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2014年2月13日 (木)

キネマ航空CEO 風車とオスプレイのローターに加えて下のほうで ETOPS について考える

公開校正中です。大きな変更は追記していきます。
・ ウィングチップについて補足・・・2014/02/13  22:30
・ ETOPSについて追加・・・         2014/02/13  23:00

ちょっと時間が経ちましたが、当CEOオフィスのブログ、2012年11月25日 (日)の記事で、

『ヘリだとたとえ動力が切れても、落下時の風で自然に回るローターを利用して軟着陸ができるオートローテーションという機能があります』・・・2012年9月1日朝日新聞Beの「いまさら聞けない・・・垂直離着陸機」からの抜粋。

を引用し、本文には・・・

『田中記者が読者に「セルフ・ローテーション」と誤解させた(かもしれない)現象は自然界では秋にカエデやモミジの種子の落下で見ることができます。こうした機能をもつ人工物は対潜哨戒機から投下するソノブイの減速装置兼方向安定装置として軍事技術に使われています。

さて、そのオート・ローテーションは風車と同じ原理ではありますが大きな違いがあります』

・・・と続けて、オートローテーションについての初歩的な原理を以下のように説明しました。

『翼型に加わる揚力と効力が合成された空気力のベクトルがローター軸の前方に傾いておれば駆動力となる。後方に傾いておれば抵抗となり回転を減速させる』

その空気力はベクトルなので、空気力=√(揚力+抗力)、揚抗比=揚力÷抗力 で表わされて、三角関数を使って角度に変換できます。

結論の概要は、

動力駆動されて揚力を発生するヘリコやオスプレイのローター・ブレードは周速の速い翼端に向けてねじり下げを行っている。

その結果、オートローテーション時にはローターの先端部では揚抗比は大きいが回転を続けさせる方向の力は小さいかマイナスとなり、一方のローターの根元では迎え角が大きくなりオート・ローテーションを妨げる回転抵抗となる。(概念説明図は上記の記事にあります。参照ください)

オートローテーションはローターの回転速度を維持あるいは増加させるため急降下などの機動とともに、ローター・ブレードの中央部の迎え角と揚抗比をうまく制御することである。(このとき翼端では揚力 0 で抗力だけがある場合や、揚力自体が負になる迎え角になることもある)

つまり勝手に回るセルフ・ローテーションではない。オートとは、ある条件下でローターの回転を続けさせることができる、という意味。

この点ではオスプレイのローターは通常のヘリコより大きな角度のねじり下げを採用しているため、オートローテーションはかなり限定されているはず・・・

また、通常のヘリコにおいても上記の操作のできる範囲はH-V線図(いわゆるデッドマンズ・カーブ)で制限されており、常にオートローテーション操作ができるとはいえない。個別の機種の具体例は、上記日付の当コラムの記事をご覧ください。

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さて、・・・
当キネマ航空のCEOのオフィスの近くに設置の年代によると思われる、設計思想の異なる風車が三種類あります。その形状を比較してみました。つまりセルフ・ローテーション専用のローター設計の比較です。

Ihi Unkown
Hitachi_zenkei_  

例によって画面上の左クリックで拡大像がポップアップします。

上左から I H I  、ノー(メーカー)ロゴ、下は日立、の風力発電用のローターです。上左が多分一番古い。いずれもグライダーの主翼に似て美しい。

注目点は付根付近の形状です。

I H I 風車はブレードの最大翼弦長にほぼ等しい太い円筒形の軸になってハブ軸につながる。

どうせ風の吹き抜け抵抗になるなら、径を大きく、肉厚を薄く、の剛性を重視した軽量化でと割り切ったのか?

どんな形状の風車にしてもローター翼(ブレード)の根元には大きな曲げモーメントが加わります。

上右のアンノウン風車(三菱重工かも)は最大翼弦長をハブ近くに持ってきて軸の径は細く短い。

回転トルク(力×腕の長さ)では不利になるが根元に近い部分の翼弦長(翼面積に相当)を大きくすることでカバーして翼にかかる空気力の中心を翼根に寄せて曲げモーメントを減らして、材質も炭素繊維などの新素材を採用したのかもしれない。

下側の、最新の?日立は手が込んでいる(さすがはHitachi ハイタッチ)。

ハブ軸の整形カバー(スピナー)にまで翼型を関連させており、通る風はトコトン(やれ、とんやれな?、と)利用してやるーッ!! の設計です。

Hitachi_root

そのハブ付近の翼型です。なお、ヘリコもヘリコ・モードのオスプレイも写真では左側(風上側)に機体があります。

そしていずれも翼型は右側(風下側)に凸形の形状、が基本になります。

何となく錯覚を起こしそうだが、風車のローター翼型としては、ねじり下げ、ではなくて、ねじり上げ、ですね。

翼型の取り付け角度は翼根を基準にすると先端に向かって少しずつ円周方向へ傾斜させています。

三つの全体画像を拡大して見てください。なっているでしょ?・・・分からない?!・・・ぜひお近くの風車見学をおすすめします。

おまけにハイタッチはウイングチップまでつけている。

Hitachi_tip

航空工学の粋を凝らした、と形容できそうだが風車の主流なのかどうかは勉強不足で分かりません。

そもそもウイングチップに回転力を増す効果はあるのか?翼端渦を減らし騒音低下の効果は多少ありそうだが・・・

ボーイング787 からレイクド・ウイングチップとして折り曲げの傾斜をほとんどなくして(アスペクト比を大きくする効果をねらい)ソアラー(グライダー)と同じような翼に近づけています。エアバスA350 で追従するようです。 この辺りは当キネマ航空ミュージアムにご来訪ください。

