BERPローター
警視庁 EH101（AW101）

BERPローターブレードの設計は、英国実験ロータープログラムの下で開発された。[ 1 ] [ 2 ]最初のBERPローターブレードは、1970年代後半から1980年代半ばにかけて、ウェストランドヘリコプターと王立航空機研究所（RAE）の合弁プログラムとして開発され、マーティン・ローソン教授が共同特許権者となった。[ 3 ]このプログラムは、斬新なローターブレードの設計と高度な複合材料によって、ヘリコプターの揚力能力と最高速度を向上させることを目的としていた。[ 4 ]

仕組み

局所的な気流がマッハ1を超えると、ローター前縁などの曲面に衝撃波が発生し、大きな波動抵抗が発生します。これは通常、コックピットの窓、翼の前縁、ベルヌーイの定理によって空気が加速される同様の領域などの曲面部分で発生します。これらの衝撃波は、エンジンから供給されなければならない大量のエネルギーを放射し、航空機全体にとって大きな追加抵抗、すなわち波動抵抗として現れます。この波動抵抗の出現が、音速の壁の概念を生み出しました。[ 5 ]

ヘリコプターには、ローターが回転する際に機体に対して相対的に動くという問題がもう一つあります。ホバリング時でさえ、ローターの先端は音速のかなりの部分で移動している可能性があります。ヘリコプターが加速すると、機体全体の速度が先端の速度に加算されます。つまり、ローターの前方に移動する側のブレードは、後方に移動する側のブレードよりもはるかに高い対気速度を受けることになり、揚力の非対称性が生じます。[ 6 ]このため、相対的な気流の大きな違いにもかかわらず、両側の揚力を同等にするためには、ブレードの迎え角を変更する必要があります。 [ 5 ]

ヘリコプターの前進速度に限界を与えるのは、ローターの揚力パターンを変化させる能力です。前進速度が上昇するにつれて、後方に移動するブレードが失速速度を下回ります。この速度域はローターの回転速度を上げることで改善できますが、高速になると前進ブレードが音速に近づき、波抵抗などの悪影響を受け始めるという新たな問題に直面します。[ 7 ]

造波抵抗の問題に対する解決策の一つは、1950年代のジェット戦闘機で見られたのと同じ、翼の後退角を利用することです。これにより、非常に低速時を除き、大きな悪影響なしに造波抵抗の影響を軽減できます。戦闘機の場合、特に着陸時にこれが懸念事項となりますが、ヘリコプターの場合は、ローターの先端が着陸時でも大幅に減速しないため、それほど問題にはなりません。このような後退角のある先端は、1970年代から80年代にかけての多くのヘリコプター、特にUH-60ブラックホークやAH-64アパッチに見られます。

ブレードの弾性軸に対する重心または空力中心の後方シフトによって引き起こされる望ましくない空力および慣性結合を防ぐため、ブレード先端は前方シフト面積で設計されている。BERPブレードの設計に用いられる手法は、ブレードに垂直な有効マッハ数がスイープ領域全体で名目上一定であることを保証する。BERPブレードの大部分で採用されている最大スイープは30度であり、先端は無次元半径r/R=cos 30 = 86%半径から始まる。この先端領域の面積分布は、平均先端圧力中心がブレードの弾性軸上に位置するように構成されている。これは、局所的な1/4弦軸の位置を86%半径で前方にオフセットすることによって行われる。[ 8 ]

この前方オフセットは、ブレードの前縁に不連続性、つまり「ノッチ」を形成し、後退端における衝撃波の強度をさらに弱めます。例えば、ナビエ・ストークス方程式に基づくCFDコードを用いた最近の計算では、この「ノッチ」が実際にブレード上の衝撃波の強度をさらに弱めることが示されています。つまり、ノッチは、後退端の基本的な効果に加えて、圧縮性の影響をさらに低減するという予期せぬ副産物をもたらします。

また、このようなスイープチップ形状は、ディスクの後退側に対応する高迎え角におけるブレードの性能を必ずしも向上させるわけではないことを認識する必要があります。実際、経験上、スイープチップ形状のブレードは標準的なブレードチップと比較して失速特性が劣る場合があります。[ 5 ]

BERPブレードは、高マッハ数・低迎え角では後退翼端として機能する最終形状を採用し、同時に、非常に高い迎え角でも失速することなく翼端を動作させることができます。この後者の特性は、翼端の最外側部分（外側約2%）の後退角を大幅に増加させ、大きな迎え角で前縁流れの剥離が発生する値（70度）まで増加させることで実現しました。前縁の後退角が非常に大きいため、この前縁剥離は渦構造となり、前縁の周りを転がり、最終的には上面（デルタ翼機のように）に留まります。このメカニズムは、この領域の翼型前縁を比較的鋭角にすることで強化されます。迎え角が増加するにつれて、この渦は前縁に沿って前方へ進む点から発達し始め、平面形状に沿ってより緩やかな後退角領域へと進みます。迎え角が十分に大きくなると、渦は「ノッチ」領域付近の前縁最前部付近で発生します。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

強力な「ノッチ」渦も形成され、ブレードを流れ方向に横切って移動することが実証されています。この渦は空力フェンスのように機能し、流れの剥離領域が翼端領域に侵入するのを遅らせます。迎え角をさらに大きくしても、流れの構造はほとんど変化しませんが、迎え角が非常に高くなると（約22度！）、流れは大きく剥離します。従来の翼端平面形状では、同様の大きな流れの崩壊は、局所的な迎え角が約12度で発生すると予想されます。[ 5 ] [ 10 ]

