ヘリコプターのローター
2枚羽根のメインローターを備えた半剛性ローターシステムを備えたベルAH-1スーパーコブラ
ローターレステールを備えたNOTARヘリコプター
飛行中のマーリンMk2ヘリコプター。この3発エンジンのヘリコプターは、1つの大きなメインローターと小さなテールローターを備えている。

ヘリコプターのメインローターまたはローターシステムは、複数の回転翼（ローターブレード）と制御システムの組み合わせで、ヘリコプターの重量を支える揚力と、前進飛行中の空気抵抗に対抗する推力を生成します。各メインローターは、テールブームに沿ったドライブシャフトとギアボックスの組み合わせを介して接続されるヘリコプターのテールローターとは対照的に、ヘリコプターの上部の垂直マストに取り付けられています。ブレードのピッチは通常、パイロットがヘリコプターの飛行制御装置を使用して制御します。ヘリコプターは回転翼航空機（回転翼航空機）の一例です。名前は、螺旋を意味するギリシャ語のhelix、helik-と、翼を意味する pteronに由来しています。

設計原則

シーリンクスのテールローターは、多くの設計において、小さいテールローターが回転するメインローターのトルクを打ち消しますが、2つの逆回転するメインローターを持つなど、他の解決策もあります

概要

ヘリコプターのローターは、エンジンからトランスミッションを経て回転マストに動力が送られる。マストは円筒形の金属シャフトで、トランスミッションから上方に伸びて駆動される。マストの上部には、ハブと呼ばれるローターブレードの取り付け点（俗にジーザスナットと呼ばれる）がある。ローターブレードはハブに取り付けられ、ハブの抗力はブレードの10～20倍になることがある。[ 1 ]メインローターシステムは、メインローターブレードがメインローターハブにどのように取り付けられ、どのように動くかによって分類される。基本的な分類は、リジッド、セミリジッド、フルアーティキュレーテッドの3つだが、最近のローターシステムではこれらの分類を組み合わせて使用​​しているところもある。ローターは細かく調整された回転質量で、微妙な調整をすることで、さまざまな対気速度での振動を軽減できる。[ 2 ]ローターは固定回転数[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]（数パーセントの狭い範囲内）で動作するように設計されているが、[ 6 ] [ 7 ]いくつかの実験機では可変速度ローターが使用されていた。[ 8 ]

ターボファンジェットエンジンに用いられる小径ファンとは異なり、ヘリコプターのメインローターは大径であるため、大量の空気を加速することができます。これにより、一定の推力に対して、ダウンウォッシュ速度が低く抑えられます。低速時には、少量の空気を大きく加速するよりも、大量の空気を少し加速する方が効率的であるため、[ 9 ] [ 10 ]ディスクローディング（ディスク面積あたりの推力）が低いと、航空機のエネルギー効率が大幅に向上し、燃料消費量が削減され、航続距離が確保されます。[ 11 ] [ 12 ]一般的なヘリコプターのホバリング効率（「性能指数」）[ 13 ]は約60%です。 [ 14 ]ローターブレードの内側3分の1の長さは、対気速度が低いため、揚力にほとんど寄与しません。[ 10 ]

ブレード

メインローターに6枚のブレードを持つCH-53Gを見上げる

ヘリコプターのブレードは、アスペクト比の高い細長い翼型で、翼端渦による抗力を最小限に抑える形状になっています（グライダーの翼と比較してみてください）。一般的に、ブレードにはある程度のウォッシュアウト（翼端の浮き上がり）があり、翼端で発生する揚力を減少させます。翼端は気流が最も速く、渦の発生が大きな問題となる場所です。ローターブレードは、アルミニウム、複合材、鋼鉄、チタンなど、様々な材料で作られており、前縁には摩耗防止シールドが付いています。

回転翼航空機のブレードは伝統的に受動的な構造であるが、一部のヘリコプターではブレードに能動的な部品が組み込まれている。カマンK-MAXは後縁フラップを用いてブレードのピッチ角を制御し、ヒラーYH-32ホーネットはブレード端に搭載されたラムジェットエンジンで駆動していた。2010年現在、後縁フラップによる能動的なブレード制御の研究が進行中である。[ 15 ]一部のヘリコプターのブレードの先端は、乱気流や騒音を低減し、より効率的な飛行を実現するために特別に設計されている。そのような先端の一例として、英国実験回転翼計画（BERP）中に開発されたBERPローターの先端が挙げられる。

ハブ

ベル407のローターヘッド

単純なローターの説明:

