ヘリコプターの飛行制御

ヘリコプターの飛行制御装置は、制御された空力ヘリコプター 飛行を達成し、維持するために使用されます。^[1]航空機の飛行制御装置への変更は機械的にローターに伝達され、ローターブレードに空力効果をもたらし、ヘリコプターを望ましい方法で動かします。前後に傾ける (ピッチ) または横に傾ける (ロール) には、回転中に制御装置がメインローターブレードの迎え角を周期的に変更する必要があり、サイクルの異なるポイントで異なる量の揚力が生成されます。全体的な揚力を増減するには、制御装置がすべてのブレードの迎え角を同時に集合的に等量変更する必要があり、その結果、上昇、下降、加速、減速が起こります。

一般的なヘリコプターには、サイクリックスティック、コレクティブレバー、アンチトルクペダルの3つの飛行制御入力があります。^{[2]ヘリコプターの複雑さに応じて、サイクリックとコレクティブは}ミキシングユニット によって連結される場合があります。ミキシングユニットは、両方の入力を組み合わせ、その後「混合」入力を操縦面に送り、目的の結果を達成するための機械式または油圧式の装置です。手動スロットルも飛行制御装置と見なされる場合があります。これは、調速機のない小型ヘリコプターでローター速度を維持するために必要なためです。調速機は、パイロットがヘリコプターのメインローターのコレクティブピッチを制御し、安定した正確な飛行を維持するのにも役立ちます。

サイクリック コントロールは、サイクリック スティックまたは単にサイクリックとも呼ばれ、ほとんどのヘリコプターでは固定翼航空機の操縦桿と外観が似ています。サイクリック スティックは、通常、各パイロットの座席の前面の下から上昇します。ロビンソン R22 は、 2 つの座席の間にある中央の柱に接続された「ティタリング」サイクリック デザインを採用しています。フライ バイ ワイヤ システムを備えたヘリコプターでは、サイクリック スタイルのコントローラーをパイロットの座席の側面に取り付けることができます。

サイクリックは、ヘリコプターの移動方向を変更するためにメインローターを制御するために使用されます。ホバリング中、サイクリックはヘリコプターの前方、後方、および横方向の動きを制御します。前進飛行中、サイクリック制御入力は固定翼航空機の飛行と同様に飛行経路の変更を引き起こします。左または右の入力はヘリコプターを目的の方向にロールして旋回させ、前方および後方の入力はヘリコプターのピッチ姿勢を変更して高度の変更（上昇飛行または下降飛行）をもたらします。

この制御装置は、各メイン ローター ブレードの機械的ピッチ角またはフェザリング角を、サイクル内の位置に応じて独立して変更するため、サイクリックと呼ばれます。ピッチは、各ブレードがサイクル内の同じポイントを通過するときに同じ迎え角になるように変更され、そのポイントでブレードによって生成される揚力が変更され、各ブレードが同じポイントを通過するときに順番に迎え角が変更されます。つまり、長軸に沿ってわずかに回転します。そのポイントが真正面にある場合、ブレードのピッチはその方向に短時間増加します。したがって、パイロットがサイクリックを前方に押すと、ローター ディスクが前方に傾き、ヘリコプターは真っ直ぐ前方に引き寄せられます。パイロットがサイクリックを右に押すと、ローター ディスクは右に傾きます。

どのローター システムでも、回転中にコントロールによってピッチの変化が導入されるポイントと、ローター ブレードの飛行に望ましい変化が発生するポイントとの間に遅延があります。この差は位相遅れによって発生し、ジャイロの歳差運動と混同されることがよくあります。ローターは振動を支配する法則に従う振動システムであり、ローター システムによってはジャイロスコープの動作に似ている場合があります。

コレクティブ ピッチ コントロール、またはコレクティブ レバーは、通常、パイロット席の左側にあり、不注意な動きを防止するために調整可能な摩擦コントロールが付いています。コレクティブは、すべてのメイン ローター ブレードのピッチ角をまとめて (つまり、すべて同時に) 変更し、回転サイクル内の位置とは無関係です。したがって、コレクティブ入力が行われると、すべてのブレードが均等に変更され、その結果、ヘリコプターはローターから得られる総揚力を増加または減少させます。水平飛行では、これにより上昇または下降が発生しますが、ヘリコプターが前方に傾くと、総揚力が増加すると、一定量の上昇とともに加速が発生します。

ヘリコプターが電源障害に見舞われた場合、パイロットはコレクティブピッチを調整してローターの回転を維持し、十分な揚力を発生させて比較的柔らかい着陸で着陸し滑走することができます。^[3]

ボーイングCH-47チヌークのコレクティブピッチコントロールは推力コントロールと呼ばれていますが、差動コレクティブピッチを適用して2つのローターシステムを制御する点を除いて、同じ目的を果たします。^[4]

ヘリコプターのローターは、特定の回転速度で作動するように設計されています。スロットルは、トランスミッションによってローターに接続されたエンジンの出力を制御します。スロットル設定は、ローターが飛行に十分な揚力を生み出す範囲内でローター速度を維持するのに十分なエンジン出力を維持する必要があります。多くのヘリコプターでは、スロットル コントロールは、集合コントロールに取り付けられたシングルまたはデュアルのオートバイ スタイルのツイスト グリップです(回転はオートバイのスロットルとは逆です)。一方、マルチ エンジン ヘリコプターの中には、パワー レバーを備えているものもあります。

