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2015年7月の4件の記事

2015年7月29日 (水)

キネマ航空CEOの 「シングルとタンデムのあいだに」 の巻 その 2

(承前)
シングルとタンデムの相違は(その 1 )の6番目の図の説明のように許容重心位置の範囲にあります。

H54e_work_space1abホバーリング状態で考えると考えやすい。

ローター・ブレードの先端が描く円をピッチ・パス・プレーンと呼びその円の面積(ローター・デスク・エリア)が固定翼機の主翼面積と飛行速度にあたる。

このときブレードは機体の重さで下からあおられた番傘のように反り返っている。

無風状態のホバーリングではローター・デスク・エリアが水平となった状態であり、成り行きでその中心軸の真下に機体部分の重心がくる。

このときの中心軸はローターの機械的な駆動軸と必ずしも一致はしない。

この辺りはローターを制御するスウォッシュ・プレートとコレクティング・ピッチ・コントロールの回をご参考に・・・(ずいぶん前になるなあ)

シングル・ローターの機体の静止姿勢は重心位置による成り行きで一義的に決まるのですね。上図はCH-53A-D 以前のタイプに相当します。(テール・ローターはメイン・ロ-ターに直交しておりトルク反力を打消して正常に機能している状態です。)

そこでシコルスキー社は考えました。(閃いたのかな) Ch53_hovering_balance

メイン・ローターのトルク反力を打消すテール・ローターの推力を上向きにしてやれば、力は小さくても梃子の原理でメイン・ローターの揚力をカバーして重心位置の許容範囲も広げられるのではないか !

それを実行に移したのが CH-53E でした。

シコルスキーのエンジニアが選んだのは20°でありました。三角関数(tan 20°)からはメイン・ローターのトルク反力に対抗する力の36.4%の力を揚力に回せそうです。

もちろん、増加するテール・ローターの仕事量はエンジンから供給してもらいます。いっぽうメイン・ローターの仕事量はその分減少します。機体の重さは同じですからね。

これらの力の釣合いを求めるには二つのアプローチがあります。

ひとつはエンジン出力から始まる二つのローターの推力からはじめる方法。これにはローター(プロペラ)効率という係数が独立して必要となる。

もうひとつは、とにかく自重に釣合ってホバーリングしているのだからメイン・ローターのトルク反力と釣合うテール・ローターに働く力の影響を中心に進める方法がある。

後者は発電機、油圧ポンプ、冷却ファン駆動、などなどプロペラ効率を含めてすべてをひとつの仮定で(まあ常識的な値に)収めることができるので今回はこちらで進めます。

まず、図中の用語から、( )内は単位

・ 動力回り
 PM
:メイン・ローター出力、PT:テール・ローター出力 (PS)
 NM:メイン・ローター回転数、:テール・ローター回転数 (rpm)
 RM:メイン・ローター・トルク反力、RT:テール・ローター・トルク反力 (kgf )
 (添字の M はメイン、T はテール)

・ 力と自重
 J:メイン・ローター・トルク反力(テール・ローターで釣合う) (kgf)
 K:テール・ローター・トルク反力(メイン・ローター・ローターで釣合う) (kgf)
 LM:メイン・ローター揚力、LMV:メイン・ローター垂直分力、LMH:同水平分力 (kgf)
 LT:テール・ローター揚力、LTV:テール・ローター垂直分力、LTH:同水平分力 (kgf)
 (添字の M はメイン、T はテール、V は垂直方向、H は水平方向)
 W:機体重量 (kgf)

・ 寸法関係
 C: ローター軸間距離 (m)
 E: メイン・ローター中心から重心までの距離 (m)
  θ: テール・ローター傾斜角 (deg)

各ローターのトルク反力は次式で計算できる。
 T=75P/(n) (kgf ‐m)・・・(a)
   P=(1/75)(2πn) T (PS) :仏式馬力の覚え方は角速度(1/s)にトルク(kgf-m)を掛けて75で割る。
 n = N/60 (1/s) 分単位を秒単位に換算
 P = (1/1.04) x shp 英国馬力(Hp)を仏式馬力(PS)にする換算式
 (アメリカの公称馬力は英国馬力を採用して軸馬力shaft horse power(shp)で記載し国際標準(ISO)単位のKwを併記するようだ。ちなみに日本は仏式馬力がJIS化されている)

