ローターの回転速度が遅くなる

低速ローター原理は、一部のヘリコプターの設計に使用されています。従来のヘリコプターでは、ローターの回転速度は一定です。低速飛行時に回転速度を下げると、燃料消費量を削減し、航空機をより経済的に飛行させることができます。複合ヘリコプターや、ジャイロダインや有翼オートジャイロなどの関連航空機構成では、ローターの回転速度を下げ、その揚力の一部を固定翼にオフロードすると、抗力が減り、航空機をより速く飛行させることができます。

従来のヘリコプターは、推進力と揚力の両方をメインローターから得ています。プロペラやジェットエンジンなどの専用の推進装置を使用することで、ローターの負担が軽減されます。^[1]翼も航空機の揚力に使用すれ ば、ローターの負荷を（部分的にまたは完全に）軽減でき、回転速度をさらに下げて航空機の速度を上げることができます。複合ヘリコプターではこれらの方法が使用されていますが、[ ^{2] [3] [4]}ボーイング A160 ハミングバードでは、翼やプロペラがなくてもローターの減速が可能であり、通常のヘリコプターでは、19% 少ない電力でタービン RPM（つまりローター速度）を 85% まで下げることができます。^{[5]また、研究では、高度と速度が}高度速度線図の安全領域内に十分収まっている場合、片方のエンジンのみで稼働している双発ヘリコプターでは、燃料消費量を 25%～40% 削減できることが示されています。[ ^{6] [7] [8]}

2012年時点では、複合機やハイブリッド主翼/ローター（有人）航空機は量産されておらず、実験機として飛行した機体はわずかである。^[9]主な理由は、複雑さの増大が軍事市場や民間市場で正当化されなかったためである。^[10]ローター速度を変化させると、特定の共振周波数で激しい振動を引き起こす可能性がある。^[11]

二重反転ローター（シコルスキーX2など）は、左右両側でほぼ等しい揚力を提供し、フラッピングを少なくすることで揚力の非対称性の問題を解決します。^{[12] [1]} X2は、ローター速度^[1]を446 RPMから360 RPMに下げることで圧縮性の問題に対処し^{、[13] [14]} 200ノットを超える速度で走行しているときに前進するブレードの先端を音速の壁以下に保ちます。^[15]

従来のヘリコプターのローターは、数パーセント以内の固定回転速度で作動するように設計されています。^{[16] [17] [18] [11]}これにより、最適速度が異なる飛行範囲の領域に制限が生じます。 ^[5]

特に、航空機の最大前進速度を制限する。回転翼機の速度を制限する主な問題は2つある。^{[11] [4] [19] [12]}

• 後退ブレードの失速。ヘリコプターの前進速度が増加すると、後退ブレード上の気流は相対的に遅くなり、前進ブレード上の気流は相対的に速くなり、より多くの揚力が発生します。フラッピングによって相殺されなければ、^[20]揚力の非対称性が発生し、最終的に後退ブレードの失速が発生します。 ^{[2] [3] [21] [22] [1]}また、ブレードがフラッピングの限界に達すると、ブレードの安定性が低下します。^{[12] [23]}
• ローターブレードの先端付近の遷音速抵抗。より高速に前進するブレードの先端は音速に近づき始める可能性があり、遷音速抵抗が急激に増加し始め、激しいバフェッティングと振動効果が発生する可能性があります。この効果により、ヘリコプターに余剰パワーが残っていても、また高度に流線型の機体を備えていても、速度がそれ以上増加することはありません。同様の効果により、プロペラ駆動の航空機は超音速を達成できませんが、プロペラブレードが移動方向に前進しないため、ヘリコプターよりも高速を達成できます。^{[2] [3] [1] [24] [25] [26]}

これらの（およびその他の）^{[27] [28]}問題により、従来型ヘリコプターの実用速度は約 160～200 ノット（300～370 km/h）に制限されます。^{[1] [26] [29] [30]}極端な場合、回転翼航空機の理論上の最高速度は約 225 ノット（259 mph、417 km/h）で、^[28]ウェストランド リンクスが保持する従来型ヘリコプターの現在の公式速度記録をわずかに上回ります。リンクスは 1986 年に 400 km/h（250 mph）で飛行し、その際のブレードの先端はほぼマッハ 1でした。 ^{[32 ]}

回転翼航空機の場合、前進比（またはMu、記号）は、航空機の前進速度Vをその相対的なブレード先端速度で割ったものとして定義されます。^{[33] [34] [35]}回転翼航空機にとって、muの上限は重要な設計要素であり、^[23]従来のヘリコプターの場合、最適値は約0.4です。^{[4] [26]}${\displaystyle \mu}$

