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2012年7月31日 (火)

ヘリコプターの飛行の原理 その2

いまひとつ、このブログ書き方がよくわからない。妥協しつつ その2


ローターの回転による影響
飛行機では翼は機体に固定されていて空気の中を滑って行くが、ヘリのローターはくるくる回りっぱなしの回転運動なので、ちょっとした問題が発生する。このことは覚えていたほうが良い

  • ローターが回転するときの反作用で機体がローターの回転方向と逆の向きへ回される。何も対策をしなければ機体もローターと反対方向へくるくる回り、竹トンボでは問題ないかもしれないが、ヘリや竹コプターでは問題となる。竹コプターのプロペラはヘリのローターとは違う神秘的な作用があるらしいが、ヘリの場合はもっと分かり易い方法で回り止めをする必要がある。
  • ヘリが進むときはその速度の分だけ右と左ではローターにあたる風の速さに差ができ、揚力の差を生じさせる。
  • ローターに遠心力が働く。ヘリのローターは大きく重いため結構大きい遠心力になる。ラジコンではたまに飛んでいる最中にローターが遠心力で左右に吹っ飛ぶ事故が起きる。本物の場合は大変な事故になるが、模型よりも強度がないのに幸いなことにあまりこの事故は起きていない。
  • ローターの内側は外側と比べて風を切る速度がゆっくりとなり、揚力が小さくなる。したがって外側の方が多くの揚力を負担することになり、本物では機体の重量に比べてローターの強度が弱いためローターを変に曲げる力のもとともなる。

スケール効果
本物を正確にスケールダウンしても面積や体積に関することは違う次元で小さくなる。
面積は長さの2乗、体積や重さは長さの3乗に比例するので、大きさが2分の1になれば、面積は4分の1、体積は8分の1になる。強度は面積、重さや力は体積に比例するので小さくなると重さの減り方ほど強度は下がらずぶつかった時などの力から見た相対的な強度は上がる。たとえば小さい生き物は大きいものより高い所から落ちてもダメージは少ない。ハツカネズミなどはどんな高い所から落ちても風で安定する落下速度では死なないらしい。小さい機体は落ちてもぶつかっても意外と丈夫である。
また、角度も重力も大きさには無関係なため、長い棒より短い棒の方が早く倒れる。小さいものほど機敏になりがちである。
さらに空に浮かぶものは空気という流体の粘り気の影響を受ける。この粘り気の影響は物体の表面からの距離に大きく影響されるがこの距離は、大きさが変わっても変わらないため、小さいものほど空気の粘り気の影響を受ける。小さい虫では、この粘り気の影響が大きいため飛行機のように飛ぶ虫はいない

慣性・ニュートン力学
Image003
ヘリを操縦するためには、慣性を感覚的に理解していなければならない。ヘリは地上を離れたら、粘り気のある空気の中に浮かんでいるだけで、大地との接触による静止摩擦に起因する束縛とは無縁になりニュートン力学が単純に応用できる世界になる。
慣性とは物体がその状態を維持し続けようとする性質で重さのあるものはみな持っている。
ヘリを前進させるにはローターを前に傾けて後ろにも風を送らなければいけない。
前進しているヘリを止めるには、前を上げて前向きにも風を送って前進の力を弱めなければいけない。このときいつまでも前を上げていると止まった次の瞬間にはバックすることになるので適当なタイミングでローターを水平に戻す必要がある。
ローターを傾けるのにいつまでも操縦桿を傾けていると傾きがどんどん大きくなってしまいには引っくり返ってしまう。車のハンドルは曲がるためには切り続けなければならないがヘリや飛行機は姿勢の傾きで横方向の力の大きさが変わるので舵は当てたら戻さなければ傾きがどんどん増してしまう。

進む力
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テールローターや風、機体の空力的な影響を無視すればヘリコプターはローターの傾いた方へ滑って行くと考えれば良い。右の図の黒矢印がローターの作り出す揚力で赤矢印が浮力、青矢印が横へ移動する力になる。
力は実際には重心周りに働くので、移動させる力だけでなく回転する力にもなる。ヘリの重心は通常はローターの回転軸に近いためそれほど影響は無いように思うが、重心のずれの分は、ヘリの舵の切り方でこの回転モーメントを打ち消すことになる。なお、後で述べるジャイロ効果の影響があるので、前後の重心のずれは左右の舵で合わせることになる。

 

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