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The Bölkow Bo 46 was a West German experimental helicopter built to test the Derschmidt rotor system that aimed to allow much higher speeds than traditional helicopter designs.[1]Wind tunnel testing showed promise, but the Bo 46 demonstrated a number of problems and added complexity that led to the concept being abandoned. The Bo 46 was one of a number of new designs exploring high-speed helicopter flight that were built in the early 1960s.
Helicopter rotors operate in a much more challenging environment than a normal aircraft propeller. To start with, helicopters normally use the main rotor both for lift and manoeuvrability, whereas fixed-wing aircraft normally use separate surfaces for these tasks. Pitch and roll are operated by changing the lift on different sides of the rotor, using a system of bell cranks to adjust the blades to different angles of attack as they rotate. To roll to the right, the blades are adjusted so there is slightly more angle of attack on the front and slightly less on the back, resulting in reorienting the rotor thrust to roll the aircraft in the desired direction. The reason the blades are adjusted in the front and back instead of right and left is due to phase lag caused by precession.
In forward flight, the rotor system is subject to various forms of differential loading. Imagine a rotor system where the tips of the blades rotate at 300 km/h relative to still air. When that helicopter is hovering in still air, the blades see the same 300 km/h relative wind throughout their rotation. However, when the helicopter starts to move forward its speed is added to the speed of the blades as they advance towards the front of the aircraft, and subtracted as they retreat. For instance, if the helicopter is flying forward at 100 km/h, the advancing blades see 300 + 100 km/h = 400 km/h, and for the retreating ones its 300 – 100 km/h = 200 km/h.
In this example, the relative airspeed changes by a factor of two during every rotation. Lift is a function of the angle of the airfoil to the relative airflow combined with the speed of the air. To counteract this change in lift, which would normally pitch the aircraft, the rotor system has to dynamically adjust the angle of attack of the airfoils to ensure they generate a steady amount of lift throughout their motion. This adjustment is in addition to any that is being applied deliberately to manoeuvre. Since every control system has some mechanical limit, as the aircraft speeds up it loses manoeuvrability.
抗力は対気速度の二乗に比例するため、速度が少しでも変化すると抗力は4倍も変化します。正味の力をできるだけ減らすために、ヘリコプターのブレードはできるだけ薄く設計され、抗力を低減します。1950年代には、ヘリコプターのブレードは固定翼機の翼とほぼ同じ方法で作られていました。ローターブレードの全長にわたってスパーが伸びており、構造的な強度の大部分を担い、一連のストリンガーが適切な空力形状を与えていました。当時の材料を考えると、この構造方法ではスパーに非常に大きなストレスがかかっていました。
負荷、特に急激な変化を軽減するために、ローターハブには、抗力に応じてブレードが前後に動き、速度変化に応じて上下に羽ばたくような動きをするベアリングシステムが組み込まれていた。これらは、制御のために迎角を変更するシステムとは別に設けられており、ローターハブは非常に複雑な構造になっていた。
基本的な航空力学の観点から見ると、ヘリコプターのローターシステムによって制限される最大対気速度に関して、主に2つの問題が存在する。
全ての翼は揚力を発生させるために、表面に一定量の空気が流れる必要があります。ホバリングしていないヘリコプターの飛行力学上、回転するブレードディスクの一部は進行方向に対して相対的に低い対気速度を「見る」ことになります。機体の速度が指令された方向に増加すると、後退するブレードの相対対気速度は減少します。従来のヘリコプターは、後退するブレードの相対対気速度がほぼゼロまで低下し、後退ブレード失速が発生すると、最大速度の限界に達します。
この問題の解決策の一つは、ローターの回転数を上げて後退するブレードの相対速度を高くすることです。しかし、この解決策にも限界があります。翼型が音速に近づくと、波抵抗と呼ばれる問題に遭遇します。亜音速飛行用に設計された翼型は、遷音速以上の速度にさらされると、抵抗が大幅に増加します。後退ブレードの失速を緩和するためにローターの回転数を上げると、ローターの前進ブレードの先端が超音速の相対速度に近づくにつれて、ブレードの極端な抵抗によってヘリコプターが最大速度に達することになります。
つまり、まとめると、メインローターの回転数が低すぎると、後退翼が失速する速度が最大速度制限となります。逆に、メインローターの回転数が高すぎると、前進翼が超音速気流に遭遇する速度が最大速度制限となります。設計者はこれら2つの制限のバランスを取るべきであることは、素人目にも明らかでしょう。また、上記2つの問題以外にも、最大対気速度制限に影響を与える要因は数多く存在することを付け加えておきます。