「相対ブレード先端速度」uは、航空機に対する先端速度です（先端の対気速度ではありません）。したがって、前進比の式は次のようになります。

${\displaystyle \mu ={\frac {V}{u}}={\frac {V}{\Omega \cdot R}}}$ ここでオメガ（Ω）はローターの角速度、Rはローター半径（ローターブレード1枚分の長さ程度）である^{[36] [23] [13]}

ローターブレードが航空機に対して垂直で前進している場合、その先端対気速度V _tは航空機の速度と相対的なブレード先端速度の和、つまりV _t = V + uです。^{[12] [37]} mu=1では、Vはuに等しく、先端対気速度は航空機の速度の2倍です。

反対側（後退ブレード）の同じ位置では、先端対気速度は機体速度から相対ブレード先端速度を引いた値、つまりV _t = V - uとなる。mu=1では、先端対気速度はゼロである。^{[30] [38]} muが0.7から1.0の間であれば、後退側の大部分で逆流が発生する。^[13]

ローターの特性は回転翼機の性能にとって基本であるが、^[39] 0.45 から 1.0 までの前進比に関する公開された分析的および実験的知識はほとんどなく、^{[13] [40]}フルサイズのローターで 1.0 を超える前進比については知られていない。^{[41] [42]} コンピュータシミュレーションでは、高 mu では適切な予測ができない。^{[43] [44]}後退ブレード上の逆流領域は十分に理解されていないが、^{[45] [46]}特にスケールローターについてはいくつかの研究が実施されている。[ ^{47] [48] [ 49] [50]}米陸軍航空応用技術局は、 2016 年にローター速度を 50% 低減するトランスミッションの開発を目的とした支援プログラムを実行している。^[51]

ローターのプロファイル抗力は、その回転速度の3乗に相当します。[ 52 ] [ 53 ^{]したがって} 、回転速度を下げるとローター抗力が大幅に減少し、航空機の速度を上げることができます。 ^[13] UH-60Aなどの従来のローターは、約75％rpmで消費量が最低になりますが、航空機の速度（および重量）が上がると、より高いrpmが必要になります。^[54]

可変半径のローターディスクは、圧縮性を避けるために先端速度を下げる別の方法ですが、ブレード負荷理論では、半径を固定して回転速度を変える方が、半径を固定して回転速度を変えるよりも性能が良いことが示唆されています。^[55]

従来のヘリコプターは定速ローターを備え、ブレードの迎え角またはコレクティブピッチを変化させることで揚力を調整します。ローターは高揚力または高速飛行モードに最適化されており、それほど要求の厳しくない状況ではそれほど効率的ではありません。

ローターのプロファイル抗力は、その回転速度の3乗に相当します。[ 52 ] [ 53 ^{]したがって} 、回転速度を下げて迎え角を大きくすると、ローター抗力が大幅に減少し、燃料消費量を削減できます。^[5]

リストされている各タイプに指定されている技術的パラメータ:

• 最高速度。
• μ、前進速度と回転先端速度の比。
• 全速度での全揚力に対するローターの揚力の割合。
• 揚力抗力比（L/D）。

1920 年代から 1930 年代にかけてフアン・デ・ラ・シエルバがオートジャイロを開発していたとき、前進するローターブレードの先端速度が過剰になる可能性があることが判明しました。彼やハロルド・F・ピトケアンなどの設計者は、高速飛行中にローターの負荷を軽減し、より低速で回転できるようにするために、従来の翼を追加するというアイデアを考案しました。^{[引用が必要]}

1932年のピトケアンPCA-2オートジャイロは、最高速度20-102ノット（時速117マイル、189km/h）、^[56] μは0.7、^[57] L/Dは4.8でした^。[58]

NACAのエンジニアであるジョン・ウィートリーは、1933年に風洞で最大約0.7までの前進比の変化の影響を調べ、1934年に画期的な研究を発表しました。揚力はある程度正確に予測できましたが、1939年までに最先端の理論ではローター抗力の値が非現実的に低いままでした。^[59]

