プロペラ（航空学）
C-130Jスーパーハーキュリーズ軍用輸送機のプロペラ

航空学において、航空機のプロペラ（エアスクリューとも呼ばれる）[ 1 ] [ 2 ]は、エンジンなどの動力源からの回転運動を、プロペラを前方または後方に押し出す旋回流に変換します。プロペラは回転する動力駆動ハブで構成され、ハブには複数の放射状翼型ブレードが取り付けられており、全体が縦軸を中心に回転します。ブレードのピッチは固定式、手動でいくつかの設定位置に可変式、または自動可変の「定速」式があります。

プロペラは動力源の駆動軸に直接、または減速ギアを介して取り付けられます。プロペラは木材、金属、または複合材料で作られます。

プロペラは一般に時速480マイル（770キロメートル）以下の亜音速でのみ有効であるが、マクドネルXF-88B実験用プロペラ搭載航空機では、急降下時にマッハ1.01の速度が達成され、プロペラ効率は78％であった。[ 3 ]

歴史

装飾された日本の竹とんぼ

垂直飛行に関する最も古い記録は中国に遡ります。紀元前400年頃から[ 4 ] 、中国の子供たちは竹でできた空飛ぶおもちゃで遊んでいました。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]この竹製のコプターは、回転翼に取り付けられた棒を両手で転がすことで回転します。回転によって揚力が生じ、放すとおもちゃは飛びます。[ 4 ] 4世紀の道教の書物『抱朴子』（簡素を抱く道士）には、回転翼航空機に固有のいくつかの概念が記されていると言われています。[ 8 ]

中国のヘリコプターのおもちゃに似たデザインは、ルネサンス絵画やその他の作品にも登場しています。[ 9 ]

レオナルドの空中スクリュー

垂直飛行への進歩が記録に残るのは、 1480年代初頭、レオナルド・ダ・ヴィンチが「エアリアル・スクリュー」とでも呼べる機械の設計図を作成した時である。彼の記録には、彼が小型の飛行模型を製作したという記述があるものの、ローターによる機体の回転を止めるための手段については何も記されていない。[ 10 ] [ 11 ]科学的知識が蓄積され、より広く受け入れられるようになるにつれ、人類は垂直飛行というアイデアを追求し続けた。後世の模型や機械の多くは、レオナルドのスクリューというよりは、回転する翼を持つ古代の竹製のコマによく似ている。

1754年7月、ロシアのミハイル・ロモノーソフは、中国の独楽をモデルにした小型の共軸飛行船を開発していたが、これは巻き上げバネ装置で駆動されていた[ 12 ] 。そしてロシア科学アカデミーに実演した。これはバネで駆動され、気象計器を揚力計器として使う方法として提案された。1783年、クリスチャン・ド・ローノワと彼の技師ビアンヴニュは、回転翼として逆回転する七面鳥の風切羽[ 12 ]を使ったモデルで中国の独楽の共軸バージョンを使用し、1784年にフランス科学アカデミーに実演した。 1783年には、ジャン・バティスト・マリー・ミュニエによって飛行船が説明された。図面には、揚力の調整に使用できる内部の風船を備えた、全長260フィート (79 m) の流線型の船体が描かれている。 1784年、ジャン＝ピエール・ブランシャールは気球に手動のプロペラを取り付けました。これは記録に残る最初の推進装置であり、上空に運ばれたとされています。[ 13 ]ジョージ・ケイリー卿は、子供の頃に中国のコマに魅了されたことから、ローノワとビアンヴニュのものと似た羽根の模型を開発しましたが、動力源は輪ゴムでした。17世紀末までに、彼は回転翼に錫板、動力源にバネを使用するまでに進歩しました。彼の実験と模型に関する著作は、後の航空界の先駆者たちに大きな影響を与えました。[ 10 ]

