間の観測者が危険にさらされるかもしれないときの消火活動、騒じょうおよび犯罪現場の警察による監視、および自然災害時の偵察支援などの、限られた数の民生用途でも使用されている。ＵＡＶは、有人航空機には退屈すぎる、不潔すぎる、危険すぎる、または費用が掛かりすぎる任務に選ばれることが多い。
【０００４】
種々さまざまなＵＡＶの形状、サイズ、構成および特性がある。最新のＵＡＶは、制御され持続した水平飛行が可能であり、１つまたは複数のジェットエンジン、レシプロエンジン、またはダクテッドファンによって動力が供給される。
【０００５】
民生用途でＵＡＶによって運搬されるペイロードには、オプティカルセンサ（たとえば、可視または赤外線スペクトルで画像またはビデオを捕らえることができる）および／またはレーダシステムが通常含まれる。ＵＡＶの精巧なセンサは、雲、雨または霧を通り抜けて、昼夜いずれの状況においても、すべてリアルタイムで、写真のように鮮明な画像を提供することができる。たとえば、合成開口レーダ画像のコヒーレント交換検出の概念により、地形が時間の経過とともにどのように変わったかを特定することによって捜索救助能力が可能になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
垂直離着陸（ＶＴＯＬ）能力を提供することで、軽便性が向上し、ＵＡＶが目的の場所にうまく移動することができ、固定翼航空機が利用できない地域での利用が可能になる。
ＵＡＶは軍事的任務で広範囲に利用されているが、民生用途でのＵＡＶの使用は、たとえば、コスト懸念、（国際武器取引規制−ＩＴＡＲなどの）輸出規制、民生用空域規制および安全規制により制限されている。さらに、生命および／または財産に危害を及ぼす恐れがある重量を有する自律的飛行物体に関する種々の規制により、ＵＡＶが民生用途に一層浸透することが制限されてきた可能性もある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願の対象は、たとえば、重量およびコストを削減し、破砕可能要素を選択的に実装することで分解を制御でき、かつ液体燃料を使用するより大きなＵＡＶと少なくともほぼ等価である全体的な耐久性を提供するような方法で、複合材料、金属、および発泡体で選択的に構成される垂直離着陸（ＶＴＯＬ）無人航空機（ＵＡＶ）である。重量を削減し、高い構造的整合性を維持し、かつ破砕可能な機体構造を提供するように、空力要素を構造要素から分離し、かつ各階層の要素に対応する材料を選択するＵＡＶ設計が提供される。たとえば、複雑な複合積層材または金属材料で以前は形成されていた空力要素は、より軽い発泡体射出成形材料に置換されてもよい。次に、構造的構成要素は、構造的構成要素がそれぞれ遭遇すると予想される加えられる力に応じて、さまざまな強度、重量、およびコストを有する複合材料で選択的に形成されてもよい。機体構造の個々の選択された品目は、衝撃で分解する破砕可能な材料で構成されてもよい。設計によって、機体が接触するに至るたとえば小型の有人航空機などの対象に、たとえば損傷を与えないように、応力水準が超過する場合には機体部品が分解する。
【０００８】
選択的に構成要素の重量を削減することによって、完成したＵＡＶの全重量が、生命および財産に危害を及ぼすことに関する多くの民生規制の制限を下回ることができ、したがって、たとえば、許可および／または特別な保険を取得する追加費用なしでＵＡＶの購入および運用が可能になる。
【０００９】
ＵＡＶは、たとえば、原動機、ファンブレード組立体、ダクトリング、固定子取付具、原動機取付具、固定子スリップストリーム、ダクト間スリップストリーム、ダクト間相互接続、アビオニクス取付管、着陸装置取付具、アビオニクス取付具、アビオニクス相互接続、翼シャフト、テールコーン蓋、テールコーンヒンジ、テールコーンラッチ、サーボギア、着陸脚、ダクトリップ、翼、テールコーン、テールバンパを含む、いくつかの相互連結された構成要素を有してもよい。
【００１０】
他の実施形態では、追加の構成要素、代用された構成要素、またはこれらの構成要素のサブセットが含まれてもよい。
原動機、ファンブレード組立体、ダクトリング、固定子取付具、原動機取付具、固定子スリップストリーム、ダクト間スリップストリーム、ダクト間相互接続、アビオニクス取付管、着陸装置取付具、アビオニクス取付具、アビオニクス相互接続、翼シャフト、テールコーン蓋、テールコーンヒンジ、テールコーンラッチ、サーボギア、および着陸脚などの構造支持要素は、高い構造的整合性を維持するために、たとえば、木、金属、または複合材料で製造されてもよい。ダクトリップ、翼、テールコーンおよびテールバンパのような空力要素は、たとえば、発泡体材料で製造されてもよい。
【００１１】
ダクト間相互接続、着陸装置取付具、アビオニクス取付具、および原動機取付具などの構造的相互接続構成要素は、十分な構造的整合性を提供する特定の繊維長の複合材料を用いるが、十分に高い応力水準を適用すると分離または分解して構造的破砕性をもたらすように設計することもできる。破砕可能な相互接続構成要素を選択的に実施すると、分解した断片のサイズおよび質量に対して、さらなる、すなわち補足的な制御を実現することができる。目的は、機体をより小さく、すなわちより衝撃が少ない質量に崩壊させるように、正常な操縦負荷と、機体における選択された接合ポイントの衝撃に対する歪みおよび引き裂き強度特性との平衡を保つことである。塑性変形を示さないが、変形が弾性であるときに不具合となる重要な構造ポイントのために、炭素繊維および発泡体などの材料が選択される。空中衝突については、衝撃および引き裂き強度特性を超過し、その結果機体は所望のマスフラグメントに分解させられる。機体の重要な接合ポイントで、材料の弾性、剛性率、引張強度、衝撃強度、および引き裂き強度を管理すると、用途基準による用途上の所望の破砕性が得られる。
【００１２】
ダクトリップとテールコーンの間の結合および取付メカニズムは、破損箇所の交換を可能にし、かつ／または衝撃破砕性を支持する、分離可能な結合材料によって遂行されてもよい。これは、室温加硫配合物（ＲＴＶ）のような結合剤、あるいは伸ばしたときに取付を解放するＯリングメカニズムによって、遂行することができる。
【００１３】
１つまたは複数のダクテッドファンに動力を供給する１つまたは複数の原動機は、バッテリのような内蔵電力源により動力が供給される電気モータであることも可能である。電気モータを使用すると、振動を最小限にし、維持費を削減することができる。
【００１４】
別の実施形態では、機械的要素を、複数の機能性を提供するように設計することができる。たとえば、軽量の空力的エアダクトを支持するダクトリングはまた発動機取付具の役目をし、振動のための共振排除をもたらす接続管はまた遮蔽配線経路の役目をし、およびダクト間取付ポイントはまた着陸脚取付具の役目をすることもできる。
【００１５】
ダクトリング、ダクト間スリップストリームおよび／またはダクトリップなどの構造要素は、バッテリ、または機体構造に統合された燃料電池構成要素などのエネルギー蓄積装置として役目をすることを含む二重の役割を提供することができる。好ましくは、本開示によって構成されるＵＡＶは、約１．８１ｋｇ（４ポンド）以下のシステム全重量を有するべきである。
【００１６】
例示の実施形態では、機械的要素は２つの機能を設けられ、そのことにより、構成要素の総コストおよびＵＡＶ構造の全コストを削減することもできる。構造要素は同じまたは類似の非専門的工程で製造し、非構造要素は同じまたは類似の非専門工程で製造して、全製造コストを削減することもできる。
【００１７】
開示する実施形態の他の特徴およびさらなる適用可能範囲は、添付図面を参照して以下の詳細な記述で示され、当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態による無人航空機（ＵＡＶ）の斜視図である。
【図２】図１のＵＡＶの破断斜視図である。
【図３】着陸脚が格納位置にあるＵＡＶの斜視図である。
【図４】ダクトリップおよびダクトリングを有するダクト組立体の拡大した一例を示す。
【図５】図５（ａ）は原動機取付具の一例の上面斜視図である。図５（ｂ）は原動機取付具の一例の底面斜視図である。
【図６】固定子スリップストリーム取付具の一例を示す。
【図７】結合した固定子、脚および結合管取付具構造の一例を示す。
【図８】固定子スリップストリームおよび／またはダクト連結管として使用する結合管の一例を示す。
【図９】ペイロード支持管の例に取り付けられたペイロードの一例を示す。
【図１０】テールコーンおよびサーボ構造を示す。
【図１１】原動機取付具と格納位置へ回転したテールコーンとを含むファン組立体の斜視図である。
【図１２】代替実施形態による無人航空機（ＵＡＶ）の斜視図である。
【図１３】図１２の固定子スリップストリーム、脚、ダクト連結および結合装置の一例の拡大図である。
【図１４】図１４（ａ）は図１３の結合装置の一例の拡大図である。図１４（ｂ）は図１３の結合装置の一例の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本願の態様により、軽量の無人航空機（ＵＡＶ）を構成するためのシステムおよび方法について説明する。空力要素および構造要素は所望の性能特性に対応して選択される。機械的要素は、二重の機能性を提供し、かつ対応するＵＡＶの部品数およびコストを削減するように設計される。
【００２０】
以下の開示はダブルダクトのホバリング航空機につき言及しているが、本実施形態が航空機の分野で広い適応性を有することは認識されよう。例で説明された特別の構成は変えることができ、例示の実施形態を説明するために引用されている。
【００２１】
図１に示されるように、一実施形態によるＵＡＶ １００には、ダクト連結組立体１０４を介して相互接続されたダクテッドファン組立体１０２が含まれる。ＵＡＶ １００には、ファン組立体１０２およびダクト連結組立体１０４が地面に触れないように保つための脚１２０が含まれる。図１は２つのダクテッドファン組立体を示しているが、ダクテッドファン組立体はいくつでもこの開示と矛盾せずに使用することが可能である。たとえば、単一のダクテッドファン組立体を、ダクト結合組立体を必要としないで、使用することが可能である。あるいは、３つ以上のダクテッドファン組立体が１つまたは複数のダクト結合組立体を介して相互接続することも可能である。
