プロペラ（航空学）

航空学では、航空機のプロペラはエアスクリューとも呼ばれ、^{[1] [2]}エンジンまたはその他の動力源からの回転運動を、プロペラを前方または後方に押す旋回流に変換します。これは回転する動力駆動ハブで構成され、これに複数の放射状翼型ブレードが取り付けられ、アセンブリ全体が縦軸を中心に回転します。ブレードのピッチは固定されているか、手動でいくつかの設定位置に可変であるか、または自動的に可変の「定速」タイプです。

プロペラは、動力源のドライブシャフトに直接、または減速ギアを介して取り付けられます。プロペラは、木材、金属、または複合材料で作ることができます。

プロペラは、一般に約 480 mph (770 km/h) 未満の亜音速での使用に最も適していますが、マクドネル XF-88B実験用プロペラ装備航空機では超音速が達成されました。超音速の先端速度は、 575 mph (925 km/h) に達することができるツポレフ Tu-95などの一部の航空機で使用されています。^{[引用が必要]}

垂直飛行に関する最も古い文献は中国から来ている。紀元前400年頃から^{[3] 、} 中国の子供たちは竹製の飛行玩具で遊んでいた。^{[4] [5] [6]}この竹製のコプターは、回転子に取り付けた棒を両手で転がすことで回転する。回転することで揚力が生じ、放すとおもちゃは飛ぶ。^[3] 4世紀の道教の書物『抱朴子』 (葛洪著「簡素を抱く師」)には、回転翼航空機に固有のアイデアのいくつかが記述されていると伝えられている。^[7]

中国のヘリコプターのおもちゃに似たデザインは、ルネサンス絵画やその他の作品にも登場しています。^[8]

1480年代初頭、レオナルド・ダ・ヴィンチが「空中スクリュー」とでも言うべき機械の設計図を作成した時、垂直飛行に向けた進歩が記録に残された。彼のメモには小型の飛行模型を作ったことが記されているが、ローターによる機体の回転を止める手段については何も記されていない。^{[9] [10]}科学的知識が増え、より受け入れられるようになるにつれ、人類は垂直飛行のアイデアを追求し続けた。これらの後代の模型や機械の多くは、レオナルドのスクリューよりも、回転する翼を持つ古代の竹製の空飛ぶ独楽によく似ている。

1754年7月、ロシアのミハイル・ロモノーソフは、中国の独楽をモデルに、巻き上げバネ装置^{[11]で駆動する小型の共軸飛行船を開発し、}ロシア科学アカデミーに実演した。これはバネで駆動し、気象計器を揚力計器として使う方法として提案された。1783年、クリスチャン・ド・ローノワと彼の機械工ビアンヴニュは、中国の独楽の共軸バージョンを使い、反転する七面鳥の風切羽^[11]をローターブレードとして使ったモデルを作り、1784年にフランス科学アカデミーに実演した。 1783年に発表されたジャン・バティスト・マリー・ミュスニエは飛行船について記述した。図面には、揚力の調整に使用できる内部の風船を備えた、長さ260フィート (79 m) の流線型の外殻が描かれている。この飛行船は3つのプロペラで駆動するように設計された。 1784年、ジャン＝ピエール・ブランシャールは気球に手動のプロペラを取り付けました。これは記録に残る最初の空中推進手段です。^[12]ジョージ・ケイリー卿は、子供の頃に中国のコマに夢中になった影響を受け、ローノワとビアンヴニュのものと似た羽根の模型を発明しましたが、これは輪ゴムで動かしました。19世紀末までに、彼は回転翼に錫板、動力源にバネを使用するまでに進歩しました。彼の実験と模型に関する著作は、将来の航空の先駆者たちに影響を与えました。^[9]