ミハイル・ロモノーソフが1754年に製作した双発プロペラのプロトタイプ

ウィリアム・ブランドは、 1851年にロンドンで開催された万国博覧会に「大気飛行船」の設計図を送り、模型が展示された。これは細長い気球で、蒸気機関で駆動し、下に吊り下げられた2つのプロペラを動力とした。 [ 14 ] [ 15 ]アルフォンス・ペノーは1870年に共軸ローター式の模型ヘリコプターを開発したが、これもゴムバンドで駆動していた。1872年、デュピュイ・ド・ロームは、8人の男が回転する大きなプロペラで駆動する、大型の航行可能な気球を打ち上げた。[ 16 ]ハイラム・マキシムは、重量3.5英トン (3.6 t)、翼幅110フィート (34 m) の機体を製作した。この機体は、2つのプロペラを駆動する2つの360馬力 (270 kW) の蒸気機関で駆動されていた。1894年、彼の飛行機は、上昇を防ぐため頭上のレールを取り付けてテストされた。[ 17 ]ペノーが父親から贈られたおもちゃの一つが、ライト兄弟に空飛ぶ夢を追うきっかけを与えた。 [ 18 ]航空機のプロペラのねじれた翼型は、ライト兄弟が開拓した。初期の技術者の中には、船舶用プロペラをモデルにして空気プロペラを設計しようとした者もいたが、ライト兄弟はプロペラが本質的に翼と同じであることに気付き、翼に関する以前の風洞実験のデータを活用して、ブレードの長さに沿ってねじれを導入した。これは、ブレードの長さに沿ってより均一な迎え角を維持するために必要だった。[ 19 ]彼らが最初に開発したプロペラブレードの効率は約 82 % だったが、[ 20 ]これに対し、現代 (2010 年) の小型の一般航空用プロペラであるビーチクラフト ボナンザ航空機で使用されている 3 枚ブレードのマコーリー式プロペラは 90 % である。[ 21 ]ローパー[ 22 ]は人力飛行機のプロペラの効率を90％としている。

第一次世界大戦を通じて、プロペラの木材としてはマホガニーが好まれていたが、戦時中の木材不足により、クルミ、オーク、チェリー、トネリコが使用されるようになった。[ 23 ]アルベルト・サントス・デュモンも初期のパイオニアで、ライト兄弟よりも前に飛行船用のプロペラを設計していた。 [ 24 ]彼は飛行船での経験から得た知識を応用し、 1906年に14bis複葉機用にスチールシャフトとアルミニウムブレードのプロペラを作った。彼の設計の中には、曲げたアルミニウムシートをブレードに使用して翼型を作るものもあった。それらは大きくアンダーキャンバーで、これに加えて長さ方向のねじれがなかったため、ライトのプロペラよりも効率が悪かった。[ 25 ]それでも、これはおそらくエアスクリューの構造にアルミニウムが使用された最初の例である。元々、航空機の後方で回転し、航空機を押し出す翼はプロペラと呼ばれ、前方から引っ張る翼はトラクターと呼ばれていました。[ 26 ]その後、トラクター型とは対照的に、後方に取り付けられた装置を指す用語として「プッシャー」が用いられるようになり、どちらも「プロペラ」または「エアスクリュー」と呼ばれるようになりました。低速プロペラの空気力学に関する理解は1920年代までにかなり進んでいましたが、その後、より小さな直径でより大きな出力を処理するという要件が生じたため、問題はより複雑になりました。

第一次世界大戦中にプロペラを製造する労働者

1916年から、アメリカ航空諮問委員会（NACA）のプロペラ研究はウィリアム・F・デュランドによって指揮された。測定されたパラメータには、プロペラ効率、発生推力、吸収動力などが含まれていた。プロペラは風洞で試験されることもあるが、自由飛行時の性能は異なる可能性がある。ラングレー記念航空研究所では、EPレスリーは自由飛行のデータ取得にライトE-4エンジンを搭載したヴォートVE-7を使用し、デュランドは風洞データ取得に同様の形状で小型のプロペラを使用した。彼らの研究結果は1926年にNACA報告書220として発表された。[ 27 ]

理論と設計

ATR-72短距離旅客機に搭載された、ハミルトン・スタンダード社製の6枚羽根プロペラ568F。回転速度は1200rpm。駆動タービンの回転速度は20,000rpm。 [ 28 ]