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

ここから前半に述べた仮定の話になります。

まず、上図にはないエンジン出力 PE と図にある二つのローターに分岐された出力 PMPT との関係です。

PE は、まず補機類を駆動する PACC が差っ引かれてローターの回転数に合わせるギヤ・ボックスに入ります。ここで歯車の噛合損失などでさらに低下します。ここでは伝達効率ηGB という考え方を使います。つまり、二つのローターに利用可能な出力は P( M+T ) =ηGB ( PE - PACCと乗じて使います。

PACC といえども PE の一部なので kE = PACC/PE として P( M+T ) =ηGB ( 1 - kE )PE としておきます。

さらにここでテール・ローターに分岐され PT となるのですが、ギヤボックスからの伝達には等速ジョイントを備えたドライブ・シャフトを経てテール・ローターの向きに方向を変えるトランスファ・ギヤ・ボックスを通るためここでも伝達効率ηTF が生じます。

ここで γ= PT / PM テール・ローターの動力分担比を導入しておきます。ただ、ηTF がこの分担比の中に含まれているかどうかははっきりしません。しかし参考書の文意からすると含まれているようで、テール・ローターの実質馬力を PT とすると γ= (1/ηTF)PT / PM となります。

以上を整理しておくと

P( M+T ) =ηGB ( 1 - kE )PE = { PM + PT /ηTF } = (1 + γ) PM より
PM = ηGB( 1 - kE )PE /  (1 +γ)
PT = ηTF・γ/ (1 +γ)ηGB( 1 - kE )PE   

推定もしくは仮定が必要なとなるηGB ηTF γ についてはこのカテゴリーで何度かそれらしい数値を上げてきています。

補機類 PACC の消費動力は不明ですがどこかの文献から探してなんとかすることにして、PE から図の釣合式の計算に必要な PM  と PT が推定できます。

つまり必要なローター推力からローター効率を介してでなくても「浮いて釣合っているという条件だけ」でホバーリングに必要な馬力は推定できます。

次回は図の釣合式を整理して重心許容範囲となる e もしくはを E 計算して前回のチヌークと比べてみましょう。

ローター推力を計算せずに最大馬力で本当に浮くのか、ですって ? ・・・エンジンには、時間制限はあるけど最大馬力よりさらに大きい離昇馬力という強い味方があります。まずは信じましょ !

プロペラ(ローター)効率といってもエンジンが賄っていることには変わりはありません。

以下月跨ぎの(その3)に続くのココロだー(by 小沢昭一 & 読まずに死ねるか! by 内藤陳)

 

2015年7月15日 (水)

キネマ航空CEOの 「シングルとタンデムのあいだに」 の巻 その 1

(承前)・・・で、”あいだ”に入る前に”シングルとタンデム”の直接対決です。

出所はボーイング・ロータークラフト・システムズが2000年代の後半にインド空軍に提出したパワーポイントによるチヌーク売り込みのプレゼン資料・・・ミーリ、今では(カーモフと合併して)ロシアン・ヘリコプターズの Mi-26 vs CH-47 つまりはインド空軍の現行機種であるハローでは軽いので)ヘイローチヌークとの優劣です。

突っこみどころ満載の内容は軍高官と同席する技術スタッフ相手の発言を引き出すコミュニケーション・テクニック・・・かな?色付き、実寸は こちら のサイトから。

18_ch47vs_mi261.改良された搭載能力

以下の(内は当CEO の感想で元の説明文ではありません)

シングルローターではテールローターに使われる10-15%のエンジン出力がツインローターでは搭載能力に上昇限界高度さらに飛行コントロールに使える。

(ことばでは正しいのだがヘイロー の10-15%の矢印の向きはおかしい。

前々回の 同一縮尺による比較 で示すように ヘイローチヌーク の二回り以上大きいがここではキャビンの大きさはほぼ同じになっている・・・)

2.風の方向に関わる運行能力

チヌークは、
A.45ノット(風速では23m/s)の横風や追い風での作業で制限される(流される)ことはない。

ヘイローは、
B.強い横風でのホバー作業は制限される。
C.比較的弱い追い風でもホバー作業や操縦は危険。

チヌークには他と比べられないホバーや着陸時の安定性の存在を示唆している。

3.強化された着陸進入能力

運航基準をいっているのか操縦方法を言っているのかよく分からないがチヌークのほうが高高度からホバーできて垂直下降に入れるということらしい。ヘイローは最終段階でも前進速度が必要??)

