ヘリコプターとテールローターの仕組みに関してです。

Question

先日以来、ここで質問、お答え頂いている者です

メインローターが右回りなら、作用反作用の働きで機体は左回りに動こうとします。

この機体の左回りの動きを打ち消す働きの役目をするのがテールローター。

ここで、ヘリコプターの絵を上から見た絵があるとします。

手前に操縦席、そこから尾部が伸びているとします。

上から見てメインローターが右回りの場合、作用反作用の働きで機体は左回りになります。

左回りを打ち消すために、テールローターで機体の右側に空気、風を送り込みます。これにより機体のテールの先端部分を、この絵(ヘリコプターの絵を上から見た絵、手前に操縦席、そこから尾部が伸びている)から見た場合は右側に押そうとする。

テールローターにより、送りこまれた空気に与えた運動量と機体が左に回ろうとする力が、ローター＋機体が受けとめ、打ち消されることにより、前に進む。

メインローターが左回りの場合はこの逆の場合が生じる。

テールローターは、メインローターが右回りの場合は機体の右側に空気を送り込むように、羽根のねじれ、回転する方向が調整される、逆にメインローターが左回りの場合は機体の左側に空気が送り込まれるように、羽根のねじれ、回転する方向が調整される。

とまあ、今まで、シロウト、無知な私が、ここで教えていただいたのを自分なりに簡潔に解釈したんですが、合っていますでしょうか。

ゼヒ、ご指導、ご教授の程お願いいたします。

funflier · Accepted Answer

ちょっと気になるところはありますが、メインとテールのローターの関係は合ってます。

＞左回りを打ち消すために、テールローターで機体の右側に空気、風を送り込みます。
＞これにより機体のテールの先端部分を、この絵(ヘリコプターの絵を上から見た絵、
＞手前に操縦席、そこから尾部が伸びている)から見た場合は右側に押そうとする。
ここまでの内容は合っています。どうせなら機体の機首（操縦席）が向こう側で機体の後方
から見た絵で想像した方が自分の左右と一致すると思います。屁理屈のようですが、
ラジコンヘリコプターを最初から覚えるときは必ず機体後部から見た状態で練習します。
そうでないと機体を前から見た状態（対面と言います）では左右操作が逆になるからで、
初心者では訳が解らなくなるのです。

＞テールローターにより、送りこまれた空気に与えた運動量と機体が左に回ろうとする力が、
＞ローター＋機体が受けとめ、打ち消されることにより、前に進む。
ここが少々意味不明です。特に「前に進む」というのは実はこれまでのご質問で出てきたの
とは違う原理によります。具体的には「フォア＆アフト・サイクリックピッチコントロール」という
半周ずつメインローターのピッチを変更することによってメインローター回転面を前方に
傾斜させて揚力の他に前方への力を発生させて行います。これまでの話はただ単に一箇所
にホバリングし、機首を一定方向に保つためのものであって、前後左右の方向については
触れてはいなかったのです。

ヘリコプターの方向の操縦に関しては、実機の場合下記の４種類が基本で、
（　１）左右横方向、２）前後方向、３）、機首回転方向、４）上下方向　の順番で　）
１）ラテラル・サイクリックピッチコントロール（lateral cyclic pitch control)　　　　　
２）フォア＆アフト・サイクリックピッチコントロール（fore & aft cyclic pitch control）
３）ヨーコントロール　又は　テールローターピッチコントロール（yaw / tail rotor pitch control)
４）コレクティブピッチコントロール　（collective pitch control）　
となっています。
（ラジコンでは飛行機と混同した言い方の方が定着していて、違った呼び名です。）

