サイクロローター

サイクロロータープロペラはロシア航空で登場した。^{[ 7 ]}スヴェルチコフの「サモリョート」（サンクトペテルブルク、1909年）または「ホイールオルソプター」は、このシステムを使用した最初の乗り物と考えられている。その仕組みはサイクロジャイロに近いが、正確に分類するのは難しい。3つの平面と方向舵があり、1つの平面の後端を曲げることができ、昇降舵の代わりとなる。揚力と推力は、120°の角度でペアで配置された12枚のブレードからなるパドルホイールによって生み出す必要があった。ブレードは凹面だった。迎角は偏心カムとスプリングによって制御された。

機体底部には10 馬力のエンジンが搭載されていた。動力伝達はベルト式だった。自重は約200kg  。この機体は、中央技術庁の軍事技術者E・P・スヴェルチコフによって製作された。最新発明品展示会で展示され、メダルを獲得したが、予備飛行試験には合格できなかった。

1914年、ロシアの発明家であり科学者でもあるA・N・ロディギンは、サモロットに似たシクロジャイロ型の航空機を提案したが、このプロジェクトは実現しなかった。

1933年、アドルフ・ロールバッハはドイツでパドルホイール翼配置の実験を行った。^{[ 8 ]}振動するウィングレットは、回転ごとに正の迎角から負の迎角へと周期的に変化し、その偏心取り付けにより、理論上は水平方向と垂直方向の力のほぼあらゆる組み合わせを生み出すことができた。ドイツ航空局（DVL）はロールバッハの設計を評価したが、当時の航空雑誌は設計に疑問を呈し、ドイツ空軍の輸送機としての提案であっても資金提供を妨げた。この設計が実際に製造されたという証拠はない。米国では、プラットが1933年までにロールバッハの研究に基づいて独自のサイクロジャイロを設計した。彼の配置は米国特許（同様の特許の1つ）を取得し、1927年にMITで広範な風洞試験を受けた。にもかかわらず、プラットの航空機は製造されなかった。

最初の機能的な設計は、 1930年代にフォイト社で開発されました。その起源は、フォイト社がタービン伝動ギアアセンブリに注力することを決定したことに遡ります。フォイトプロペラはエルンスト・シュナイダーによって発明され、フォイト社によって改良されました。商用船舶向けにフォイト・シュナイダープロペラ（VSP）として発売されました。1937年に試験船トルケオ号で行われた海上試験で実証されたように、船舶の操縦性を大幅に向上させました。最初のフォイト・シュナイダープロペラは、イタリアのヴェネツィアの運河で使用されました。1937年のパリ万国博覧会では、フォイト社はプロペラとターボ伝動装置で3回もグランプリを受賞しました。その1年後、パリの消防艇2隻がこのシステムで運用を開始しました。

2025年、ABBは最大85%の効率と精密な操縦を約束するDynafinサイクロローターシステムを発表しました。Dynafinは1990年代に導入されたAzipodシステムの流れを汲んでいます。Dynafinは電気モーターを使用して船底のディスクを回転させ、毎分40～80回転します。ディスクには5枚の独立制御可能なブレードが等間隔で取り付けられています。記録的な効率により、よりコンパクトな推進システムの使用が可能になります。比較的低い圧力パルスとブレード先端速度により、従来のプロペラよりも乱流が少なくなります。独立機関によるテストでは、Dynafinは従来の構成と比較して22%のエネルギー節約を実現したと報告されています。このコンセプトはCarlton Ilmaクルーズヨットで評価され、電力、重量、スペースの節約につながりました。^{[ 9 ]}

サイクロローターは高度な制御性を提供します。従来のプロペラ、ローター、ジェットエンジンは回転軸に沿ってのみ推力を発生させ、推力の方向を変更するには装置全体を方向転換する必要があります。プロペラの慣性が大きく、ローターのジャイロ効果が回転に抵抗するため、この方向転換には大きな力と比較的長い時間スケールが必要です。多くの実用的な用途（ヘリコプター、飛行機、船舶）では、船全体を回転させる必要があります。対照的に、サイクロローターはブレードピッチのみを変更すれば済みます。ブレードピッチの変化に伴う慣性は小さいため、回転軸に垂直な平面内での推力ベクトル制御は迅速かつ効率的です。 ^{[ 10 ]}

サイクロローターは高い前進比で揚力と推力を発生させることができ、理論的には、サイクロジャイロはシングルローターヘリコプターよりもはるかに速い亜音速で飛行することができる。

シングルローターヘリコプターの前進速度は、後退ブレードの失速と音速ブレード先端の制約の組み合わせによって制限されます。 ^{[ 11 ]}ヘリコプターが前進すると、前進ブレードの先端は、ヘリコプターの前進速度と回転速度の合計である風速を受けます。ローターが効率的かつ静かに動作するために、この値は音速を超えてはなりません。

回転速度を低く保つことでこの問題は回避できますが、別の問題が発生します。速度合成の従来の方法では、後退ブレードが受ける風速は、ブレードの回転速度と自由流速度のベクトル合成です。この状態では、十分に高い前進比が存在すると、後退ブレード上の空気速度は低くなります。ブレードのフラッピングにより迎角が変化します。すると、ブレードが失速状態に達する可能性があります。^{[ 12 ]}この場合、失速ブレードは揚力を維持するためにピッチ角を大きくする必要があります。これにより翼型が制限され、指定された速度範囲に対してローター半径を慎重に設計する必要があります。^{[ 13 ]}