【００２２】
各ダクテッドファン組立体１０２には、ダクトリップ１０６の外側の周囲を囲んで延長する、構造上剛性なダクトリング１０８に構造的に支持された軽量の空力的ダクトリップ１０６が含まれてもよい。ダクトリップ１０６は、壁面１０５の上端に向かって放射状方向でわずかに外側へ延長し、次に上方肩部１０７を形成するために外側へかつ壁面を覆って下方へ曲がる、円筒状に成形された下方壁面１０５を有する。
【００２３】
原動機取付具１１０に取り付けられた原動機１０９が、ダクトリップ１０６およびダクトリング１０８内に収容される。次に、原動機取付具１１０は固定子スリップストリーム１１２を介してダクトリング１０８に固定される。固定子スリップストリーム１１２は固定子取付具１１３を介してダクトリング１０８に固定される。図１は３つの固定子スリップストリーム１１２を開示しているが、４つ以上を提供することも可能である。図１に示されるように、固定子スリップストリーム１１２の最初の２つは、ダクト連結組立体１０４に接続し、かつＵＡＶ １００のために剛性の支持を提供するために、約６０°未満の角度Ａだけ離して配置される。第３の固定子スリップストリームは、固定子スリップストリーム１１２の最初の２つのいずれからも約６０°よりも大きい角度Ｂに配置される。角度ＡおよびＢは例としてのみ示される。他の固定子スリップストリームの配置も使用が可能である。
【００２４】
固定子スリップストリーム１１２は、固定子取付具１１３に達するように、ダクトリップ１０６およびダクトリング１０８に形成された穴を貫通してもよい。固定子取付具１１３が、固定子スリップストリーム１１２の一端を受け止め固定するために、ダクトリング１０８の外側表面上に提供されてもよい。
【００２５】
２つ以上のプロペラブレード１１１が、ＵＡＶに揚力を提供するために、原動機１０９に接続されたダクテッドファン組立体１０２それぞれに提供されてもよい。プロペラブレード１１１の数は可変であり、好ましくは原動機負荷の要求条件および毎分回転数（ｒｐｍ）の効率性に合うように設計される。原動機１０９は、電気モータ、たとえば、別々に提供されたバッテリによって動力が供給されるブラシレス直流（ＤＣ）モータが好適である。
【００２６】
図２に示されるように、一般的なエアフロー方向Ｃに対して翼２０６を傾けるために、中空テールコーン２０３、制御翼組立体１１４、およびサーボ２０４を含むテールコーン組立体２０２が提供される。一般的なエアフロー方向Ｃに対する翼２０６の傾斜は、流出スラスト方向の変化を生成し、その結果対応する所望の方向にＵＡＶ １００を動かす。テールコーン２０３の下端に配置された制御翼組立体１１４は、シャフト２０８を介して接続している、２つの反対側に向かい合った翼２０６を含む。シャフト２０８は、好ましくは各翼２０６の揚力点から前方に偏った点で翼２０６に接続される。サーボ２０４は、制御回路から受け取る制御信号に応じて、シャフト２０８を回転させ、それにより翼２０６を回転させるように機能する。シャフト２０８への成型された発泡体の翼２０６の接続は、音叉構成中の分離したシャフト、または翼に剛性を与えるために翼２０６内の平らで穿孔された表面を延長するシャフトによって遂行されてもよい。
【００２７】
図１および２に示されているように、ＵＡＶ １００には、２つのダクテッドファン組立体１０２を剛性に接続するためにダクト連結組立体１０４が含まれる。ダクト連結組立体１０４には、複数のダクト間スリップストリーム１１６および複数のダクト間相互接続１１８が含まれる。ダクト間相互接続１１８の各々は、近接に間隔を置いて配置された２つの固定子スリップストリーム２１２のうちの１つを受け取る固定子取付具１１３と一方の端で接続し、かつダクト間スリップストリーム１１６と他方の端で接続する。ダクト間スリップストリーム１１６は固定子スリップストリーム２１２が配置された水平面から水平面中で垂直にオフセットするように、１つの代替中のＵＡＶ １００のダクト間相互接続１１８は、垂直の変位特性を含んでいてもよい。
【００２８】
ダクト間相互接続１１８はそれぞれ、さらに着陸脚相互接続としての役目もし、対応する着陸脚１２０を適所に保持することもできる。２つ以上のダクト間スリップストリーム１１６が、２つのダクテッドファン組立体１０２を接続するために使用されてもよい。
【００２９】
図３に示されるように、着陸脚１２０はそれぞれ、スプリングの負荷を掛けた切り欠きを有する方法でダクト間相互接続１１８に取り付けられ、着陸装置が速やかに９０度回転して、ＵＡＶ １００を格納位置に配置することができる。着陸装置１２０のシャフト部分１２１はダクト間相互接続１１８上で切り欠き（図示せず）と組み合わさるように固定されてもよい。ダクト間相互接続１１８の反対側のスプリングは、着陸装置を適正な位置に保持し、多少の着陸時の衝撃吸収を提供できる。各シャフト部分１２１の下端に取り付けられた着陸脚ボール要素１２３は、着陸の付加的な衝撃吸収を提供するために、たとえば、柔軟な変形可能なゴムから形成されてもよい。
【００３０】
図２に戻ると、ダクト間スリップストリーム１１６は、さらにアビオニクス相互接続１２４を介して１つまたは複数のアビオニクス取付管１２２を支持することもできる。アビオニクス取付管１２２は、アビオニクスペイロード１２６が搭載されることがあるアビオニクス取付領域を提供することもある。たとえば、アビオニクスペイロード１２６には、制御システム、ワイヤレスリモコンのインタフェース、バッテリ源、および／または他の飛行を可能にするシステムが含まれてもよい。あるいは、図３に示されるように、アビオニクス相互接続を１つの組立体に統合するアビオニクス取付板３０２は、ダクト間スリップストリーム１１６に直接取り付けられてもよい。
【００３１】
図４は、ダクトリップ１０６およびダクトリング１０８についての詳細図を示す。これまでに示したように、ダクトリップ１０６は、壁面１０５の上端に向かって放射状方向でわずかに外側へ張り出す円筒状に成型された下方壁面１０５を有する。図２に最も良く示されるように、壁面１０５の上部は、外側かつ下方へ曲がる肩部１０７へ延長する。ダクトリップ１０６の下端１０５は、ダクトリップ１０６をダクトリング１０８に対して位置決めをし、固定するために、ダクトリング１０８の内面、およびダクトリング１０８の外面上に形成されたフランジ４０４と組み合わさる。あるいは、ダクトリング１０８上にフランジ４０４を突出させる必要性を除去するように、ダクトリップ１０６は、ダクトリング１０８と組み合わさるダクトリップの表面に成型したフランジを有してもよい。
【００３２】
あるいは、ダクトリップ１０６は、ダクトリップ１０６の下部とダクトリング１０８の外側上部に除去可能な結合剤を塗布して、ダクトリング１０８に取り付けられてもよい。あるいは、ダクテッドファン組立体１０２の周りで等間隔に機械的スナップ留めすなわちＯリングメカニズムを配置することもできる。もちろん、ダクトリップ１０６をダクトリング１０８に固定する他の方法を使用することもできる。
【００３３】
ダクトリング１０８には、固定子スリップストリーム１１２の配置パターンにより作られた穴４０２が含まれる。外側に突出するフランジ４０４は、ダクトリング１０８の上端近くのダクトリング１０８の外側の周囲に沿って形成される。フランジ４０４は、ダクトリング１０８の外側円筒形表面の壁面への固定子取付具１１３の配置を助け、ダクトリング１０８に回転剛性を加える。
【００３４】
図５（ａ）および５（ｂ）はそれぞれ、原動機取付具１１０の上面および底面斜視図を示す。図５（ｂ）に示されるように、原動機取付具１１０には、上部表面５１４と、上部表面５１４の外側周囲から垂直に延長する第１の外側円筒形壁面５１０と、外側壁面５１０内に配置され、外側壁面５１０と同じ方向に上部表面５１４から延長している第２の内側円筒形壁面５１２とが含まれる。貫通穴５０２および５１８は、固定子スリップストリーム１１２の配置に対応するパターンで、相応じて第１および第２壁面に形成される。
【００３５】
上部表面５１４に形成された配線穴５０６および内側円筒形壁面５１２に形成された切り欠き５１６により、配線（図示せず）が原動機取付具１１０に通されることが可能になる。配線は、原動機から配線穴５０６を経由し、切り欠き５１６を横切り、固定子スリップストリーム２１２の１つまたは複数内へ、次にダクト間スリップストリーム１１６を経由し、アビオニクスペイロード１２６に通される。中央に配置された原動機駆動穴５０４は上部表面５１４に形成され、原動機１０９の駆動シャフトが１つまたは複数のプロペラ１１１を駆動するように原動機取付具１１０を経由して延長することが可能になる。原動機１０９を原動機取付具１１０に確実に取り付けるために、追加の穴５０８が上部表面５１４に提供される。Ｏリングポスト５２０は、外側壁面５１０から放射状に外側へ延長し、テールコーン組立体２０２に取付メカニズムを提供する。アラインメントタブ１３２は、外側壁面５１０の底部表面から軸方向に延長し、テールコーン組立体２０２に形成された対応するアラインメントスロットと組み合わさり、テールコーン組立体２０２を原動機取付具１１０およびその結果ＵＡＶ １００の向きに適切に方向を合わせることができる。
【００３６】
図６は、固定子取付具１１３の斜視図を示す。固定子取付具１１３は、ダクトリング１０８の湾曲と調和するようにわずかに内側へ湾曲した、長方形外側バンド枠６０２を有する。より厚い中央部６０４は枠６０２と一体で形成され、穴６０６および６０８が含まれる。貫通穴６０６は、固定子スリップストリーム１１２の形状と実質的に同じ涙滴形状に形成され、固定子取付具１１３を固定子スリップストリーム１１２に剛性に固定する。他の形状を使用することも可能である。あるいは、図１１に示されるように、固定子スリップストリーム１１２は、たとえば、固着剤の塗布または一種の溶接工程によって、直接ダクトリング１０８に結合されることも可能である。
【００３７】