＞テールローターは、メインローターが右回りの場合は機体の右側に空気を送り込むように、
＞羽根のねじれ、回転する方向が調整される、逆にメインローターが左回りの場合は機体の
＞左側に空気が送り込まれるように、羽根のねじれ、回転する方向が調整される。
以前の私の言い方も悪かったのかもしれませんが、テールローターの回転方向は常に一定
です。実機の場合はトランスミッションからシャフトやギアを介して一定回転で駆動されます。
変えるのはピッチで、機首を一定に保ちたければメインローターのトルクに釣り合う分だけ
のピッチで、機首をどちらかに回したければピッチを増減・反転します。
（方向はもうお分かりと思います。空気を送る方向は合ってますので。）
方向によってはメインローターによって機体が回される作用を助長する方向です。つまり
「上から見て」右回りメインローターで「機体右に」空気を送って機体回転を止めていたもの
を「機体左に」空気を送るようにすると機体はメインローターから受けるトルクの反作用と
テールローターの起こす推力の両方で機首を左に振ることになります。これは実機では
操縦席にある両足で踏む左右のペダルで行います。右を踏めば機種は右に回ります。

他の操縦原理については複雑で、「ジャイロの摂動（プリセッション）」ということから理解
しないといけないので省きます。

この小さなラジコンヘリでは、テールローターは固定ピッチで、モーターが直接回して
います。プロペラと同じです。この場合は回転数だけで調整しています。
http://www.jrpropo.co.jp/jpn/heli/msr/products.html

funflier · Answer

№2＆4です。この回答は締め切られた後に、記述の間違いの訂正のために
事務局に掲載を依頼したものです。
 
№4回答中のヘリコプターの揚力式の記述に誤りがありました。訂正します。
（誤）
「Ｌ　＝　１／２　ｘ　ρ　ｘ　（Ｖｔ　／３）＾２　ｘ　Ｓ　ｘ　ＣＬａ」
（正）
「Ｌ　＝　１／２　ｘ　ρ　ｘ　（Ｖｔ　＾２　／３）　ｘ　Ｓ　ｘ　ＣＬａ」
になります。
 
付け加えれば、この式の各項は、
ρ：空気密度
Ｖｔ：ローター先端速度
Ｓ：ローターブレード面積の総和
ＣＬａ：平均揚力係数
であり、計算上ローター回転速度の代表を先端速度の1/√3、即ち約58％と
しています。
この式自体はGEORGE.H.SAUNDERS著「DYNAMICS OF HELICOPTER FLIGHT」
（鳳文書林刊行）からとっています。

funflier · Answer

「風を送る」または「空気を送る」という言い方は、確かに平易なままの表現で処理したので私も
使っていますが、間違っているとは認識してません。というのは、メインローターが発生する揚力
であっても、物理の力の「Ｆ＝ｍａ」そのまま、つまり「ヘリコプターの揚力は空気を下に加速した
結果である」という考え方でも説明がつくからです。

ここで、ローター面通過の誘導速度を「Ｖｉ」、終極ダウンウォッシュ速度「Ｖｆ」、空気密度「ρ」、
ローター回転面積「Ａ」とすると、ホバリング停止中の機体重量はメインローターの「推力」が
支えており、等しいので、単位時間の速度変化＝加速度を「ΔＶ　／ΔＴ」とおくと

推力　Ｔ　＝　ｍ　ｘ　（ΔＶ／ΔＴ）　＝　（ρ　ｘ　Ａ　ｘ　Ｖｉ　ｘ　ΔＴ）　ｘ　（Ｖｆ　-　０）／ΔＴ
　　　　　　＝　ρ　ｘ　Ａ　ｘ　Ｖｉ　ｘ　Ｖｆ　、　ここで　２Ｖｉ　＝　Ｖｆ　　なので
Ｔ　＝　ρ　ｘ　Ａ　ｘ　（Ｖｆ＾２）　／２　　　と書けます。

同様に、テールローター推力も「空気を一方から吸い込み、他方に加速して送り出した結果
得られている」として何ら支障はないと思います。（ただし、当初の「風を機体に当てた結果、
テールの回転が止まる」という考えはこれとは違いますし間違っています。）