  • 以下はスワッシュプレートの回転部分からリンクロッドによって駆動されます。
    • ピッチヒンジにより、ブレードの根元から先端まで伸びる軸を中心にブレードを回転させることができます。
  • ティーターヒンジは、片方のブレードが垂直に上昇すると同時に、もう片方のブレードが垂直に下降する機構です。この動きは、並進相対風が存在する場合、または周期的な制御入力に反応して発生します。
  • シザーリンクとカウンターウェイトは、メインシャフトの回転を上部のスワッシュプレートに伝えます。
  • ゴムカバーが可動シャフトと固定シャフトを保護します
  • スワッシュプレートは、サイクリックピッチとコレクティブピッチをブレードに伝達します（上部が回転します）
  • 3本の非回転制御ロッドがピッチ情報を下部スワッシュプレートに伝達する。
  • メインギアボックスにつながるメインマスト

完全に関節式

完全に連結されたメインローターヘッドの図

フアン・デ・ラ・シエルバは、オートジャイロ用の完全関節型ローターを開発した。彼の設計の基礎となったのは、ヘリコプターの開発を成功に導いた。完全関節型ローター システムでは、各ローター ブレードは一連のヒンジを介してローター ハブに接続され、これらのヒンジによってブレードが独立して動く。これらのローター システムは通常、3 枚以上のブレードを備える。ブレードは互いに独立してフラップ、フェザリング、リード、ラグ動作ができる。フラッピング ヒンジと呼ばれる水平ヒンジにより、ブレードは上下に動く。この動きはフラッピングと呼ばれ、揚力の非対称性を補正する目的で設計されている。フラッピング ヒンジは、ローター ハブからさまざまな距離に配置されることがあり、複数のヒンジが存在する場合もある。リード ラグ ヒンジまたはドラッグ ヒンジと呼ばれる垂直ヒンジにより、ブレードは前後に動く。この動きはリード ラグ、ドラッギング、またはハンチングと呼ばれる。ドラッグ ヒンジの周りの過剰な前後運動を防止するために、通常、ダンパーが使用される。ドラッグヒンジとダンパーの目的は、前進するブレードと後退するブレードの抗力差によって生じる加速と減速を補正することです。後期型では、従来のベアリングからエラストマーベアリングに変更されました。エラストマーベアリングはフェイルセーフ機能を備え、摩耗は徐々に進行し、目視で確認できます。この設計では、従来のベアリングに見られた金属同士の接触と潤滑の必要性が排除されています。完全関節型システムの3つ目のヒンジは、フェザリング軸を中心としたフェザリングヒンジと呼ばれます。このヒンジは、パイロットによるコレクティブまたはサイクリックへの入力によって駆動されるローターブレードのピッチ変化を担います。

完全関節式システムのバリエーションとして、ソフト・イン・プレーン・ローター・システムがある。このタイプのローターは、OH-58D キオワ・ウォリアーや429 グローバルレンジャーなど、ベル・ヘリコプター社が製造したいくつかの航空機に搭載されている。各ブレードは、機械式ヒンジを使用するローターと同様に、他のブレードとは独立してフラップおよびハンティングする能力があるが、ソフト・イン・プレーン・ローターは、ブレードのフラッピングに機械式ヒンジではなく構造的な柔軟性を利用している。ベル社の航空機では、この柔軟性は、マストに取り付けられ、ブレード・グリップとグリップ内部のせん断ベアリングの間を通る複合ヨークによって提供されている。[ 16 ]このヨークは、1枚のブレードの動きを別のブレード（通常は反対側のブレード）に伝達する。これは完全に関節式ではないが、飛行特性は非常に似ており、メンテナンスの時間とコストが削減される。

硬い

剛性ローターという用語は通常、 ブレードがハブに柔軟に取り付けられたヒンジレスローターシステム[ 17 ] [ 18 ]を指します。ロッキード社のアーヴ・カルバーは、最初の剛性ローターの1つ[ 19 ]を開発し、1960年代と1970年代に一連のヘリコプターでテストおよび開発されました。剛性ローターシステムでは、各ブレードは根元の柔軟な部分の周りをフラップしてドラッグします。剛性ローターシステムは、完全に関節式のローターシステムよりも機械的に単純です。フラッピングとリード/ラグ力による空力および機械的負荷は、ヒンジではなく、ローターブレードの屈曲によって吸収されます。屈曲することにより、ブレード自体が以前は頑丈なヒンジを必要としていた力を補償します。その結果、通常発生する大きなハブモーメントにより、制御応答の遅れが少ないローターシステムが実現します。[ 20 ]このように、剛性ローターシステムは、半剛性ローターに固有のマストバンピングの危険性を排除します。[ 21 ]