多くのピストン エンジンヘリコプターでは、パイロットがスロットルを操作してローター速度を維持します。タービン エンジン ヘリコプター、および一部のピストン ヘリコプターでは、調速機またはその他の電気機械制御システムを使用してローター速度を維持し、パイロットの日常的な作業負担を軽減します (調速機が故障した場合は、通常、手動で復帰させることもできます)。

アンチトルクペダルは飛行機のラダーペダルと同じ場所にあり、同様の目的、つまり機首の向きを制御する役割を果たします。ペダルを特定の方向に踏むと、テールローターブレードのピッチが変化し、テールローターの推力が増減し、ペダルを踏んだ方向に機首がヨーイングします^[5]

後期の設計は「 NOTAR 」と呼ばれ、テールローターの代わりに気流を利用して反トルク制御を行う。この気流は小型ファンまたはタービンによって胴体内で生成され、通気孔を通ってテールブームの後ろから排出される。内部の制御ベーンがこの流れを変え、ヨー軸を制御できる。NOTARシステムは回転するテールローターを使用するよりも安全であり、ローターがないためそれに伴う抗力もなくなり、効率が向上する可能性がある。^[6]

ヘリコプターの基本的な飛行状態は、ホバリング、前進飛行、オートローテーションの 3 つです。

パイロットの中には、ホバリングがヘリコプター飛行の最も難しい側面であると考える者もいる。^[7]ヘリコプターは一般に力学的に不安定であるため、所定の姿勢からの偏差はパイロットの入力なしには修正されない。したがって、ヘリコプターを所望の位置および高度に保つために、パイロットは頻繁な制御入力および修正を行わなければならない。ホバリング中のパイロットの制御入力の使用方法は以下のとおりである。サイクリックは水平面内のドリフト（例えば、前方、後方、左右の動き）を除去するために使用され、コレクティブは所望の高度を維持するために使用され、テールローター（またはアンチトルクシステム）ペダルは機首の方向または方位を制御するために使用される。これらの制御の相互作用がホバリングの習得を困難にする可能性がある。なぜなら、いずれかの制御を調整するには、他の 2 つの調整が必要になることが多く、スムーズな飛行を実現するために必要な制御入力の結合をパイロットが熟知する必要があるからである。

前進飛行中、ヘリコプターの操縦装置は固定翼航空機の操縦装置に似た働きをします。サイクリックを前方に動かすと機首が下がり、高度が下がり対気速度が増加します。サイクリックを後方に動かすと機首が上がり、ヘリコプターの速度が下がり上昇します。一定の対気速度を維持しながらコレクティブ (出力) を上げると上昇し、コレクティブ (出力) を下げるとヘリコプターは下降します。これら 2 つの入力、つまりダウン コレクティブと後方 (後) サイクリック、またはアップ コレクティブと前方サイクリックを調整すると、一定の高度を維持しながら対気速度が変化します。ペダルはヘリコプターと飛行機の両方で同じ機能を果たし、バランスの取れた飛行を維持します。これは、ボールが旋回およびバンク指示器の中心にくるように必要な方向にペダル入力を適用することによって行われます。

ヘリコプターの前進飛行には固定翼航空機とは異なる制限がある。固定翼航空機では、最大対気速度は機体が耐えられる応力によって制限されるが、ヘリコプターでは、ローターの回転数と各ブレード上の有効対気速度によって制限される。^[5]

静止ホバリングでは、各ローターブレードは一定の回転数で同じ速度で飛行します。前進飛行状態では、片方のローターブレードが接近する気流に向かって動き、もう片方のローターブレードはそれから離れます。特定の速度では、後退するローターブレードが失速し、飛行が不安定になる危険な状態になる可能性があります。^[5]

水平に取り付けられた2つのローターを持つヘリコプターの場合、姿勢を変更するには、パイロットからの標準的な制御入力に応じて2つのローターを逆方向に動作させる必要があることがよくあります。共軸ローターを備えたヘリコプター（カモフKa-50など）では、両方のローターが同じマストに取り付けられ、一方がもう一方の上に配置された同心ドライブシャフトが逆回転（共有軸上で反対方向に回転）し、目的の旋回方向に回転するローターの集合ピッチを増加させると同時にもう一方のローターの集合ピッチを減少させて、トルクの非対称性を作り出すことでヨーを変更します。

タンデムローター機（ボーイングCH-47チヌークなど）も、反対方向に回転する2つのローター（同じ機体の2つの異なる地点で発生するため逆回転と呼ばれる）を採用していますが、ローターは機首と尾部のマストを通る別々のドライブシャフト上にあります。この構成では、差動コレクティブピッチを使用して、航空機の全体的なピッチ姿勢を変更します。パイロットがサイクリックを前方に動かして機首を下げて前方に加速すると、ヘリコプターはそれに応えて前部ローターのコレクティブピッチを減らし、後部ローターのコレクティブピッチを比例して増やし、2つの端を共通の質量の中心の周りに回転させます。ヨーの変更は差動サイクリックピッチで行われ、前部ローターはサイクリックピッチを目的の方向に変え、反対のピッチを後部に適用して、再び機体の中心の周りに回転させます。

逆に、シンクロプターと横置きローターの逆回転回転翼機（ベル/ボーイング V-22 ティルト ローターなど）には、2 つの大きな水平ローター アセンブリが並んで取り付けられており、差動コレクティブ ピッチを使用して航空機のロールを制御します。タンデム ローターと同様に、差動サイクリック ピッチはヨー軸の周りの動きを制御するために使用されます。

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