【大人の航空教室】ヘリコプターの仕組みを解説！
【書き起こし】【大人の航空教室】ヘリコプターの仕組み
(00:01) [音楽] みなさんこんにちはメカのロマンを探求 する会今回のお題はこれ ヘリコプターの仕組み 空を g 座に飛ぶ乗り物といえば ヘリコプターですよね飛行機とか グライダーと違って飛ばリングという空中 静止画可能です a コプターが飛ぶ原理は一見単純そうに 見えて実はとても複雑なんです ということで今回はヘリコプターについて 調べてきましたのでご紹介したいと思い ます ヘリコプターとはまずヘリコプターがどう いうものであるのか見ていきましょう ヘリコプターはこんな見た目をしていて 航空法的には回転翼機という分類に含まれ ており 読んで字のごとく回転する翼を持つ航空機 です 胴体があってその上に大きなプロペラの ようなメインローターという回転する翼が 付いています 一方の飛行機は翼が動かないため 固定翼機と言われています 漢字で書くとものすごくわかりやすいです
(01:05) よね このメインローター 一見するとでっかいプロペラを縦に置いた だけのように見えるのですが実はプロペラ とは全く異なる構造しています メインローターは風が吹いたりすると上下 にグァングァン動いて一見強度がなさそう に見えるのですが この柔軟さがヘリコプターにはとても重要 になっています これがないとヘリコプターの実用化はされ ていなかった可能性が高いです メインローターの配置については小型機は 一つのタイプが圧倒的多数ですが機体が 大きくなれば タンデム式やサイドバイサイドが二重反転 というタイプも出てきます タンデムであれば ch 47とか バートルが有名ですよね そしてそのメインノートは動かすのが エンジンです 今時のヘリコプターはターボシャフト エンジンが主流でこれはガスタービン エンジンの一種です 同じガスタービンでもターボジェット エンジンは作り出した燃焼ガスを排気
(02:09) ジェットとして後ろに出してその反力で 推力植えるのに対してターボシャフト エンジンは燃焼ガスなエネルギーをパワー タービンによって回収して回転力として 取り出すエンジンです 昔は respro エンジンの縁もそれ なりにいて ものによっては星型エンジンを積んでい ましたが現在ではパーの折り目小型軽量な ターボ車付10人が圧倒的油税です レシプロエンジンのほうが安価で燃費も 良いのですがそれを差っ引いてもターボ シャフトエンジンのパワーウェイトレシオ は魅力的なんですね がスターリンエンジンとヘリコプターは だいたい同じ時期に生まれているので レシプロの縁が主力で活躍していた時期は 短いと言えます 飛行機の場合セスナ172やセミナーの クラスの小型機はレシプロエンジンが主流 なのでエンジンからして飛行機とヘリは 違うんですね そして期待の後ろについているのがテール ローターです メインローターを回転させるとどうたよう 逆方向にますトルクが発生するのでそれを
(03:15) 打ち消す目的でついています テールブームと呼ばれる尻尾の中を シャフトが通っていて メインローターエンジンと直結されてい ますこれはもちろん間に トランスミッションが噛んでいます 写真は sa 315 b という縁で テールブームにスキンがないのでシャフト がむき出しに見えますよね このヘリ見た目はとても古めかしいのです が高高度でのファイリングや もた荷物を運ぶのが得意な機体で世界記録 も持っているような高性能な縁なんです メインローターはどんなヘリコプターでも 持っていますがテールローターを場合に よってはついていません ch 47のようにメインローターを2つ 配置すればそれぞれのトルクを打ち消し 会えますし モーターというタイプの縁はコアンダ効果 +空気の吹き出しによってメインローン他 のトルクを打ち消しています 毒手な例としてメインローターの先から ガスを噴射してローターをます縁もあって このタイプなら期待を回すトルクが発生し
(04:21) ないのでテールローターは不要になります この動画ではエンジンなどまではとても 開設できないのでフィリのローターを中心 にヘリコプターが一体どうやって飛ぶのか について絞ってお話ししていきます メインローター それでは具体的に減りの仕組みを見ていき ましょう まず一番目立つメインローターです メインローターはでっかいプロペラのよう な装置です 断面はよく形状になっていてこれが回るん だから名実ともに回転翼機ですね このメインローターが揚力を乱します 揚力の発生原理を知りたい場合 流れの不思議という本がおすすめです メインローターの羽一枚一枚をブレードと いって ブレードの材質について昔は金属製が 多かったのですが最近はカーボンやガラス 繊維などとはにかむ光で作られるような 複合材料が多く用いられています ところで飛行機のプロペラとヘリコプター