半剛性ローターとスタビライザーバーを備えたベル205

半剛性ローターは、ティータリング ローターまたはシーソー ローターとも呼ばれます。このシステムは通常、ローター シャフトの共通のフラッピング ヒンジまたはティータリング ヒンジのすぐ下で接合する 2 枚のブレードで構成されます。これにより、ブレードはシーソーのように反対方向にフラッピングします。ティータリング ヒンジの下のブレードのこの下向きの配置と、ブレードの適切な上反角または円錐角の組み合わせにより、ローターの回転時に各ブレードの質量中心の回転軸からの半径の変化が最小限に抑えられ、その結果、コリオリの力によって生じるリード力とラグ力によるブレードへの応力が軽減されます。二次フラッピング ヒンジを使用して十分な柔軟性を提供し、跳ね返りを最小限に抑えることもできます。フェザリングはブレードの根元のフェザリング ヒンジによって実現され、これによりブレードのピッチ角を変更できます。

組み合わせ

現代のローターシステムは、上記のローターシステムの原理を組み合わせたものを使用する場合があります。一部のローターハブにはフレキシブルハブが組み込まれており、ベアリングやヒンジを必要とせずにブレードを曲げる（屈曲させる）ことができます。フレクシャーと呼ばれるこれらのシステムは、[ 22 ]通常、複合材料で作られています。従来のローラーベアリングの代わりに、エラストマーベアリングを使用することもできます。エラストマーベアリングはゴム系の材料で作られており、ヘリコプターの用途に最適な動きを制限します。フレクシャーとエラストマーベアリングは潤滑を必要としないため、メンテナンスの必要性が少なくなります。また、振動を吸収するため、疲労が軽減され、ヘリコプター部品の耐用年数が長くなります

スワッシュプレート

制御装置は、メインローターブレードのピッチを回転中に周期的に変化させます。パイロットはこれを使用して、ローター推力ベクトルの方向を制御します。これは、ローターディスクの最大推力が発生する部分を定義します。コレクティブピッチは、ローターディスク全体の推力を増減させることで、ローター推力の大きさを変化させます。これらのブレードピッチの変化は、操縦装置を使用してスワッシュプレートを傾けたり、上げたり、下げたりすることで制御されます。ほとんどのヘリコプターは飛行中に一定のローター速度（RPM）を維持し、ブレードの迎え角がローターからの推力を調整する唯一の手段となっ ています

スワッシュプレートは2枚の同心円状のディスクまたはプレートです。片方のプレートはアイドルリンクで接続され、マストと共に回転します。もう片方のプレートは回転しません。回転するプレートは、ピッチリンクとピッチホーンを介して個々のブレードにも接続されています。非回転プレートは、パイロットコントロール、具体的にはコレクティブコントロールとサイクリックコントロールによって操作されるリンクに接続されています。スワッシュプレートは上下方向に移動でき、傾けることができます。移動と傾けによって、非回転プレートは回転プレートを制御し、回転プレートは個々のブレードのピッチを制御します。

フライバー（スタビライザーバー）

フライバーを備えた半剛性ローターヘッド

アメリカのアーサー・M・ヤングやドイツの無線操縦模型飛行機製作者ディーター・シュルーターなど、多くの技術者が、スタビライザーバー、またはフライバーによってヘリコプターの飛行安定性を実現できることを発見しました。フライバーは、回転面を一定に保つために、両端に重りまたはパドル（小型ヘリコプターの場合は安定性を高めるために両方）が付いています。機械的な連結を通して、バーの安定した回転がスワッシュプレートの動きと混ざり合い、ローターにかかる内部（操舵）と外部（風）の力を減衰させます。これにより、パイロットは機体の制御を維持しやすくなります。スタンリー・ヒラーは、両端に短くずんぐりとした翼型、またはパドルを追加することで安定性を向上させる同様の方法にたどり着きました。しかし、ヒラーの「ローターマティック」システムは、一種の制御ローターとしてメインローターに周期的な制御入力も提供し、パドルはローターにかかる外力の影響を減衰させることで安定性を高めました

ロッキード社のローター システムは、原理的にはベル社のスタビライザー バーに似た制御ジャイロを使用しましたが、ヒンジレス ローター システムのハンズオフ安定性と迅速な制御応答の両方を実現するように設計されました。

フライ・バイ・ワイヤ方式のヘリコプターやリモートコントロール（RC）モデルでは、ジャイロスコープセンサーとベンチュリーセンサーを備えたマイクロコントローラーでスタビライザーを代替できます。フライバーレス設計は、再構成が容易で、機械部品が少ないという利点があります。

減速したローター

ほとんどのヘリコプターのローターは一定速度で回転します。しかし、状況によってはローターの回転速度を遅くするとメリットがあります。

前進速度が増加すると、前進するローターの先端速度はすぐに音速に近づきます。この問題を軽減するために、回転速度を遅くすることで、ヘリコプターの飛行速度を上げることができます。