ローリー[ 29 ]は、セスナ172の巡航時のプロペラ効率を約73.5%としている。これは、固定ピッチまたは定速プロペラを用いた軽量一般航空機の性能を解析するための「ブートストラップ法」から導き出されたものである。プロペラ効率は迎え角（α）の影響を受ける。αはα = Φ - θと定義される[ 30 ]。ここで、θはヘリックス角（ブレードの回転方向と合成相対速度の角度）、Φはブレードのピッチ角である。ピッチ角とヘリックス角が非常に小さいと抵抗に対する性能は良好だが推力は小さく、一方、角度が大きいと逆の効果が生じる。最適なヘリックス角は、ブレードが翼として機能し、抗力よりもはるかに大きな揚力を生み出す場合である。しかし、「揚力抗力」はブレードにかかる空気力を表す方法の一つに過ぎない。航空機とエンジンの性能を説明するために、同じ力が推力とトルクという少し異なる表現で表現されます[ 31 ]。これは、プロペラに必要な出力が推力であるためです。推力とトルクは、以下に示すように、プロペラの効率の定義の基礎となります。プロペラの前進比は、翼の迎え角に似ています。

プロペラの効率は[ 32 ]によって決まる。

η＝推進力出力シャフトパワーイン＝推力⋅軸方向速度抵抗トルク⋅回転速度。{\displaystyle \eta ={\frac {\hbox{推進出力}}{\hbox{軸入力}}}={\frac {{\hbox{推力}}\cdot {\hbox{軸速度}}}{{\hbox{抵抗トルク}}\cdot {\hbox{回転速度}}}}.}

プロペラは低抗力翼と翼断面形状が似ており、最適な迎え角以外では性能が低下します。そのため、ほとんどのプロペラは可変ピッチ機構を採用し、エンジン回転数や機体速度の変化に応じてブレードのピッチ角を変化させます。

船員がエアクッション型揚陸艇のプロペラを点検している

さらに考慮すべき点は、使用するブレードの数と形状です。ブレードのアスペクト比を高めると抗力は減少しますが、生成される推力はブレード面積に依存するため、高アスペクト比ブレードを使用するとプロペラ直径が過剰になる可能性があります。さらに、ブレードの数を少なくするとブレード間の干渉効果は減少しますが、設定された直径内で利用可能な出力を伝達するのに十分なブレード面積を確保するには、妥協が必要になります。ブレードの数を増やすと、各ブレードに必要な仕事量も減少し、局所マッハ数が制限されます。これはプロペラの重要な性能制限です。プロペラの性能は、遷音速流がブレードの先端に初めて現れたときに低下します。プロペラのどの部分でも相対的な空気速度は、航空機の速度と回転による接線速度のベクトル和であるため、ブレード先端上の流れは航空機よりもずっと前に遷音速に達します。ブレード先端上の気流が臨界速度に達すると、抗力とトルク抵抗が急激に増加し、衝撃波が発生して騒音が急激に増加します。そのため、従来のプロペラを搭載した航空機は、通常マッハ0.6を超える速度で飛行することはありません。マッハ0.8程度まで到達したプロペラ機も存在しますが、この速度域でのプロペラ効率が低いため、そのような用途は稀です。

ブレードツイスト

プロペラのハブから先端までのブレード角度の変化。

プロペラブレードの先端はハブよりも速く移動する。そのため、ブレードをねじって迎え角を徐々に小さくし、ハブから先端まで均一な揚力を生み出す必要がある。ハブでは迎え角が最大、つまりピッチが最大となり、先端では迎え角が最小となる。全長にわたって同じ迎え角で設計されたプロペラブレードは、飛行中に対気速度が増加すると、ハブ付近の部分は負の迎え角となり、ブレード先端は失速するため、効率が悪い。[ 33 ]

高速

高い亜音速で飛行する航空機用のプロペラとプロペラファンの開発が進められてきた。 [ 34 ]その「解決策」は遷音速翼の設計と同様である。薄いブレード断面を使用し、ブレードは後退翼に似た方法でシミター型（シミタープロペラ）に後退させ、ブレードの先端が音速に近づいたときに衝撃波の発生を遅らせる。ピッチを注意深く制御してブレードの螺旋角を大きくすることで、最大相対速度を可能な限り低く抑える。ブレードあたりの仕事を減らして循環の強さを高めるため、ブレードの数を増やす。二重反転プロペラを使用する。設計されたプロペラはターボファンよりも効率が良く、巡航速度（マッハ0.7～0.85）は旅客機に適しているが、発生する騒音は非常に大きい（こうした設計の例として、 アントノフAn-70とツポレフTu-95を参照）。

物理

航空機のプロペラブレードに作用する力には以下のものがあります。これらの力のいくつかは互いに打ち消し合うように配置することで、全体的な機械的応力を軽減することができます。[ 35 ] [ 1 ]