(05:24) のメインローターの大きな違いはどこに あるのでしょうか どちらも空気を送ったり揚力を発生させ たりという点では同じです 飛行機のプロペラを巨大化させて縁に つければ飛べるのでしょうか これの答えは受けるけど実用的ではないと いう期待になります プロペラとメインの大谷は大きな違いが あってブレードの動きの自由度です ヘリコプターのメインローターのブレイド あフェザリング フラッピング 度ランキングの3つの動きをできるように してありますが飛行機の場合は固定化 フェザリングしかか変ではありません 飛行機の場合はフェザーリングとは呼ば ないんですけどね メインローターの3つの動きはブレードの 根元の部分に貧者それに相当する構造を 設けることによって可能にしています メインローターの中心部がめちゃくちゃ 複雑に見えるのはこういった理由があるん ですね 柔軟性を得る方法としてはブレード実際の 男性も利用しています
(06:29) ウェザリング 飛行機のプロペラは主に2種類あって固定 ピッチプロペラと可変ピッチプロペラです 低ピッチは回転しかできませんが 可変ピッチはこんな感じでブレードの 付け根の角度を変えられます 速度が遅いときは浅く早い時は深い角度に します イメージ的には車やバイクの トランスミッションと同じ役割でエンジン の回転数と期待の速度を上手につなげて 効率よく飛行したりまた推力の方向 逆転させたりします 他にも指導者はエンジン停止時着陸地など 状況によってピッチを変えています ヘリコプターのメインローターはどう でしょうか こちらもプロペラのようにピッチ角が支え られます 角度を大きくつけると揚力が増えて浅く すると揚力が減ります 航空力学的には上の式のようになりますが 角度がついている方が大きな有力が発生 するのは感覚的にイメージがつきますよね
(07:35) こうやってヘリコプターはローターの ブレードの角度を調整することによって 揚力を増減させて上昇したり加工したり またホバリングすることができます ローターの回転を増やしたり減らしたり するわけじゃないんですねヘリのこの ピッチ角の動きのことを経ザリングと言い ます プロペラ機のエンジンが止まった時に ブレードを立てて空気テイクを減らす フェザリングとは異なりますので混同する とわけがわからなくなってしまいます 可変ピッチプロペラもメインローターも ピッチが変えられる点は同じですただ飛行 機はブレードが回転してどんな場所に来て も全部の分レイドが同じピッチ角になるの に対して ヘリコプターは場所によってピッチ角を 変えることができるんです 例えば期待の右側のブレードのピッチを 大きくして左側のブレードのピッチを浅く するなんていうことをして期待の挙動を 操作するんです 先に一応補足しておくと右側のブレードの ピッチを大きくして左を浅くした場合右の
(08:40) 揚力が増えて期待が左に傾くわけじゃあり ません 左回転のローターの場合期待は後ろに傾き ます こんなとんでもないことが起こる理由は後 で詳しくお話しします そしてこれをつかさどるのが スワッシュプレートといういたです これは水平方向に回転するか無駄と考える と理解しやすいと思います まずはすべてのブレードのピッチを揃えた まま 同時にピッチを変える方法から見ています 上の図はフィリのメインローターを真横 から見た図です ブレードがあってピッチの視点を設定して おきます このブレードの根元の前の方にロッドを つけておけばこれを上に押すとピッチ角が 大きくなって引っ張ると小さくなりますよ ね これを動かすのがスワッシュプレート といういたです このプレートが全体的に動くのであれば メインローターのすべてのピッチが同時に 同じ量を変化しますコクピットにある コレクティブピッチレバーがここに
