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航空学において、可変ピッチプロペラとは、ブレードを長軸を中心に回転させることでブレードピッチを変更できるプロペラ（エアスクリュー）の一種です。可変ピッチプロペラとは、パイロットが手動でピッチを制御するプロペラのことです。一方、定速プロペラとは、パイロットが希望するエンジン回転数（RPM）を設定すると、パイロットの介入なしにブレードピッチが自動的に制御され、回転速度が一定に保たれるプロペラのことです。プロペラのピッチ、ひいては回転速度を制御する装置は、プロペラガバナーまたは定速装置と呼ばれます。
リバーシブルプロペラとは、ピッチを負の値に設定できるプロペラのことです。これにより、シャフトの回転方向を変えることなく、ブレーキをかけたり後退したりするための逆推力を発生させることができます。
地上でプロペラの角度を調整できる航空機もありますが、これらは可変ピッチプロペラとはみなされません。可変ピッチプロペラは通常、軽飛行機や超軽量飛行機にのみ搭載されています。
航空機が静止し、プロペラが回転している場合（無風状態）、各プロペラブレードに対する相対風ベクトルは横方向から吹いてきます。しかし、航空機が前進し始めると、相対風ベクトルは次第に前方から吹くようになります。相対風に対する最適な迎角を維持するためには、プロペラブレードのピッチ角を大きくする必要があります。
初期のプロペラは固定ピッチでしたが、これらのプロペラは様々な条件下で効率が良くありません。離陸時や上昇時の性能を良くするためにプロペラブレードの角度を設定すると、ブレードの迎角が低すぎるため、巡航飛行時の効率が悪くなります。逆に、巡航性能を良くするためにプロペラの角度を設定すると、迎角が高すぎるため、低速時に失速する可能性があります。
ブレード角度を調整できるプロペラは、さまざまな条件下でより効率的です。可変ピッチプロペラは、さまざまな対気速度でほぼ一定の効率を維持できます。[ 1 ]
迎角が浅いほど、トルクは最小限で済みますが、回転数は最大になります。これは、プロペラが1回転あたりに動かす空気の量が少ないためです。これは、自動車が低速ギアで走行している状況に似ています。ドライバーは巡航速度に達すると、より高いギアにシフトしてエンジンの回転数を落としますが、それでも車両を動かし続けるのに十分なパワーは発生します。航空機では、プロペラの迎角を大きくすることでこれを実現します。つまり、プロペラが1回転あたりに動かす空気の量が増え、エンジンの回転数を下げても同量の空気を動かすことができるため、速度を維持できるのです。
可変ピッチプロペラのもう一つの用途は、抗力を低減するためにプロペラブレードをフェザリングすることです。これは、ブレードの先端が真正面を向くように回転させることを意味します。多発機の場合、エンジンが1基故障した際にフェザリングすることで抗力を低減し、残りのエンジンで飛行を継続できます。単発機の場合、エンジンが故障した際にプロペラをフェザリングすることで抗力が低減し、滑空距離が伸びるため、パイロットは不時着地点の選択肢を増やすことができます。
ピッチを変化させるには、油圧、遠心重り、または電気機械制御の3つの方法が用いられる。
エンジンオイル圧は、商用プロペラ機や、軽飛行機に搭載されるコンチネンタル社製およびライカミング社製のエンジンで一般的に用いられる機構です。定速装置（CSU）を搭載していない航空機では、パイロットがオイル圧を利用してプロペラブレードのピッチを手動で制御します。
あるいは、ヤコブレフ Yak-52のように、遠心ウェイトをプロペラに直接取り付けることもできます。定速プロペラの最初の試みはカウンターウェイトプロペラと呼ばれ、遠心力で動作する機構によって駆動されました。その動作は、ジェームズ・ワットが蒸気機関の速度を制限するために使用した遠心ガバナーと同一です。偏心ウェイトはスピナーの近くまたは内部に設置され、バネで保持されていました。プロペラが一定の回転数に達すると、遠心力によってウェイトが外側に振れ、プロペラを急なピッチにねじる機構が駆動されます。プロペラが減速すると、回転数が低下し、バネがウェイトを元の位置に戻してプロペラを浅いピッチに再調整します。
Rotax 912のような定速ユニット（CSU）を備えた小型の最新エンジンは、従来型の油圧方式または電気式のピッチ制御機構のいずれかを使用できる。