(ホバー能力自体は積載能力の優劣も関係する。ヘイローの最大離陸重量はチヌークの2倍以上ある)

4.より小さいローター・ブレード

小径のローターのほうが狭い地形での離着陸が容易。チヌークは後部ドアや右のサイドドアで人員や貨物の搬入搬出が効率よくできる。

(この図ではローター・ブレード長の縮尺率は同じのようだ。

地上ではチヌークの前後のローターには高低差があり、どう見てもフロント側は斜面との間隔はほとんどないようだけどね)

5.より大きい後部の積載・搬出作業能力

シングル・ローターのテール・ブームが邪魔になる。テール・ローターが回転していると危険である。タンデム・ローターが回転していても作業の邪魔にならない。

チヌークの作業写真ではローターを止めており、一言でいえばトラックがよりカーゴドアに近寄れる程度の差。

ちなみに図のトラックの車高ではチヌークだって積載できない。写真を使った錯覚誘発を意図してる・・・?)

6.重心の許容範囲

チヌーク は二か所のリフトで 4ft (1.2m)
ヘイロー では一か所のリフトなので 2 ft (0.6m)

 - 積載の柔軟性
 - 速やかな搭載作業
 - 吊り下げやロープ作業への影響が少ない

(これはその通り。タンデムヘリコの存在理由そのもの)

7.ダウンウォッシュの大きさ

チヌーク 60 MPH(26.8m/s)
ヘイロー 88 MPH(39.3m/s)

スリング作業の地上要員の安全性とリスクといった言葉の使い分けがされている。

(これは3.と表裏の関係であり固定翼機の翼面荷重に相当するローター回転面荷重の比較に他ならない。

チヌークの場合は各ローターに2分された荷重と小さいローター回転面積との関係になる)

8.チヌークの高高度におけるあらゆる地形対応能力

基本は上昇限度の違いと後部の貨物扉の形状の違いによる半着地状態の運用性のアピール。

(インドは世界有数の高山地帯を中国との間に抱えている)

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2012年の記事では、売り込みが功を奏したのか、IAF (Indian Air Foece)は航空機調達を従来のソ連偏重からアメリカへも広げつつあるようです。

もちろん冷戦後の新興プレイヤーとしての天秤の支点を探りながらですが・・・

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以上は用途を含めた機種選択権のあるユーザーに対するプレゼンでの優劣比較といえます。

技術的な比較となれば積載能力が同等の、たとえば、C-53 シリーズの中からえらばれた機種が対象になります。でもペンタゴンからプレゼン資料が漏れてくることはないでしょうね。

axlegeeksのサイトが行っているヘリコ・フリークが投票するCH-53K vs CH-47D/F比較アンケートでは 3 : 4.3チヌークが優勢のようです(本記事出稿日現在)。なお、CH-53K キングスタリオンはまだ就役していません。新設計の価格は高騰していくようですね。

2015年7月12日 (日)

キネマ航空CEOの 「あんた、ヘリコのなんなのさ」 の巻 その 2

あんた、ヘリコのなんなのさ」 って「なんなのさ?」 と問い返されましたが・・・宇崎竜童氏の曲(1975)もさることながら阿木燿子さんの歌詞が断片的によみがえったようです。

たぶんヘリコと固定翼機の良いとこどりとしたと言われるオスプレイに聞いてみたい潜在意識だと思います。燿子さんの詩をなぞれば「あんた、ヘリコに惚れてるね」で終わるのですが。

で、今回も歌謡曲のもじりで、「シングルとタンデムのあいだに」ですけど、その間にあるのはCH-53E です。

(承前)
さて 、シコルスキーCH-54  CH-53D  シースタリオン のベースとなり、さらに CH-53E  スーパースタリオンに変わります。スーパーになってからもすでにアラフォーの齢(よわい)を重ねておりますね。

ある意味ではシコルスキーの軍需部門の存続にために米海軍によって維持されてきた機体ともいえます。スーパースタリオンからキングスタリオン CH-53K へのサイズアップも行われるようですがどうなることか・・・