ローター設計に内在する基本的な問題は、前進ブレードと後退ブレードの対気速度の差です。この差によって生じる多くの影響の中でも興味深いのは、抗力が増減するにつれてブレードがハブを中心に前後に回転することです。ブレードが航空機の後部に到達し、前方向に回転し始めるとします。この間、相対対気速度が急速に増加し始め、抗力の増加によってブレードはますます後方に押し戻されます。この力は抗力ベアリングによって緩和されます。このベアリングを中心に回転する短い期間、ブレードの全体的な速度は低下し、前進運動による速度をわずかに相殺します。[ 2 ]
デルシュミットのローター設計は、ブレードの回転全体を通して速度の増減を相殺するために、この回転を意図的に誇張しています。上記の従来型ブレードと同じ回転位置において、デルシュミットのローターは、ハブからまっすぐ伸びた静止位置と比較して、ブレードを約40度の角度まで大きく前進させています。ブレードが前進を続けると、リンク機構がブレードを前方40度から後方40度まで振り子運動させ、先端の回転速度を約半分に減速させます。ブレードが最も前方の位置に達すると、このプロセスは逆転し、ブレードが後退するにつれて速度が増加します。
その結果生じる動きは、ブレードが受ける相対対気速度を滑らかにするのに役立ちます。ヘリコプターの前進運動の影響は低速では軽減、あるいは完全に排除されるため、ローターは波抵抗領域に達することを恐れることなく高速回転させることができます。同時に、後退するブレードの速度は失速点に近づくことはありません。同様に、抗力の変化はさらに低減され、無視できるほどになります。これにより、デルシュミットローターは剛性の高い設計となり、従来のローターで使用されている複雑なベアリング、フレキシブル継手、リンク機構を排除することができます。
Since the motion in the Derschmidt rotor follows the natural change in drag through the rotation, the force applied to the blades to move them into position is quite small. Of the several designs he presented in his early patents, most used a very small linkage from a bell crank on the inner side of the blade attached to a small pushrod for operation. These rods were attached to a disk set eccentrically to the centre of rotation, which drove the blades into their proper locations.[2]
Last in the series of designs was a different approach that used a single counterweight for each blade, geared so its motion was mechanically amplified. The weight was selected to create a harmonic pendulum at the rotor's design speed. There was no mechanical attachment between the blades, and the entire assembly sat outside the hub, leaving ample room for maintenance.[2]
Bölkow had been interested in high-speed rotor flight for some time, and had drawn up several experimental concepts based on tip jet systems. Later they took on the job of developing a glass-fibre composite blade that was much stronger than the existing metal designs.[3] When Derschmidt received his first patent in 1955, Bölkow took up the concept and started work on the Bölkow Bo 46 as an experimental testbed, paid for by a Ministry of Defence contract.[1]
The basic Bo 46 design was finalized in January 1959. The five-bladed rotor system was initially tested in a wind tunnel and turned in impressive results. These suggested that the Bo 46 would be able to reach speeds up to 500 km/h (270 kn); even advanced designs of the era were limited to speeds around 250 km/h (130 kn). Construction of three highly streamlined fuselages started at Siebel. There were powered by an 800 hp Turboméca Turmoturboshaft driving a five-bladed Derschmidt rotor.[1] The design originally featured a louvred fenestration for the anti-torque rotor that could be closed in high speed flight, but this was removed from the prototypes and the six-bladed rotor was conventionally mounted on the left side of the tail. The maximum speed was not limited by rotor considerations, but the maximum power of the engine.[4] Adding separate engines for additional forward thrust was expected to allow speeds as high as 700 km/h (380 kn).
1960年代初頭、同社はいくつかの生産設計も概説したが、そのほとんどは双発ローターを使用しており、その中で最大のものがBo 310だった。この設計は2基のT55またはT64エンジンで駆動され、各エンジンはデルシュミットローターと前方に向いたプロペラの両方を駆動して追加の前方推力を得る。エンジンはローター負荷を軽減するために翼型セクションの両端に配置される。Bo 310のいくつかのバージョンがモデル化され、そのほとんどは旅客輸送機であったが、攻撃ヘリコプターバージョンもあった。Bo 310の巡航速度は500 km/h (270 kn)であった。[ 1 ]
ローターを固定した状態でのBo 46の初期試験飛行は1963年秋に開始された。試験中に、予期せぬ新たなタイプの動的負荷が次々と発生し、ローターに危険な振動を引き起こした。これらの振動は設計自体に起因するものではなく、ローターの構造をさらに複雑化することによってのみ解消できると考えられた。同時期に、ローター設計は、従来の桁と縦通材を用いた設計よりもはるかに強度が高い複合材ブレードへと移行しつつあり、負荷を軽減する複雑なベアリングシステムが不要になっていた。デルシュミット・ローターは性能向上に貢献したものの、構造の複雑化はそれに見合うだけのメリットがないと判断された。
このシステムへの関心は薄れたものの、研究飛行は続けられた。Bo 46には最終的に2基のターボメカ・マルボレエンジンが搭載され、時速400kmの速度が可能になった 。グラスファイバー製のブレードローターは実用的であることが証明され、その後、Bölkow Bo 105で広く使用されることになる。
Bo 46の飛行試験パイロットはヴィルフリート・フォン・エンゲルハルトであった。彼の飛行日誌の記録は以下の通りである。
Bo 46の保存された実例は、ビュッケブルクのフープシュラウバー博物館で一般公開されている。[ 5 ]
データから
一般的な特徴
パフォーマンス