エアロカーの変形可能な翼及び翼を変形させる方法

本開示は、固定翼航空機として飛行することができ、かつ陸上の乗り物として走行することができる乗り物に関する。より詳細には、そのための積み重ね可能な翼の構造に関する。

飛行は、人類の歴史において、常に夢の中心であった。エアロカー、又は、路面走行可能な航空機は、路上を走行し得ると同時に、航空機として離陸し、飛行し且つ着陸し得る乗り物として定義される。そのような性能を示す乗り物は、私的かつ個人的であることを維持しつつ移動性が3次元になるため、運転者に、自由、快適さ、及び目的地に素早く到達する能力を提供する。しかしながら、そのような乗り物においては、飛行モード及び路面走行モードにおける操作を可能にするために、種々のトレードオフが要求され得る。

一般に、陸上の乗り物の本体又は車体は、駐車及び路上での機動性を促進するために比較的短いが、航空機の機体は、飛行安定性及び操縦確実性(control authority)を促進するために、比較的長い。1つの従来の路面走行可能な航空機では、陸上モードにおいて、各翼は、根元で上向きに折りたたまれ、翼の中ほどの位置で下向きに折りたたまれて、機体に対して収納される(stow)。効率的ではあるものの、折りたたむ位置の数が増えるほど重量及び複雑さは増し、必然的に、各モードにおける操作性に影響を与える。さらに、そのような翼の収納は、路面走行モードにおける効率的な操作に資する、運転者の後方及び側方の視野を、制限する場合がある。

積み重ね可能な翼を含むエアロカー(aerocar)、及び積み重ね可能な翼を変形させる(morphing)方法が開示される。翼には、概して固定された形状の上面と、収容形状と展開形状との間で変形するように構成された下面と、が含まれ得る。収容形状は、路面走行モードにおいて、付加的な翼との組合せによりエアロカー上に翼を積み重ねるのに適している。展開形状は、飛行モードにおいて、エアロカーに揚力を付与するのに適している。

本開示の開示されている限定的でない実施形態に係る翼には、概して固定された形状をなす上面と、上面に隣接する下面であって、収容形状と展開形状との間で変形可能な下面と、が含まれる。

本開示の開示されている別の限定的でない実施形態に係る翼には、前縁と後縁との間に概して固定された形状をなす上面と、前縁と後縁との間の下面と、が含まれる。下面は収容形状と展開形状との間で変形可能であり、下面は収容形状において上面に向かって曲がり、また、下面は展開形状において上面から離れて曲がる。

本開示の開示されている別の限定的でない実施形態に係る、翼を変形させる方法には、収容形状と展開形状との間で下面を変形させることが含まれ、下面は、収容形状において、上面に向かって曲がり(curving toward the upper surface)、展開形状において、上面から離れて曲がる(curving away from the upper surface)。

特に明示しない限り、前述の特徴及び構成要素は、排他的でなく、種々の組合せにより組み合わせることができる。これらの特徴及び構成要素並びにこれらの動作は、以下の説明及び添付図面に照らしてより明らかになる。ただし、以下の説明及び図面が、本来例示的であり限定的でないものとすることを理解する必要がある。

種々の特徴は、開示されている限定的でない実施形態の次に示す詳細な説明から当業者に明らかになる。詳細な説明を伴う添付図面を、以下のように、簡単に説明することができる。

開示されている限定的でない実施形態に係る、本体の方に後退した(retracted)路面走行モードにおける積み重ね可能な翼を備えた例示的なエアロカーの概略図である。

本体に対して延びる積み重ね可能な翼のすべてによる第1の飛行モードにおける図1のエアロカーの概略図である。

本体に対して延びる積み重ね可能な翼の一部による第2の飛行モードにおける図1のエアロカーの概略図である。

図3の第2の飛行モードにおける1つの積み重ね可能な翼の概略図である。

収容形状に変形した図4の翼の概略的断面図である。

展開形状に変形した図4の翼の概略的断面図である。

開示されている別の限定的でない実施形態に係る、本体の方に後退した路面走行モードにおける積み重ね可能な翼を備えた例示的なエアロカーであって、それぞれの翼が収容形状と展開形状との間で変形可能なエアロカーの概略図である。

全ての積み重ね可能な翼を本体に対して延ばした、第1の飛行モードにおける図7のエアロカーの概略図である。

いくつかの(全ての翼ではない)積み重ね可能な翼を本体に対して延ばした、第2の飛行モードにおける図7のエアロカーの概略図を示す。

図1は、路面走行モードにおけるエアロカー10を概略的に示している。エアロカー10は、少なくとも1つが操舵輪14Aであり少なくとも1つが駆動輪14Bである複数の車輪14を備えた本体12と、動力システム16と、推進システム18と、積み重ね可能な翼システム20と、を概して有する。特定のシステム及びサブシステムが別々に定義されているが、サブシステムのそれぞれ又はいずれかを組み合わせるか又は分離できることに留意されたい。