ウィリアム・ブランドは、 1851年にロンドンで開催された万国博覧会に「アトモティック飛行船」の設計図を送り、模型が展示された。これは細長い気球で、下に吊り下げられた2つのプロペラを蒸気エンジンで動かしていた。^{[13] [14]} アルフォンス・ペノーは1870年に共軸ローターの模型ヘリコプターを開発し、これもゴムバンドで動かしていた。1872年にデュピュイ・ド・ロムは、 8人の男たちが回す大きなプロペラで動く、航行可能な大型気球を打ち上げた。^[15] ハイラム・マキシムは、重量3.5英トン (3.6 t)、翼幅110フィート (34 m) の機体を製作し、2つのプロペラを駆動する2つの360馬力 (270 kW) の蒸気エンジンで動いていた。1894年、彼の機体は、上昇しないように頭上のレールを取り付けてテストされた。テストでは、離陸するのに十分な揚力があることが示された。^{[16]ペノーの}父親から贈られたおもちゃの一つが、ライト兄弟に空飛ぶという夢を追うきっかけを与えた。 ^[17]航空機のプロペラのねじれた翼型は、ライト兄弟が開拓した。初期の技術者の中には、船舶用プロペラをモデルにして空気プロペラを作ろうとした者もいたが、ライト兄弟はプロペラが本質的に翼と同じであることに気づき、翼に関する以前の風洞実験のデータを活用して、ブレードの長さに沿ってねじれを導入した。これは、ブレードの長さに沿ってより均一な迎え角を維持するために必要だった。 ^[18]オリジナルのプロペラブレードの効率は約82%だったが、^{[19]現代（2010年）の小型一般航空用プロペラである}ビーチクラフト ボナンザ機で使用されている3枚ブレードのマコーリーの効率は90%である。^[20]ローパー^[21]は人力飛行機のプロペラについては90％を引用している。

第一次世界大戦中はマホガニーがプロペラの木材として好まれていたが、戦時中の木材不足によりクルミ、オーク、チェリー、アッシュが使われるようになった。^[22] アルベルト・サントス・デュモンも初期のパイオニアで、ライト兄弟より前に飛行船用のプロペラを設計していた^{[23] 。彼は飛行船での経験から得た知識を応用し、1906年に}14bis複葉機用に鋼鉄のシャフトとアルミニウムのブレードを持つプロペラを作った。彼の設計のいくつかは、ブレードに曲げたアルミニウム板を使用し、翼型を作っていた。それらは大きくアンダーキャンバーで、これと長さ方向のねじれがなかったため、ライトのプロペラよりも効率が悪かった。^[24]それでも、これはおそらくエアスクリューの構造にアルミニウムが初めて使用されたものである。もともと、航空機の後ろで航空機を押す回転翼はプロペラと呼ばれ、前方から引っ張る翼はトラクターと呼ばれていた。^[25]その後、トラクター構成とは対照的に、後部に取り付けられた装置に「プッシャー」という用語が採用され、両方とも「プロペラ」または「エアスクリュー」と呼ばれるようになりました。低速プロペラの空気力学に関する理解は1920年代までにかなり完了していましたが、その後、より小さな直径でより大きなパワーを処理するという要件により、問題はより複雑になりました。

1916年からウィリアム・F・デュランドがアメリカ航空諮問委員会（NACA）のプロペラ研究を指揮した。測定されたパラメータには、プロペラの効率、推力発生、吸収電力などがあった。プロペラは風洞でテストされるが、自由飛行での性能は異なる可能性がある。ラングレー記念航空研究所では、EPレスリーが自由飛行のデータを得るためにライトE-4エンジンを搭載したヴォートVE-7を使用し、デュランドは同様の形状で小型化したものを風洞データに使用した。彼らの結果は1926年にNACAレポート#220として発表された。^[26]

ローリー^[27]は、セスナ172の巡航時のプロペラ効率が約73.5%であると述べています。これは、固定ピッチまたは定速プロペラを使用する軽量一般航空機の性能を分析するための「ブートストラップアプローチ」から導き出されました。プロペラの効率は迎え角（α）の影響を受けます。これは、α = Φ - θと定義されます^[28]。ここで、θはらせん角（結果として生じる相対速度とブレードの回転方向との間の角度）、Φはブレードのピッチ角です。ピッチ角とらせん角が非常に小さいと、抵抗に対して優れた性能を発揮しますが、推力はほとんど得られません。一方、角度が大きいと逆の効果があります。最良のらせん角は、ブレードが翼として機能し、抗力よりも多くの揚力を生み出すときです。ただし、「揚力と抗力」は、ブレードにかかる空気力学的な力を表す方法の1つにすぎません。航空機とエンジンの性能を説明するために、同じ力が推力とトルクという少し異なる方法で表現されます^[29]。これは、プロペラの必要な出力が推力であるためです。推力とトルクは、以下に示すように、プロペラの効率の定義の基礎となります。プロペラの前進比は、翼の迎え角に似ています。