図６に戻ると、固定子取付具１１３の穴６０８は、固定子取付具１１３が、どの固定子スリップストリーム１１２に固定されるかによって、２つの目的の役目をすることもある。さらに図２に示されるように、２つの近接に角度を成した固定子スリップストリーム２１２を固定する固定子取付具１１３は、平行で近接に間隔を置いて配置されたペグ２１４を介してダクト間相互接続１１８に接続されてもよい。固定子取付具１１２の穴６０８は、ペグ２１４を受け止めかつ固定するために、それに応じた大きさに作られる。固定子取付具１１３をダクトリング１０８に固定するために、ペグ２１４が使用されることもある。
【００３８】
あるいは、他の２つの固定子スリップストリーム２１２に対して大きな角距離で間隔を置いて配置された固定子スリップストリーム１１２に対して配置された固定子取付具１１３のためには、たとえばリベットまたはネジなどのファスナを介して、穴６０８が固定子取付具１１３をダクトリング１０８に固定するのに使用されてもよい。
【００３９】
図７は、固定子取付具１１３に接続されているときのダクト間相互接続１１８の斜視図を示す。これまでに言及したように、ダクト間相互接続１１８を固定子取付具１１３の対応した大きさに作られた穴６０８と確実に接続するために、ダクト間相互接続１１８には並列で近接に間隔を置いて配置された２本のペグ２１４が含まれる。ペグ２１４はさらに着陸装置取付具７０１およびアビオニクス取付具７０６を固定することもできる。図２に示されているように、着陸装置取付具７０１には、着陸装置１２０を固定するための穴７０２が含まれる。図２において見てとれるように、アビオニクス取付具７０６には、アビオニクス取付１３０上に形成された類似の形状の突出を受け取るために、上部表面に形成された穴７０８が含まれる。ダクテッドファン組立体１０２をダクト連結組立体１０４に接続し、さらに着陸装置取付具７０１を含む相互接続構造１１８を提供することにより、ＵＡＶ １００が必要とする構成要素の数を削減することもできる。また、ＵＡＶ １００の全重量およびコストはそれに対応して削減することができる。
【００４０】
図８は、固定子スリップストリーム１１２の斜視図を示す。図８の固定子スリップストリーム１１２は、図２の固定子スリップストリーム２１２としても使用することができる。固定子スリップストリーム１１２は、ＵＡＶ １００の性能および操作を改善するために、ダクテッドファン組立体１０２内の原動機１０９および原動機取付具１１０を剛性ダクトリング１０８および固定子取付具１１３に固定することと、アビオニクスペイロード１２６からダクテッドファン組立体１０２内の原動機１０９およびサーボ２０４に電源および制御ケーブルを経路指定することと、そこを通過する任意のかつすべての制御および電源ケーブルの電磁遮蔽を提供することと、ダクテッドファン組立体１０２を経由して流れる空気に空力的スリップストリーム表面を提供することとを含む複数の機能を実施する。
【００４１】
原動機取付具１１０に形成された穴５０２、ダクトリング１０８に形成された穴４０２、および固定子取付具１１３に形成された穴６０６の形状が調和するように、固定子スリップストリーム１１２は涙滴形状に形成されることがある。図８に示されるように、涙滴形状は１つの滑らかで丸い先端８０２および１つのより尖った下端８０６からなる。固定子スリップストリーム１１２の涙滴形状は、ダクテッドファン組立体１０２内の固定子スリップストリーム１１２によって生成された空気抵抗を最小限にする。もちろん、他の形状を使用することも可能である。
【００４２】
固定子スリップストリーム１１２は中空になるように形成され、固定子スリップストリーム１１２内に配線経路８０４を提供する。アビオニクスペイロード１２６から固定子スリップストリーム１１２を経由し原動機１０９および／またはサーボ２０４まで配線を経路指定することによって、固定子スリップストリーム１１２の外側表面に沿って配線を経路指定することと比較して、抗力を除去することができる。また、固定子スリップストリームの壁面はそこを通過する配線を電磁的に遮蔽する機能を果たす。
【００４３】
図９は、アビオニクスペイロード１２６および取付管１２２の斜視図を示す。取付管１２２は、相互間で所定の間隔を置いて並列の方法で配置される。外側ケーシング９０２は、取付管１２２およびそこに含まれているエレクトロニクスの幅と等しいまたはこれよりわずかに広い幅の大きさであり、取付管１２２の上を滑り、エレクトロニクスを覆うことができる。外側ケーシング９０２内に、バッテリ９０４、１つまたは複数の原動機制御装置９０６、およびアビオニクス制御システム９０８が収容されてもよい。アビオニクス制御システム９０８には、数ある中で、コマンドを受信し情報を送信するための無線ＲＦトランシーバ、受信制御コマンドを原動機および／またはテールコーンサーボを制御する信号に変換するための変換制御システム、飛行安定を維持するための安定制御システム、自律飛行制御システム、全地球測位システム（ＧＰＳ）、および／または、ビデオ画像符号化システムが含まれることもある。さらに、システムのサブセット、および／または、代替システムもアビオニクス制御システム９０８に含まれていてもよい。
【００４４】
図１０は、テールコーン組立体２０２の斜視図を示す。テールコーン組立体２０２には、中空テールコーン２０３、エンドバンパ１０１２、翼シャフト１００２、翼１１４、サーボ１００４および取付板１００６が含まれる。中空テールコーン２０３は、円錐の狭い端がその頂点に達する前に切り取られている線形テーパを有する逆円錐形状を有する。中空テールコーン２０３の下端で、中空で開放式のコーン２０３の下端を閉じるために、中実の半球のバンパ１０１２が提供される。
【００４５】
テールコーン２０３の上端にはテールコーン取付板１００６が備えられ、その一方の端にヒンジ１００８、他方の端にラッチ１０１０を有する。図１１に示されるように、対応する原動機取付板１１０２は、原動機取付具１１０の外側壁面５１０の下部表面に取り付けられる。ラッチ１０１０により、テールコーン取付板１００６は原動機取付板１１０２への取り付けおよび取り外しが可能になる。ヒンジ１００８により、テールコーン取付板１００６はテールコーン２０２を原動機取付具１１０に蝶番のあるように取り付けることが可能になり、固定子スリップストリーム１１２と固定子スリップストリーム２１２のうちの１つとの間のダクテッドファン組立体内にテールコーンが格納される開放位置と、テールコーンが原動機取付具１１０に剛性に取り付けられている閉鎖位置との間で、テールコーン２０２が回転できる。サーボ取付具１０１３は、サーボ１００４を保持するためのテールコーン取付板１００６の底面表面上に備えられる。
【００４６】
一実施形態によると、上記のそれぞれの空力的および構造的支持要素の構成は選択的に選ばれ、ＵＡＶ １００の構造的整合性を維持しつつＵＡＶ １００の全重量を削減する。
【００４７】
ダクトリング１０８、固定子取付具１１３、原動機取付具１１０、固定子スリップストリーム１１２、ダクト間スリップストリーム１１６、ダクト間相互接続１１８、アビオニクス取付管１２２、着陸装置取付具７０１、アビオニクス取付具７０６、アビオニクス相互接続１２４、翼シャフト１００２、テールコーン蓋１００６、テールコーンヒンジ１００８、テールコーンラッチ１０１０、サーボギア１０１４および着陸脚１２０などの構造支持要素は、高い構造整合性を維持するために木、金属または複合材料で製造されてもよい。木は、たとえば曲げたアカガシワ製だぼが使われることもある。他の木も使用することができる。金属は、たとえば機械加工または押出し加工されたアルミニウムの場合もある。他の金属または合金も使用することができる。複合材料は、たとえば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（たとえば商標名Ｔｏｒｌｏｎを有する物質で、Ｓｏｌｖａｙ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，Ｌ．Ｌ．Ｃ．、Ａｌｐｈａｒｅｔｔａ、Ｇｅｏｒｇｉａ、Ｕ．Ｓ．Ａ．から入手可能）、非晶質のポリエーテルイミド（たとえば商標名Ｕｌｔｅｍを有する物質で、ＳＡＢＩＣ Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｈｏｌｄｉｎｇ ＢＶ、Ｐｉｔｔｓｆｉｅｌｄ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ、Ｕ．Ｓ．Ａ．から入手可能）、ナイロン６、ナイロン１２またはナイロン６６を含む熱可塑性物質の場合もある。または、たとえば商標名Ｌｙｔｅｘ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ， Ｉｎｃ．、Ｂａｙ Ｃｉｔｙ、Ｍｉｃｈｉｇａｎ、Ｕ．Ｓ．Ａ．から入手可能）を有するガラス繊維強化エポキシ樹脂、エポキシ樹脂、またはビスマレイミド（ＢＭＩ）を含む熱硬化性樹脂の場合もある。他の複合材料も使用することができる。たとえば、複合材料は、射出成形工程、圧縮成形工程、選択的なレーザ焼結工程、熱成形工程、またはオートクレーブ／超硬化工程によって形成されてもよい。
【００４８】
たとえば、具体的には、ダクトリング１０８はプリプレグ平織りエポキシ樹脂織物で形成されてもよい。アビオニクス取付管１２２、翼シャフト１００２、テールコーン蓋１００６、固定子スリップストリーム１１２、およびダクト間スリップストリーム１１６は、アルミニウムで形成されてもよい。着陸脚１２０はオーク、複合材料またはアルミニウムで形成されてもよい。テールコーンヒンジ１００８、テールコーンラッチ１０１０、およびサーボギア１０１４は、ナイロンで形成されてもよい。固定子取付具１１３、原動機取付具１１０、ダクト間相互接続１１８、アビオニクス相互接続１２４、着陸装置取付具７０１、およびアビオニクス取付具７０６は、射出成形複合材料で形成されてもよい。たとえば、射出成形複合材料は、テールコーンヒンジ１００８に使用したナイロンに類似のナイロンであることも考えられる。固定子取付具１１３またはダクト間相互接続１１８および原動機取付具１１０のような重要な破砕性位置の材料の選択は、構造の整合性を維持するのに必要な繊維長および樹脂材料を規定する予期される衝撃応力水準に基づいてなされる。衝撃（たとえば、１００未満の引張強度を有する）で分解する半剛性の発泡体材料は、ダクトリップ、制御翼およびテールコーンのような空力的表面に適用することができる。衝撃に対して脆い性質（約５．９ｅ＋０５の剛性率、約６．５ｅ＋０５の弾性率、約７２５０の最大引張強度）を示す短繊維複合材料は、高速衝撃で分離する構造的相互接続継手および脚取付具および原動機取付具に適用できる。しかし、これらは単なる例であり、構造的構成要素はこれまでに述べた高剛性材料の任意の１つまたは複数から作られてもよいことを理解されたい。
