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2014年1月27日 (月)

キネマ航空CEO オスプレイの再開の前に回転翼機を振り返る。(その2)

キネマ航空CEO オスプレイの再開の前に回転翼機を振り返る。(その1)」と同時公開です。そちらから読んでくださいね。

さて、単葉のブレリオXIがドーバー海峡を渡ったときはアンザニ空冷三気筒(W に近い星形)25馬力、機体重量は300Kg 。

これに対しコルニュのヘリコは蒸気冷却90°V型8気筒アントワネットエンジン24馬力、機体重量260kg 。

馬力当り荷重に直すとそれぞれ12kg/馬力と10.8kg/馬力となる。

コルニュのヘリコは粘り強そうなV8エンジンではあるがベルトの効率などからするとせいぜい人の手を借りずにジャンプした程度だったと思われる。

同年、コルニュの少し前にブレゲーが同軸反転型のヘリコで浮き上がったのだが、助手が安全のために支えていたようで記録上はコルニュとなった。(ということでアメリカにも先行例があり、ヘリコの初飛行についても一言あるようだ)

いずれにせよヘリコは操縦の前にエンジンの出力の問題が立ちはだかっていた。

1923年に飛んだぺスカラ III ではイスパノ・スイザV型8気筒180馬力、離陸重量1000kgだった。馬力当り荷重は5.6kg/馬力、馬力のままで比較すると7.5倍となっている。ぺスカラはサイクリック・ピッチ・コントロールを採用し機能を成立させた最初の人物だった。

ようやくエンジンがヘリコプターの構想に追いついたが、その前に風車として回転することで揚力を出せるローターを主翼として推進力をプロペラに分担させるオート・ジャイロ(gyro)が考案された。なお、オートジャイロの発明者の命名はオート・ジロ(giro)だった。

発明したスペイン人のフアン・デ・ラ・シエルバが離陸時に横転する苦難を克服して、1923年1月17日に初飛行を成功させたシエルバC.4で原理的な完成をみた。

オートジャイロではエンジンでローターを駆動していないためトルク反力は発生しない。垂直離陸は基本的にできない。前進することで浮揚しており機体の方向安定は水平と垂直尾翼の矢羽根効果で行う。

いわばブレリオXIの主翼をローターに変えて、そのローターを取り付けるローター・ヘッドを前後左右に傾けてロールとピッチを受け持ち、垂直尾翼の方向舵でヨーを受け持つ操縦装置であったが初期のローターヘッドを傾ける機構はよく分からない。

ただ、ぺスカラの採用したサイクリック・ピッチ・コントロールではなかったようだ。つまりジャイロ効果を見込んで位相をずらした操縦装置ではなく、機体に固定された支柱にフラッピングとラギングの二つのヒンジ(蝶番)をもつローター・ヘッドのようだ。

シェルバが1920年のC1から1922年のC3までに直面した最大の問題は、ローター・ブレード(羽根)のピッチは全周で一定であるため前進速度を早くするとローターの回転方向が進行方向に一致する半円と逆行する半円とでは、速度の二乗に比例する著しい揚力差が生じて離陸時に機体が横転することであった。

その横転を避けるシェルバの考案は、ローター・ヘッドとローター・ブレードのつなぎ目に上下に回転するフラッピング・ヒンジを入れて自由に動く機体をローターの下にぶら下げる方法であった。

Db0321182c254275bf084d2754800ec7写真は現在のオートジャイロ(ジャイロコプター?)のローターヘッドの一つ。◆セスナ172操縦訓練日記さんのブログから借用しています。

二つの操縦用のヒンジとそれを操作するロット、ローターを自由に傾けるヒンジの構造に加えてそれぞれのストッパーもよく分かる。

ヘッドの横についている歯車はローターに始動回転を与えるフレキシブルシャフトで駆動されるのか?何しろ、当CEOは現物を見たことがない。

ただし写真のローターのヒンジは初期のベル・ヘリコプターに見られるシーソー型と呼ばれる形式でシェルバC4のオリジナルとは違うようだ。

1934年のシェルバC.30になるとローターヘッドはかなり複雑で、ローターの折り畳み機構や後で述べる跳躍離陸(ジャンプ・テイクオフ)の機構までついている。(それまでにシェルバはフラッピング・ヒンジとラギング・ヒンジに到達していた)

