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2012年11月 7日 (水)

キネマ航空CEO 回転翼機のオスプレイはどうなのよ?(その2) ・・・スラスト・ベクタリング機といったほうが・・・について考える(その1)

------------以下の本文は外部読者による校正中です---------

 本題に入る前に「なぜヘリコプターが滑走離陸をして最大離陸重量を稼ぐことができるのか」は「キネマ航空CEO プロペラの勉強をする」の水平飛行時のつりあい式
  TLF=2ρA⊿v√{(Vsinβ)2+(Vcosβ+⊿v)2}

 で吹き降ろし速度 ⊿v について解けばいいのだが三次の項を含んだ四次方程式となり代数解を導くのはかなり面倒である。

 そこで固定翼機のプロペラでの説明で済ませることにする。
  T=2ρA⊿v(V+⊿v) より ⊿v2+V⊿v-T/(2ρA)=0 の二次方程式となってこれを解くと、負の速度はないので
   ⊿v=[V2+√{V2+2T/(ρA)}]/2

 すなわちエンジンの出力(T)は変わらなくてもプロペラ自身の進む速度(V)がプロペラの推力となってきいているのです。この推力はヘリコプターにとってはダウンウォッシュすなわち揚力の素となります。

 最大離陸荷重時ではなくても車輪のついたオスプレイや大型ヘリコが滑走離陸をし、スキッドの小型ヘリでも浮揚直後に前進飛行で加速しながら上昇する理由の一つです。

 せっかくの垂直離陸機能がありながら世知辛いといえば世知辛いが、地面効果も併用して加速すれば燃料の節約になりますからね。ヘリコプターにも滑走路もしくは地表に障害物のない直線距離は必要なのです。(そのもう一つの理由は後の回で・・・)

 ヘリコプターとして確認したい方は次のサイトでラジオボックスに具体的な数値を入れれば数値解が得られます。「四次方程式の解 - 高精度計算サイト

 念のため以上の理屈はエンジン出力が有効に推力に変わっている、すなわちプロペラもしくはローターのブレード・ピッチ(迎え角)が速度にあわせて制御されている、という前提でのはなしです。

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

 さて、この項の目的はヘリコプターの基本的な構造を説明をするなかでオスプレイの回転翼機モードとの差異を探ってみようと当CEOはジタバタしています。

 本題のヘリコプターの説明は難しい。とどのつまりは相手に理解できるように説明できるほど完全に理解していないのだが・・・で、簡単なところから・・・知っているひとは知っていることから始める。

Photo

 回転翼機というぐらいでローターを構成するブレードは翼型をしている。

 その翼型で得られる揚力をコントロールするのは迎え角である。で、回転する翼の迎え角を変える機構がスウォッシュ・プレートである。説明は図をクリックして下さい。

 ちなみにスウォッシュは傾斜という意味で日本語では「斜板」と呼ばれます。中央の図を「中立時」としてスウォッシュ・プレートを押し上げれば一回転する間の迎え角は等しく増加し(左の図)、傾けると周期的に変化する(右の図)。

 前者をコレクティブ・ピッチ・コントロール、すなわち、「エンジン出力とローターの回転速度、進行速度にあわせてピッチ(迎え角)を整合させる」制御をおこなう。

 後者はサイクリック・ピッチ・コントロール、すなわち「周期的に迎え角を変化させる」制御をおこなう。

 サイクリック・ピッチ・コントロールは「ヘリコプターが前進しているとき進行方向に向う側のブレードの対気速度は『回転による速度と機速の和』となり、逆側ブレードの対気速度は『回転による速度と機速の差』となって、対気速度の二乗でくずれる左右の揚力のバランスさせるために逆側ブレードの迎え角を大きくする」、ためもあるが、そればかりではなく操縦においてヘリコプターをヘリコプターならしめている機構でもある。Photo_2

  次に重要な機構はブレードの根元にあるヒンジ(蝶番) である。

 このヒンジによってブレードの動きに自由度を与えている。もちろん無制限というわけではなく衝撃を和らげるダンパーのついたストッパーがある。

 先のコレクティブ・ピッチコントロールはフェザリングと呼ばれる動きをするヒンジで可能になる。

 この機能は固定翼機のプロペラにもあるが機能は同じでも構造は異なる。

 次のフラッピング・ヒンジ は長いブレードの軽量化に必要なヒンジである。

Rotor_geometry  当CEOは大河ドラマを見逃したが毛利家の「三本の矢」の逸話がある。

 「一本の矢ならば折れるが三本となると折れなかった」というのであるが、どうやって折ろうとしたのか?