【００４９】
剛性の構造的材料を提供することにより、軽量ＵＡＶ １００の剛性を増加でき、軽量ＵＡＶ １００の運用および耐久年数が改善されることもある。
ダクトリップ１０６、翼１１４、テールコーン２０３、およびテールバンパ１０１２などの空力要素は、発泡体材料で製造されてもよい。発泡体材料は、たとえば、発泡ポリエチレン（ＥＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、発泡ポリスチレン（ＥＰＳ）、または発泡ポリプロピレン（ＥＰＰ）を含む軟質または硬質発泡体であってもよい。発泡体材料は発泡体射出成形工程を介して形成されることもある。たとえば、ダクトリップ１０６は成形ＥＰＥ発泡体材料で形成されてもよい。必要なときに軽量の空力的部品を容易に交換できるように、空力要素は、構造的構成要素とは分離して（たとえば、一体型ではなく）、構造的構成要素と分離可能に接続される方法で形成できる。
【００５０】
付加的、すなわちＵＡＶの他の構造または空力要素は、対応する構造的または空力的材料からなることもある。
より軽量の空力要素とより剛性の支持要素の混合からなるＵＡＶ １００は、約１．８１ｋｇ（約４ポンド）以下の全システム重量を有することが好ましい。より好ましくは、より軽量の空力要素およびより剛性の支持要素の混合からなるＵＡＶ １００は、約０．９０７ｋｇ（約２ポンド）以下の全システム重量を有することが好ましい。しかし重要なことには、開示された軽量かつ破砕性の技術は、より大きな機体にも適用することができる。
【００５１】
たとえば、各ダクテッドファン組立体１０２は、約０．３５７ｋｇ（０．７８６ポンド）以下の全重量を有することが好ましい。各テールコーン組立体２０２は、約０．０５１７ｋｇ（０．１１４ポンド）以下の全重量を有することが好ましい。各ダクト連結組立体１０４は、約０．０９８４ｋｇ（０．２１７ポンド）以下の全重量を有することが好ましい。バッテリ９０４を含むＵＡＶ １００の全重量は、約０．９２５ｋｇ（２．０４ポンド）以下であることが好ましい。
【００５２】
原動機１０９は、アビオニクスペイロード１２６に含まれるバッテリ９０４により動力が供給される電気モータであってもよい。バッテリ９０４は、たとえば、リチウム、リチウムイオン、リチウムポリマ、および／または水素化アルミニウムリチウムなどのバッテリを含む、リチウムベースの動力源であることが考えられる。もちろん、原動機を駆動する十分な電力および長い運用時間を備える十分な電力密度を提供する限り、燃料電池を含む他のいかなるタイプのバッテリも使用することができる。電気モータを使用することで、振動を最小限にし、ＵＡＶ １００の維持費を削減することもできる。
【００５３】
図１２はＵＡＶ １２００の代替実施形態を示す。各ダクテッドファン組立体１２０２は、ＵＡＶ １００のダクテッドファンアセンブリ１０２と同じまたは類似である。しかし、ＵＡＶ １２００には、固定子スリップストリーム１２１６と同じ水平面で動かされる、平行な１対のダクト間スリップストリーム１２１０を備えたダクト連結組立体１２０４が含まれる。図１２の実施形態では、ＵＡＶ １２００の固定子スリップストリーム１２１６はダクトリング１２０８を越えて延長し、ダクト間相互接続１２１８に接続する。
【００５４】
図１３に示されるように、ダクト間相互接続１２１８には固定子スリップストリーム接続面１３０２とダクト間スリップストリーム接続面１３０４の間に角度オフセットが含まれる。角度オフセットは、たとえば１５°〜４５°の範囲にあってもよい。最も好ましくは、角度はほぼ３０°である。図１４（ａ）および１４（ｂ）は、ダクト間相互接続１２１８についての交互図を示す。各ダクト間相互接続１２１８は、固定子スリップストリーム接続面１３０２およびダクト間スリップストリーム接続面１３０４にそれぞれ形成された着陸脚貫通穴１４０６および１４０８を含む。２つの着陸脚貫通穴１４０６および１４０８のうちの１つが、ダクト連結組立体１００４の４つの位置の各々で利用される。各ダクト間相互接続に２つの脚貫通穴１４０６／１４０８を形成することによって、この部品が４つの位置すべてに共通になる。このように、同様の製造設計のダクト間相互接続１２１８が、着陸脚１２２０をＵＡＶ １２００に接続するためにダクト連結組立体１２０４のどちらの側にも使用することができる。各着陸装置１２２０のシャフトは、ダクト間相互接続１２１８の貫通穴１２０６および１２０８の切り欠きに組み合わさるように固定される。ダクト間相互接続の反対側のスプリング（図示せず）は、ワッシャーおよびネジと共に着陸装置１２２０を適正な位置に保持する。
【００５５】
図１４（ｂ）に示されるように、各ダクト間相互接続１２１８には、涙滴形状のダクト間スリップストリーム１２１０および涙滴形状の固定子スリップストリーム１２１６と接続するための同様の涙滴形状の穴１４０２および１４０４が含まれる。
【００５６】
構造および空力要素と、構造要素構成と、空力要素構成と、全重量の選択が含まれる、ＵＡＶ １００に関する上記の開示は、ＵＡＶ １２００にも同等に適用することができる。ダクト間相互接続１２１８は構造要素であり、たとえばナイロンの、射出成形複合材料で作られてもよい。さらに、図１２に示されていないが、中心に配置される動力源および飛行制御回路を提供するために、図１２のＵＡＶ １２００にアビオニクスペイロードおよび取付管を取り付けることもできる。
【符号の説明】
【００５７】
１００ 無人航空機
１０２ ダクテッドファン組立体
１０４ ダクト連結組立体
１０５ 下方壁面
１０６ ダクトリップ
１０７ 上方肩部
１０８ ダクトリング
１０９ 原動機
１１０ 原動機取付具
１１１ プロペラブレード
１１２ 固定子スリップストリーム
１１３ 固定子取付具
１１４ 制御翼組立体
１１６ ダクト間スリップストリーム
１１８ ダクト間相互接続
１２０ 着陸脚
１２１ シャフト部分
１２２ アビオニクス取付管
１２３ 着陸脚ボール要素
１２４ アビオニクス相互接続
１２６ アビオニクスペイロード
１３０ アビオニクス取付
１３２ アラインメントタブ
２０２ テールコーン組立体
２０３ 中空テールコーン
２０４ サーボ
２０６ 翼
２０８ シャフト
２１２ 固定子スリップストリーム
２１４ ペグ
３０２ アビオニクス取付板
４０２ 穴
４０４ フランジ
５０２ 穴
５０４ 原動機駆動穴
５０６ 穴
５０８ 穴
５１０ 外側壁面
５１２ 内側壁面
５１４ 上部表面
５１６ 切り欠き
５１８ 穴
５２０ Ｏリングポスト
６０２ 外側バンド枠
６０４ 中央部
６０６ 穴
６０８ 穴
７０１ 着陸装置取付具
７０２ 穴
７０６ アビオニクス取付具
７０８ 穴
８０２ 先端
８０４ 配線経路
８０６ 下端
９０２ 外側ケーシング
９０４ バッテリ
９０６ 原動機制御装置
９０８ アビオニクス制御システム
１００２ 翼シャフト
１００４ サーボ
１００６ テールコーン取付板／テールコーン蓋
１００８ ヒンジ
１０１０ テールコーンラッチ
１０１２ エンドバンパ／テールバンパ
１０１３ サーボ取付具
１０１４ サーボギア
１１０２ 原動機取付板
１２００ 無人航空機
１２０２ ダクテッドファン組立体
１２０４ ダクト連結組立体
１２０６ 貫通穴
１２０８ ダクトリング
１２１０ ダクト間スリップストリーム
１２１６ 固定子スリップストリーム
１２１８ ダクト間相互接続
１２２０ 着陸装置
１３０２ 固定子スリップストリーム接続面
１３０４ ダクト間スリップストリーム接続面
１４０２ 穴
１４０４ 穴
１４０６ 着陸脚貫通穴
１４０８ 着陸脚貫通穴
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に無人航空機（ＵＡＶ）の分野に関する。より具体的には、本発明は、推進システムとして１つまたは複数のダクテッドファンを備えた垂直離着陸（ＶＴＯＬ）が可能なＵＡＶの分野を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
無人航空機（ＵＡＶ）は、パイロットが搭乗していない、および／または、遠隔に制御される航空機である。ＵＡＶは、遠隔に制御される、または、あらかじめプログラムされた飛行計画またはより複雑な動的自動化および視覚システムに基づいて自律的に飛行させることができる。ＵＡＶは現在、偵察および攻撃のシナリオを含む多くの軍事的任務で使用されている。武装したＵＡＶは、無人戦闘航空機（ＵＣＡＶ）として知られている。
【０００３】
ＵＡＶはまた、人間の観測者が危険にさらされるかもしれないときの消火活動、騒じょうおよび犯罪現場の警察による監視、および自然災害時の偵察支援などの、限られた数の民生用途でも使用されている。ＵＡＶは、有人航空機には退屈すぎる、不潔すぎる、危険すぎる、または費用が掛かりすぎる任務に選ばれることが多い。
【０００４】
種々さまざまなＵＡＶの形状、サイズ、構成および特性がある。最新のＵＡＶは、制御され持続した水平飛行が可能であり、１つまたは複数のジェットエンジン、レシプロエンジン、またはダクテッドファンによって動力が供給される。
【０００５】
民生用途でＵＡＶによって運搬されるペイロードには、オプティカルセンサ（たとえば、可視または赤外線スペクトルで画像またはビデオを捕らえることができる）および／またはレーダシステムが通常含まれる。ＵＡＶの精巧なセンサは、雲、雨または霧を通り抜けて、昼夜いずれの状況においても、すべてリアルタイムで、写真のように鮮明な画像を提供することができる。たとえば、合成開口レーダ画像のコヒーレント交換検出の概念により、地形が時間の経過とともにどのように変わったかを特定することによって捜索救助能力が可能になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