低速域でのローター揚力を調整するために、従来の設計ではコレクティブピッチコントロールによってローターブレードの迎え角を減少させます。代わりにローターを低速にすることで、この飛行段階における抗力を低減し、燃費を向上させることができます。

ローター構成

反トルク：ヘリコプターへのトルク効果

ほとんどのヘリコプターはメインローターを1つ備えていますが、トルクを克服するために別個のローターが必要です。これは可変ピッチアンチトルクローター、つまりテールローターによって実現されます。これはイゴール・シコルスキーがVS-300ヘリコプターで採用した設計であり、ヘリコプターの設計においては標準的な慣例となっていますが、機種によって設計は異なります。上空から見ると、ほとんどのアメリカのヘリコプターのローターは反時計回りに回転しますが、フランスとロシアのヘリコプターは時計回りに回転します。[ 23 ]

もう一つのタイプの回転翼航空機はティルトローターであり、動力揚力モードのときにはヘリコプターのメインローターと多くの類似点があります。

シングルメインローター

Xウイングのテストベッドとして改造されたシコルスキーS-72。実験的な4枚羽根メインローターを搭載

シングルメインローターヘリコプターでは、エンジンがローターを回転させる際に発生するトルクがトルク効果を生み出し、ヘリコプターの機体をローターと反対方向に回転させます。この効果を排除するには、ヘリコプターが方位を維持し、ヨー制御を行うのに十分な出力マージンを備えた、何らかのアンチトルク制御を使用する必要があります。現在最も一般的に使用されている3つの制御は、テールローター、ユーロコプターのフェネストロン（ファンテールとも呼ばれる）、およびMDヘリコプターのNOTARです。

ローターブレードの数も重要で、多くのヘリコプターは1列に2枚のブレードを備えており、別の構成では4枚のローターブレードがあります。[ 24 ] 2枚ブレードローターの例としてはベル212があり、このヘリコプターの4枚ブレードバージョンはベル412です。[ 25 ]ローターブレード数の影響の例としてUH-72（EC145派生型）があります。Aモデルは4枚ブレードでしたが、UH-72Bは振動を減らすために5枚ブレードに変更されました。[ 26 ]他のブレード数も可能です。たとえば、大型軍用輸送ヘリコプターCH-53Kは7枚ブレードのメインローターを持っています。 [ 27 ]

テールローター

テールローターは、従来のシングルローターヘリコプターの尾翼端に垂直またはほぼ垂直に回転するように取り付けられた小型ローターです。テールローターの位置と重心からの距離により、メインローターの回転方向と逆方向に推力を発生させ、メインローターによって発生するトルク効果を打ち消します。テールローターは、推力を変化させるためにピッチを全体的に変化させるだけで済むため、メインローターよりもシンプルです。テールローターブレードのピッチは、パイロットがアンチトルクペダルを介して調整できます。また、パイロットはアンチトルクペダルを使用してヘリコプターを垂直軸を中心に回転させ、機体の方向を変えることで方向制御も行えます。

ダクテッドファン

EC 120Bのフェネストロン 

フェネストロンとFANTAIL [ 28 ]は、ヘリコプターのテールブームの先端に取り付けられ、テールローターの代わりに使用されるダクテッドファンの商標です。ダクテッドファンは、8枚から18枚のブレードが不規則な間隔で配置されており、騒音が異なる周波数に分散されます。ハウジングは機体外板と一体化しており、高速回転を可能にするため、ダクテッドファンは従来のテールローターよりも小型化できます

フェネストロンは、1960年代末にシュド・アビエーション社のSA 340の2号試作機に初めて採用され、その後アエロスパシアル社のSA 341 ガゼルにも搭載されました。ユーロコプターとその前身機に加え、ダクテッドファン式テールローターは、中止された軍用ヘリコプタープロジェクトであるアメリカ陸軍のRAH-66 コマンチにもファンテールとして採用されました。

ノーター

MDヘリコプターズ 520N ノーター

NOTAR は、 no ta il r otorの略で、ヘリコプターの反トルク システムであり、ヘリコプターのテール ローターを使わずに済みます。概念の改良には多少の時間がかかりましたが、NOTAR システムは理論上は単純で、コアンダ効果を使用して翼が揚力を発生させるのと同じ方法で反トルクを提供します。[ 29 ]可変ピッチ ファンはテール ブームのすぐ前方の機体後部セクションに収められており、メイン ローター トランスミッションによって駆動されます。メイン ローターが反時計回りに回転することで発生する時計回りのトルク (メイン ローターの上から見て) に対抗する横方向の力を提供するために、可変ピッチ ファンは低圧の空気をテール ブームの右側にある 2 つのスロットに送り込みます。これにより、メイン ローターからのダウンウォッシュがテール ブームに沿って流れ、揚力が生成され、ローター洗流からの気流量に比例した量の反トルクが生成されます。これに、方向ヨー制御も提供する直接ジェットスラスタが追加され、尾翼の先端近くには垂直安定装置を組み込んだ固定面尾翼が備えられています。

