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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1)

キネマ航空CEO オスプレイの再開の前に固定翼機を振り返る。」から続きます。

現代に続くヘリコプターの浮揚(ホバリング)はライト兄弟の飛行からほぼ4 年後の1907年11月13日に飛んだ(跳んだ?)フランスのポール・コルニュによる、と言われています。(本ページのリンクはいずれも英文ですが関連した写真や画像があります。下までスクロールして参照してください)

本当に浮揚したといえるかどうかは浮いている写真(地上の写真はあります)も残されていないのでホントのところは分からない。精密模型が、「かかみがはら航空宇宙科学博物館」にあるのでご覧の上ご自身のご判断を優先ください。

当CEOは時代を過ぎれば、「ライト兄弟もコルニュも自転車屋」であった、というそれだけの理由でこの説を信じたい。

さて、ヘリコプターの開発で最初に解決しなければならない問題は、回転翼(ローター)が回ると、エンジンを取り付けてある胴体を反対方向に回転させるトルク反力をいかに打ち消すかでした。(後年打ち消すのではなく、発生させない、考案もあるが成功していない)

この反力を打ち消すためには同じローターを逆方向に回転させるのが手っ取り早い解答の一つとなる。ただ同じといってもローターの翼型は回転方向に合わせて逆向きでなければならない。

コルニュのヘリコはこの方法の一つであるタンデム・ツイン・ローターと呼ばれる形式です。一つのエンジンと一本の平ベルトで前後のローターを逆回転させます。

平ベルトなんて今見ることはまずありませんが軸の配置とベルトの掛け方、プーリー径の大小で回転軸の向きや回転方向、回転速度を変えらる優れもので産業革命を支えた技術の一つです。

ベルトでは「すべり」がありますから前後の回転の同期は取れません。したがい、機械的に同期のとれたローターの回転面の一部分が重なっている現在のタンデム・ローターではありません。

サイド・バイ・サイドの違いはあれ、機械的に同期されていてもローターの回転面が重なっていないオスプレイの遠い遠いご先祖さまの形態的なDNAとなります。(オスプレイには一目で分かる工学上の別の理由があるだろうですって?その通ーり、でも飛行機もヘリコもロマンです)

さて、ヘリコの飛行には固定翼機の10倍程度のエンジン出力が必要であり、エンジン性能の向上を待つ間に様々なトルク反力の解決法が現れます。タンデム・ツインのローターを上下に重ねた同軸反転式やテール・ローター式などの開発者の名前は広く知られることなくヘリコの基本技術となりました。

これと並行しながら操縦機構が開発されます。まず、上昇と下降はエンジンの出力を操作することで可能です(以降はエンジンが必要な動力を出している前提での説明です。回転翼機で前提がぐずれれば即、墜落となります。・・・正確には機体の姿勢を変えてオートローテーションという技法が使える機体で操縦技術を駆使しなければ・・・ですが・・・。)

また、空気(流体)を介して行いますからローター(船だとスクリュー)翼の迎え角(ピッチ)を大きくして揚力を増加したりピッチを小さくして揚力を減らしても行えます。

これを、ピッチを是正(コレクト)するという意味でコレクティヴ・ピッチ・コントロールと呼びます。

固定翼機のプロペラでも速度によって効率の良い迎え角が変わりますから可変ピッチ機構が考案されますが実用化されたのは1930年頃でした。(閑話休題)

次に回転翼機が前に進むためにはローターを前傾させます。このためには、回転するローターの後ろ側の揚力(迎え角)を前側より大きくさせます。すなわちローターが一周する間にピッチを変えて、またもとのピッチに戻す、つまり周期的(サイクリック)にピッチを変えることで可能となります。

以上のヘリコの要となる動作をサイクリック・ピッチ・コントロールと呼びます。これには固定板と回転板からなるスオッシュ・プレートを傾けて行います。

コレクティヴ・ピッチ・コントロールはスオッシュ・プレートを傾けずに単に上下させることで行います。

最初にサイクリック・ピッチ・コントロールを装着したのはアルゼンチンからヨーロッパに渡ったパテラス・ぺスカラ侯爵(もとはスペイン人)の同軸反転型(複葉式)ローターのヘリコからと言われています。

ぺスカラ侯爵はこの概案を1916年頃に創り、出資者を募り1919年には一号機を試作したようですが、フランス軍の援助で実際に飛んだのは三号機で1923年だった。(飛行中の写真あり)

サイクリック・ピッチ・コントロール操作にはジャイロスコピック・モーションと呼ばれる現象が関係します。一般には「高速で回転している物体の軸は倒れない」として知られています。

絶対に倒れないわけではなく、回転軸を傾けたい方向から90度遅れた位置に軸を倒す方向に力(正確にはトルク)を加えるようにしてやる必要があります。

スオッシュ・プレートのサイクリック・ピッチ・コントロール機構で迎え角を変えてローターの前半分と後半分に揚力の差をつければこの理屈でローターは傾いて操縦が可能になります。

ぺスカラ侯爵のサイクリック・ピッチ・コントロールの機構は風車に見られる方法のようですが、具体的に操作する機構はわかりません。侯爵は初めから理解して操縦機構を設計したのでしょうか?・・・まさか、操縦桿を右に倒して前に進むなんてことは・・・疑問は尽きません。

ヘリコの話になるとカタカナが多くなりすぐに紙面がつきます。ヘリコにはさらに重要な機構の考案が必要となるのですが、それは次回ということで恒例の閑話休題に入ります。

現在のヘリコではスオッシュ・プレートの基本的な操縦操作は、右手でサイクリック・ピッチ・コントロール・レバーを操作し前後傾斜(ピッチ)と左右傾斜(ロール)の操縦をします。

いっぽうの左手はコレクティブ・ピッチ・コントロール・レバーを操作します。このレバーの先端にスロットルを操作する回転グリップを取り付けて昇降(アップダウン)をおこないます。

この回転グリップはアメリカのベル社の考案のようです。ただし出力への反応が遅いガスタービン・エンジンと電子制御による安定を持たせた機体になると独立したレバーを設けることもあるようです。こちらはフランスで始められました。

左右の偏向(ヨー)はフット・バーで行います。ツイン・ローター機種では二つのローターのサイクリック・ピッチを差動させて行います。詳しい話は「オスプレイ」のバック・ナンバーでご確認ください。

なお、テール・ローター式ではフット・バーでテール・ローターのコレクティブ・ピッチを操作します。(閑話休題)・・・で、次回の「回転翼機を振り返る(その2)」に移るのだー。

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