(09:43) つながっていてパイロットが操作すること によって揚力を増やしたり減らしたりと いう操作を行います リコプターはエンジンの回転数が入って つまりメインローターの回転数の一定で 運用します 開店は一定に保ちつつメインローターの ブレードのピッチだけを操作して揚力を 調整しています 回転数を一定に保つのはターボシャフト エンジンの場合 エンジンが自動で一定にしてくれます レシプロエンジンの場合コレクティブ ピッチレバーのグリップをひねって スロットルバルブを操作します これはバイクと同じですよね このコレクティブピッチでバーは操縦桿と はまた別のレバーです コクピットにあるサイドブレーキのレバー 三者委の奴がそれです ちなみに飛行機の可変ピッチプロペラも 同様の原理ですし基本的にプロペラの回転 数が変わらないというのも同じですね でもこの動きだけだとヘリは真上に上がる か降りてくるしかできません
(10:48) これじゃあ気球と変わらないので左右とか 前後に期待を傾けたいですよね それを実現するためにブレードの回転面を 真横から見た場合の揚力の分布を変化させ てあげてモーメントを生み出します 飛行機で言うところのエルロンとか エレベーターと同等の機能メインローター に持たせてあげるということですねこれに は素足プレートを傾けるという操作を行い ます 上のジフはヘリコプターんを機構ではなく て油圧ポンプなのですが原理が大変にてい てわかりやすいです 黄色いピストンがヘリコプターで言う ところのピッチロッドに相当します ピストンはぐるぐる回転しつつ した6赤いスワッシュプレートに沿って 上下します なおポンプの場合もスワッシュプレートと 呼びます これをヘリのスワッシュプレートトミカて た場合 向かって左側が高くなっているので ブレードのピッチロッドが回転してここに やってくるとブレードのピッチ角が大きく なります
(11:50) 逆にそのまま住んで右側の低いところに 行ってきた時はロットも下に引っ張られて ピッチが減少します こうやって一つのメインローターの中で 揚力が強い部分と弱い部分を作ります スワッシュプレートの傾きはサイクリック ピッチればというレバーで行われます このネバーは飛行機で言うところの操縦桿 や操縦りにあたります こういう風にしておけばブレードの回転面 をピザのように区切った場合場所場所に よって揚力の強さが変わり モーメントを生み出すことができます nu 左右のほかに僕と手前に木炭抜け られるようにしておけば スワッシュプレートはどんな傾きでも作る ことができてみんローターの揚力を二 ユーザーに文することができるようになり ます こうしておくと期待はどんな向きにでも 傾けることができますただしさっきも言っ たようにこの時の揚力の崩し方と機体の 動きは90度ずれます こうやって意図的に揚力のアンバランスを
(12:54) 作り出すことでピッチとロール方向の機体 の姿勢をエア釣ることができます collective ピッチレバーの コレクティブは集合的なという意味なので スワッシュプレート全体の上げ下げを行い ます サイクリックピッチレバーのサイクリック というのは周期的なとかそういう意味で スワッシュプレートを傾けることで ブレードのピッチを1ごとに周期的に帰る んですね ちなみに会社で使ったピストンポンプも スワッシュプレートの傾きを制御して吐出 量をコントロールすることができます 傾きを大きくすればするほど吐出量が 増えるんですね フラッピング フェザリングの気候だけでも飛行機の プロペラとはえらい違いでした でもでもヘリコプターのメインローターの 自由度はこれだけじゃないんです 冒頭でメインローターはたわんで強度が なさそう的なことを言いましたが実は小里 氏なるようになっているんですね あとで詳しくお話ししますがこれがないと 前進する時にヘリコプターは横転して
(14:00) しまいます またローターが止まっているときは ブレードがだらっと下に垂れていますが 揚力を生み出し始めると今度は逆に上に 持ち上げられます この上にしなっている状態のことを コーニングと言いますコーニングが起きる ことによってブレードにかかる遠心力と 揚力を足し算したものが合わさって ブレードを引っ張る方向に働きます ヘリコプターは機種によって何トンも重量 がありますがメインローターのブレードに は引張荷重と空気抵抗しかかっていなくて 曲げ応力は基本的にゼロなんですだから あんなペラペラブレードで機体を支え られるんですね ガチガチのメインローターで縁を作ろうと したら 逆にブレッドにもっともっと強度が必要に なってしまいます ドラッグイング メインローターのブレードは回転方向に 対して前後に傾きもします f 14戦闘 機の可変翼のような感じですね これもヘリコプターが安全に飛ぶために 必要な挙動なのですが行き学の解説が多く