低速サイクロローターは、回転軸を水平に切り替えてブレード先端速度を低くすることでこの問題を回避します。高速の場合は、より高度な戦略を採用する必要があります。1つのアプローチは、油圧作動によってブレードを独立して作動させることです^{[ 14 ]}。水平回転軸は常に上部ブレードを前進させ、ローター全体で常に正の揚力を発生させます。^{[ 15 ]}これらの特性は、ヘリコプターの低いエネルギー効率と前進比の制約を克服するのに役立つ可能性があります。 ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

回転および振動するブレードは、サイクロローターの2つの動的動作であり、複雑な空力現象を生み出す。

• ブレードの停止を遅らせる。
• 低レイノルズ数における最大ブレード揚力係数を増加させる。

この2つの効果は推力の増加と相関関係にある。ヘリコプターや他のプロペラと比較すると、サイクロローターでは同じブレード断面形状でも、同じレイノルズ数でより大きな推力を発生させる。この効果は、従来のプロペラの挙動を考慮することで説明できる。

レイノルズ数が低い場合、乱流はほとんど発生せず、層流状態が実現できる。従来の翼型は、翼の上面と下面の速度差を最小限に抑え、揚力と失速速度の両方を低減する。その結果、失速時の迎角が小さくなる。

この条件下では、従来のプロペラやローターは同じ推進力を得るために、より大きなブレード面積を使用し、より速く回転する必要があり、その分、ブレード抗力によるエネルギー損失も大きくなります。したがって、サイクロローターは他のどのプロペラよりもエネルギー効率に優れています。

サイクロローターはブレードの迎角を素早く増減させることで失速を遅らせ、揚力を得ます。この不安定な揚力により、サイクロローターは従来のプロペラよりも小型、低速、高高度で効率的になります。しかし、鳥や一部の昆虫は翼のピッチと形状の両方を変えることができるため、依然としてはるかに効率的です^{[ 19 ] [ 20 ]} 。また、境界層（サメの皮膚のように）も変化させることができます^{[ 21 ] 。}

研究は、翼や表面の効率を同レベルにすることを目指している。^{[ 22 ]} 1つの方向性は、変形翼である。^{[ 23 ] [ 24 ]}もう1つは、誘電体バリア放電などの境界層制御メカニズムの導入に関連している。^{[ 25 ]}

実験評価中、サイクロローターは、ブレード先端速度が低いため乱流の強度が低く、空力騒音がほとんど発生しないことが確認された。^{[ 26 ]}

試験では、サイクロローターは同じディスク負荷で同等の従来型ローターよりも高い出力負荷を達成しました。これは、不安定な揚力と一貫したブレード空力条件を利用していることに起因します。プロペラの回転速度成分は根元から先端に向かって増加するため、ブレードの弦、ねじれ、翼型などがブレードに沿って変化する必要があります。サイクロローターのブレードスパンは回転軸と平行であるため、スパン方向の各ブレードセクションは同様の速度で動作し、ブレード全体を最適化できます。^{[ 10 ] [ 27 ]}

サイクロローターのブレードには支持構造が必要です。この構造は「スポーク」と呼ばれることもあり、抗力とローター重量が増加します。^{[ 28 ]}サイクロローターのブレードは、曲げ方向では遠心荷重を受けます（プロペラの軸方向荷重とは対照的）。そのため、強度対重量比の高いブレードまたは中間支持スポークが必要です。20 世紀初頭のサイクロローターは、ブレードスパンが短いか、追加の支持構造を備えていました。^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}

サイクロローターは、連続的に作動するブレードピッチを必要とします。回転するブレードが受ける相対的な流れ角は、前進比とローター推力によって変化します。効率的に動作させるには、ブレードピッチ機構がこれらの多様な流れ角を調整する必要があります。高速回転では、アクチュエータベースの機構を実装することが困難です。固定または可変形状のトラックは、ブレード軌道と平行に取り付けることでピッチ制御を提供できます。ピッチ制御トラックの形状は、回転数に関係なく、軌道に沿ったブレードのピッチを確実に決定します。ホバリングで使用されるピッチング動作は前進飛行用に最適化されていませんが、実験的評価では、前進比が1に近いまで効率的な飛行を提供することが報告されています。^{[ 28 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

風力タービンは潜在的な用途である。^{[ 35 ]}可変ピッチ垂直軸風力タービンと呼ばれるこれらは、従来のVAWTに比べて利点がある。^{[ 36 ]}この種のタービンは、従来のダリウスVAWTの従来の制限のほとんどを克服するとされている。^{[ 37 ]}

サイクロローターの最大の潜在的な用途は、船舶の推進と制御です。サイクロローターは垂直回転軸で取り付けられているため、推力を水面に平行な任意の方向に向けられます。1922年、フレデリック・キルステンは32フィートのボートに一対のサイクロローターを取り付け 、舵を不要にし、操縦性を向上させました。キルステン・ボーイング・プロペラ社が米国海軍の研究助成金を失った後、このアイデアは米国では頓挫しましたが、フォイト・シュナイダー・プロペラ社はプロペラの実用化に成功しました。このプロペラは第二次世界大戦勃発前に100隻以上の船舶に搭載されました。^{[ 38 ]}現在、同じ会社がこのタイプのプロペラを販売しています。これは、オフショア掘削船、タグボート、フェリーに使用されています。^{[ 39 ]}