NOTARシステムの開発は、ヒューズ・ヘリコプターズの技術者が概念開発作業を開始した1975年に遡ります。[ 29 ] 1981年12月、ヒューズ社はNOTARを搭載したOH-6Aを初飛行させました。[ 30 ]より大幅に改造された試作機は1986年3月に初飛行し、高度な飛行試験プログラムを無事に完了し、将来のヘリコプター設計への適用が検証されました。[ 31 ]現在、NOTAR設計を採用した量産ヘリコプターは3機あり、すべてMDヘリコプターズ社製です。この反トルク設計は、乗員がテールローターに衝突する可能性を排除することで安全性も向上させます。

このシステムの前身となるものとしては、1940年代後半にイギリスのCierva W.9ヘリコプターが挙げられます。この航空機はピストンエンジンの冷却ファンを使用して、テールブームに内蔵されたノズルから空気を送り込み、ロータートルクを打ち消していました。[ 32 ]

チップジェット

メインローターはチップジェットによって駆動される場合があります。このようなシステムは、コンプレッサーによって供給される高圧空気によって駆動される場合があります。空気は燃料と混合される場合とされない場合があり、ラムジェット、パルスジェット、またはロケットで燃焼されます。この方法は単純でトルク反作用を排除しますが、すでに製造された試作機は従来のヘリコプターよりも燃料効率が低くなっています。未燃焼の圧縮空気で駆動されるチップジェットを除いて、非常に高い騒音レベルが、チップジェット駆動ローターが広く受け入れられていない最大の理由です。しかし、騒音抑制に関する研究が進行中であり、このシステムの実現可能性を高める可能性があります

チップジェット駆動の回転翼機の例はいくつかある。パーシバル P.74は出力不足で飛行できなかった。ヒラー YH-32 ホーネットは揚力能力は良かったが、その他の性能は低かった。他の航空機は並進飛行に補助推力を使用し、ローターが自動回転している間にチップジェットを停止できるようにした。実験的なフェアリー ジェット ジャイロダイン、48席のフェアリー ロトダイン旅客試作機、マクドネル XV-1 複合ジャイロプレーンは、この方法を使用して良好に飛行した。このタイプの最も珍しい設計はおそらく、ロケット チップ ローターを使用して離陸することを当初想定したロータリー ロケット ロトン ATVだろう。フランスのシュドウエスト ジンは、燃焼していない圧縮空気を使用してローターを駆動し、騒音を最小限に抑え、生産に入った唯一のチップジェット駆動回転翼ヘリコプターとなった。ヒューズ XH-17 はチップジェット駆動ローターを備えていた

ツインローター

ボーイング CH-47 チヌーク

ツインローターは、反トルクテールローターに頼ることなく、反対方向に回転することで、航空機へのトルク効果を打ち消します。これにより、航空機はテールローターを駆動するはずだった力をメインローターに適用し、揚力を増加させることができます。回転翼機では、主に3つの一般的な構成が逆回転効果を利用しています。タンデムローターは、2つのローターが互いに前後に取り付けられています。同軸ローターは、2つのローターが同じ軸上に上下に取り付けられています。インターメッシュローターは、2つのローターが十分な角度で互いに近接して取り付けられており、ローターが航空機の上部で噛み合うように配置されています。ティルトローターや初期のヘリコプターに見られるもう1つの構成は、横置きローターと呼ばれ、一対のローターが翼型構造またはアウトリガーの両端に取り付けられています

タンデム

タンデムローターヘリコプターには、前後に並んだ2つの水平メインローターが搭載されています。タンデムローターは、サイクリックピッチと呼ばれるプロセスによってピッチ姿勢を変更し、ヘリコプターを加速および減速します。前方にピッチングして加速するには、両方のローターで後部のピッチを増加させ、前部のピッチを減少させます（サイクリック）。これにより、両方のローターのトルクが同一のままになります。横向きに飛行するには、一方のピッチを増加させ、もう一方のピッチを減少させます。ヨー制御は、各ローターの反対のサイクリックピッチによって行われます。右に旋回するには、前部ローターが右に傾き、後部ローターが左に傾きます。左に旋回するには、前部ローターが左に傾き、後部ローターが右に傾きます。すべてのローターのパワーが揚力に寄与し、重心の前後の変化への対応が簡単になります。ただし、より一般的な1つの大きなメインローターとはるかに小さなテールローターではなく、2つの大きなローターが必要になります。ボーイングCH-47チヌークは、最も一般的なタンデムローターヘリコプターです。