スラスト曲げ
空気を後方に押し戻す力に対する反作用として、ブレードにかかるスラスト荷重はブレードを前方に曲げる方向に作用します。そのため、ブレードは前方に傾斜していることが多く、回転による外向きの遠心力によってブレードが後方に曲げられることで、曲げ効果が相殺されます。
遠心力と空気力学的ねじれ
遠心力によるねじり力は、あらゆる非対称回転物体に作用します。プロペラでは、この力はブレードを微ピッチ方向にねじる作用をします。そのため、空気力学的圧力中心は通常、機械的な中心線よりもわずかに前方に配置され、粗ピッチ方向へのねじりモーメントを発生させ、遠心モーメントを打ち消します。しかし、高速急降下時には、空気力が大きく変化し、モーメントのバランスが崩れることがあります。
遠心分離
回転時にブレードがハブから引き離そうとする力。前述のように、スラスト曲げ力に対抗するように配置することができます。
トルクベンディング
ブレードに作用する空気抵抗と慣性効果により、プロペラのブレードは回転方向から離れて曲がります。
振動型
ブレードには様々な外乱が振動力を発生させます。例えば、ブレードが翼や胴体に接近する際の空力励起などが挙げられます。ピストンエンジンはトルクインパルスを発生させ、これがブレードの振動モードを励起し、疲労破壊を引き起こす可能性があります。[ 36 ]ガスタービンエンジンではトルクインパルスは発生しません。

可変ピッチ

ピッチ角を変化させる目的は、プロペラブレードの迎え角を最適に保ち、飛行中を通して最大限の効率を確保することです。これにより燃料消費量を削減できます。高速域でのプロペラ効率を最大化することによってのみ、最高速度を達成することができます。[ 37 ]有効迎え角は対気速度の増加に伴って減少するため、高対気速度域ではより粗いピッチ角が必要となります。

ピッチ角変化の必要性は、1931年のシュナイダートロフィー競技会におけるプロペラの性能に表れている。使用されたフェアリー・アビエーション社の固定ピッチプロペラは、離陸時に部分的に失速し、最高速度407.5 mph (655.8 km/h)に達するまで160 mph (260 km/h)まで速度が上昇した。[ 38 ]航空機の性能に対する通常の要件の一部が適用されなかったため、非常に広い速度範囲が実現された。最高速度効率への妥協はなく、離陸距離は利用可能な滑走路の長さに制限されず、上昇要件もなかった。[ 39 ]

ツポレフTu-95に使用されている可変ピッチブレードは、非常に粗いピッチを使用して、かつてプロペラ駆動航空機で可能と考えられていた最高速度を超える速度で機体を推進します[ 40 ]。[ 41 ]

メカニズム

ハミルトン・スタンダード・プロペラの断面図。このタイプの定速プロペラは、第二次世界大戦中の多くのアメリカの戦闘機、爆撃機、輸送機に使用されました。

初期のピッチコントロール設定はパイロットが操作し、少数のプリセット位置または連続的に可変でした。[ 1 ]

最もシンプルな機構は地上調整式プロペラです。地上では調整可能ですが、飛行中は実質的に固定ピッチプロペラとなります。スプリング式の「2速」VPプロペラは、離陸時には微速に設定され、巡航時には粗速に設定され、飛行中はプロペラは粗速のままです。

第一次世界大戦後、最適な迎え角を維持するために自動プロペラが開発されました。これは、ブレードとカウンターウェイトにかかる求心ねじりモーメントを、バネとブレードにかかる空気力とバランスさせることで実現されました。自動プロペラはシンプルで軽量、外部制御を必要としないという利点がありましたが、特定のプロペラの性能を航空機の動力源と一致させることは困難でした。

最も一般的な可変ピッチプロペラは定速プロペラです。これは油圧定速ユニット（CSU）によって制御されます。CSUは、任意の出力制御設定に対して一定のエンジン回転数を維持するために、ブレードのピッチを自動的に調整します。[ 1 ]定速プロペラでは、パイロットが最大エンジン出力または最大効率に応じて回転数を設定でき、プロペラ調速機は、選択されたエンジン回転数を維持するために必要に応じてプロペラのピッチ角を変える閉ループコントローラとして機能します。 [ 42 ]ほとんどの航空機ではこのシステムは油圧式で、エンジンオイルが作動油として機能します。ただし、電気制御プロペラは第二次世界大戦中に開発され、軍用機で広く使用され、最近では自家製航空機での使用が復活しています。

