物理理科

5分で分かる「ヘリコプターの原理」滑走不要で離陸できるのはなぜ?プラントエンジニアがわかりやすく解説!

よぉ、桜木建二だ。今回は「ヘリコプターの飛行原理」について解説していくぞ。
近年はドローンや空飛ぶ車といったヘリコプターで使われる飛行原理を使った機械が注目されてきているな。ヘリコプターの原理を理解するには、流体力学で学ぶ揚力について学ぶ必要があるぞ。この記事では、揚力の発生原理と揚力の利用され方の説明を通して飛行原理を解説した。これらに興味がある方は是非この記事を読んでみてくれ。

大学では熱流体工学関係の研究し、プラント関係で設計を行っているアヤコと一緒に解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター/アヤコ

現役のプラントエンジニア。大学では熱流体分野の研究を行い、就職後もプラントエンジニアとして流体に関係する仕事を行っている。流体力学は多くの人が難しいと思い毛嫌いする分野の半面、身の回りの現象は多い。楽しく理解できるよう解説していく。

ヘリコプターとは

image by iStockphoto

飛行機にはできない、滑走器が不要離陸、着陸、空中で停止(ホバリングという)できるヘリコプター。上記写真のようにヘリコプターは、メインの回転翼により揚力、推力、機体が回転するトルクを発生します。回転翼によるトルクを打ち消すために、ヘリコプターのテール小型のプロペラが設置されているのです。このタイプのヘリコプターをシングルロータヘリコプターと呼びます。この記事ではシングルロータタイプに焦点を当てて説明しましょう。

揚力の原理

揚力の原理

image by Study-Z編集部

ヘリコプターの揚力はその翼回りの気流により生み出されるのです。その原理は、翼の上面では空気の流れが加速し、下面での圧力より下がり翼を揚げる向きに力が働きます。イメージとしては、上記の図です。図のように流れに翼を置き、その翼を傾けていきましょう。この時の角度を迎角と言います。離陸時のように迎角を傾けるほど、上面での速度が速くなり揚力が増えるのです。しかし、ある角度になると、速度が速すぎてしまい、流れが乱れてしまいます(流れの剥離と言う)。迎角が大きく、剥離が発生する時の現象を失速(ストール)と言い、ヘリコプターは失速が発生しない範囲で迎角を制御して飛行します。

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迎角を増やすことにより翼上面の速度を上げ、下面よりも上面の圧力が下げることによって揚力を発生させ、ヘリコプターは上昇していたのだ。迎角が大きすぎた場合は失速が発生してしまうため、迎角には限界があるということだ。翼を回転させ力を発生させる機械は、ヘリコプター以外にも飛行機やポンプ、送風機など多くあり、それらも失速の課題はあるのだ。それらの原理は流れが乱れる剥離によることだが、度々登場するため覚えておくとよい。

ヘリコプターの飛行原理

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レオナルド・ダ・ヴィンチ – Bortolon, The Life and Times of Leonardo, Paul Hamlyn, パブリック・ドメイン, リンクによる

人類が飛行の研究を始めたのは1400年代前からのようです。上図はレオナルドダビンチが残したメモで、ヘリコプターの起源になったものと言われています。メモには空気ねじと記されていたようです。レオナルドダビンチはものを回転させて空を飛ぶことを考えられていたと分かります。次に飛行原理について学んでいきましょう。

ヘリコプターの姿勢

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ZeroOne – self-made using Blender, CC 表示 3.0, リンクによる

まずはヘリコプターの姿勢について、次の名称を覚えてください。図は飛行機の絵になっておりますが、以下の名称はヘリコプターも同様に使用されるのです。水平面内で頭を左右に振る方向の動きをヨーイング頭が上下に動く方向ピッチング頭が反転するような動きローリングと言います。

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