横置き

横置きローターは、機体に対して垂直に翼またはアウトリガーの端に取り付けられています。タンデムローターやインターメッシュローターと同様に、横置きローターも差動コレクティブピッチを使用します。しかし、インターメッシュローターと同様に、横置きローターは回転翼機のロール姿勢を変化させる概念を採用しています。この構成は、最初に実用化されたヘリコプターの2機、フォッケウルフFw61とフォッケアハゲリスFa223、そしてこれまでに製造された世界最大のヘリコプターであるミルMi-12に採用されています。 また、ベル・ボーイングV-22オスプレイやアグスタウェストランドAW609などのティルトローターにも採用されています

同軸

ロシア空軍のカモフKa-50 、同軸ローター搭載

同軸ローターは、一対のローターが同じシャフト上に上下に取り付けられ、反対方向に回転する。同軸ローターの利点は、前進飛行時に、各ローターの前進半分によってもたらされる揚力が、もう一方のローターの後退半分を補い、揚力の非対称性による主な影響の1つである後退ブレード失速を排除できることである。しかし、同軸ローターには他の設計上の考慮事項がつきものだ。2つのローター システム用のリンケージとスワッシュプレートが必要になるため、ローター システムの機械的複雑さが増す。また、ローターが反対方向に回転する必要があるため、マストがより複雑になり、上部ローター システムのピッチ変更用の制御リンケージを下部ローター システムに通す必要がある。

複合ヘリコプターにおける同軸設計の例として、後部にプッシャープロペラを備えた シコルスキー・スカイレイダーXが挙げられる。 [ 33 ]

かみ合い

カマンK-Maxのツインローターのかみ合い
飛行中のK-Maxヘリコプターのビデオ。かみ合ったメインローターの動きが確認できます

ヘリコプターのインターメッシュ型ローターは、2つのローターが互いに反対方向に回転する構造で、各ローターマストはヘリコプターにわずかな角度で取り付けられているため、ブレードがかみ合っても衝突しません。この構成はシンクロプターと呼ばれることもあります。インターメッシュ型ローターは安定性が高く、揚力が大きくなります。この配置は、1939年にナチス・ドイツでアントン・フレットナーの成功したフレットナーFl 265設計によって開拓され、後にフレットナーFl 282 コリブリとして限定生産され、ドイツ海軍で実験的な軽量対潜水艦戦闘ヘリコプターとして少数（24機製造）が使用されました。冷戦中には、アメリカの企業であるカマン・エアクラフト社が、アメリカ空軍の消防救助任務向けにHH-43 ハスキーを製造しました。

クアッドローター

ド・ボゼザット・ヘリコプター、1923年の写真
カーチス・ライト VZ-7

クアッドローター（またはクアッドローター）は、4つのローターが「X」字型に配置されています。左右のローターは横置き配置、前方と後方のローターはタンデム配置となっています。

ドローンなどの小型航空機におけるクアドローターの利点は、機械的な簡素化が可能なことです。電動モーターと固定ピッチローターを搭載したクアドコプターは、可動部品が4つしかありません。ピッチ、ヨー、ロールは、異なるローターペアの相対的な揚力を変化させることで制御でき、全体の揚力は変わりません。[ 34 ]

2つの翼型ファミリーは

  • 対称翼型
  • 非対称翼型

対称ブレードは非常に安定しており、ブレードのねじれと飛行制御負荷を最小限に抑えるのに役立ちます。この安定性は、迎え角が変化しても圧力中心が実質的に変化しないことで実現されます。圧力中心とは、すべての空気力の合力が集中すると考えられる翼弦線上の仮想的な点です。今日、設計者はより薄い翼型を使用し、複合材料を使用することで必要な剛性を実現しています

一部の翼型は非対称設計で、上面と下面のキャンバー角が異なります。通常、これらの翼型は安定性に欠けますが、後縁を曲げることで対称翼型と同じ特性を実現できます。これは「リフレクシング」と呼ばれます。このタイプのローターブレードを使用することで、ローターシステムはより高速で前進することができます。非対称ローターブレードが安定性に欠ける理由の一つは、迎え角の変化に伴って圧力中心が変化するためです。圧力中心の揚力はローターブレードのピボットポイントよりも後ろにある場合、ローターディスクのピッチアップを引き起こします。迎え角が増加すると、圧力中心は前方に移動します。圧力中心がピボットポイントよりも前に移動すると、ローターディスクのピッチは減少します。ローターブレードの迎え角は回転サイクルごとに絶えず変化するため、ブレードはフラップ、フェザー、リード、ラグの度合いが大きくなる傾向があります。[ 35 ]

