同軸ローター航空機

同軸ローター航空機は、ローターが同じ回転軸を持ち、反対方向に回転する（二重反転）同心シャフト上に上下に取り付けられた航空機です。

このローター構成は、ロシアの カモフヘリコプター設計局が製造したヘリコプターの特徴です。

同軸ローターのアイデアはミハイル・ロモノーソフが考案した。彼は1754年7月に同軸ローターを備えた小型ヘリコプターのモデルを開発し、ロシア科学アカデミーで実演した。^[1]

1859年、英国特許庁はヘンリー・ブライトの同軸ヘリコプターの設計に対して初の特許を付与した。この時点から、同軸ヘリコプターは今日知られているような完全に機能する機械へと発展した。^{[2] [3]}

2 機の先駆的なヘリコプター、 1930 年にCorradino D'Ascanio 社が製造した「D'AT3」と、一般的にはより成功した 1930 年代半ばのフランスのGyroplane Laboratoire は、どちらも飛行に同軸ローター システムを採用していました。

同軸のローターを 2 組装備することで、機体を持ち上げる中心軸の周りの力と、どの方向に飛行するときでも横方向の力が対称になります。機械的な複雑さのため、多くのヘリコプターの設計では、メイン ローターを 1 つだけ使用した場合に発生する問題を回避するために、代替構成が採用されています。一般的な代替構成は、シングル ローター ヘリコプターまたはタンデム ローター配置です。

単一のローター ブレード セットの問題の 1 つは、ローター ブレードと反対方向にヘリコプターの 胴体に作用するトルク (回転力) です。このトルクにより、胴体はローター ブレードと反対方向に回転します。シングル ローター ヘリコプターでは、反トルク ローターまたはテール ローターがメイン ローターのトルクを打ち消し、胴体の回転を制御します。

同軸ローターは、各ローター セットを反対方向に回転させることにより、メイン ローター トルクの問題を解決します。ローターからの反対方向のトルクは、互いに打ち消されます。回転操作、ヨー制御は、1 つのローターの集合ピッチを増やし、もう 1 つのローターの集合ピッチを減らすことで実現されます。これにより、制御されたトルクの非対称性が生まれます。

揚力の非対称性は、前進飛行中のヘリコプターのローターの回転によって引き起こされる空力現象です。ローターブレードは、その上を流れる空気の量に比例して揚力を生み出します。上から見ると、ローターブレードは回転の半分（前進半分）で飛行方向に移動し、残りの回転（後退半分）で反対方向に移動します。ローターブレードは前進半分でより多くの揚力を生み出します。ブレードが飛行方向に向かって移動すると、航空機の前進運動によってブレードの周りを流れる空気の速度が増加し、ブレードが相対的な風に対して垂直になったときに最大に達します。同時に、後退半分のローターブレードは発生する揚力が少なくなります。ブレードが飛行方向から離れるにつれて、ローターブレード上の気流の速度は航空機の前進速度に等しい量だけ減少し、ローターブレードが再び相対的な風に対して垂直になったときに最大効果に達します。同軸ローターは、反対方向に回転する 2 つのローターを使用して、両側のブレードを同時に前進させることで、揚力の非対称性の影響を回避します。

同軸設計から生じるもう 1 つの利点は、同じエンジン出力でペイロードが増加することです。テール ローターは通常、同軸設計では揚力と推力に完全に充てられる利用可能なエンジン出力の一部を無駄にします。騒音の低減は、この構成の主な利点です。従来のヘリコプターに関連する大きな「叩く」音の一部は、メイン ローターとテール ローターからの気流の相互作用によって発生し、一部の設計では深刻な場合があります。また、同軸ローターを使用するヘリコプターは、高さが増加するという代償はあるものの、よりコンパクトになる傾向があり (地上での占有面積が小さくなります)、その結果、スペースが貴重である領域で使用されます。いくつかの Kamov 設計は海軍で使用され、航空母艦以外の船舶(標準装備の一部としてKa-25 「ホルモン」ヘリコプターを搭載しているロシア海軍のKara 級巡洋艦がその一例です) を含む船舶の甲板上の限られたスペースから操作できます。もう 1 つの利点は、地上での安全性が向上することです。テールローターがないため、地上の乗組員や傍観者の負傷や死亡の主な原因が排除されます。^[要出典]

