何故ヘリは速く飛べないか

航空機の技術は、第二次世界大戦から冷戦を経て、凄まじいスピードで進化を続けています。

ターボファン・ターボプロップエンジンの開発による、高燃費での亜音速飛行。
機体の大型化、省エネルギー化、安全性の向上etc…

しかし一方で変わらないものも幾つかあります。

例えば旅客機の巡航速度は、ジェット旅客機が本格的に運用開始されて以降、ほとんど変化していません。
(ボーイング707でM0.8、同じくらいの乗客数でB737の最新型はM0.78)
これは言わずもがな「音速」の存在によるものです。
音速を超えるか超えないかで、機体・エンジンの設計は大きく変わり、乗客数の制限や燃費の大幅な悪化などを招きます。
現代の流体力学では、得られるメリットに対してコストが掛かりすぎるのです。

もう一つ代表的なものに「ヘリコプターの速度」があります。

ヘリコプターが本格的に運用開始され始めたのは、1950年代ベトナム戦争の時代におけるUH-1になりますが、当時から現代に至るまで巡航速度は200km/hから250km/h前後、最高速度は300km/h前後でほとんど変化がありません。

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エンジンの高出力化や効率の向上は絶え間なく行われてきましたが、それによって生まれた新たな出力は、専ら積載量の増加や飛行特性の向上などに当てられてきました。

何故、ヘリコプターはこれ以上、速く飛べないのか。
解説していきたいと思います。

ヘリが前に進む原理

ヘリコプターがエンジンで回すものはローターブレード+テイルローターだけであり、ローターブレードが機体軸に対して垂直な状態にある時、ブレードが生み出す揚力は上方向にだけ働きます。

つまり、この状態では重力で落ちようとする力に対して浮き上がろうとする上下の運動しか出来ません(要はでっかい竹とんぼと一緒です)

これを前後左右の力に変えるには、どうすればいいかというと「軸を傾ける」必要があります。

この前進飛行するアパッチ、よく見るとローターブレードの軸が垂直(黒線)に対して、前方に傾斜しているのが分かるかと思います。

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この状態を大雑把に書いてしまうと、こういうことです。

つまりエンジンの推力を全て「前に進む」ために使っている固定翼機と比較して、ヘリは上に浮かぶ揚力の一部を前後左右に進むための力に割り振っているにすぎません。

当然、揚力を失えば高度を保てなくなるので前に進む力として使用出来る推力はエンジン出力の一部しか取り出すことが出来ません。

しかし揚力を増やして速度を上げようとしても、ローターブレードが音速域に達すると急激に抵抗が増して飛行も不安定になります。

これは、どれだけ大きなエンジンを積んでも「音速」が存在する以上、同じことです。

ちなみに、この際に、ローターの傾ける角度を調節するのがヘリコプターのサイクリックレバーです。

(写真はSH-60J対潜哨戒ヘリの機長席)

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ヘリのブレードでは揚力不足と超音速が同時に起きる?

ヘリが前に進む理屈に加えて、最高速度を大きく制限しているのは

「ローターブレードは水平方向に回転している」

という、ヘリコプターの原理そのものに由来する要因です。

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米国製ヘリコプターはローターブレードが反時計周りで設計されています。
(欧州製のエアバスとかAWは時計回り)

つまり、機体の左側はブレードが後方に、右側では前方へ進んでいます。

つまり機体自体が前進しながら飛んでいると、左側は前進速度の分だけ、ブレードと空気の対気速度が遅くなる=失速(正常な翼面気流を保てず、揚力を生み出せなくなるの意)しやすくなり、逆に右側は対気速度が増して、音速へ達しやすくなります。

当然、その域まで行かずとも、生じる揚力に差が生まれるのでローターブレードは回転しながら、飛行速度に応じてブレードのピッチ角を周期的に変化させて機体の安定を図っています。

しかし、自動で調整するにも限界があり速度が増すにつれて左右の揚力差はより大きくなり、飛行が不安定になっていきます。

そして、その状態からさらに速度が増すと、左側では揚力を失い右側では遷音速域に達して、衝撃波による大きな抵抗を受けます。

こうなれば、ヘリコプターは安定して浮く事すら出来ません。

即ち、ここが前進速度の限界なのです。

ブレード形状や制御の工夫で、ある程度は改善することが出来ますが、旅客機が音速を超えないのと同じで、経済性・利便性・安定性などの面から
「なら、安定した飛行が出来る速度で飛べばいい」
というのが現状です。

現在、二重反転ローター+推進用ローターのS-97レイダーなど、この速度の限界を超えたヘリコプターを生み出す開発は進められています。ユーロコプターX-3では400km/hを超えた飛行を数分間継続したという記録もあります。
しかし当然、複雑な機構を有するためコストは従来のヘリを大きく超えると思われ、これを必要とするのは極々限られた用途になるでしょう。

「音速の壁」という言葉がありますが、飛行機の進化にとって音速はまさに立ちはだかる大きな「壁」であって、それを乗り越えることは容易ではないのです。

痛飛行機弐