さて、リンクを張ったCH-53E の三面図を前回の系統図の側面と比べてみてください。系統図のほうはスポンソン(胴体側面の張り出し部)の大きいMH-53E と呼ばれる機雷掃海用途の機種です。スポンソンは多くの場合ガソリンタンクや引き込み式主輪の格納スペースになります。

ちなみに気密式のガソリンタンクが大半を占めるスポンソンは密閉式の機体とあいまって着水時のフロートとして機能しています。

往年のボーイング314や一連のドルニエなど翼端にフロートのない飛行艇を思い出します。どちらかに傾く翼端フロートがない分、水上ではどっしりと安定感があります。その代り空中ではいかにも鈍重に見えてしまいますね。見た目ですけど。

さて、CH-53D の図面と比較するとCH-53E はメインローターの直径が 22m から 24m と 2m 拡大されブレード数も 6 枚から 7 枚に増えています。

またテールローターのブレード数は 4 枚と変わりませんがその直径は 4.9m から 1.2m 拡大されて 6.1m になりました。そしてブレードの干渉を避けるためにテイルブームを含む胴体は 1.9m 延長されました。

CH-53E は先行していたCH-53D を含めて通常では垂直に立つテールローターの回転面が進行方向に向かって左に 20°傾斜している点がヘリコに関わる最大に特徴となっています。

テールローターはヨーのコントロールに使われますがCH-53E では機体に対しプッシャー・タイプの配置です。

CH-53E では、他用途(武装侵攻、掃海、空中給油、兵站輸送等)に応じたエンジンの出力の増強に加えて駆動系の冗長設計としてエンジンを 2発 から 3発 への変更が要求されました。3,925shp x 2 から 4,380shp x 3 へ、言ってみれば大出力/大量燃料消費をともない民間用途からはなれていきました。

その前にフェザー、フラップ、ラグのヒンジを七組持った複雑なローターヘッドや入力に見合ったギヤボックスとその陰にあるNo.2エンジンの冷却など基本レイアウトのバランスが崩れているようにも感じられます。

CH-53 系列は米国の軍用呼称ですが民間型はS-65 となります。ただし、社内記号でもあり輸出仕様にも使われており純民間機仕様の生産機数は分かりませんでした。

ちなみにマリーン・ワンと呼ばれる歴代の米大統領機仕様のヘリコはシコルスキー社から選ばれていましたがCH-53 系列から選ばれることはありませんでした。

さて、本題のCH-53Eで採用された20°傾斜したテールローターのはなし、「シングルとタンデムのあいだに」は次回に・・・乞うご期待 !

2015年7月 5日 (日)

キネマ航空CEOの 「あんた、ヘリコのなんなのさ」 の巻 その 1

久しぶりに読み返すと、CH-47 チヌークのドライブ・トレーンから入ることになっていたのですが、すでに書いていたことをまとめるだけなので省略します。だいたいこんな図になるはずでした。Drive_shaft2また以前に予告していた救難用ヘリコに使われるローター直径15~20mクラスの準大型ヘリコとの比較も後回しとして、今回は現在運航されている大型ヘリコをベンチマークとして検証してみます。

さて、そのサイド・バイ・サイドオスプレイのライバルには現役として活動中の米のタンデム・ツインチヌークシングル・ロータースーパー・スタリオンの2機種。それにロシアン・シングルのヘイローの1機種としました。(表は左クリックでポップアップします)
H-53Eのローター回転速度の誤記を訂正しました。(2015.7.9)

Spec_of_super_helico
オスプレイを除きローターの直径が20mを越えています。チヌークの場合は合計面積からの直径換算で(1.4倍して)25.9mとなりクリアしています。

EUではローター径で20mを越える大型機はないので当CEOの独断と偏見でエントリーからはずしました。

オスプレイの等価径は16.4mなので準大型機となるこのクラスと同じなんですけどね。

主な寸法諸元は下記の図面から得ました。

・ ベル ボーイング V-22 オスプレイ (1)(2) 
・ ボーイング CH-47  チヌーク


・ シコルスキー CH-53E スーパースタリオン
      (参考) CH-53D シースタリオン
・ ミル Mi-26 ヘイロー (1)(2)

いずれも、現在運用されている大型ヘリコの型式別の代表です。

オスプレイはサイド・バイ・サイドかつコンバージョン型の代表、チヌークはタンデム型の代表です(いずれもライバルはいない)