本体12は、運転者、乗客及び貨物を収容する。動力システム16は、路面走行モードにおいて駆動輪14Bに動力供給し、且つ、推進型プロペラ、オープンローター、ターボファン又は他の推力発生システムといった推進システム18に動力供給するように、選択的に動作する。路面走行モードには、種々の前輪、後輪及び全輪駆動形態が含まれ得ることに留意されたい。動力システム16は、内燃機関、ガスタービン、分散型電気推進システム又は他のエネルギー変換装置及びこれらの組合せを含むがこれらに限定されない、種々の形態のものであってもよい。

積み重ね可能な翼システム20は、本体に対して選択的に延び、且つ、後退し、離陸、着陸(図2)及び巡航(図3)動作などの特定飛行動作のための可変量の揚力を付与するものである。水平に展開可能な尾翼、及び/又は先尾翼、エレベーター、舵、補助翼、フラップ、スラット、フラッペロンなどの垂直安定板及び種々の動翼などの種々の他のシステム及びサブシステムが考慮されるが、明確化のために示されておらず、積み重ね可能な翼システム20に焦点を置かないことに留意されたい。

積み重ね可能な翼システム20は、幅寸法内にエアロカー10を収容させて路上走行を容易にするように、概して本体12の上に、又は少なくとも部分的に本体12内に配置されている。すなわち、積み重ね可能な翼システム20のそれぞれの翼22は、路面走行モードの際、エアロカー10の幅を最小にするように、本体12の幅と概して等しい翼長を画定している。積み重ね可能な翼システム20は、例えば、一般的な家庭用ガレージ、駐車場所内などにおけるエアロカー10の駐車を容易にする。

複数の翼22はそれぞれ、積み重ね可能な翼システム20が種々の飛行動作において調整できるように、選択的に本体12から個別に延びている。例えば、複数の翼22はすべて、路面走行モードにおいて、本体12の上に緊密に、又は少なくとも部分的に本体12内に積み重ねられ、複数の翼22はすべて、最大有効翼面積を提供するように、離着陸動作において本体12から延び(図2)、また、複数の翼22の一部は、効率的な巡航動作において有効翼面積を調整するように、本体12から延びている(図3)。例示の動作モードが、種々の他の配置及び中間位置でも利益が得られるという点で、概略的であり例にすぎないことに留意されたい。さらに、複数の翼22のそれぞれの間の翼間変位(displacement)は、飛行動作、安定性及び操縦性を最適化するように、代替的に又は付加的に、個別に構成及び調整することができる。

図4を参照すると、複数の翼22はそれぞれ、前縁30と後縁32とを有し、これらの間の空間は翼弦(chord)を画定している。前縁30と後縁32との間に延びる上面34及び下面36は、所望の翼形状を画定している。また、上面34は、一般に、吸込側と称し、下面36は圧迫側(pressure side)と称することもできる。種々の種類の翼、例えば、平底型、対称型、非対称型、下チャンバ型(under chamber)及び他の翼を備えていてもよいことを認識する必要がある。

開示されている限定的でない実施形態において、上面34は、概して固定された形状の硬質シェルを形成し、当該硬質シェルは、例えば、適切な樹脂マトリックス中に埋め込まれたガラス繊維織物材料などのプリプレグ複合材料、アルミニウムなどの金属合金及びこれらの組合せから製造することができる。すなわち、上面34は、概して硬質の固定された断面形状として製造される。

下面36は、上面34とは異なり、変形可能である。すなわち、下面36は、収容形状36A(図5)と展開形状36B(図6)との間で変形することが可能な可変の断面形状を有する。収容形状36A及び展開形状36Bが種々の断面形状のものであってもよく、示されている断面形状が概略的であるにすぎないことを認識する必要がある。

この開示されている限定的でない実施形態において、収容形状36Aは、路面走行モードにおいて収容される場合、複数の翼22が入れ子になるように、上面34の形状に概して従う(follows)(図7)。このため、この開示されている限定的でない実施形態におけるこの入れ子にできる積み重ね可能な翼22は、それぞれの関連する翼が本体12から所望の展開飛行モードに選択的に延びる(図8及び9)と、収容形状36A(図5)から展開形状36B(図6)に変形することができる。すなわち、変形可能な下面36は、本体12に対してコンパクトで緊密に収容可能な構造を容易にするが、飛行モードの展開形状36B(図6)に変形する。かかる緊密に収容可能な構造は、例えば薄型でスタイリッシュなボディーデザインの可能性を容易にし、さらに、路面走行モードの際、運転者の側面及び後方視野を妨げない。

この開示されている限定的でない実施形態において、下面36の展開形状36Bは、翼形状をなすように、概して上面34から延びている。換言すると、収容形状36Aは、厚さが減少したコンパクトな形状をなし、展開形状36Bは翼形状をなしている。すなわち、下面36は収容形状36Aにおいて上面34に向かって曲がり、また、下面36は展開形状36Bにおいて上面34から離れて曲がる。