垂直離着陸（ＶＴＯＬ）能力を提供することで、軽便性が向上し、ＵＡＶが目的の場所にうまく移動することができ、固定翼航空機が利用できない地域での利用が可能になる。
ＵＡＶは軍事的任務で広範囲に利用されているが、民生用途でのＵＡＶの使用は、たとえば、コスト懸念、（国際武器取引規制−ＩＴＡＲなどの）輸出規制、民生用空域規制および安全規制により制限されている。さらに、生命および／または財産に危害を及ぼす恐れがある重量を有する自律的飛行物体に関する種々の規制により、ＵＡＶが民生用途に一層浸透することが制限されてきた可能性もある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願の対象は、たとえば、重量およびコストを削減し、破砕可能要素を選択的に実装することで分解を制御でき、かつ液体燃料を使用するより大きなＵＡＶと少なくともほぼ等価である全体的な耐久性を提供するような方法で、複合材料、金属、および発泡体で選択的に構成される垂直離着陸（ＶＴＯＬ）無人航空機（ＵＡＶ）である。重量を削減し、高い構造的整合性を維持し、かつ破砕可能な機体構造を提供するように、空力要素を構造要素から分離し、かつ各階層の要素に対応する材料を選択するＵＡＶ設計が提供される。たとえば、複雑な複合積層材または金属材料で以前は形成されていた空力要素は、より軽い発泡体射出成形材料に置換されてもよい。次に、構造的構成要素は、構造的構成要素がそれぞれ遭遇すると予想される加えられる力に応じて、さまざまな強度、重量、およびコストを有する複合材料で選択的に形成されてもよい。機体構造の個々の選択された品目は、衝撃で分解する破砕可能な材料で構成されてもよい。設計によって、機体が接触するに至るたとえば小型の有人航空機などの対象に、たとえば損傷を与えないように、応力水準が超過する場合には機体部品が分解する。
【０００８】
選択的に構成要素の重量を削減することによって、完成したＵＡＶの全重量が、生命および財産に危害を及ぼすことに関する多くの民生規制の制限を下回ることができ、したがって、たとえば、許可および／または特別な保険を取得する追加費用なしでＵＡＶの購入および運用が可能になる。
【０００９】
ＵＡＶは、たとえば、原動機、ファンブレード組立体、ダクトリング、固定子取付具、原動機取付具、固定子スリップストリーム、ダクト間スリップストリーム、ダクト間相互接続、アビオニクス取付管、着陸装置取付具、アビオニクス取付具、アビオニクス相互接続、翼シャフト、テールコーン蓋、テールコーンヒンジ、テールコーンラッチ、サーボギア、着陸脚、ダクトリップ、翼、テールコーン、テールバンパを含む、いくつかの相互連結された構成要素を有してもよい。
【００１０】
他の実施形態では、追加の構成要素、代用された構成要素、またはこれらの構成要素のサブセットが含まれてもよい。
原動機、ファンブレード組立体、ダクトリング、固定子取付具、原動機取付具、固定子スリップストリーム、ダクト間スリップストリーム、ダクト間相互接続、アビオニクス取付管、着陸装置取付具、アビオニクス取付具、アビオニクス相互接続、翼シャフト、テールコーン蓋、テールコーンヒンジ、テールコーンラッチ、サーボギア、および着陸脚などの構造支持要素は、高い構造的整合性を維持するために、たとえば、木、金属、または複合材料で製造されてもよい。ダクトリップ、翼、テールコーンおよびテールバンパのような空力要素は、たとえば、発泡体材料で製造されてもよい。
【００１１】
ダクト間相互接続、着陸装置取付具、アビオニクス取付具、および原動機取付具などの構造的相互接続構成要素は、十分な構造的整合性を提供する特定の繊維長の複合材料を用いるが、十分に高い応力水準を適用すると分離または分解して構造的破砕性をもたらすように設計することもできる。破砕可能な相互接続構成要素を選択的に実施すると、分解した断片のサイズおよび質量に対して、さらなる、すなわち補足的な制御を実現することができる。目的は、機体をより小さく、すなわちより衝撃が少ない質量に崩壊させるように、正常な操縦負荷と、機体における選択された接合ポイントの衝撃に対する歪みおよび引き裂き強度特性との平衡を保つことである。塑性変形を示さないが、変形が弾性であるときに不具合となる重要な構造ポイントのために、炭素繊維および発泡体などの材料が選択される。空中衝突については、衝撃および引き裂き強度特性を超過し、その結果機体は所望のマスフラグメントに分解させられる。機体の重要な接合ポイントで、材料の弾性、剛性率、引張強度、衝撃強度、および引き裂き強度を管理すると、用途基準による用途上の所望の破砕性が得られる。
【００１２】
ダクトリップとテールコーンの間の結合および取付メカニズムは、破損箇所の交換を可能にし、かつ／または衝撃破砕性を支持する、分離可能な結合材料によって遂行されてもよい。これは、室温加硫配合物（ＲＴＶ）のような結合剤、あるいは伸ばしたときに取付を解放するＯリングメカニズムによって、遂行することができる。
【００１３】
１つまたは複数のダクテッドファンに動力を供給する１つまたは複数の原動機は、バッテリのような内蔵電力源により動力が供給される電気モータであることも可能である。電気モータを使用すると、振動を最小限にし、維持費を削減することができる。
【００１４】
別の実施形態では、機械的要素を、複数の機能性を提供するように設計することができる。たとえば、軽量の空力的エアダクトを支持するダクトリングはまた発動機取付具の役目をし、振動のための共振排除をもたらす接続管はまた遮蔽配線経路の役目をし、およびダクト間取付ポイントはまた着陸脚取付具の役目をすることもできる。
【００１５】
ダクトリング、ダクト間スリップストリームおよび／またはダクトリップなどの構造要素は、バッテリ、または機体構造に統合された燃料電池構成要素などのエネルギー蓄積装置として役目をすることを含む二重の役割を提供することができる。好ましくは、本開示によって構成されるＵＡＶは、約１．８１ｋｇ（４ポンド）以下のシステム全重量を有するべきである。
【００１６】
例示の実施形態では、機械的要素は２つの機能を設けられ、そのことにより、構成要素の総コストおよびＵＡＶ構造の全コストを削減することもできる。構造要素は同じまたは類似の非専門的工程で製造し、非構造要素は同じまたは類似の非専門工程で製造して、全製造コストを削減することもできる。
【００１７】
開示する実施形態の他の特徴およびさらなる適用可能範囲は、添付図面を参照して以下の詳細な記述で示され、当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態による無人航空機（ＵＡＶ）の斜視図である。
【図２】図１のＵＡＶの破断斜視図である。
【図３】着陸脚が格納位置にあるＵＡＶの斜視図である。
【図４】ダクトリップおよびダクトリングを有するダクト組立体の拡大した一例を示す。
【図５】図５（ａ）は原動機取付具の一例の上面斜視図である。図５（ｂ）は原動機取付具の一例の底面斜視図である。
【図６】固定子スリップストリーム取付具の一例を示す。
【図７】結合した固定子、脚および結合管取付具構造の一例を示す。
【図８】固定子スリップストリームおよび／またはダクト連結管として使用する結合管の一例を示す。
【図９】ペイロード支持管の例に取り付けられたペイロードの一例を示す。
【図１０】テールコーンおよびサーボ構造を示す。
【図１１】原動機取付具と格納位置へ回転したテールコーンとを含むファン組立体の斜視図である。
【図１２】代替実施形態による無人航空機（ＵＡＶ）の斜視図である。
【図１３】図１２の固定子スリップストリーム、脚、ダクト連結および結合装置の一例の拡大図である。
【図１４】図１４（ａ）は図１３の結合装置の一例の拡大図である。図１４（ｂ）は図１３の結合装置の一例の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本願の態様により、軽量の無人航空機（ＵＡＶ）を構成するためのシステムおよび方法について説明する。空力要素および構造要素は所望の性能特性に対応して選択される。機械的要素は、二重の機能性を提供し、かつ対応するＵＡＶの部品数およびコストを削減するように設計される。
【００２０】
以下の開示はダブルダクトのホバリング航空機につき言及しているが、本実施形態が航空機の分野で広い適応性を有することは認識されよう。例で説明された特別の構成は変えることができ、例示の実施形態を説明するために引用されている。
【００２１】
図１に示されるように、一実施形態によるＵＡＶ １００には、ダクト連結組立体１０４を介して相互接続されたダクテッドファン組立体１０２が含まれる。ＵＡＶ １００には、ファン組立体１０２およびダクト連結組立体１０４が地面に触れないように保つための脚１２０が含まれる。図１は２つのダクテッドファン組立体を示しているが、ダクテッドファン組立体はいくつでもこの開示と矛盾せずに使用することが可能である。たとえば、単一のダクテッドファン組立体を、ダクト結合組立体を必要としないで、使用することが可能である。あるいは、３つ以上のダクテッドファン組立体が１つまたは複数のダクト結合組立体を介して相互接続することも可能である。
【００２２】
各ダクテッドファン組立体１０２には、ダクトリップ１０６の外側の周囲を囲んで延長する、構造上剛性なダクトリング１０８に構造的に支持された軽量の空力的ダクトリップ１０６が含まれてもよい。ダクトリップ１０６は、壁面１０５の上端に向かって放射状方向でわずかに外側へ延長し、次に上方肩部１０７を形成するために外側へかつ壁面を覆って下方へ曲がる、円筒状に成形された下方壁面１０５を有する。
【００２３】