プロペラの効率は^[30]によって決まる。

${\displaystyle \eta ={\frac {\hbox{推進出力}}{\hbox{シャフト入力}}}={\frac {{\hbox{推力}}\cdot {\hbox{軸速度}}}{{\hbox{抵抗トルク}}\cdot {\hbox{回転速度}}}}.}$

プロペラは、翼断面が低抗力翼に似ているため、最適な迎え角以外では動作が悪くなります。そのため、ほとんどのプロペラは、エンジン速度と航空機の速度の変化に応じてブレードのピッチ角を変更する可変ピッチ機構を使用しています。

さらに考慮すべき点は、使用するブレードの数と形状です。ブレードのアスペクト比を大きくすると抗力は減りますが、生成される推力の量はブレード面積に依存するため、高アスペクト比のブレードを使用すると、プロペラの直径が大きくなりすぎる可能性があります。さらに、ブレードの数を少なくするとブレード間の干渉効果は減りますが、設定された直径内で利用可能なパワーを伝達するのに十分なブレード面積を確保するには、妥協が必要になります。ブレードの数を増やすと、各ブレードが実行する必要がある作業量も減り、局所マッハ数が制限されます。これは、プロペラの重要な性能制限です。プロペラの性能は、遷音速流がブレードの先端に最初に現れたときに低下します。プロペラのどの部分でも相対的な空気速度は、航空機の速度と回転による接線速度のベクトル和であるため、ブレードの先端上の流れは、航空機よりもかなり前に遷音速に達します。ブレードの先端上の空気流が臨界速度に達すると、抗力とトルク抵抗が急速に増加し、衝撃波が形成されて騒音が急激に増加します。したがって、従来のプロペラを搭載した航空機は、通常マッハ 0.6 より速く飛行することはありません。マッハ 0.8 の範囲まで到達したプロペラ航空機もありましたが、この速度でのプロペラ効率が低いため、そのような用途はまれです。

プロペラブレードの先端はハブよりも速く移動する。そのため、ブレードをねじって徐々に迎え角を減らし、ハブから先端まで均一な揚力を生み出す必要がある。最大の迎え角、つまり最大のピッチはハブにあり、最小の迎え角、つまり最小のピッチは先端にある。全長にわたって同じ迎え角で設計されたプロペラブレードは、飛行中に対気速度が増加すると、ハブに近い部分のAOAが負になり、ブレードの先端が失速するため、非効率的である。^[31]

亜音速の高速で飛行する航空機用のプロペラとプロペラファンの開発が進められてきた。 ^{[32]その「解決策」は}遷音速翼の設計に似ている。薄いブレード断面が使用され、ブレードは翼の後退角に似た方法でシミター型（シミタープロペラ）に後退し、ブレードの先端が音速に近づくにつれて衝撃波の発生を遅らせる。ピッチを注意深く制御してブレードのらせん角を大きくすることで、最大相対速度を可能な限り低く抑える。ブレード1枚あたりの仕事を減らして循環力を高めるため、多数のブレードが使用される。二重反転プロペラが使用される。設計されたプロペラはターボファンよりも効率が良く、巡航速度（マッハ0.7～0.85）は旅客機に適しているが、発生する騒音は甚大である（そのような設計の例については、アントノフAn-70とツポレフTu-95を参照）。

航空機のプロペラブレードに作用する力には以下のものがある。これらの力のいくつかは互いに打ち消し合うように配置することができ、全体的な機械的応力を軽減することができる。^{[33] [1]}

スラスト曲げ

ブレードにかかる推力負荷は、空気を後方に押し出す力に反応して、ブレードを前方に曲げる働きをします。そのため、ブレードは前方に傾斜していることが多く、回転による外向きの遠心力によってブレードが後方に曲げられるため、曲げ効果が相殺されます。

遠心力と空気力学的ねじれ

遠心ねじり力は、非対称の回転物体であれば、どのようなものでも発生します。プロペラでは、遠心ねじり力は、ブレードを細かいピッチにねじる働きをします。そのため、空気力学的圧力中心は通常、機械的な中心線よりわずかに前方に配置され、粗いピッチ方向のねじりモーメントを生み出し、遠心モーメントに対抗します。ただし、高速急降下時には、空気力学的力は大幅に変化し、モーメントのバランスが崩れることがあります。

