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ヘリコプターのローターは飛行機の主翼に比べて力学的に損失が大きいですか。
ヘリコプターのローターは常に飛行機が急旋回しているような状態だと思うのですが、同一の重量だったらより多くのエネルギーを必要としているのでしょうか。

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A 回答 (3件)

>ヘリコプターのローターは飛行機の主翼に比べて力学的に損失が大きいですか。



シンプルな内容なだけにどういう観点で考えるか、かえって難しいご質問です。
レイノルズ数での比較を考えます。空気中を動く物体は空気の粘性による抵抗を受けますが、
この影響はサイズが大きく、高速で動くものの方が少なくなります。特に小さいものほど抗力が
増加し、実機サイズ→ラジコン等模型サイズ→昆虫サイズになるに従い揚力と抗力の比である
揚抗比が悪くなります。つまりは必要な揚力を得るためには、無駄に逆らう必要のある抗力に
対して使う必要な原動機の出力が要ります。

ここで、実機ヘリコプターの回転による先端速度は概ね200m/s、ローター弦長0.3m程度
とし、代表速度としてローター先端速度の58%(=116m/s)をとります。(この根拠はヘリコ
プターの揚力計算時に先端速度の1/√3倍を使うからです。) とすると、

Re ={ ( V x L ) / 1.46 } x 10^5 ≒ 23.8  x 10^5 ⇒ 10の6乗オーダー

であり、一方この程度(400~500km/h)の速度で飛ぶ飛行機の翼弦は3m以上あります。
ということは飛行機のレイノルズ数は10の7乗オーダーであり、飛行機の方が揚抗比は大きい
筈です。つまりヘリコプターのローターの方が余計に抗力(空気抵抗)が大きい事になります。
もっと速くローターを回したいところなのですが、速度が音速に近づくと衝撃波の影響が出る
のでマッハ0.7以下に抑えないとならないという縛りがあるのです。

>ヘリコプターのローターは常に飛行機が急旋回しているような状態だと思うのですが、
へリコプターのローターの速度分布は、回転しているだけに中央では0%で先端は100%、
回転半径分そのものです。これほどの速度差は飛行機で急旋廻しても起こりません。
むしろ、バンクをとって釣り合い旋廻するので、例えば90°横倒しに近い状態では両翼の
旋廻半径での距離の差は無くなります。それ以前に速度差が大きいと低速側は失速して
しまいます。例外的に曲技のストールターン・ハンマーヘッドでは垂直上昇姿勢の速度ゼロ
からラダーの利きだけで一点で180°の機首偏向をしますが、このときは完全に揚力が
無い状態です。

>同一の重量だったらより多くのエネルギーを必要としているのでしょうか。
ホバリング中のヘリコプターと巡航中の飛行機を比較すれば、ほぼ確実にそうなると思います。
なにより、ヘリコプターは動力伝達が複雑で、例えば低出力のレシプロ飛行機ではエンジンと
プロペラは直結ですが、ヘリコプターは必ずトランスミッションを介します。この分の機械損失が
あること、またシングルローターヘリコプターはテールローター駆動にホバリング中では1割近く、
前進中で数%の出力を食われており、これは飛行には直接役に立たない分です。
そして前述の様に、同条件では揚抗比が飛行機より劣る状態です。
ヘリコプターが前進すると、ローター先端速度の14%程の前進速度で必要馬力がホバリング
中の60%程になる現象(前進揚力/転移揚力 translational lift)があり、また飛行機の必要馬力
は速度の3乗に比例 (D = DV = 1/2・ρ・V^2・Cd・S ・V)するので速度を増すと急増する、ということもあるので条件比較にもよります。ですが概ね「無駄に捨てている」エネルギー
はヘリコプターの方が多いと思います。
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この回答へのお礼

ご丁寧にご教示いただいて恐縮いたします。かなり高度の内容なのでどのくらい身につけられるか不安ですが、できるかぎり勉強させていただきたいと思います。どうもありがとうございます。

お礼日時:2010/09/24 14:03

思いつくままに書いてみます。

あまり論理的でない回答と思われたら無視して下さい。

その機体を何に使うかを考えて下さい。重いものを遠距離かつ高速で輸送するためなら、通常の飛行機の方が損失は少ないでしょう。

人一人を隣町の病院に運ぶにはヘリコプターの方が損失は少ないでしょう。離陸するだけで通常の飛行機は(小型機であっても)大きなエネルギーを消費します。

写真撮影のため、1カ所に超低速で『滞在する』には、通常の飛行機では大変なエネルギーが必要です。空中で留まる状態のホバリングはヘリコプターの特技です。

またローターと主翼だけを比較するのもおかしいですね。ローターは『主翼+前進用プロペラ』の役割を担っています。

極端な例として、超音速機を考えましょう。主翼は超音速で流れる空気とぶつかっています。ヘリコプターのローターは音速以下の回転速度です。空気の粘性抵抗はどちらが大きいでしょう。

比較するにはオートジャイロも加えて下さい。
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この回答へのお礼

まったく根拠はありませんがヘリコプターの方が「つらそうな感じがする」のはなぜだろうと考えた結果の質問でした。多面からのご教示を感謝いたします。

お礼日時:2010/09/24 09:40

ヘリコプターは力学的に損失が大きいと考えて間違いありません。


空気は非常に粘性が高いことで知られていますが、速いスピードで振り回すと空気が粘り付いて抵抗が大きくなります。
空気抵抗を小さくして効率を非常に高くした飛行機にはスピードが遅いグライダーや人力飛行機、連続飛行世界一周を目指す太陽電池飛行機があります。
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