油圧式駆動は、超軽量機にとっては高価でかさばりすぎる場合がある。そのため、これらの機体では、機械的または電気的に作動するプロペラが使用されることがある。
定速プロペラは、航空機の運用状況に関わらず、一定の回転速度を維持しながらブレードピッチを自動的に変更するように設計された可変ピッチプロペラの一種です。これは、プロペラハブに一体化された定速ユニット（CSU）またはプロペラガバナーを使用することで実現されます。
ほとんどのエンジンは、狭い回転数範囲で最大出力を発揮します。CSU（連続回転ユニット）は、航空機が離陸時であろうと巡航時であろうと、エンジンを最も経済的な回転数範囲で運転することを可能にします。CSUは、自動車における無段変速機（CVT）のようなものと言えるでしょう。つまり、航空機が空中を飛行する速度に関係なく、エンジンを最適な速度で運転し続けることができるのです。また、CSUは航空機エンジンの設計者が点火システムを簡素化することを可能にします。自動車エンジンに見られる自動点火進角機構は、航空機エンジンがほぼ一定の回転数で運転されるため、簡素化されるのです。
高性能プロペラ機のほぼすべては定速プロペラを採用している。これは、特に高高度において、燃費効率と性能を大幅に向上させるためである。
定速プロペラの最初の試みは、遠心力を利用した機構で駆動されるカウンターウェイトプロペラと呼ばれていました。その動作原理は、ジェームズ・ワットが蒸気機関の速度制御に用いた遠心ガバナーと全く同じです。偏心した重りがスピナーの近くまたは内部に設置され、バネで保持されていました。プロペラが一定の回転数に達すると、遠心力によって重りが外側に振れ、その振動によってプロペラを急なピッチにねじる機構が作動しました。プロペラの回転数が下がると、回転数が低下してバネが重りを元の位置に戻そうとし、プロペラは再び緩やかなピッチに調整されました。
ほとんどの CSU は、油圧を使用してプロペラのピッチを制御します。通常、単発機の定速ユニットは、油圧を使用してピッチを上げます。CSU が故障すると、プロペラは自動的にファインピッチに戻り、航空機を低速で運用できるようになります。対照的に、多発機では、CSU は通常、油圧を使用してピッチを下げます。このようにして、CSU が故障すると、プロペラは自動的にフェザリングされ、抗力が減少し、航空機は正常なエンジンで飛行を続けることができます。[ 2 ]「アンフェザリングアキュムレータ」により、このようなプロペラは飛行中のエンジン再始動のためにファインピッチに戻ることができます。
単発レシプロ機の動作は次のとおりです。エンジンオイルはガバナーによってプロペラシャフトに送り込まれ、ピストンを押してピッチを変更する機構を駆動します。オイルの流れとピッチは、ギア式ポンプ、スピードスプリング、フライウェイト、パイロットバルブで構成されるガバナーによって制御されます。ギア式ポンプはエンジンオイルの圧力を受け取り、それをより高い圧力に変換します。この圧力は、フライウェイトに接続されたパイロットバルブと、フライウェイトに押し付けられるスピードスプリングによって、プロペラハブへの出入りが制御されます。スプリングの張力は、回転数を設定するプロペラ制御レバーによって設定されます。ガバナーは、エンジンの過回転または低回転状態が発生するまで、その回転数設定を維持します。過回転状態が発生すると、プロペラは設定回転数よりも速く回転し始めます。これは、飛行機が降下して対気速度が増加するときに発生します。遠心力によってフライウェイトが外側に引っ張られ始め、スピーダースプリングがさらに圧縮されます。これにより、エンジンハブにオイルが送り込まれ、エンジンの回転数が低下し、ピッチが増加します。対気速度が低下した上昇時など、低速状態になると、逆の現象が発生します。対気速度が低下すると、プロペラの回転速度が低下します。これにより、遠心力が不足するためフライウェイトが内側に移動し、スピーダースプリングの張力が解放され、プロペラハブからオイルが送り出され、ピッチが低下し、回転数が増加します。このプロセスは通常、飛行中に頻繁に発生します。
パイロットは、CSU（制御システムユニット）を搭載した航空機を操縦する前に、追加の訓練を受け、ほとんどの管轄区域では正式な承認を得る必要があります。米国では、軽スポーツ航空機の規制に基づいて認証された航空機にCSUを搭載することは認められていません。