遠心分離

回転時にブレードがハブから引き離すように作用する力。これは、前述のように、スラスト曲げ力に対抗するように配置できます。

トルク曲げ

ブレードに作用する空気抵抗と慣性効果が組み合わさって、プロペラのブレードは回転方向から離れて曲がります。

振動型

多くの種類の外乱がブレードに振動力を発生させます。これには、ブレードが翼や胴体の近くを通過するときに発生する空力励起が含まれます。ピストンエンジンはトルクインパルスを発生させ、それがブレードの振動モードを励起し、疲労破壊を引き起こす可能性があります。^[34]ガスタービンエンジンで駆動する場合、トルクインパルスは発生しません。

ピッチ角を変える目的は、プロペラブレードの最適な迎え角を維持し、飛行モード全体で最大の効率を実現することです。これにより燃料消費量が削減されます。高速時にプロペラ効率を最大化することによってのみ、最高速度を達成できます。^[35]有効迎え角は対気速度が増加するにつれて減少するため、高対気速度ではより粗いピッチが必要になります。

ピッチ変化の必要性は、1931年のシュナイダートロフィー競技会でのプロペラの性能に表れている。使用されたフェアリー航空会社の固定ピッチプロペラは、離陸時に部分的に失速し、最高速度407.5 mph (655.8 km/h)に達するまで160 mph (260 km/h)まで減速した。^[36]非常に広い速度範囲が実現できたのは、航空機の性能に対する通常の要件の一部が適用されなかったためである。最高速度効率に妥協はなく、離陸距離は利用可能な滑走路の長さに制限されず、上昇要件もなかった。^[37]

ツポレフTu-95に使用されている可変ピッチブレードは、非常に粗いピッチを使用して、プロペラ駆動航空機で可能と考えられていた最高速度を超える速度で飛行します^{[38] 。 [39]}

初期のピッチコントロール設定はパイロットが操作し、少数のプリセット位置または連続的に可変でした。^[1]

最も単純な機構は地上調整式プロペラで、地上では調整できますが、空中では実質的に固定ピッチ プロペラになります。スプリング式の「2 速」VP プロペラは離陸時には微速に設定され、巡航時には粗速に設定され、飛行中はプロペラは粗速のままになります。

第一次世界大戦後、最適な迎え角を維持するために自動プロペラが開発されました。これは、ブレードとカウンターウェイトにかかる求心ねじりモーメントを、バネとブレードにかかる空気力とバランスさせることで実現しました。自動プロペラは、シンプルで軽量、外部制御が不要という利点がありましたが、特定のプロペラの性能を航空機の動力装置の性能に合わせるのは困難でした。

最も一般的な可変ピッチプロペラは定速プロペラです。これは油圧定速ユニット（CSU）によって制御されます。任意のパワーコントロール設定で一定のエンジン速度を維持するために、ブレードピッチを自動的に調整します。^[1]定速プロペラを使用すると、パイロットは最大エンジンパワーまたは最大効率の必要性に応じて回転速度を設定できます。プロペラ調速機は、選択されたエンジン速度を維持するために必要に応じてプロペラピッチ角を変える閉ループコントローラーとして機能します。 ^{[40]ほとんどの航空機では、このシステムは油圧式で、エンジンオイルが油圧流体として機能します。ただし、電気制御プロペラは}第二次世界大戦中に開発され、軍用機で広く使用され、最近では自家製航空機での使用が復活しています。^[要出典]

もう一つの設計は、自己発電と自己制御を備えた V-Propです。

ほとんどの可変ピッチプロペラでは、エンジンが故障したり意図的に停止したりしたときに、ブレードを気流と平行に回転させてプロペラの回転を止め、抗力を減らすことができます。これは、ローイングから借用した用語であるフェザリングと呼ばれます。単発の航空機では、動力グライダーであれタービン動力航空機であれ、その効果は滑空距離を延ばすことです。多発航空機では、作動していないエンジンのプロペラをフェザリングすると抗力が減り、作動中のエンジンで航空機が速度と高度を維持するのに役立ちます。フェザリングは、後流によって強制的にプロペラが回転してエンジン部品が回転するウィンドミリングも防ぎます。ウィンドミリングは、エンジンを損傷したり、火災を引き起こしたり、航空機の構造的損傷を引き起こしたりする可能性があります。