ローターハブの機械的な複雑さが増している。2つのローターシステムのリンクとスワッシュプレートはマストの上に組み立てる必要があり、2つのローターを反対方向に駆動する必要があるため、より複雑になっている。可動部品の数が多く複雑であるため、共軸ローターシステムは機械的な故障や故障の可能性が高くなる。^[要出典]批評家によると、共軸ヘリコプターはブレードの「鞭打ち」やブレードの自己衝突も起こりやすいという。^[4]

このシステムは、本来の安定性と素早い制御応答により、小型の無線操縦ヘリコプターでの使用に適しています。これらの利点は、前進速度が制限され、風の影響を受けやすくなるという犠牲を払って得られます。これら 2 つの要素は、特に屋外での使用を制限します。このようなモデルは通常、固定ピッチ (つまり、ブレードを軸上で回転させて迎え角を変えることができない) であるため、モデルは単純化されますが、集合的な入力で補正する機能が排除されます。わずかな風でも補正すると、サイクリックをフルに適用しても、モデルは前進するのではなく上昇します。

マルチコプター型無人航空機には、デュオコプター、^[5]トライコプター、クワッドコプター、ヘキサコプター、オクトコプターなど、さまざまな構成があります。これらはすべて、安定性と飛行時間を向上させながら、重量を増やさずにペイロードを大幅に増やすために、同軸構成にアップグレードできます。実際、同軸マルチローターは、各アームに反対方向（1つは上、もう1つは下）を向いた2つのモーターを搭載することで作られています。したがって、同軸構成のおかげで、4軸のオクトコプター機体を持つことができます。デュオコプターは、垂直軸に並んだ2つのモーターが特徴です。制御は、回転中にターゲットを絞った推力生成のために、単一のローターブレードを適切に加速することによって行われます。より大きなペイロードに対してより大きな揚力を持つことが、UASのほぼすべての大ペイロード商用アプリケーションで同軸マルチローターが好まれる理由です。^[6]

米国運輸省は「ヘリコプター基本ハンドブック」を出版しています。その中の章の 1 つは「ヘリコプター飛行のいくつかの危険」と題されています。典型的なシングル ローター ヘリコプターが対処しなければならない 10 の危険がリストされています。共軸ローター設計により、これらの危険の多くが軽減または完全に排除されます。次のリストは、その危険を示しています。

• パワーで解決 — 削減
• 後退時のブレード失速  — 減少
• 中周波振動 - 低減
• 高周波振動 — なし
• 前進飛行中の反トルクシステムの故障 — 解消
• ホバリング中のアンチトルクシステムの故障 — 解消

これらの危険性の低減と排除は、同軸ローター設計の安全性の強みです。^{[7] [8]}

• ベンディックスモデル K (1945)
• ブラントリー B-1 (1946)
• ベンディックスモデル J (1946)
• ブレゲ G.111 (1949)
• ブレゲ・ドラン・ジャイロプレーン研究所(1936)
• シエルバ CRツイン(1969)
• クランフィールドめまい（1987）
• イーグルズパーチ（1998）
• EDM エアロテック CoAX 2D/2R
• ジャイロダイン QH-50 ダッシュ
• ヒラー XH-44 (1944)
• カモフ Ka-8 (1947)
• カモフ Ka-10 (1949)
• カモフ Ka-15 (1953)
• カモフ Ka-18 (1955)
• カモフ Ka-25 (1963)
• カモフ Ka-26 (1965)
• カモフ Ka-27 (1974)
• カモフ Ka-50 (Ka-52 は 1982 年と 1997 年)
• カモフ Ka-92
• カモフ Ka-126 (1988)
• カモフ Ka-226 (1997)
• マンゾリーニ リベッルーラ(1952)
• フェニックス スカイブレイザー(2011)
• シコルスキー S-69 (1973)
• シコルスキー X2 (2008)
• シコルスキーS-97
• シコルスキー/ボーイング SB-1 ディファイアント
• ワグナーエアロカー
• 火星ヘリコプター「インジェニュイティ」（2021年）

• 噛み合うローター
• 二重反転プロペラ
• タンデムローター
• 横方向ローター
• 火星ヘリコプター「インジェニュイティ」

ウィキメディア・コモンズには、同軸ローターを備えたヘリコプターに関連するメディアがあります。

• ヘリコプターの歴史サイト