BERPローター

BERPローターブレードの設計は、英国実験ロータープログラムの下で開発されました。最初のBERPローターブレードは、1970年代後半から1980年代半ばにかけて、ウェストランドヘリコプターと王立航空機研究所（RAE）の合弁プログラムとして開発され、マーティン・ローソン教授が共同特許権者でした。^[1]新しい設計と材料を使用して、ヘリコプターの揚力能力と最高速度を向上させることが目標でした。

物体が音速に近づくと、局所的な流れが音速を超えて加速される領域に衝撃波が形成されます。これは通常、コックピットの窓、翼の前縁、およびベルヌーイの定理によって空気が加速される同様の領域などの湾曲した領域で発生します。これらの衝撃波は、エンジンによって供給されなければならない大量のエネルギーを放射し、航空機全体には波抵抗と呼ばれる大量の追加抗力として現れます。波抵抗の始まりが、音速の壁という概念を生み出しました。

ヘリコプターには、回転するとローターが機体に対して動くという問題もあります。ホバリング中でも、ローターの先端は音速のかなりの部分で移動している可能性があります。ヘリコプターが加速すると、その全体の速度が先端の速度に加算されます。つまり、ローターの前方に移動する側のブレードは、後方に移動する側よりも大幅に高い対気速度になり、揚力の非対称が発生します。そのため、相対的な気流に大きな違いがあるにもかかわらず、両側の揚力が同等になるように、ブレードの 迎え角を変更する必要があります。

ヘリコプターの前進速度を制限するのは、ローターの揚力パターンを変える能力です。前進速度が一定値を超えると、後方に動くブレードが失速速度を下回ります。この状態はローターの回転速度を上げることで改善できますが、その場合、高速になると前方に動くブレードが音速に近づき、波の抵抗やその他の悪影響が出始めるという問題がさらに発生します。

造波抵抗の問題に対する解決策の 1 つは、1950 年代のジェット戦闘機で見られたのと同じ、翼のスイープの使用です。これにより、非常に低速の場合を除いて、大きな悪影響なしに造波抵抗の影響が軽減されます。戦闘機の場合、特に着陸時にこれが懸念されますが、ヘリコプターの場合は、ローターの先端が着陸中でも大幅に減速しないため、これはそれほど問題になりません。このようなスイープ先端は、1970 年代と 80 年代の多くのヘリコプター タイプ、特にUH-60 ブラックホークとAH-64 アパッチで見られます。

ただし、ブレードの弾性軸の後方での重心または空力中心の移動 (望ましくない空力および慣性結合を引き起こす可能性があります) が発生しないようにするには、先端を前方へのエリア シフトで構成する必要があります。マッハ数はブレードに沿って変化するため、一定のスイープ角度を使用する必要がなくなり、前方エリア シフトの量を最小限に抑えることができるため、これを最小限に抑えることができます。

BERP ブレードの設計に使用された手法により、ブレードに垂直な有効マッハ数がスイープ領域全体で名目上一定に保たれます。BERP ブレードの大部分に使用されている最大スイープは 30 度で、先端は無次元半径 r/R=cos 30 = 半径の 86% から始まります。この先端領域の面積分布は、平均先端圧力中心がブレードの弾性軸上に配置されるように構成されています。これは、ローカル 1/4弦軸の位置を半径の 86% 前方にオフセットすることによって行われます。

このオフセットにより、前縁に不連続性 (ノッチと呼ばれる) も生じ、他の興味深い効果も生じます。たとえば、ナビエ・ストークス方程式に基づく CFD コードを使用した最近の計算では、この「ノッチ」が実際にブレード上の衝撃波の強度をさらに低減するのに役立つことが示されています。したがって、スイープの基本的な効果に加えて、ノッチの予期しない副産物として、圧縮効果をさらに低減するのに役立ちます。

また、このようなスイープ先端形状では、ディスクの後退側に対応する高迎え角でのブレードの性能が必ずしも向上するわけではないことも認識する必要があります。実際、経験上、スイープ先端ブレードは標準ブレード先端に比べて失速特性が劣る場合があります。

