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2014年9月12日 (金)

キネマ航空CEO オスプレイとチヌークの駆動系を比べる。(質問付)本当に同じなの ?

【先出し解答】 出題より3日経過しましたので追記・・・(2004/09/15 )

図面は こちら

タンデムチヌークでは、正常時は2台のエンジンの出力を結合ギヤボックスにいったんまとめて前後のドライブ・シャフトはそれぞれにエンジン1台分の出力を各々のローターに伝えて駆動します

・・・片側のエンジンがフェールすると正常な側のエンジン出力の半分を前後のローターに伝えます。

サイド・バイ・サイドオスプレイドライブシャフトは通常のフライトでは翼の中央にあるギヤボックスにつながる環境機器(空気を乗員の呼吸用酸素と防火用の窒素に分離など)などを駆動するための発電機、空気圧縮機、作動油圧源など ACC (補機)への動力を伝えるのみで、相互のローターへの駆動力はほとんど伝えていません

 言いかえれば気象条件や飛行条件などで左右のプロップローターに掛かる負荷が変化するとローターの制御と一緒に相互のエンジンがローターが必要とする出力を補完することはあり得ます。機械的につながっていますからね。

基本的にエンジンからプロップローター・ギヤボックスを介して直接プロップローターを駆動 しています。

・・・もちろん一方のエンジンがフェールすると残ったもう一方のエンジンの半分の動力をドライブシャフトを介してフェールしたエンジンの側のプロップローターに伝えます。

これは固定翼機モードでも重要な機能です。フェザーリングにしてもカフスを含めたネジリ下げで抵抗の大きいプロップローターを空転させながらの飛行ではそれこそ危険ですからね。

同じ飛行するにしても固定翼機モードの必要動力はヘリコ・モードのそれの5分の1から10分の1ですから、翼面積は小さいとはいえ 浮揚速度 以上(水平飛行および半径の大きい旋回が可能)の速度は維持できると考えられます。

その分、プロップローターを破損させる前提の着地は大変かも。開発時のオスプレイの構造変更は機体の前部と下部のクラッシュ・ゾーンの拡大と補強だったようだ。

以下、次回に続きます。(近日公開)
その前に、下の本文も読んでおいてくださいね。

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涼しくなってきたので、またオスプレイのはなしに戻ります。(キネマ航空の増便をサボっていつまで続くのかねー)

Osprey_fixed_wing_mode Osprey_helico_mode

左の図はオスプレイのヘリコプター・モードの駆動系(ドライブ・システム)の概観図。例により、左クリックでポップアップする・・・はず。

右の図は固定翼機モードで左翼側の詳細を示す図となります。右翼側は直訳すると「翼中央歯車箱 ( Mid Wing Gear Box ) 」をはさんだ鏡面対称となります。

左右のプロップ・ローターをドライブ・シャフトでつなぎ、いっぽうのエンジンが出力を失った場合に片側にエンジンが補完します。(といっても双方のプロップ・ローターの出力は半分になるけど)

そのドライブ・シャフトの両端に設けられたジョイントと呼ばれる一対の継手が出力元、入力先の歯車箱の取り付け誤差を吸収します。

一般的にドライブ・シャフトは、長くなると分割されて、個々のシャフトの共振振動数(危険回転数とも呼ぶ)が自身の回転速度(どちらも、時間あたり何回、で数えます)に重ならないようにします。

分割する理由を大ざっぱにいえば、長い軸は共振振動数が低くなります。弦楽器の音程は、弦が長ければ(重ければ) 低く、短ければ(軽ければ) 高い音が出る、と同じ理屈です。

なにしろ共振現象は減衰させるものがなければ理論上では無限大の大きさになり、構造物を簡単に破壊させてしまいます。

機体やドライブ・シャフトなどの構造物に対して作用すると考えられる振動数や(この場合はドライブ・シャフトの)回転数より高い共振振動数を持つようにそれらの構造物を設計します。(厳密には音のオクターブと同じで最も低い共振振動数の倍数の振動数で共振するのですがここでは踏み込みません)