(15:06) なりすぎるので今回は省いてしまいます なぜか90度ずれるメインローターの ブレードのピッチ角の変化ウェザリングの 話でメインローターはピッチ角を場所場所 が変えることによって自由に揚力を変え られると言いました ここで機体基準で右側のブレードのピッチ を増やして左側のピッチを減らした場合を 考えます 当然揚力は右側が増えて左側が減るような 気がします この機体のメインローターは左回りとして おきます 飛行機の場合エルロンによって右側の揚力 を増やした上で左側の揚力を減らして期待 を左にロールさせます それじゃあこの場合ヘリコプターは左に 傾くのでしょうか 実はそうはならないんです 期待の右部分のブレードを見るとこんな 感じになります ピッチを増やしてブレードの揚力を増やし たとします ここで出てくるのがさっきの付ラッピング です
(16:09) ローターのブレードは象牙にグァングァン たわむんでしたよね こんなブレードの揚力が増えるとどうなる のでしょうか ブレードは勝ち月じゃないため機体はその まま取り残されてブレードだけが上に 上がってしまいます だから期待の右側では後ろから前の方に ブレードが移動してくる時揚力が増える かつ時間も経過するためローターがグイン と上に持ち上げられますだから期待の一番 前に差し掛かった時ブレードが一番高く なります 逆に左側では揚力が少なくなるため 重力によってブレードは下に押し下げられ 最後の最後つまり期待の後ろで一番低く なります こんな感じでメインローターの揚力の左右 バランスを変えたはずなのに メインローターの書くのは前ががあって 後ろが下がってしまいました メインローターが回転する方向に90度 ずれてローターが動くんですね ローターが傾けば期待もつられて傾きます メインローターの構造によっては90度
(17:15) ぴったりズレるわけではないので補足して おきます なおこの挙動はジャイロのプリセッション でも言い換えることができます ジャイロの軸はそれを傾けようとする モーメントを与えられると回転方向に 90度ずれた方に押されたように振る舞っ て傾くという現象です ヘリコプターの後ろの部分 テールローター メインローターの解説でヘリコプターが 上昇して加工してピッチとロールを コントロールできると話ししましたでも 我々は3次元空間に住んでいますのでもう 一軸用の動きも掌握しないといけませんよ ね ヘリコプターの後ろの方についている 小さなプロペラ これはテールローターと呼ばれています このテールローターの目的は4方向の動き を制御することです ヘリコプターは巨大なメインローターを 回しますがそのままだと期待が逆方向に ぐるぐる回転してしまいます このような期待では羽生結弦や浅田真央 くらいしか登場できませんよね
(18:20) それでは困るのでプロペラのようなテール ローターを横向けに取り付けて数力を発生 させてメインローターが生み出すトルクを 打ち消しています さらにテールローターはメインローターの 尻拭いだけではなくて自ら機体を動かす こともできます テールローターもメインローターと同じ ようにスワッシュプレートが仕込まれてい ますこれを操作するのはパイロットが 踏み込むペダルです 飛行機だとラダーペダルといいますが ヘリコプターの場合は特別な名前が与え られていないようです 左右のペダルの踏み具合によってテール ローターのブレードのピッチを変化させ テールローターの揚力を増減させます このよう力は期待の用のモーメントに直結 するのでテールローターの推力の増減で 奇襲を左右に振ることができます 水平尾翼と垂直尾翼 ヘリコプターには飛行機と同じように水平 尾翼と垂直尾翼が装備されていることが ほとんどです どちらも風見鶏効果を利用して様とピッチ
(19:24) を安定させていますでも特に水平尾翼の 役割が飛行機と異なります 以前アップした新での動画で詳しく解説し たのですが飛行機の水平尾翼は中国と重心 が生み出す安定性もおつりを回収するため 二の揚陸を作り出すという大事な目的が ありますが減りにはそれがありません また縁の水平尾翼や垂直尾翼には基本的に はエレベーターやラダーなどの道よくも ついていません これらはメインローターとテールローター のピッチ角を変えてコントロールできる からですね ヘリコプターはどうやって前進するのか ヘリコプターが浮き上がって姿勢制御する まではお話できましたそれでは ヘリコプターを前進させましょう ヘリコプターはどういう力で前に進むの でしょうか 飛行機のように全身用のプロたらや ジェットエンジンはついていません その答えは簡単で win no たーーーーを前に傾けるんですね こうすることによってそれまで期待を舞う