原動機取付具１１０に取り付けられた原動機１０９が、ダクトリップ１０６およびダクトリング１０８内に収容される。次に、原動機取付具１１０は固定子スリップストリーム１１２を介してダクトリング１０８に固定される。固定子スリップストリーム１１２は固定子取付具１１３を介してダクトリング１０８に固定される。図１は３つの固定子スリップストリーム１１２を開示しているが、４つ以上を提供することも可能である。図１に示されるように、固定子スリップストリーム１１２の最初の２つは、ダクト連結組立体１０４に接続し、かつＵＡＶ １００のために剛性の支持を提供するために、約６０°未満の角度Ａだけ離して配置される。第３の固定子スリップストリームは、固定子スリップストリーム１１２の最初の２つのいずれからも約６０°よりも大きい角度Ｂに配置される。角度ＡおよびＢは例としてのみ示される。他の固定子スリップストリームの配置も使用が可能である。
【００２４】
固定子スリップストリーム１１２は、固定子取付具１１３に達するように、ダクトリップ１０６およびダクトリング１０８に形成された穴を貫通してもよい。固定子取付具１１３が、固定子スリップストリーム１１２の一端を受け止め固定するために、ダクトリング１０８の外側表面上に提供されてもよい。
【００２５】
２つ以上のプロペラブレード１１１が、ＵＡＶに揚力を提供するために、原動機１０９に接続されたダクテッドファン組立体１０２それぞれに提供されてもよい。プロペラブレード１１１の数は可変であり、好ましくは原動機負荷の要求条件および毎分回転数（ｒｐｍ）の効率性に合うように設計される。原動機１０９は、電気モータ、たとえば、別々に提供されたバッテリによって動力が供給されるブラシレス直流（ＤＣ）モータが好適である。
【００２６】
図２に示されるように、一般的なエアフロー方向Ｃに対して翼２０６を傾けるために、中空テールコーン２０３、制御翼組立体１１４、およびサーボ２０４を含むテールコーン組立体２０２が提供される。一般的なエアフロー方向Ｃに対する翼２０６の傾斜は、流出スラスト方向の変化を生成し、その結果対応する所望の方向にＵＡＶ １００を動かす。テールコーン２０３の下端に配置された制御翼組立体１１４は、シャフト２０８を介して接続している、２つの反対側に向かい合った翼２０６を含む。シャフト２０８は、好ましくは各翼２０６の揚力点から前方に偏った点で翼２０６に接続される。サーボ２０４は、制御回路から受け取る制御信号に応じて、シャフト２０８を回転させ、それにより翼２０６を回転させるように機能する。シャフト２０８への成型された発泡体の翼２０６の接続は、音叉構成中の分離したシャフト、または翼に剛性を与えるために翼２０６内の平らで穿孔された表面を延長するシャフトによって遂行されてもよい。
【００２７】
図１および２に示されているように、ＵＡＶ １００には、２つのダクテッドファン組立体１０２を剛性に接続するためにダクト連結組立体１０４が含まれる。ダクト連結組立体１０４には、複数のダクト間スリップストリーム１１６および複数のダクト間相互接続１１８が含まれる。ダクト間相互接続１１８の各々は、近接に間隔を置いて配置された２つの固定子スリップストリーム２１２のうちの１つを受け取る固定子取付具１１３と一方の端で接続し、かつダクト間スリップストリーム１１６と他方の端で接続する。ダクト間スリップストリーム１１６は固定子スリップストリーム２１２が配置された水平面から水平面中で垂直にオフセットするように、１つの代替中のＵＡＶ １００のダクト間相互接続１１８は、垂直の変位特性を含んでいてもよい。
【００２８】
ダクト間相互接続１１８はそれぞれ、さらに着陸脚相互接続としての役目もし、対応する着陸脚１２０を適所に保持することもできる。２つ以上のダクト間スリップストリーム１１６が、２つのダクテッドファン組立体１０２を接続するために使用されてもよい。
【００２９】
図３に示されるように、着陸脚１２０はそれぞれ、スプリングの負荷を掛けた切り欠きを有する方法でダクト間相互接続１１８に取り付けられ、着陸装置が速やかに９０度回転して、ＵＡＶ １００を格納位置に配置することができる。着陸装置１２０のシャフト部分１２１はダクト間相互接続１１８上で切り欠き（図示せず）と組み合わさるように固定されてもよい。ダクト間相互接続１１８の反対側のスプリングは、着陸装置を適正な位置に保持し、多少の着陸時の衝撃吸収を提供できる。各シャフト部分１２１の下端に取り付けられた着陸脚ボール要素１２３は、着陸の付加的な衝撃吸収を提供するために、たとえば、柔軟な変形可能なゴムから形成されてもよい。
【００３０】
図２に戻ると、ダクト間スリップストリーム１１６は、さらにアビオニクス相互接続１２４を介して１つまたは複数のアビオニクス取付管１２２を支持することもできる。アビオニクス取付管１２２は、アビオニクスペイロード１２６が搭載されることがあるアビオニクス取付領域を提供することもある。たとえば、アビオニクスペイロード１２６には、制御システム、ワイヤレスリモコンのインタフェース、バッテリ源、および／または他の飛行を可能にするシステムが含まれてもよい。あるいは、図３に示されるように、アビオニクス相互接続を１つの組立体に統合するアビオニクス取付板３０２は、ダクト間スリップストリーム１１６に直接取り付けられてもよい。
【００３１】
図４は、ダクトリップ１０６およびダクトリング１０８についての詳細図を示す。これまでに示したように、ダクトリップ１０６は、壁面１０５の上端に向かって放射状方向でわずかに外側へ張り出す円筒状に成型された下方壁面１０５を有する。図２に最も良く示されるように、壁面１０５の上部は、外側かつ下方へ曲がる肩部１０７へ延長する。ダクトリップ１０６の下端１０５は、ダクトリップ１０６をダクトリング１０８に対して位置決めをし、固定するために、ダクトリング１０８の内面、およびダクトリング１０８の外面上に形成されたフランジ４０４と組み合わさる。あるいは、ダクトリング１０８上にフランジ４０４を突出させる必要性を除去するように、ダクトリップ１０６は、ダクトリング１０８と組み合わさるダクトリップの表面に成型したフランジを有してもよい。
【００３２】
あるいは、ダクトリップ１０６は、ダクトリップ１０６の下部とダクトリング１０８の外側上部に除去可能な結合剤を塗布して、ダクトリング１０８に取り付けられてもよい。あるいは、ダクテッドファン組立体１０２の周りで等間隔に機械的スナップ留めすなわちＯリングメカニズムを配置することもできる。もちろん、ダクトリップ１０６をダクトリング１０８に固定する他の方法を使用することもできる。
【００３３】
ダクトリング１０８には、固定子スリップストリーム１１２の配置パターンにより作られた穴４０２が含まれる。外側に突出するフランジ４０４は、ダクトリング１０８の上端近くのダクトリング１０８の外側の周囲に沿って形成される。フランジ４０４は、ダクトリング１０８の外側円筒形表面の壁面への固定子取付具１１３の配置を助け、ダクトリング１０８に回転剛性を加える。
【００３４】
図５（ａ）および５（ｂ）はそれぞれ、原動機取付具１１０の上面および底面斜視図を示す。図５（ｂ）に示されるように、原動機取付具１１０には、上部表面５１４と、上部表面５１４の外側周囲から垂直に延長する第１の外側円筒形壁面５１０と、外側壁面５１０内に配置され、外側壁面５１０と同じ方向に上部表面５１４から延長している第２の内側円筒形壁面５１２とが含まれる。貫通穴５０２および５１８は、固定子スリップストリーム１１２の配置に対応するパターンで、相応じて第１および第２壁面に形成される。
【００３５】
上部表面５１４に形成された配線穴５０６および内側円筒形壁面５１２に形成された切り欠き５１６により、配線（図示せず）が原動機取付具１１０に通されることが可能になる。配線は、原動機から配線穴５０６を経由し、切り欠き５１６を横切り、固定子スリップストリーム２１２の１つまたは複数内へ、次にダクト間スリップストリーム１１６を経由し、アビオニクスペイロード１２６に通される。中央に配置された原動機駆動穴５０４は上部表面５１４に形成され、原動機１０９の駆動シャフトが１つまたは複数のプロペラ１１１を駆動するように原動機取付具１１０を経由して延長することが可能になる。原動機１０９を原動機取付具１１０に確実に取り付けるために、追加の穴５０８が上部表面５１４に提供される。Ｏリングポスト５２０は、外側壁面５１０から放射状に外側へ延長し、テールコーン組立体２０２に取付メカニズムを提供する。アラインメントタブ１３２は、外側壁面５１０の底部表面から軸方向に延長し、テールコーン組立体２０２に形成された対応するアラインメントスロットと組み合わさり、テールコーン組立体２０２を原動機取付具１１０およびその結果ＵＡＶ １００の向きに適切に方向を合わせることができる。
【００３６】
図６は、固定子取付具１１３の斜視図を示す。固定子取付具１１３は、ダクトリング１０８の湾曲と調和するようにわずかに内側へ湾曲した、長方形外側バンド枠６０２を有する。より厚い中央部６０４は枠６０２と一体で形成され、穴６０６および６０８が含まれる。貫通穴６０６は、固定子スリップストリーム１１２の形状と実質的に同じ涙滴形状に形成され、固定子取付具１１３を固定子スリップストリーム１１２に剛性に固定する。他の形状を使用することも可能である。あるいは、図１１に示されるように、固定子スリップストリーム１１２は、たとえば、固着剤の塗布または一種の溶接工程によって、直接ダクトリング１０８に結合されることも可能である。
【００３７】
図６に戻ると、固定子取付具１１３の穴６０８は、固定子取付具１１３が、どの固定子スリップストリーム１１２に固定されるかによって、２つの目的の役目をすることもある。さらに図２に示されるように、２つの近接に角度を成した固定子スリップストリーム２１２を固定する固定子取付具１１３は、平行で近接に間隔を置いて配置されたペグ２１４を介してダクト間相互接続１１８に接続されてもよい。固定子取付具１１２の穴６０８は、ペグ２１４を受け止めかつ固定するために、それに応じた大きさに作られる。固定子取付具１１３をダクトリング１０８に固定するために、ペグ２１４が使用されることもある。
【００３８】
あるいは、他の２つの固定子スリップストリーム２１２に対して大きな角距離で間隔を置いて配置された固定子スリップストリーム１１２に対して配置された固定子取付具１１３のためには、たとえばリベットまたはネジなどのファスナを介して、穴６０８が固定子取付具１１３をダクトリング１０８に固定するのに使用されてもよい。
【００３９】