AV ローやルイ・ブレゲーなど、初期の航空パイオニアの多くは、地上で調整可能なプロペラを使用していた。[ 3 ]これは第一次世界大戦中にも、ツェッペリン・シュターケン R.VIドイツの 4発重爆撃機の試験機「R.30/16」でも同様であった。 [ 4 ]
1919年、LE ベインズは最初の自動可変ピッチプロペラの特許を取得した。カナダでは、1918年に最初の可変ピッチプロペラを開発した人物として、カナダのニューブランズウィック州セントジョンのウォレス・ルパート・ターンブルが知られている。[ 5 ]
フランスの航空機メーカー、ルヴァスール社は、1921年のパリ航空ショーで可変ピッチプロペラを展示した。同社は、フランス政府がこの装置を10時間連続運転でテストし、エンジンの回転数に関係なくピッチを変更できると主張した。[ 6 ]
ヘンリー・セルビー・ヘレショー博士とTE・ビーチアムは、1924年に油圧式可変ピッチプロペラ（可変ストロークポンプに基づく）の特許を取得し、 1928年に王立航空協会でこの件に関する論文を発表しましたが、その有用性については懐疑的な意見が出ました。[ 7 ]このプロペラはグロスター・エアクラフト社と共同でグロスター・ヘレショー・ビーチアム可変ピッチプロペラとして開発され、グロスター・グリーブで実証され、ほぼ一定の回転数を維持するために使用されました。[ 8 ]
フランスのラティエ社は、1928年以降、様々な設計の可変ピッチプロペラを製造した。これらのプロペラは、ブレードの根元に特殊なボールベアリング付きらせん状傾斜部を設けることで、操作性を向上させていた。ウォルター・S・フーバーによる可変ピッチプロペラの特許は、1934年に米国特許庁に出願された。
いくつかの設計が試され、その中にはプロペラハブ内の加圧空気の小さなブラダーが、ブレードをファインピッチ（離陸）からコースピッチ（水平巡航）に駆動するスプリングに抵抗するのに必要な力を提供するものもあった。適切な対気速度になると、スピナー前面のディスクがブラダーの空気解放バルブを十分に押して圧力を解放し、スプリングがプロペラをコースピッチに駆動できるようにする。これらの「空気圧式」プロペラは、有名な1934年のマクロバートソン航空レースの長距離優勝機であるデ・ハビランドDH.88コメット機と、ミシェル・デトロヤが操縦し1936年のナショナル航空レースで優勝したコードロンC.460に搭載された。これらの空気圧式プロペラを使用するには、離陸前にプロペラをファインピッチにプリセットする必要があった。これは自転車の空気入れでブラダーに圧力をかけることで行われたため、今日に至るまでフランスの航空機地上整備士には「ゴンフルール・デリス」（プロペラ空気入れ少年）という風変わりなニックネームが付けられている。[ 9 ]
グロスター・ヘレ・ショーの油圧プロペラは、1929年のオリンピア国際航空博覧会で展示された。ハミルトン・エアロ・マニュファクチャリング社のアメリカ人トム・ハミルトンはそれを見て、帰国後、そこで特許を取得した。[ 10 ]ユナイテッド・エアクラフト社のハミルトン・スタンダード部門として、エンジニアのフランク・W・コールドウェルは油圧設計を開発し、 1933年のコリアー・トロフィーの受賞につながった。[ 11 ]その後、デ・ハビランド社は英国でハミルトン・プロペラを製造する権利を買い取り、一方ロールス・ロイス社とブリストル・エンジン社は1937年に英国でロトール社を設立し、独自の設計を製造した。フランスのピエール・ルヴァスール社と米国のスミス・エンジニアリング社も可変ピッチプロペラを開発した。ワイリー・ポスト（1898年～1935年）は、いくつかの飛行でスミス社のプロペラを使用した。
もう一つの電動式機構は、ウォレス・ターンブルによって開発され、カーチス・ライト社によって改良された。[ 12 ]これは1927年6月6日にカナダのオンタリオ州キャンプ・ボーデンで初めて試験され、1929年に特許を取得した（米国特許1,828,348）。第二次世界大戦（1939～1945年）のパイロットの中には、エンジンが停止していてもプロペラをフェザリングできるため、この機構を好む者もいた。油圧式プロペラでは、プロペラをフェザリングするために必要な油圧を供給する専用の電動フェザリングポンプが設置されていない限り、エンジンの油圧が失われる前にフェザリングを行う必要があった。