もう一つの設計は、自己発電および自己制御機能を備えた V-Propです。

フェザリング

エアバスA400Mの外側のTP400ターボプロップの羽根付きプロペラ

ほとんどの可変ピッチプロペラでは、エンジンが故障したり意図的に停止したりしたときに、ブレードを気流と平行に回転させてプロペラの回転を止め、抗力を減らすことができます。 これは、ローイングから借用した用語であるフェザリングと呼ばれています。単発機では、動力グライダーであれタービン動力機であれ、その効果は滑空距離を延ばすことです。多発機では、作動していないエンジンのプロペラをフェザリングすると抗力を減らし、作動中のエンジンで航空機が速度と高度を維持するのに役立ちます。 フェザリングは、後流によって強制的にプロペラが回転することでエンジン部品が回転するウィンドミリングも防ぎます。ウィンドミリングは、エンジンを損傷したり、火災を引き起こしたり、航空機の構造的損傷を引き起こしたりする可能性があります。

レシプロエンジンのフェザリングシステムのほとんどは、油圧の低下を感知し、ブレードをフェザリング位置へ移動させます。そのため、パイロットはエンジンがアイドル回転数に達する前にプロペラコントロールレバーを引いてハイピッチストップピンを解除する必要があります。ターボプロップ制御システムでは通常、減速ギアボックスに負トルクセンサーが使用され、エンジンがプロペラに動力を供給しなくなったときにブレードをフェザリング位置へ移動させます。設計によっては、パイロットがボタンを押してハイピッチストップを無効にし、フェザリングプロセスを完了する必要がある場合もあれば、フェザリングプロセスが自動で行われる場合もあります。

偶発的なフェザリングは危険であり、空気力学的失速を引き起こす可能性があります。例えば、偶発的なフェザリングが原因で着陸進入中に墜落したイエティ航空691便がそうです。 [ 43 ]

逆ピッチ

一部の航空機のプロペラは、ブレードピッチ角を負にすることで作動し、プロペラからの推力を逆方向に制御できます。これはベータピッチと呼ばれます。逆推力は着陸後の機体の減速を助けるために使用され、特に濡れた滑走路に着陸する際には車輪ブレーキの効き目が低下するため、特に有利です。場合によっては、逆ピッチによって機体を後進させることもでき、これは特に水上機を狭いドックから離陸させる際に役立ちます。

逆回転

逆回転プロペラ

二重反転プロペラは、主翼にエンジンを搭載した双発機や多発機で使用されることがあります。これらのプロペラは、トルクとpファクターの影響を相殺するために、反対側の主翼のプロペラとは逆方向に回転します。各プロペラには左回転と右回転のバージョンがあるため、「左右反転」プロペラと呼ばれることもあります。

一般的に、従来の双発機では、両エンジンのプロペラは（機体後方から見て）時計回りに回転します。エンジンの重大な問題を解消するため、二重反転プロペラは通常、胴体に向かって「内側」に回転します。つまり、左エンジンは時計回り、右エンジンは反時計回りです。しかし、例外もあります（特に第二次世界大戦中）。例えば、P-38ライトニングは第二次世界大戦中に胴体から「外側」に回転しました（左エンジンは反時計回り、右エンジンは時計回り）。また、エアバスA400では、同じ主翼であっても、内側エンジンと外側エンジンの回転方向が逆になっています。

逆回転

二重反転プロペラ、またはコントラプロップは、2つの二重反転プロペラを同心円状の駆動軸に取り付け、一方のプロペラがもう一方のプロペラのすぐ下流に位置するように配置します。これにより、単一の動力装置で二重反転プロペラの利点が得られます。前方プロペラが推力の大部分を供給し、後方プロペラはプロペラ後流における空気の旋回運動で失われたエネルギーを回収します。二重反転はまた、プロペラの直径を大きくすることなく、一定のエンジンからの動力吸収能力を高めます。しかし、システムの追加コスト、複雑さ、重量、騒音は、その価値をほとんど生み出さず、効率よりも究極の性能が重視される高性能タイプにのみ使用されます。

参照

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  43. ^ https://www.tourism.gov.np/files/1/9N-ANC%20FINAL%20Report.pdf .{{cite web}}:欠落または空|title=(ヘルプ)
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