2021年に飛行中のMk3スピーダーの様子

ヘキサコプター、マルチローター、eVTOL

ヘキサコプターは無人ドローンヘリコプターの一般的な構成であり、マルチロータードローンの制御を管理および改善する方法が研究されてきました。[ 36 ]オクトコプター構成は、土星の衛星タイタンの大気圏を飛行するように設計されたNASAの計画中のドラゴンフライ探査機で特に使用されています。[ 37 ]

2010年代に飛行していた有人マルチローターヘリコプターには18個の電動ローターが搭載されており、単座機はバッテリーで駆動していた。[ 38 ]

このタイプの電動マルチローターヘリコプターとして知られる最初の曲技飛行用有人ドローンは、12個のローターを持ち、1～2人を乗せることができた。[ 39 ]

有人ドローン、またはeVTOLと呼ばれる、典型的にはバッテリーで駆動するマルチローター設計は、2020年代に人気が高まり、設計も多様化しました。[ 40 ]

いくつかのデザインの命名はまだ完全には決まっておらず、eVTOLが一般的な名前で、有人ドローンや空飛ぶ車、場合によってはエアタクシーと呼ばれることもあります。[ 41 ] [ 39 ]

航空機に関しては、FAAは従来のヘリコプターや飛行機を対象としたeVTOL設計に関する規制の見直しに取り組んできましたが、2024年には米国でこれらのタイプの航空機をどのように分類し認証するかを決定し、耐空性基準を最終決定しました。[ 42 ]

制限と危険性

外部ビデオ
ビデオアイコンマストバンピング - 原因と予防、米陸軍

ヘリコプターが直面する危険の例には、バードストライクなどの航空機に共通するものに加え、ヘリコプターの設計や状況に応じて様々な危険が存在します。これには、ダイナミックロールオーバー、地面共振、テールローターの有効性喪失、後退ブレード失速、ダイナミックストール、ボルテックスリング状態、サーボの透過、マストバンピング、テールストライクなどが含まれますが、これらに限定されるものではありません。

メインローターはヘリコプターの飛行維持に不可欠なため、損傷は悲惨な結果を招く可能性があります。先端は通常最も外側に位置するため、編隊飛行中のヘリコプターは、先端やテールローター、あるいは周囲のものと接触しないように十分な距離を保つよう注意する必要があります。

R66のテールビュー、2011年

マストの衝突、ローターブームの衝突、テールストライク

1960年代後半、米陸軍は、特定の空力条件下でメインローターがヘリコプターの尾翼に衝突する危険性を発見しました。特に、低重力条件下でヘリコプターの重量がメインローターから解放されている場合に顕著でした。このような場合、操縦装置への入力によって危険な状況が発生する場合もあれば、解決できる場合もあります。[ 43 ]

特に、ベルやロビンソンなどの2枚羽根のティタリングローターを備えたヘリコプターは、そのようなローターシステムでは胴体の姿勢を制御しないため、低G状態にさらしてはならない。その結果、胴体は運動量とテールローターの推力によって姿勢が制御され、テールブームがメインローターの先端経路面と交差したり、ブレードの根元がメインローターの駆動軸に接触してブレードがハブから離れる（マストバンピング）可能性がある。[ 44 ] 2020年代にロビンソンは、この種の事故の可能性を減らすためにR66用の新しい尾部尾翼を開発した。[ 43 ]ジョージア工科大学とメリーランド大学によるロビンソンメインローターの2つの大学の研究では、ローターの設計が他のティタリング設計よりも低G状態の影響を受けやすいとは見つからず、これはロビンソンが現在行っている設計研究と一致している。それにもかかわらず、ロビンソンは2020年代に高速ロール安定性を高めるための新しい尾翼を考案し、これは2023年にFAAによって承認されました。ロビンソンは、低G操縦は禁止されたままですが、この再設計を他のモデルにも導入したいと考えています。[ 43 ]ロビンソンの設計では、デモンストレーションであっても低G操縦は禁止されています。[ 43 ]

テールローターとテールブームの衝突は危険であり、あるケースでは、ベル206でバードストライクが発生した後に急激な入力制御が行われた結果、ローターとブームが衝突し、ヘリコプターが飛行中に分解したと考えられています。[ 45 ]メインローターとテールの衝突の別の例としては、オートローテーションの練習中にハードランディング中に自身のテールを切り落としたEC120があります。 [ 46 ]

ヘリコプターは、特に不慣れな着陸地点で地面に近い場合、尾翼ブームが周囲に衝突する危険性があります。[ 47 ]