BERP ブレードは、高マッハ数および低迎え角でスイープ チップとして機能する最終形状を採用していますが、非常に高い迎え角でも失速することなくチップを動作させることができます。この後者の特性は、チップの最外部 (外側約 2%) のスイープを大幅に増加し、大きな迎え角で前縁の流れが分離する値 (70 度) にすることで実現しました。

前縁の後退角が非常に大きいため、この前縁剥離は渦構造に発展し、前縁の周りを回転して最終的に上面上に留まります (デルタ翼航空機の場合と同様)。このメカニズムは、この領域の 翼の前縁を比較的鋭くすることで強化されます。

迎え角が大きくなると、この渦は前縁に沿って前方へどんどん進み、平面形状に沿って、より緩やかな後退角の領域へと進み始めます。迎え角が十分に高くなると、渦は「ノッチ」領域付近の前縁の最前部近くで発生します。

証拠によれば、強い「ノッチ」渦も形成され、これがブレードを流れに沿って横切って流れます。この渦は空気力学的フェンスのように機能し、流れの分離領域が先端領域に侵入するのを遅らせます。迎え角をさらに大きくしても、流れの構造にはほとんど変化がありません。迎え角が非常に高くなると (約 22 度)、流れは大きく分離します。従来の先端平面図では、同様の大きな流れの崩壊は、約 12 度の局所的な迎え角で発生すると予想されます。

したがって、BERP ブレードは前進ブレードの圧縮効果を軽減し、後退ブレードの失速の開始を遅らせることで、両方の長所を最大限活用します。その結果、運用飛行範囲が大幅に拡大します。

最初のプログラムである BERP I では、複合材ローターブレードの設計、製造、および認定について研究しました。その結果、ウェストランド シーキング用の新しいメインローターとテールローターブレードが製造されました。最初のプログラムに続いて、2 番目のプログラムである BERP II では、将来のローターブレード用の高度な翼断面を分析しました。これは、BERP III プログラムに反映されました。

BERP IIIの設計では、ローターブレードの外側の端に向かってノッチがあり、ノッチの内側に比べて、ノッチからブレードの端までのスイープバック量が大きくなっています。^{[2] BERP IIIは、}ウェストランドリンクスヘリコプターでの技術デモンストレーションで最高潮に達しました。^[3] 1986年、特別に改造されたリンクスの登録番号G-LYNXは、15kmと25kmのコースで400.87km/h（249.09mph）に達し、ヘリコプターの絶対速度記録を樹立しました。^[2] 技術デモンストレーションの成功に続いて、BERP IIIブレードが生産に入りました。

BERP IV は、新しい翼型、改良されたブレード先端形状、およびブレードのねじれの増加を採用しています。29 時間のテストの結果、「ローターの飛行エンベロープ性能が向上し、ホバリングおよび前進飛行で必要な電力が減り、離陸重量の範囲で機体とエンジンの振動が減少する」ことが判明しました。^{[4]さらに、「ローター ハブの負荷は、現在}EH101ヘリコプターに装備されている BERP III ブレードと同じかそれ以下であることが判明しました。 」 ^{[4]前縁の浸食を防ぐため、ブレードには英国海軍のシー キングで使用されている}ポリウレタンではなく、ゴム ベースのテープが使用されます。テストでは、39 分に対して 195 分と 5 倍長持ちすることが判明しました。プログラムは 2007 年 8 月に終了しました。^[4]

現在のアプリケーションは次のとおりです。

• BERP III:

アグスタウェストランド AW101

アップグレードされたウェストランド スーパーリンクス

• BERP IV:

アグスタウェストランド AW101

• ブルーエッジローターブレード設計

• Brocklehurst, Alan. AIAA-1990-3008、「英国実験ロータープログラムブレードの実験的および数値的研究」。AIAA、1990 年。

• 英国実験ロータープログラム (BERP) ブレード
• 航空ベクター: ウェストランド スカウト、ワスプ、リンクス
• 「世界最速のブレード」、1986年12月27日、フライト・インターナショナル誌、リンクスのBERPローターに関する記事