英国のフェアリー・アビエーションは、1940年代後半から1950年代にかけてジャイロダインに取り組み、カウンタートルクを必要としないチップジェット推進を開発しました。彼らは、ヘリコプターの垂直着陸と固定翼航空機の速度を組み合わせたVTOL旅客機のプロトタイプであるフェアリー・ロトダインを完成させました。ロトダインは、直径90フィートのメインローター1つと、46フィートの幅の翼を持ち、双発のターボプロップエンジンによって前進推力が供給されていました。前進飛行中、ローターへの出力は約10％に減少しました。^[要出典]最高速度は166ノット（191 mph、307 km/h）で、1959年に記録されました。^{[60] [61]} 0.6。^[62]ローター速度は120rpm（オートジャイロとしての高速巡航飛行）から140rpm（ヘリコプターとして着陸時にフレアアウト）でした。 ^[63]前進飛行中、揚力の60％は翼から、40％はローターから得られました。^[64]

同じ頃、アメリカ空軍は高速 VTOL 機の調査を行っていた。マクドネルは、後にマクドネル XV-1となる機体を開発し、1955 年に初飛行した。これはチップジェット駆動のジャイロダインで、高速度域ではローター推力をオフにし、前進飛行とローターの自動回転を維持するためにプッシャープロペラを使用した。揚力はローターとスタブ翼で分担された。この機体は、170 ノット (200 mph、310 km/h) という回転翼機の速度記録を樹立した。0.95。^[65] 180-410 ^[66] (50% ^[67] )。85% \ 15%。^[68] 6.5 (プロペラなしの 180 RPM での風洞試験。^[69] )

アメリカ陸軍のロッキード AH-56 シャイアン軍用攻撃ヘリコプターは、1959 年に CL-475 から始まったロッキードの継続的な硬質ローター研究プログラムから生まれました。XH - 51Aに最初にスタブ ウィングとローターの負荷を軽減するスラスト ターボジェットが追加され、1965 年にこの機体は時速 272 マイル (438 km/h) の世界速度記録を達成しました。シャイアンはわずか 2 年後に飛行し、推進プロペラから前進推力を得ました。量産前のプロトタイプが発注されましたが、プログラムは問題に直面し、キャンセルされました。^[70] 212 ノット (244 mph、393 km/h)。^{[71] [72]} 0.8。^[65] .. \ 20%。^[73]

ピアセッキ16Hパスファインダープロジェクトも同様に、1960年代を通じて当初の従来型設計を複合ヘリコプターへと進化させ、1965年に飛行に成功した16H-1AパスファインダーIIに至った。推力は尾部のダクトファンによって得られた。^[74]

1969年のベル533は複合ジェットヘリコプターであった。最高速度は275ノット（時速316マイル、時速509キロメートル）。^{[75] [76]}

• 戦後タイプ
• 
  マクドネル XV-1。オプションで動力付きローター、プッシャープロペラ、翼。
• 
  フェアリー ロトダイン。オプションで駆動するローター、トラクター プロペラ、翼。
• 
  ロッキード AH-56 シャイアン。動力付きローター、プッシャープロペラ、翼。
• 
  ベル 533。動力付きローター、ジェット、翼。

複合ヘリコプターの研究と実験飛行は続けられている。2010年にシコルスキーX2が同軸ローターで飛行した。250ノット（290mph; 460km/h）。^{[77] [78]} 0.8。^[13] 360から446。^{[13] [14]}翼なし。^[79] 2013年にユーロコプターX3が飛行した。^[80] 255ノット（293mph; 472km/h）。^{[81] [82]} 310マイナス15％。^[12] 40 ^{[12] [1]} -80％\。^{[83] [84]}

複合オートジャイロは、ローターが翼と推力エンジンで補完されるが、それ自体は動力を持たないもので、ジェイ・カーター・ジュニアによってさらに改良が加えられた。彼は2005年にカーターコプターを飛ばした。150ノット（170 mph; 280 km/h）。 ^[85] 1. 50%。^{[13] 2013年までに彼はその設計を}個人用航空機、カーターPAVへと発展させた。175ノット（201 mph; 324 km/h）。1.13。105 ^[86]から 350。^[87]

低速ローターによる燃費向上の可能性は、従来型ヘリコプターであるボーイングA160ハミングバード無人航空機でも研究されている。140ノット（時速160マイル、260km/h）。140～350。^[88]

• 最近の減速した回転翼航空機
• 
  ボーイング A160 ハミングバード
  翼もプロペラもありません。
• 
  シコルスキー X2
  動力ローター、プッシャープロペラ、翼なし。
• 
  ユーロコプター X3
  動力付きローター、トラクタープロペラ、翼。
• 
  カーターPAV
  動力なしのローター、プッシャープロペラ、翼。

• ジャイロダイン
• コンバーチプレーン

外観イメージ
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