 たぶん三本の矢の中ほどを両手で握って折ろうとしたのだろう。

 これを矢尻と矢筈(やはず:矢の後端部分)の近く、要するに両端を持って曲げれば中央部で折れたのではなかろうか。

 これが曲げモーメントである。最大曲げモーメントは「力」と「力を加えたところから折れたところまでの距離」の積で現される(曲げモーメント=力x長さ)。これをふまえて、

 その矢を矢尻が隠れるぐらいに深く壁に射ち込んで、矢筈の部分を持ち上げていくと、矢は壁の近くでおれるはずである。つぎに矢尻を壁に軽く押し付けるくらいにして矢筈を動かしても矢尻を支点に動くだけである。

 この矢尻と壁の接点がヒンジに相当して軽く作ったブレードが折れるのを防いでいる。これがフラッピング・ヒンジの必要な理由である。

 こうすることでブレードを軽くすることが可能になる。あわせて「しなやか」に作れるので地上で静止したブレードは曲線を描いて垂れ下がっている。

 エンジンに火が入りローターが回転を始めるとブレードは生じた遠心力で水平になろうとする。と同時に、揚力も生まれブレードはさらに上に行こうとする。

 となると遠心力は揚力につりあう(ブレードに対して直角方向)分力とブレードを引っ張る分力に分かれてブレードは前者がつりあう角度まで起き上がりローターは円錐状の軌跡を描く。

(あとで追加する予定だが、フラッピング・ヒンジはヘリコの前にオートジャイロで開発された。回転翼が前進すると左右の対気速度差による揚力の不均衡で横転する現象を解決する機構。つまり、ローター回転部の下に振り子として機体をぶら下げる構造です。・・・そのうち出てきますので継読してくださいね)

 ちなみに、ヘリコの場合は、ブレードは翼型の部分(を含む部品)をいい、ローターは何枚かのブレードとそれをコントロールするスウォッシュ・プレートなどを含むシステムをいいます。

 一般的には、ローターはヘリコや風車のように長くアスペクト比の大きいブレードがゆっくり回る場合につかい、固定翼機のように相対的に短く高速で回転する場合はプロペラと呼び分けるようです。

 ヘリコのテール・ローターの場合はアスペクト比で分類されたのか単に呼び分けるのが面倒だったのか・・・

 プロペラはもともとは(スクリュー・プロペラとして)船舶に使われて飛行機に転用されましたが、だれかがヘリコは飛行機と違うぞ、と呼び分け始めたようです。

 なお、扇風機や送風機ではファンと呼ばれます。ただし翼型の部分はどの場合でもブレードと呼んでいます。(閑話休題)

 さて、このときのブレード先端が描く平面(円錐底)をピッチ・パス・プレーンと呼ぶ。このピッチ・パス・プレーンの傾きを作るのがサイクリック・ピッチ・コントロールである

 エンジンの出力とコレクティブ・ピッチ・コントロールで得た「ピッチ・パス・プレーンに直角なローター推力」をサイクリック・ピッチを使って傾けて機体の運動を制御する。

 すなわちピッチ・パス・プレーンの「水平面に対して垂直な分力」で高度を選び、「水平面に対して平行な分力」で速度を得ることができる。

 ここで水平面としたのはピッチ・パス・プレーンの傾斜は機体に対しておこなわれているのではないことを明確にするためです。機体の動きは重心次第で、一定速で飛行しておれば重心はローター推力の軸線上にある。

 ヘリコプターの機体はピッチ・パス・プレーンの下にぶら下がっているので、もとの重心位置に加えて機体にかかる抵抗と加速度次第で飛行中の機体の姿勢は変わる。

 くどいようだが、ヘリコの機体の姿勢は物理現象ではあるが成り行きできまる。固定翼機のように機体の姿勢をかえて運動を制御するのではない。

 フラッピング・ヒンジは機体の姿勢とピッチ・パス・プレーンの姿勢を独立させることで操縦するという二つ目の機能があることを忘れないで下さい。

 次のドラッギング・ヒンジの説明は難しいのでテキトーな説明で済ませます。

 必要な理由は傾斜したローターの回転軸とその軸を回転させる駆動軸が角度を持つため滑らかに回転を伝えられないためです。

 もっとも滑らかに回転を伝えられる機構はスプリング・ジョイントですが身近なところで、まあ似ているといえる吸い口近くで蛇腹のついたストローを使って説明します。

 このストローを蛇腹部で折り曲げて回転させるとスプリングジョイントに似た動きを観察できます。

 曲げの外側の蛇腹は伸びて内側は縮んでいます。これが滑らかに回転を伝えるポイントです。しかしヘリコプターのスウォッシュ・プレートのように機械的に連結されている場合は、この伸び縮みができません。

 このためブレードは下る方向では進み、昇る方向では遅れた位相で回転するため振動の原因となり、ひいては周辺の部品の強度や寿命に影響するので、ある程度自由に動かすためです。

 またスウォッシュ・プレートが中立であってもブレード自体の重さによる慣性力でエンジンの起動時や停止時、さらに回転数を増減する場合に駆動軸の回転に対して遅れたり進んだりする場合にドラッギング・ヒンジが機能しています。

 なお、このローター軸の傾斜による回転の変動はフラッピングやフェザー・リングの動きにも影響しており厳密にはチップ・パス・プレーンやフェザリングの角度(迎え角)も波打つことになりドラッギング・ヒンジはこれを緩和しています。

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 以上がヘリコプターのメイン・ローターの概要です。テール・ローターはどうしたって?
ツイン・ローターを対象にしていますので機体をローターとは逆方向に回転させるトルク反力はローターのいっぽうを逆回転すれば解決・・・ということで以下省略・・・です。 

 次回はヘリコのジャイロ効果やオート・ローテーションなどを概観してオスプレイとの比較に入ります。交互機体、もとい、乞うご期待。

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