スーパースタリオンはシングルローター型でかつトライ・エンジン、加えて傾斜テール・ローターでの最強のエントリー。同じくシングル・ローターのヘイロー(NATOのコード・ネーム)は軍用中型輸送機ロッキード C-130 ハーキュリーズに匹敵するビッグ・リフター。(いずれもヘリコの基本構造のデファクト・タイプだが、いまのところ追随機はない)

オスプレイはというと開発に16年を掛けていることになる。あとは生産機数がどこまで伸びるかに興味が移る。(日本は奇特にもその間の開発費用の分担をするつもりのようだ)

これらの大型ヘリコの開発はかなり古い。比較的新しいスーパースタリオンも、前身のシースタリオンで見ると1960年代で半世紀前の基本コンセプトといえる。生産数は突出したチヌークを除き300機あたりが需要の限界のようである。

Huge_helico_of_the_world_rev

上図(図上の左クリックでポップアップ)はそれぞれの大型ヘリコの開発年次とサイズを並べたもの。(ピクセル単位で縮尺をそろえた寄せ集めです)

1950年代に入ってヘリコのタービン・エンジン化や双発エンジンの出力を統合するギア・ボックスの開発が進んできました。

ソビエトがミルMi-6 で先行していたのは、軍用途もありますが、冬季には人を拒む未開のツンドラやタイガ地帯では交通網の整備や維持がむつかしく国土経営には大型ヘリコは必須の運輸インフラとなりえるからでした。

1986年のチェルノブイリ原子力発電所の事故ではインフラの一端を担った Mi-6Mi-8Mi-26 などの大型ヘリコの一部は発電所上空での鎮静化作業で浴びた放射能汚染のために現地で廃棄処分となっている。いっぽうではそれらの機の搭乗員の被爆やそれに伴う被害については日本国内ではほとんど報道されていないようだ。ちなみに Mi-8 のローター径も20m越えの大型機です。

クレーンヘリコと呼ばれるカテゴリーに入るミルMi-10 では資材と同時に要員の輸送のための客室を備えていました。

ちなみに当キネマ航空のエアポート・ツアーで上映している「エアジャック 907 」では Mi-10K がクレーン作業用の格納式ゴンドラを下げた状態で背景に登場します。

映画の舞台はギリシャとトルコの係争地である1990年代のキプロスですが、こちらのコラムに書いたギリシャの歴史は基本的に今と変わらぬ指導者不在なのか国民不在なのか分からぬ混乱です。軍政のなごりが今も跡を曳いているいるのですかね。

(といったことでキプロスの現在はギリシャのデフォルト騒ぎに巻き込まれえらい目に会っていますので書き換えが必要なのだけど当CEO は今のところ手をつけられない。その辺は斟酌して読んでくださいね)

さて、クレーンヘリコではアメリカはシコルスキーCH-54 で追随しました。形態としては頭と背骨と尻尾だけでお腹にあたるキャビンはコンテナにして必要ならば背骨に取り付けるという徹底した軽量化が図られました。吊り下げ作業のオペレーターが乗るゴンドラは鰓(えら)のあたりに後ろ向き固定されて(上は背骨が幅広のひさしとなっているが)下方視界は良い。

アメリカは広いといっても中緯度の気候であり空港などのインフラの整備はソビエトより格段に有利であります。したがい超大型の輸送ヘリコの必要も需要もほとんどないといえます。

大型のクレーンヘリコとしては送電線の鉄塔の設置やファイヤーファイター(消火ヘリコ)などに退役したCH-54 が使われているようです。 追記:加えて1992年には型式認証を含めた製造権を引き継いだエリクソン エアクレーン社による改造および新造機も同社により運用され販売及びレンタルとメインテナンスが継続されている。民間型の型式名を継承して今ではS-64F になっているようです。

民間の輸送で超大型の回転翼機が必要となれば Mi-26 、固定翼機であればアントノフ An-225 ムリア をチャーターしたほうが経済的でもあります。日本にも飛んできたことがありました。(閑話休題)

で・・・この CH-54 CH-53 シースタリオンの原型となります。

(つづく)

ご参考
その他のヘリコのサイズと比較したい方は こちら 。
helico scale comparison で画像検索して飛びつくと Google では遮断される危険なサイトがあります。ご注意を ! !

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