実はテールローターが左右の一方向に空気を送っていることは、飛行機のプロペラと同じ
作用を横方向に対して行ってしまいます。「メインローターは上から見て右回転、テール
ローターは機体右に空気を送り出す」場合は（ラジコンヘリの大半はこの向きです）、
ヘリコプター自体を左横へズルズルと移動させてしまいます。これが「ヘリコプターのドリフト」で、
これを止めるためにメインローターを「右」に若干傾けて釣り合わせています。このため、
一般的な屋外用ラジコンヘリではホバリング停止状態でも３°程右に傾いたままです。
レイノルズ数の関係でサイズが小さい程、（つまり実機より屋外用ラジコンヘリ、それよりも
小さい室内用ラジコンヘリの順で）揚抗比が悪く反トルクが大きくなるので、このドリフト
とそれを止めるためのメインローター傾斜は大きくなる傾向にあり、ラジコンヘリでは
このことを実感できます。

メインローター「揚力」に関しては、普通に飛行機同様、翼素として考えた公式
揚力　Ｌ　＝　１／２　ｘ　ρ　ｘ　（Ｖｔ　／３）＾２　ｘ　Ｓ　ｘ　ＣＬａ　　でも計算出来ます。この場合は
主に上下面の圧力差（ベルヌーイの定理）を基にして考えた方法で、ローター先端速度「Ｖｔ」
の１／√３を使うことと、揚力係数をローター全域の平均で考える点が飛行機と違います。

テールを「引っ張る」か「押す」のか、は単純にテールローターシャフトを引っ張るのか押すのか
を考えて見れば良く、テールローターは「空気を加速したのでそれと反対方向に押されている」
という考えでいいと思います。シャフトを引っ張るトラクター（tractor)方式なのか、シャフトを
押すプッシャー（pusher) 方式かでメインローター回転方向が同じであっても機体テールの左右
どちらに付くかが違い、Ｈ-６０ブラックホークの例ではトラクター方式であり、設計思想として、
テールローターシャフト破断の際に、逆にプッシャー方式だと、一旦機体から離散したテール
ローターがまだ回っているとその推力で横倒しで回した竹トンボ状態となり機体側にぶつかって
くる、という二次被害を防ぐ為らしいです。軍用を前提にしたのでしょう。全機種の統計をとった
訳ではありませんが、他の主な機種を見てみるとプッシャー方式の方が多いようです。

aloha8861 · Answer

まだ理解できていないようですね
ところで　風を送り込むというのは間違いです！
風を送ってトルク打消しをしているわけではありません
メインローターと同じようにブレード面の圧力差でブレードを
移動させる（メインローターだと上向きに持ちあがる＠機体はブレードにぶら下がっている）
のでテールローターに機体のテール部がひっぱられている
というのが正しいです

＞テールローターにより、送りこまれた空気に与えた運動量と機体が左に回ろうとする力が、
＞ローター＋機体が受けとめ、打ち消されることにより、前に進む。

これは違います
前進はあくまでもメインローターに働く揚力の分力（ベクトル）によってブレードの傾いた側に
移動するのです　前進するのにテールは関係ありません

おわかりになりましたでしょうか？

noname#116136 · Answer

あってますよ。本を読めばすぐ分かる事ですが、自分で考えて結論に至ったのであれば素晴らしい事です。

ちなみにメインローターからの風を受けて本体の回転を抑止するのは「アリ」です。実験的にそういう機体があるのは見た事がありますし、ラジコンの中にはテールローターとは別にそれで向きを変えられる操縦方式もあります。

最近は室内RCヘリでも二重反転ローターが増えてますが、この場合テールローターはありませんよね。

ヘリコプターとテールローターの仕組みに関してです。

ちょっと気になるところはありますが、メインとテールのローターの関係は合ってます。

№2＆4です。

「風を送る」または「空気を送る」という言い方は、確かに平易なままの表現で処理したので私も

まだ理解できていないようですね

あってますよ。

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