レシプロエンジン用のフェザリングシステムのほとんどは、油圧の低下を感知してブレードをフェザリング位置に向けて動かし、エンジンがアイドル回転数に達する前に、パイロットがプロペラコントロールを引いてハイピッチストップピンを解除する必要があります。ターボプロップ制御システムでは通常、減速ギアボックス内の負のトルクセンサーが使用され、エンジンがプロペラに動力を供給しなくなったときにブレードをフェザリングの方向に動かします。設計によっては、パイロットがボタンを押してハイピッチストップを無効にしてフェザリングプロセスを完了する必要がある場合もあれば、フェザリングプロセスが自動である場合もあります。

偶発的なフェザリングは危険であり、空気力学的失速を引き起こす可能性があります。例えば、偶発的なフェザリングが原因で着陸進入中に墜落したイエティ航空691便がこれに該当します。 ^[41]

一部の航空機のプロペラは、ブレードのピッチ角を負にして作動し、プロペラからの推力を逆にすることができます。これはベータ ピッチと呼ばれます。逆推力は着陸後に航空機を減速させるために使用され、車輪ブレーキの効力が低下する濡れた滑走路に着陸するときに特に有利です。場合によっては、逆ピッチによって航空機を逆方向に滑走させることができます。これは、水上機を狭いドックから出すときに特に便利です。

逆回転プロペラは、翼にエンジンを搭載した双発および多発機で使用されることがあります。これらのプロペラは、トルクとp 係数の影響をバランスさせるために、もう一方の翼の対応するプロペラとは反対方向に回転します。各プロペラには左回転バージョンと右回転バージョンがあるため、「左右」プロペラと呼ばれることもあります。

一般的に、ほとんどの従来の双発機の両方のエンジンのプロペラは、（機体の後方から見て）時計回りに回転します。エンジンの重大な問題を解消するために、逆回転プロペラは通常、胴体に向かって「内側」に回転します。つまり、左エンジンでは時計回り、右エンジンでは反時計回りです。ただし、例外もあります（特に第二次世界大戦中）。たとえば、第二次世界大戦中、 P-38 ライトニングは胴体から離れて「外側」に回転しました（左エンジンでは反時計回り、右エンジンでは時計回り）。また、エアバス A400では、同じ翼でも内側エンジンと外側エンジンが逆方向に回転します。

二重反転プロペラまたはコントラプロップは、2 つの二重反転プロペラを同心ドライブ シャフトに取り付け、一方が他方のプロペラのすぐ下流に位置するようにします。これにより、単一の動力装置で二重反転プロペラの利点が得られます。前方プロペラが推力の大部分を供給し、後方プロペラはプロペラ後流の空気の旋回運動で失われたエネルギーも回収します。二重反転により、プロペラの直径を大きくすることなく、特定のエンジンからプロペラが電力を吸収する能力も高まります。ただし、システムの追加コスト、複雑さ、重量、騒音により、価値が見込まれることはほとんどなく、究極のパフォーマンスが効率よりも重要である高性能タイプでのみ使用されます。

ファンは多数のブレードを備えたプロペラです。したがって、ファンは所定の直径に対して大きな推力を生み出しますが、ブレードが近いということは、各ブレードが他のブレードの周りの流れに強く影響することを意味します。流れが超音速の場合、流れを 1 つの衝撃波ではなく一連の衝撃波で圧縮できる場合は、この干渉が有益になります。ファンを成形ダクト内に配置することで、飛行速度とエンジン性能に応じて特定の流れのパターンを作成できます。空気がダクトに入ると、速度が低下し、圧力と温度が上昇します。航空機が亜音速の高い速度で飛行している場合、これには 2 つの利点があります。空気はより低いマッハ速度でファンに入ります。また、温度が高いため、局所的な音速が速くなります。ファンが自由流のより小さな領域を引き込み、使用する空気が少なくなるため効率が低下しますが、従来のプロペラの効率が悪い高速でもダクテッドファンは効率を維持することでバランスが取れています。ダクト付きファンやプロペラも低速時には一定の利点がありますが、ダクトは高速飛行用のものとは異なる形状にする必要があります。より多くの空気が取り込まれるため、ファンはダクトのない大型のプロペラと同等の効率で動作します。ダクトによって騒音も軽減され、ブレードが外れた場合でもダクトが損傷の抑制に役立ちます。ただし、ダクトによって重量、コスト、複雑さ、および (ある程度) 抗力が増加します。

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ウィキメディア・コモンズには、航空機のプロペラに関連するメディアがあります。

• 実験用航空機プロペラ
• スミソニアン国立航空宇宙博物館の「How Things Fly」ウェブサイト
• プロペラの説明