さて、替わってオスプレイでは、

Osprey

いうまでもなく下側(直立したナセル側)が風車の風上側です。どう見てもねじり下げですね。

つまり風車とオスプレイ(もちろんヘリコも)とは全く正反対のローターの設計になっています。つまり風車でオートローテーションを説明するのはいささか詭弁の部分が含まれています。

おまけに一般的な風車の設計や古いヘリコのローター設計では回転軸に近いところは吹き抜けにするようですが、オスプレイではカフスを付けてしっかりとスピナーのそばまで翼型を伸ばした動力駆動時の大出力プロペラ用になっています。

基本的にローター直径の小さいチルトローター機にオートローテーションを求めるのは、技術的に無理があるようです。

技術的なブレークスルーとしては翼根部に跳ね上げ式の単純フラップ状の構造を付与、もしくはライト兄弟が行ったような可撓性の材質にして翼型を変える制御技術の開発と思われます。

---------------

さて、オスプレイで心情的に問題視されるオートローテーションに関係するチルトローター機の緊急時対応機能の技術評価にはエンジンの信頼性が深くかかわっています。

これは民間の固定翼機においても同様でむしろ先行しています。

たとえば旅客機の飛行ルートはエンジンの数で決められます。かつては大洋を横断できる機体は四発機でしたが三発機となり、今では双発機でも認可されます。

航空輸送の黎明期、米国の国内(陸上)ルートでも「飛行場から100マイル(160km)以内を飛行しなければならない」、という100マイル・ルールがありました。(これに沿って代替え飛行場が整備されていきました)

それが、採用するエンジンの異常停止発生確率の低下から、双発機では個々の機種についてエンジン一基停止から60分、120分、180分の飛行が可能なこと(つまり代替え着陸地に到達できるルートを飛行すること)、と順次拡大されて、それぞれの規定認証がなされます。

さらに207分、240分、330分に拡大されていますが適用される機種は少ない。ETOPS-XX と呼ばれる認証です。ETOPS-330 になると地球上に飛べないルートはないようです。
ETOPSExtended-range Twin-engine Operational Performance Standards)

とはいえ、同じ機体であっても採用しているエンジンの信頼性評価で個別に規定認証されます。また、運行ルートの設定には空港の条件もあり、いつでも、どこでも飛行できるということにはなりません。

なお、三発機も双発機のカテゴリーに分類されていますからイニシャル・コストの安い中古機はともかくとして新造機を採用する航空会社も製造するメーカーもありません。・・・(閑話休題)・・・少なくとも米国では! フランスのファルコン・シリーズの中にはまだあるようだ。

ヘリコプターも双発機が主流となり、エンジン一基の喪失時にオートローテーションではなくパワード・グライディング(高度は上げられない動力飛行もしくは動力滑空)で着陸ができることが機体の設計条件と運用上の飛行許可の区分に関係しています。このため三発の大型シングル・ローター機も存在します。

つまり安全性の面では、単発ヘリコにはオートローテーションが必須な機能と性能となります。一方、双発以上の機体には必須とは言えなくなっています。

民間双発チルトローター機にオートローテーション機能を必須とするかどうかはNTSB(米国家運輸安全委員会)が検討するようですが結論はまだ出せていないようです。

ただ、とくに大型の回転翼機においてはエンジンの信頼性評価によりオートジャイロから受け継いだオートローテーションは過去の遺物になりつつあるといってもいいようです。
(いうまでもなく、オートジャイロのローター・ブレードとヘリコのそれは捻じれる向きが違う技術的な違いがある。そのまま受け継いだのではない)

 この点は理解されてきたのか新聞もTVも言わなくなりました。言い続けるとすればヘリコを持っていない報道機関ですかね?

軍用のオスプレイのオートローテーションについては、米国の技術的(に、できない? なのか、やらせない! なのか?の)解釈と日本の政治的(に、できる!!)解釈のかい離は大きいようですが、これは機会があれば次回に。

---------------

さて、使用した風車の写真撮影に行った先は海岸沿いの防風、防砂林のなかや平地沿いの山の尾根に並んでいました。

そこは渡り鳥の移動ルートと重なっておりバード・ストライクの可能性は大いにあります。

日本では大型の鳥は少ないので風車にダメージを与える機会も少ないでしょうが大型のワシタカ類などの希少種や小鳥の群れにとっては致命的です。

クリーン・エネルギーの無制限な利用にも痛みがあることを知っておく必要があるようです。

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