現在のヘリコプターのローターヘッドの構造では lamaマニアさんいろいろなメインローターヘッド1 2 がすごい。ローターヘッドを構成するヒンジやダンパーの原理的な構造は2の一番下にあるアエロスパシャルSA315B ラマの写真が分かりやすい。

Shrink_img_1013388_32499336_3 lamaマニアさんのご承諾を得て転載と記事を追加します。(2014.01.31)

手前(写真の上)のローター・ブレードの一番奥(隣のブレードのほうがわかりやすい)がフラッピング・ヒンジ、手前側にラギング・ヒンジ、スウォッシュ・プレートからのロッドにつながっているのがフェザーリング・ヒンジ。その他のダンパーやストッパーもついている。

ヘリコプターのブレードはフェザーリング・ヒンジでのみでコントロールされて他の二つのヒンジは成り行きで位置を決めていることがよく分かる。

あとで述べるヒンジレス(またはリジッド)・ローターの写真も同ブログにあります。 lamaマニアさん、ありがとうございました。

さて、ローター・ブレードは揚力と遠心力(もちろん機体の重量も含めて)を釣り合わせているので風であおられて壊れかけた番傘のようにはなるが、ジャイロプレーンでは水平状態で飛行中の機体を背後から見るとお皿状のローター回転面はローターの回転方向によって右か左に傾いて飛んでいる。

これで翼と胴体が別々に動くことはできることになりました。あとに述べるフラッピング、フェザーリング、ラギングも鳥の飛行に見られる翼の骨格と羽根の動きになぞらえています。(2014.02.19追加)

このブレードが回転しながら上下に羽ばたくように動けるヒンジをフラッピング・ヒンジと呼び、二つの理由でヘリコプターにも採用される。

一つは固定翼機のプロペラの根元の太さと比べるとよく解る。かなりの太さでエンジンの馬力を受け止めている。

ヘリコのローターをプロペラとして設計すると、機体重量を直接受け止めるためには同じクラスの固定翼機の10倍の馬力を受け止める太さになってしまう。これをヒンジによって曲げモーメントを消してプロペラに比べると細い基部ですますことが可能になっている。

もう一つは低速飛行時に受ける突風などで生じるローターの回転位置による突発的な揚力のアンバランスを自律的に吸収する効果をオートジャイロから継承している。

さて、コレクティブ・ピッチ・コントロールのできるローターヘッドにはブレードのピッチを変えるヒンジ(見た目は迎え角を変える回転軸)がある。これをフェザーリング・ヒンジと呼ぶ。

これは、固定翼機のプロペラにも採用されているが実用化されたのは1930年代に入ってからとなる。エンジン停止時にプロペラの風車抵抗を最小(揚力をゼロに近づける)にする状態をフル・フェザーと呼ぶことが知られている。

さらにブレードの回転方向に(ブレードの角速度が変化できる)遊びを持たせるラギング・ヒンジがある。

ヘリコではローターを回転させる軸とサイクリック・ピッチ・コントロールで傾いたローター回転面の軸は角度を持って交差しておりブレードが一周する間に起こる回転速度(角速度)の変化を吸収する目的がある。

同時にそれなりに重いローターを回し始める時の負荷を吸収する目的もある。

付け加えると、各ヒンジにはストッパーとダンパーが付いており、たとえば地上のヘリコのブレードの先端が地面についたり、前後のブレードが接触するようなことはない。

以上のフラッピング、フェザーリング、ラギングの三つのヒンジの付いたサイクリック(およびコレクティブ)・ピッチ・コントロールのできるローターヘッドの開発でヘリコのブレーク・スルーの方向が定まった。