下面36は、例えば収容形状36A(図5)と展開形状36B(図6との)間で変形するような、一の安定形状から別の形状へとスナップ動作可能な(operable to snap)双安定性の複合材料(bistable composite)といった双安定性の変形材料で製造され得る。双安定性の複合材料は、2つの静的に安定したモードを有する複合構造体の一種である。この双安定特性は、固定された面内残留応力から生じ、それぞれの安定モードを保持するのに継続動力が必要ではない下面36などの適応構造に特に適し得る。安定状態間の変化は、本来非常に非線形であるジャンプ現象又は飛び移り現象(jump phenomenon or snap-through)として物理的に実現される。

双安定性の複合材料には、双安定曲線が形成されるように積層内に複数の繊維方向がある非対称積層体が含まれていてもよい。さらに、曲線の形状を調整し、そして、所望の翼形状を生じるように、下面36の積層に種々の厚さを設けることもできる。双安定性の変形材料が例示の実施形態に開示されているが、三安定性の(tri-stable)ものとともに他の適応構造も利益を受けることに留意されたい。

引き続き図4〜6を参照すると、下面36は、アクチュエータ40によって、収容形状36Aと展開形状36Bとの間で選択的に変形することができる。アクチュエータ40には、例えば、電流を印加して変形双安定性積層体内に埋め込まれた電熱材料内にジュール加熱を発生させる、電源が含まれていてもよい。埋め込まれた電熱材料は、選択的に温度を上昇させて状態間に移動をもたらすように使用可能である。このため、この変形双安定性積層体は、加熱効果によって一方の安定状態から他方の安定状態に変形することができる。

別の例において、アクチュエータ40は、圧力を加えて下面36を展開形状36Bに「スナップ変形させる(snap)」ように、又は、吸引力を加えて下面36を収容形状36Aに「スナップ変形させる」ように、動作可能な空気源であってもよい。種々の他のアクチュエータが利益を受けることに留意されたい。

アクチュエータ40は、制御サブシステム42であって、概して、制御モジュール44とともに、プロセッサ46、メモリ48及びインターフェース50を含む制御サブシステムに応じて作動され得る。プロセッサ46は、所望の性能特性を有するいずれかの種類のマイクロプロセッサであってもよい。メモリ48には、いずれかの種類のコンピュータ可読媒体であって、所望の飛行動作において翼22を展開し構成するものなどの本明細書に記載のデータ及び制御アルゴリズムを記憶するコンピュータ可読媒体が含まれ得る。

図5及び6Bを参照すると、展開形状36Bにおける下面36の維持を容易にするように、1以上の関節接合スパー(articulable spar)60が、下面36と上面34との間に延びている。関節接合スパー60は、ねじれ、屈曲、剪断及び、飛行動作時に翼22内で発生する他の負荷に対応するように、それぞれの翼22内で構造部材として機能する。本明細書に定義されている「関節接合(articulable)」には、折畳み、伸縮、屈曲、蝶番で動くこと(hinging)、及び他の運動が含まれるが、これらに限定されない。開示されている限定的でない実施形態において、双安定性の材料は、収容形状36Aと展開形状36Bの双方における関節接合スパー60の移動及び安定位置を容易にするのに利用することができる。

例えば、「前方(forward)」、「後方(aft)」、「上部(upper)」、「下部(lower)」、「〜の上に(above)」、「〜の下に(below)」などの相対的な位置についての用語が、乗り物又は車両の通常の動作姿勢を基準にしていることを理解し、それ以外に限定することを考慮する必要はない。

種々の限定的でない実施形態は特定の例示的構成要素を有するが、本発明の実施形態は、これらの特定の組合せに限定されない。他の限定的でない実施形態のうちのいずれかの特徴又は構成要素と組み合わせて、限定的でない実施形態のうちのいずれかの一部の構成要素又は特徴を用いることが可能である。

同一の参照符号が、複数の図面全体において、対応する構成要素又は同様の構成要素を特定することを理解する必要がある。また、特定の構成要素の配置が例示の実施形態に開示されているが、他の配置が利益を受けることも理解する必要がある。

特定の段階の順序が示され、記載され、特許請求の範囲に記載されているが、特に明記しない限り、段階が、いずれかの順序により実行され、分離されるか又は組み合わせられてもよく、さらに、本開示から利益を受けることを理解する必要がある。

前述の記載は、例示的ではなく、記載範囲内の限定によって定義される。ただし、種々の限定的でない実施形態が本明細書に開示されており、当業者であれば、上述の教示内容に照らして、種々の変更及び変形が、添付した特許請求の範囲の範囲内に入ることを認識する。したがって、添付した特許請求の範囲の範囲内において、本開示は、具体的に記載されている以外のものによっても実施できることを理解する必要がある。このため、添付の特許請求の範囲は、真の範囲及び内容を決定するように検討される必要がある。

10 エアロカー 12 本体 14A 操舵輪 14B 駆動輪 16 動力システム 18 推進システム 20 積み重ね可能な翼システム 22 翼