図７は、固定子取付具１１３に接続されているときのダクト間相互接続１１８の斜視図を示す。これまでに言及したように、ダクト間相互接続１１８を固定子取付具１１３の対応した大きさに作られた穴６０８と確実に接続するために、ダクト間相互接続１１８には並列で近接に間隔を置いて配置された２本のペグ２１４が含まれる。ペグ２１４はさらに着陸装置取付具７０１およびアビオニクス取付具７０６を固定することもできる。図２に示されているように、着陸装置取付具７０１には、着陸装置１２０を固定するための穴７０２が含まれる。図２において見てとれるように、アビオニクス取付具７０６には、アビオニクス取付１３０上に形成された類似の形状の突出を受け取るために、上部表面に形成された穴７０８が含まれる。ダクテッドファン組立体１０２をダクト連結組立体１０４に接続し、さらに着陸装置取付具７０１を含む相互接続構造１１８を提供することにより、ＵＡＶ １００が必要とする構成要素の数を削減することもできる。また、ＵＡＶ １００の全重量およびコストはそれに対応して削減することができる。
【００４０】
図８は、固定子スリップストリーム１１２の斜視図を示す。図８の固定子スリップストリーム１１２は、図２の固定子スリップストリーム２１２としても使用することができる。固定子スリップストリーム１１２は、ＵＡＶ １００の性能および操作を改善するために、ダクテッドファン組立体１０２内の原動機１０９および原動機取付具１１０を剛性ダクトリング１０８および固定子取付具１１３に固定することと、アビオニクスペイロード１２６からダクテッドファン組立体１０２内の原動機１０９およびサーボ２０４に電源および制御ケーブルを経路指定することと、そこを通過する任意のかつすべての制御および電源ケーブルの電磁遮蔽を提供することと、ダクテッドファン組立体１０２を経由して流れる空気に空力的スリップストリーム表面を提供することとを含む複数の機能を実施する。
【００４１】
原動機取付具１１０に形成された穴５０２、ダクトリング１０８に形成された穴４０２、および固定子取付具１１３に形成された穴６０６の形状が調和するように、固定子スリップストリーム１１２は涙滴形状に形成されることがある。図８に示されるように、涙滴形状は１つの滑らかで丸い先端８０２および１つのより尖った下端８０６からなる。固定子スリップストリーム１１２の涙滴形状は、ダクテッドファン組立体１０２内の固定子スリップストリーム１１２によって生成された空気抵抗を最小限にする。もちろん、他の形状を使用することも可能である。
【００４２】
固定子スリップストリーム１１２は中空になるように形成され、固定子スリップストリーム１１２内に配線経路８０４を提供する。アビオニクスペイロード１２６から固定子スリップストリーム１１２を経由し原動機１０９および／またはサーボ２０４まで配線を経路指定することによって、固定子スリップストリーム１１２の外側表面に沿って配線を経路指定することと比較して、抗力を除去することができる。また、固定子スリップストリームの壁面はそこを通過する配線を電磁的に遮蔽する機能を果たす。
【００４３】
図９は、アビオニクスペイロード１２６および取付管１２２の斜視図を示す。取付管１２２は、相互間で所定の間隔を置いて並列の方法で配置される。外側ケーシング９０２は、取付管１２２およびそこに含まれているエレクトロニクスの幅と等しいまたはこれよりわずかに広い幅の大きさであり、取付管１２２の上を滑り、エレクトロニクスを覆うことができる。外側ケーシング９０２内に、バッテリ９０４、１つまたは複数の原動機制御装置９０６、およびアビオニクス制御システム９０８が収容されてもよい。アビオニクス制御システム９０８には、数ある中で、コマンドを受信し情報を送信するための無線ＲＦトランシーバ、受信制御コマンドを原動機および／またはテールコーンサーボを制御する信号に変換するための変換制御システム、飛行安定を維持するための安定制御システム、自律飛行制御システム、全地球測位システム（ＧＰＳ）、および／または、ビデオ画像符号化システムが含まれることもある。さらに、システムのサブセット、および／または、代替システムもアビオニクス制御システム９０８に含まれていてもよい。
【００４４】
図１０は、テールコーン組立体２０２の斜視図を示す。テールコーン組立体２０２には、中空テールコーン２０３、エンドバンパ１０１２、翼シャフト１００２、翼１１４、サーボ１００４および取付板１００６が含まれる。中空テールコーン２０３は、円錐の狭い端がその頂点に達する前に切り取られている線形テーパを有する逆円錐形状を有する。中空テールコーン２０３の下端で、中空で開放式のコーン２０３の下端を閉じるために、中実の半球のバンパ１０１２が提供される。
【００４５】
テールコーン２０３の上端にはテールコーン取付板１００６が備えられ、その一方の端にヒンジ１００８、他方の端にラッチ１０１０を有する。図１１に示されるように、対応する原動機取付板１１０２は、原動機取付具１１０の外側壁面５１０の下部表面に取り付けられる。ラッチ１０１０により、テールコーン取付板１００６は原動機取付板１１０２への取り付けおよび取り外しが可能になる。ヒンジ１００８により、テールコーン取付板１００６はテールコーン２０２を原動機取付具１１０に蝶番のあるように取り付けることが可能になり、固定子スリップストリーム１１２と固定子スリップストリーム２１２のうちの１つとの間のダクテッドファン組立体内にテールコーンが格納される開放位置と、テールコーンが原動機取付具１１０に剛性に取り付けられている閉鎖位置との間で、テールコーン２０２が回転できる。サーボ取付具１０１３は、サーボ１００４を保持するためのテールコーン取付板１００６の底面表面上に備えられる。
【００４６】
一実施形態によると、上記のそれぞれの空力的および構造的支持要素の構成は選択的に選ばれ、ＵＡＶ １００の構造的整合性を維持しつつＵＡＶ １００の全重量を削減する。
【００４７】
ダクトリング１０８、固定子取付具１１３、原動機取付具１１０、固定子スリップストリーム１１２、ダクト間スリップストリーム１１６、ダクト間相互接続１１８、アビオニクス取付管１２２、着陸装置取付具７０１、アビオニクス取付具７０６、アビオニクス相互接続１２４、翼シャフト１００２、テールコーン蓋１００６、テールコーンヒンジ１００８、テールコーンラッチ１０１０、サーボギア１０１４および着陸脚１２０などの構造支持要素は、高い構造整合性を維持するために木、金属または複合材料で製造されてもよい。木は、たとえば曲げたアカガシワ製だぼが使われることもある。他の木も使用することができる。金属は、たとえば機械加工または押出し加工されたアルミニウムの場合もある。他の金属または合金も使用することができる。複合材料は、たとえば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（たとえば商標名Ｔｏｒｌｏｎを有する物質で、Ｓｏｌｖａｙ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，Ｌ．Ｌ．Ｃ．、Ａｌｐｈａｒｅｔｔａ、Ｇｅｏｒｇｉａ、Ｕ．Ｓ．Ａ．から入手可能）、非晶質のポリエーテルイミド（たとえば商標名Ｕｌｔｅｍを有する物質で、ＳＡＢＩＣ Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｈｏｌｄｉｎｇ ＢＶ、Ｐｉｔｔｓｆｉｅｌｄ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ、Ｕ．Ｓ．Ａ．から入手可能）、ナイロン６、ナイロン１２またはナイロン６６を含む熱可塑性物質の場合もある。または、たとえば商標名Ｌｙｔｅｘ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ， Ｉｎｃ．、Ｂａｙ Ｃｉｔｙ、Ｍｉｃｈｉｇａｎ、Ｕ．Ｓ．Ａ．から入手可能）を有するガラス繊維強化エポキシ樹脂、エポキシ樹脂、またはビスマレイミド（ＢＭＩ）を含む熱硬化性樹脂の場合もある。他の複合材料も使用することができる。たとえば、複合材料は、射出成形工程、圧縮成形工程、選択的なレーザ焼結工程、熱成形工程、またはオートクレーブ／超硬化工程によって形成されてもよい。
【００４８】
たとえば、具体的には、ダクトリング１０８はプリプレグ平織りエポキシ樹脂織物で形成されてもよい。アビオニクス取付管１２２、翼シャフト１００２、テールコーン蓋１００６、固定子スリップストリーム１１２、およびダクト間スリップストリーム１１６は、アルミニウムで形成されてもよい。着陸脚１２０はオーク、複合材料またはアルミニウムで形成されてもよい。テールコーンヒンジ１００８、テールコーンラッチ１０１０、およびサーボギア１０１４は、ナイロンで形成されてもよい。固定子取付具１１３、原動機取付具１１０、ダクト間相互接続１１８、アビオニクス相互接続１２４、着陸装置取付具７０１、およびアビオニクス取付具７０６は、射出成形複合材料で形成されてもよい。たとえば、射出成形複合材料は、テールコーンヒンジ１００８に使用したナイロンに類似のナイロンであることも考えられる。固定子取付具１１３またはダクト間相互接続１１８および原動機取付具１１０のような重要な破砕性位置の材料の選択は、構造の整合性を維持するのに必要な繊維長および樹脂材料を規定する予期される衝撃応力水準に基づいてなされる。衝撃（たとえば、１００未満の引張強度を有する）で分解する半剛性の発泡体材料は、ダクトリップ、制御翼およびテールコーンのような空力的表面に適用することができる。衝撃に対して脆い性質（約５．９ｅ＋０５の剛性率、約６．５ｅ＋０５の弾性率、約７２５０の最大引張強度）を示す短繊維複合材料は、高速衝撃で分離する構造的相互接続継手および脚取付具および原動機取付具に適用できる。しかし、これらは単なる例であり、構造的構成要素はこれまでに述べた高剛性材料の任意の１つまたは複数から作られてもよいことを理解されたい。
【００４９】
剛性の構造的材料を提供することにより、軽量ＵＡＶ １００の剛性を増加でき、軽量ＵＡＶ １００の運用および耐久年数が改善されることもある。