もう一つのブレーク・スルーはエンジン回転を減速するギヤボックスの出口に回転数が一定以上にならないとローター・ヘッドにつながらないようにする遠心クラッチを設けている。

参考までにオートジャイロでもコレクティブ・ピッチコント・ロールを可能にしてローターの揚力をゼロの状態でエンジンの後ろに設けたクラッチをつなぎローターにつながるシャフトを回転させ、ローターの慣性が十分回転エネルギーを蓄えたところでクラッチを切り、ローター・ブレードに(フェザーリング・ヒンジで)迎え角を与えると機体が浮揚する。

このローターの慣性で浮揚した間に推進エンジンを全開するとオートジャイロとして前進飛行が始まる、という跳躍離陸(ジャンプ・テイクオフ)と呼ぶ垂直に離陸ができる機体も開発されている。(初期に開発された多くのヘリコがエンジンの力がなくてピョン・ピョンと跳躍していたのも無駄ではなかった・・・か? 閑話休題)

ヘリコに用いる遠心クラッチは、エンジンの始動時に重たいローターを回さなくてもよく、ローターへのつながりも緩やかになる。また飛行中のエンジン停止時にはエンジンとローター・ヘッドを自動的に切り離しオートローテーションを可能にする装置でもある。

現在はエンジン側の駆動速度がローターの回転速度より遅くなるとローターが空転するワンウェイ・クラッチをローター・ヘッド真下に設けた機構に置き換わっている。

ただ、オートジャイロの飛行からわかるようにローターの慣性に貯えるエネルギーが小さいとオートローテーションは困難になり、ブレードを軽く設計するヘリコの設計ではオートジャイロから期待されるようなオートローテーションは無理である。もちろん風車とプロペラの翼型設計の違いも大きい。

さて、これらを組み合わせて最初の現代ヘリコ(固定翼機でいえばブレリオXI)になったのは1935年に初飛行したサイド・バイ・サイドのツイン・ローター式フォッケウルフFw61であり、1939年に初飛行したテール・ローター式シングル・ローターのシコルスキーVS-300であった。

飛行機では4年で終わった雌伏の期間がヘリコプターでは実に38年必要であった。固定翼機の両大戦と同様にヘリコは朝鮮とベトナムの二つの戦争をへて民間での実用性が確立した。

その中でヘリコで避けられない機械的、空力的振動のブレーク・スルーをすっとばし、同軸やV軸交差のツインローターやシングル・ローターのアンチトルク機構のフィネストロンもノーター・システムもどこかに置いといて、
以降の重要な革新技術は、というとやはり、ローター・ヘッドでヒンジの替わりに金属や複合材料のたわを使ったヒンジレス(またはリジッド・ローター・システムである。

フェザー、ラグ、フラップの三つのヒンジを完全に取り払ったのは1959年に初飛行したテール・ローター式シングル・ローターの ロッキード・カリフォルニア CL-475 研究機が最初であった。

これで、ヘリコの宙返りも可能になり機動性も向上するが、最大の利点はメインテナンスの容易性であり、空力による自立安定性は低くなるが自動安定装置との併用と一部にはヒンジを残すセミ・リジッド式が主流になっている。

こうして固定翼機と回転翼機の開発を振り返ると、重要なメカニズムで固定翼機はヒンジレスからヒンジ式に、回転翼機はヒンジ式からヒンジレスに変わる正反対の進化が興味深い。

固定翼機もステルス性とかでヒンジレスになるのだろうか?

さて、もう少しツイン・ローターのヘリコの歴史まで振り返りたいが後回しにして、次回は「オスプレイのXXについて考える」、なのだー・・・

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注記 ヘリコの歴史はこれほどストレートではありません。ここで代表的な機名に付けたリンク先(ALL THE WORLD'S ROTORCRAFT)はヘリコの歴史の宝庫です。ぜひご参照ください。

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