(とはいえ、ジェット・エンジンのような高速回転に対して、より高い共振振動数を持つ構造物の設計はできないので、ジェットのタービンのような回転体は完全なバランスをとり、滑らかな回転をさせることが必須です。

でも共振振動数を低く設定すれば、外部から加わるゼロから始まる振動数は必ず構造物の共振振動数を通過することになります。したがいその共振点を速やかに通過する運用上の回避が必要です・・・閑話休題)

さて、分割されたシャフトとシャフトの間にもジョイントが必要です。なお、図には明記されていませんがジョイントの側にはシャフトを支持する軸受を設けて、回転するシャフトが暴れないようになっています。(この構造は自動車、特に四輪駆動の乗用車や大型のトラックのドライブ・シャフトで使われています)

航空機も自動車と同じで、ほとんどの部品が専門メーカーの製品の寄せ集めです。オスプレイの分割されたドライブ・シャフトは下図のようにグッドリッチ社のジョイントでつながっています。(グッドリッチといえばアメリカ車のタイヤを思い出されるかもしれませんが、名前込みでミシュランに売却されており、今は航空・宇宙産業のユナイテッド・テクノロジー社の一部門です)

Osprey_drive_shaft

このジョイントは、つないだ軸に角度が付いていても等速で回転速度を伝達できるダイヤフラム式等速ジョイントと呼ばれます。

オスプレイでは主翼の前進角に合わせてシャフトを這わせておりドライブ・シャフトにも前進角が付けられており、少なくとも中央部ではシャフトに角度が付いた状態でジョイント結合をする必要があります。

使われる等速ジョイントの原理は、喫茶店でのデートで出てくる飲み物に 2 本付いてくる、吸い口を曲げられる蛇腹の付いたストローと同じです。

角度をつけていっぽうの端を回してみてください。反対側も同じ速さでまわります。・・・と、とりあえず思ってください。(余談ながら自動車でも等速ジョイントは使われますが形式は異なり、完全な等速での伝達はできません)

もちろんオスプレイのジョイントは蛇腹ストローのように大きくは曲がりません。単体ではせいぜい数度から、きつい角度では複数枚のダイヤフラムを一体化したジョイントが使われます。

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次に、チヌークのドライブ・システムの概念図です。冒頭のオスプレイでは(当CEOが手抜きをしたため)二枚となっていた図が一枚の図に納まっているな、と考えてください。

Drive_shaft1

チヌークの前方ローターを駆動する長いシャフトも分割式シャフトが採用されています。したがいジョイントが必要となります。

しかしオスプレイに使われたグッドリッチのジョイントは採用されていないようです。オスプレイとは違いほぼ一直線上になっており必ずしも等速ジョイントの必要がないのかもしれません。チヌークが開発された時点では信頼性のある等速ジョイントは実用化されていなかったための駆動系の配置と言えます)

なお、いうまでもありませんが、チヌークは、上から見ると前後のローターの回転面が重なっており、しかもフラッピング機能で上下するローターのブレードが互いに干渉しないように、いっぽうのブレードとブレードの間にもういっぽうのブレードが割り込めるようにドライブシャフトで回転角の同期をとる必須の機能があります。

ローターが重なっていないオスプレイではドライブ・シャフトでのローター回転角同期機能は、通常の運航時に必須というわけではなく、格納時にローターの定位置を決めるために有用な機能といえます。

つまり左右に離れたローターが飛行時に受ける異なる風速の補正やエンジン・フェールに備えたフェール・セーフ機能の一部です。

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「ヘリコプターとしてのオスプレイチヌークの相違は、ローターの配置が主となる進行方向に対して横と縦だけの違いしかない」、と説明されますが「駆動系の設計思想はかなり異なる」といったほうが正しい。

ここでお仕舞としようと思ったけれど、そっけないので次の一文を付け加えておきます。

さて問題です、どこが、どう、異なるかわかりますか ?

近日中に、この続きをもう少し追加します。また来てくださいね。

乞う、ご期待  !

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