砂地での摩耗

コップ・エッチェルズ効果

砂地環境で運転する場合、動いているローターブレードに砂が当たることで表面が侵食されます。これはローターを損傷し、深刻でコストのかかるメンテナンスの問題を引き起こす可能性があります。[ 48 ]

ヘリコプターのローターブレードの摩耗ストリップは、チタンやニッケルなどの金属で作られており、非常に硬いものの、砂ほど硬くはありません。砂漠地帯でヘリコプターが低空飛行する場合、ローターブレードに砂が衝突して侵食を引き起こす可能性があります。夜間、金属の摩耗ストリップに砂が衝突すると、ローターブレードの周囲に目に見えるコロナまたはハローが発生します。この現象は、侵食された粒子の自然発火酸化と、砂粒子との衝突によって光ルミネセンス（光輝）が発生する摩擦発光によって引き起こされます。[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]

戦場写真家でジャーナリストのマイケル・ヨンは、アフガニスタンで米兵に同行中にこの現象を観察しました。彼はこの現象に名前が付けられていないことに気づき、戦争で亡くなったアメリカ人とイギリス人の兵士にちなんで「コップ＝エッチェルズ効果」と名付けました。 [ 52 ]

歴史

回転翼を用いた垂直飛行は、紀元前400年頃から、古代中国の玩具である竹とんぼの形で存在していた。 [ 53 ] [ 54 ]竹とんぼは、回転翼に取り付けられた棒を転がすことで回転する。回転することで揚力が生じ、放すと玩具は飛ぶ。[ 53 ]哲学者葛洪が紀元前317年頃に著した『保朴子』（簡素を抱く師）には、航空機における回転翼の可能性のある使用について、真偽のほどは定かではないが次のように記されている。「ナツメの木の芯材で空飛ぶ車（feiche 飛車）を作り、牛革（ストラップ）を羽根に結び付けて、機械を動かした者もいる。」[ 55 ]レオナルド・ダ・ヴィンチは、水力スクリューをベースにした回転翼を備えた「エアリアル・スクリュー」と呼ばれる機械を設計した。ロシアの博学者ミハイル・ロモノーソフは、中国の玩具を模した回転翼を開発しました。フランスの博物学者クリスチャン・ド・ローノワは、七面鳥の羽根で回転翼を製作しました。[ 53 ]ジョージ・ケイリー卿は、幼少期に中国の玩具に触発され、ブリキ板で作った回転翼を持つ複数の垂直飛行機械を発明しました。[ 53 ]アルフォンス・ペノーは後に、1870年に輪ゴムで駆動する共軸回転翼型ヘリコプターの玩具を開発しました。父親から贈られたこれらの玩具の一つが、ライト兄弟に飛行の夢を追求するきっかけを与えました。[ 56 ]

1923年に飛行に成功した最初のオートジャイロ。フアン・デ・ラ・シエルバによって発明されました。

20世紀半ばに実用的な動力付きヘリコプターが開発される以前、オートジャイロの先駆者であるフアン・デ・ラ・シエルバは、ローター翼の基礎となる多くの要素を研究開発しました。デ・ラ・シエルバは、多翼の完全関節型ローターシステムの開発に成功しました。これらのシステムは、様々な改良を経て、現代の多翼ヘリコプターのローターシステムの基礎となっています。オートジャイロの研究は、ヘリコプターの解析の基礎となっています。[ 57 ]

単動回転翼ヘリコプターの設計における最初の成功例は、1930年代初頭にモスクワ近郊の中央流体力学研究所（TsAGI）に勤務していたソ連の航空技術者、ボリス・N・ユリエフとアレクセイ・M・チェレムキンによって設計された4枚羽根のメインローターを採用したものでした。彼らのTsAGI 1-EAヘリコプターは、1931年から1932年にかけて低高度飛行試験に成功し、チェレムキンは1932年8月中旬までに高度605メートル（1,985フィート）まで飛行させました。[ 58 ] [ 59 ]

1930年代、アーサー・ヤングはスタビライザーバーの導入により、2枚羽根ローターシステムの安定性を向上させました。このシステムは、ベル社とヒラー社のいくつかのヘリコプターに採用されました。フライバーの両端に翼型パドルを備えたヒラー社の派生型は、1970年代の誕生から21世紀初頭に至るまで、初期のリモートコントロール模型ヘリコプターの多くに採用されてきました。

1940年代後半、ヘリコプターのローターブレードの製造は、ジョン・T・パーソンズが数値制御（NC）の先駆者となるきっかけとなった仕事でした。NCとCNC（コンピュータ数値制御）は、後にあらゆる機械加工業界に影響を与える重要な新技術となりました。

エアスピーダーMK3、南オーストラリアでのテスト飛行（2021年）

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