したがって、BERPブレードは、前進ブレードの圧縮性の影響を低減し、後退ブレードの失速開始を遅らせることで、両方の長所を最大限に活かしています。その結果、運用飛行範囲が大幅に拡大します。[ 5 ] [ 11 ]

プログラム

最初のプログラムであるBERP Iでは、複合材ローターブレードの設計、製造、および品質管理について研究しました。その結果、ウェストランド・シーキング用の新型メインローターブレードとテールローターブレードが開発されました。最初のプログラムに続き、2番目のプログラムであるBERP IIでは、将来のローターブレードに向けた先進的な翼断面の解析を行いました。この解析結果はBERP IIIプログラムに反映されました。

BERP IIIの設計では、ローターブレードの外側の端に向かってノッチがあり、ノッチの内側に比べてノッチからブレードの端までの後退角が大きくなっています。[ 12 ] BERP IIIは、ウェストランドリンクスヘリコプターでの技術実証で最高潮に達しました。[ 13 ] 1986年、リンクスの特別改造登録機G-LYNXが、15kmと25kmのコースで400.87km/h（249.09mph）に達し、ヘリコプターの絶対速度記録を樹立しました。[ 12 ] 技術実証が成功した後、BERP IIIブレードは生産に入りました。[ 14 ]

BERP IVは、新しい翼型、改良されたブレード先端形状、そしてブレードのねじれの増加を採用しています。29時間の試験の結果、「ローターの飛行エンベロープ性能の向上、ホバリングおよび前進飛行における出力要件の低減、…離陸重量の範囲における機体およびエンジンの振動の低減」が確認されました。[ 15 ]さらに、「ローターハブの負荷は、現在EH101ヘリコプターに搭載されているBERP IIIブレードと同等かそれ以下であることが確認されています。 」 [ 15 ]前縁侵食を防ぐため、ブレードには英国海軍のシーキングで使用されているポリウレタンではなく、ゴムベースのテープが使用されます。試験では、ブレードの寿命は39分から5倍の195分に延びました。このプログラムは2007年8月に終了しました。[ 15 ]

BERP技術の応用

現在のアプリケーションは次のとおりです。

  • BERP III:
アグスタウェストランド AW101
アップグレードされたウェストランド スーパーリンクス
  • BERP IV:
アグスタウェストランド AW101

参照

参考文献

  1. ^ Bingham, GJ (1997-01-02).パドル型チップを備えたローターブレード(PDF) (レポート). NASA技術覚書3308. NASAラングレー研究センター. 2025年10月3日閲覧。
  2. ^ Bühler, J. (1990-07-11).英国実験ロータープログラムブレードの数値解析（報告書）. NASA請負業者報告書 1990-41139. NASAラングレー研究センター. 2025年10月3日閲覧。
  3. ^ 「マーティン・ローソン（訃報）」（プレビューのみ） .ザ・タイムズ. ロンドン. 2013年8月12日. 2015年11月27日閲覧。
  4. ^ Barakos, GN; Brocklehurst, DG (2012). 「ヘリコプターのローターブレード先端形状のレビュー」. Progress in Aerospace Sciences . 48 (1): 1– 21. doi : 10.1016/j.paerosci.2011.11.004 .
  5. ^ a b c d e Brocklehurst, Alan (1990). 「英国実験ロータープログラムブレードの実験的および数値的研究」 . AIAA . 2025年11月24日閲覧。
  6. ^ 「揚力の非対称性」 Dynamic Flight誌、2017年5月31日。 2025年11月24日閲覧。
  7. ^ 「斜め衝撃波」 NASAグレン研究センター. 2025年11月24日閲覧。
  8. ^ 「フレキシブルリボンローターブレードの空力弾性安定性」（PDF） . Journal of Fluids and Structures . 2025年11月24日閲覧。
  9. ^ 「英国実験回転翼プログラム（BERP）ヘリコプターブレードの数値流体力学解析」第15回欧州回転翼航空機フォーラム。 2025年11月24日閲覧。
  10. ^ a b Gordnier, RE, Visbal, MR (2005). 「急降下翼型における前縁渦ダイナミクス」. AIAAジャーナル.{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  11. ^ a b「モデリングとシミュレーション - ヘリコプターのローターブレードの設計」グラスゴー大学。2022年11月16日。
  12. ^ a b J. Gordon Leishman「ENAE 632 - The British Experimental Rotor Program (BERP) Blade Archived 2007-08-21 at the Wayback Machine」、メリーランド大学カレッジパーク校、2010年4月11日閲覧。
  13. ^ハリソン、ステイシー、ハンスフォード「 BERP IV 先進ローターブレードの設計、開発、試験」アメリカヘリコプター協会第64回年次フォーラム、2008年4月29日～5月1日
  14. ^ 「G-LYNX飛行30周年」 Vertical Flight Society . 2016年8月11日. 2025年10月3日閲覧。
  15. ^ a b c Coppinger, Rob (2007年5月22日). 「BERP IVはマーリンのペイロードを増加」 . flightglobal.com . 2015年11月27日閲覧。
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