ダクトリップ１０６、翼１１４、テールコーン２０３、およびテールバンパ１０１２などの空力要素は、発泡体材料で製造されてもよい。発泡体材料は、たとえば、発泡ポリエチレン（ＥＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、発泡ポリスチレン（ＥＰＳ）、または発泡ポリプロピレン（ＥＰＰ）を含む軟質または硬質発泡体であってもよい。発泡体材料は発泡体射出成形工程を介して形成されることもある。たとえば、ダクトリップ１０６は成形ＥＰＥ発泡体材料で形成されてもよい。必要なときに軽量の空力的部品を容易に交換できるように、空力要素は、構造的構成要素とは分離して（たとえば、一体型ではなく）、構造的構成要素と分離可能に接続される方法で形成できる。
【００５０】
付加的、すなわちＵＡＶの他の構造または空力要素は、対応する構造的または空力的材料からなることもある。
より軽量の空力要素とより剛性の支持要素の混合からなるＵＡＶ １００は、約１．８１ｋｇ（約４ポンド）以下の全システム重量を有することが好ましい。より好ましくは、より軽量の空力要素およびより剛性の支持要素の混合からなるＵＡＶ １００は、約０．９０７ｋｇ（約２ポンド）以下の全システム重量を有することが好ましい。しかし重要なことには、開示された軽量かつ破砕性の技術は、より大きな機体にも適用することができる。
【００５１】
たとえば、各ダクテッドファン組立体１０２は、約０．３５７ｋｇ（０．７８６ポンド）以下の全重量を有することが好ましい。各テールコーン組立体２０２は、約０．０５１７ｋｇ（０．１１４ポンド）以下の全重量を有することが好ましい。各ダクト連結組立体１０４は、約０．０９８４ｋｇ（０．２１７ポンド）以下の全重量を有することが好ましい。バッテリ９０４を含むＵＡＶ １００の全重量は、約０．９２５ｋｇ（２．０４ポンド）以下であることが好ましい。
【００５２】
原動機１０９は、アビオニクスペイロード１２６に含まれるバッテリ９０４により動力が供給される電気モータであってもよい。バッテリ９０４は、たとえば、リチウム、リチウムイオン、リチウムポリマ、および／または水素化アルミニウムリチウムなどのバッテリを含む、リチウムベースの動力源であることが考えられる。もちろん、原動機を駆動する十分な電力および長い運用時間を備える十分な電力密度を提供する限り、燃料電池を含む他のいかなるタイプのバッテリも使用することができる。電気モータを使用することで、振動を最小限にし、ＵＡＶ １００の維持費を削減することもできる。
【００５３】
図１２はＵＡＶ １２００の代替実施形態を示す。各ダクテッドファン組立体１２０２は、ＵＡＶ １００のダクテッドファンアセンブリ１０２と同じまたは類似である。しかし、ＵＡＶ １２００には、固定子スリップストリーム１２１６と同じ水平面で動かされる、平行な１対のダクト間スリップストリーム１２１０を備えたダクト連結組立体１２０４が含まれる。図１２の実施形態では、ＵＡＶ １２００の固定子スリップストリーム１２１６はダクトリング１２０８を越えて延長し、ダクト間相互接続１２１８に接続する。
【００５４】
図１３に示されるように、ダクト間相互接続１２１８には固定子スリップストリーム接続面１３０２とダクト間スリップストリーム接続面１３０４の間に角度オフセットが含まれる。角度オフセットは、たとえば１５°〜４５°の範囲にあってもよい。最も好ましくは、角度はほぼ３０°である。図１４（ａ）および１４（ｂ）は、ダクト間相互接続１２１８についての交互図を示す。各ダクト間相互接続１２１８は、固定子スリップストリーム接続面１３０２およびダクト間スリップストリーム接続面１３０４にそれぞれ形成された着陸脚貫通穴１４０６および１４０８を含む。２つの着陸脚貫通穴１４０６および１４０８のうちの１つが、ダクト連結組立体１００４の４つの位置の各々で利用される。各ダクト間相互接続に２つの脚貫通穴１４０６／１４０８を形成することによって、この部品が４つの位置すべてに共通になる。このように、同様の製造設計のダクト間相互接続１２１８が、着陸脚１２２０をＵＡＶ １２００に接続するためにダクト連結組立体１２０４のどちらの側にも使用することができる。各着陸装置１２２０のシャフトは、ダクト間相互接続１２１８の貫通穴１２０６および１２０８の切り欠きに組み合わさるように固定される。ダクト間相互接続の反対側のスプリング（図示せず）は、ワッシャーおよびネジと共に着陸装置１２２０を適正な位置に保持する。
【００５５】
図１４（ｂ）に示されるように、各ダクト間相互接続１２１８には、涙滴形状のダクト間スリップストリーム１２１０および涙滴形状の固定子スリップストリーム１２１６と接続するための同様の涙滴形状の穴１４０２および１４０４が含まれる。
【００５６】
構造および空力要素と、構造要素構成と、空力要素構成と、全重量の選択が含まれる、ＵＡＶ １００に関する上記の開示は、ＵＡＶ １２００にも同等に適用することができる。ダクト間相互接続１２１８は構造要素であり、たとえばナイロンの、射出成形複合材料で作られてもよい。さらに、図１２に示されていないが、中心に配置される動力源および飛行制御回路を提供するために、図１２のＵＡＶ １２００にアビオニクスペイロードおよび取付管を取り付けることもできる。
【符号の説明】
【００５７】
１００ 無人航空機
１０２ ダクテッドファン組立体
１０４ ダクト連結組立体
１０５ 下方壁面
１０６ ダクトリップ
１０７ 上方肩部
１０８ ダクトリング
１０９ 原動機
１１０ 原動機取付具
１１１ プロペラブレード
１１２ 固定子スリップストリーム
１１３ 固定子取付具
１１４ 制御翼組立体
１１６ ダクト間スリップストリーム
１１８ ダクト間相互接続
１２０ 着陸脚
１２１ シャフト部分
１２２ アビオニクス取付管
１２３ 着陸脚ボール要素
１２４ アビオニクス相互接続
１２６ アビオニクスペイロード
１３０ アビオニクス取付
１３２ アラインメントタブ
２０２ テールコーン組立体
２０３ 中空テールコーン
２０４ サーボ
２０６ 翼
２０８ シャフト
２１２ 固定子スリップストリーム
２１４ ペグ
３０２ アビオニクス取付板
４０２ 穴
４０４ フランジ
５０２ 穴
５０４ 原動機駆動穴
５０６ 穴
５０８ 穴
５１０ 外側壁面
５１２ 内側壁面
５１４ 上部表面
５１６ 切り欠き
５１８ 穴
５２０ Ｏリングポスト
６０２ 外側バンド枠
６０４ 中央部
６０６ 穴
６０８ 穴
７０１ 着陸装置取付具
７０２ 穴
７０６ アビオニクス取付具
７０８ 穴
８０２ 先端
８０４ 配線経路
８０６ 下端
９０２ 外側ケーシング
９０４ バッテリ
９０６ 原動機制御装置
９０８ アビオニクス制御システム
１００２ 翼シャフト
１００４ サーボ
１００６ テールコーン取付板／テールコーン蓋
１００８ ヒンジ
１０１０ テールコーンラッチ
１０１２ エンドバンパ／テールバンパ
１０１３ サーボ取付具
１０１４ サーボギア
１１０２ 原動機取付板
１２００ 無人航空機
１２０２ ダクテッドファン組立体
１２０４ ダクト連結組立体
１２０６ 貫通穴
１２０８ ダクトリング
１２１０ ダクト間スリップストリーム
１２１６ 固定子スリップストリーム
１２１８ ダクト間相互接続
１２２０ 着陸装置
１３０２ 固定子スリップストリーム接続面
１３０４ ダクト間スリップストリーム接続面
１４０２ 穴
１４０４ 穴
１４０６ 着陸脚貫通穴
１４０８ 着陸脚貫通穴
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽量の発泡体材料からなる空力的構成要素と、
前記空力的構成要素を支持し、かつ相互接続させ、中実の金属、木または複合材料のうちの少なくとも１つからなる、構造的構成要素とを備える、
無人航空機（ＵＡＶ）。
【請求項２】
大気中の揚力を生成する１つまたは複数のダクテッドファンであって、前記１つまたは複数のダクテッドファンのそれぞれが、前記ダクテッドファンの内側表面に軽量の発泡体空力的構成要素と、前記軽量の発泡体空力的構成要素に構造的支持を提供する前記軽量の発泡体空力的構成要素の外側表面の周りに構造的構成要素であるダクトリングとを含む、前記１つまたは複数のダクテッドファンをさらに備える、請求項１に記載の無人航空機。
【請求項３】
前記構造的構成要素の少なくとも１つが、第１の所定の限界力を加えられると分解するような繊維長を有する破砕可能な樹脂材料で製造され、前記空力的構成要素の少なくとも１つが、第２の所定の限界力を加えられると分解するような破砕可能な発泡体材料で製造されている、請求項１に記載の無人航空機。
【請求項１】
軽量の発泡体材料からなる空力的構成要素と、
前記空力的構成要素を支持し、かつ相互接続させ、中実の金属、木または複合材料のうちの少なくとも１つからなる、構造的構成要素とを備える、
無人航空機（ＵＡＶ）。
【請求項２】
大気中の揚力を生成する１つまたは複数のダクテッドファンであって、前記１つまたは複数のダクテッドファンのそれぞれが、前記ダクテッドファンの内側表面に軽量の発泡体空力的構成要素と、前記軽量の発泡体空力的構成要素に構造的支持を提供する前記軽量の発泡体空力的構成要素の外側表面の周りに構造的構成要素であるダクトリングとを含む、前記１つまたは複数のダクテッドファンをさらに備える、請求項１に記載の無人航空機。
【請求項３】
前記構造的構成要素の少なくとも１つが、第１の所定の限界力を加えられると分解するような繊維長を有する破砕可能な樹脂材料で製造され、前記空力的構成要素の少なくとも１つが、第２の所定の限界力を加えられると分解するような破砕可能な発泡体材料で製造されている、請求項１に記載の無人航空機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−１３２２８０（Ｐ２０１０−１３２２８０Ａ）
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００９−２６８６５０（Ｐ２００９−２６８６５０）
【出願日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６８６５０（Ｐ２００９−２６８６５０）
【出願日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
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