(20:30) にだけ引っ張っていたメインローターが 今度は斜め前に引っ張ることになって期待 を空中に留めつつ 前にも進めるようになります こう考えると簡単です でも実際はそう甘くはないんですね リコプターのメインローターは回転してい ます この状態で機体が前に進み出すとどうなる のでしょうか モーターが上から見て左回転で画面左に 進んでいった場合 期待の右側ローターの回転に加えて自身が 進むことによって受ける風も合わさった 空気がローターにあたってブレードの総体 速度は大きくなります 逆に左側はローターの動く方向と全身の風 の向きが同じなので招待速度は小さくなり ます これでどうなるのかというと揚力は空気の 速度の2乗に比例して増減しますので右側 の揚力が増えてだり顔の揚力が減って しまいます
(21:33) これはめちゃくちゃまずいです ヘリコプターはこのまま横転してしまうの でしょうか 意外なことにそうはならないんです ここで活躍するのがラッピングです ブレードがたわんで上下に動くやつですね 機体右側のブレードを見てみましょう ローターの回転に加えて前進速度も加わる ため ブレードの対気速度は増えています通常で あれば機体右側が持ち上がるのですが ブレードには柔軟性があってラッピング するんでしたよね だからブレードだけがクワント上に 持ち上がって期待は取り残されますこれで 何が起こるのか 本来ならブレードの真っ正面から数えが 当たっていたはずなのにブレードが上にも 進むため今度は斜めから風が当たるように なりますベクトルの合成というやつですね えで書くとこんな感じになるのですがこれ じゃあわかりにくいので少し傾けますこう するとなんとなく見え出来ませんか ブレードのピッチが実情小さくなっている
(22:38) んです これによって揚力が減少します減少すると いうよりは揚力が増えないといった方が いいかもしれません 左側逆にブレードが注力などで垂れ下がっ ていくためピッチが事実上大きくなって 揚力が減りそうで減りません こんな感じで全身によってブレードに あたる対気速度の左右差ができても ブレードが自身でゲイ角を調整します だからアンバランスがあるのにも関わらず 左右に傾くことなく飛行できるんです ただしブレードが條辺にしなるということ はこのヘリの場合右側のブレードが 持ち上がるわけですから 最終到達点の前方で最大の高さになり反対 に押し下げられた左が最後に到達する工法 が一番低くなります だから自動的に主阿部モーメントが発生し てしまいますしたがってパイロットは消し を下げ続けるような操作をする必要が出て きます これを見ただけでもヘリの操縦が難しそう
(23:42) なのが分かりますよね残念なことに パイロットにはさらに負荷がかかります ヘリコプターのローターは corning という現象が起こりましたよね コーニングした状態で前傾して前に進むと 前後のブレードにあたる空気の向きにさが できます この絵はかなり極端に書いてありますが 全身よる空気の流れがブレードの芸角に 影響を及ぼします 前側のブレードは同胞風が流れ込むので ゲイ各は大きくなり後ろのブレードは背中 から風が当たるのでゲイ角が小さくなり ます ゲイ角が大きくなると揚力係数が増えて 揚力も増えるので 前のブレードが持ち上がるを落とします さらにここでもラッピングが影響するため このローターが上から見て左もありの縁の 場合期待が右に傾いていきます せっかくフラッピングで左右の対気速度の アンバランスをキャンセルできたのに今度 は corning によって左右の
(24:45) アンバランスが発生します このようにヘリは少し動いただけでも いろんな現象が起こります こんな感じで25分程度の動画を作って やっと補佐縁を前進させるところまでお 話しできました 動画の動向次第で続編を作っていきたいと 思いますのでぜひチャンネル登録しておい てください ということでご視聴ありがとうございまし た またこのチャンネルでは今後につながる 動画のネタも募集しています 何かリクエストがあればコメント欄にお 願いします それではバイバイ
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