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ヘリで曲技とオートローテーションを試す

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なし ヘリで曲技とオートローテーションを試す

msg# 1.6.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1
depth:
17
前の投稿 - 次の投稿 | 親投稿 - 子投稿.1 | 投稿日時 2014-4-7 14:03 | 最終変更
hide  長老 居住地: 兵庫県  投稿数: 632
hideです。FlightGearの羽田空港にも、強い南風が吹いて春本番となりました。ヘリの「手探り訓練日記」(?)第3回をお届けします。
 ホバリング訓練とビルの屋上訪問ばかりでは面白くありませんので、今回はオートローテーションに取り組みました。私としてはフライトシミュレーターを始めて以来初の試みで、対気速度とローター回転数を絶えず調整しながら滑空し、一発勝負で「逆噴射」を掛けて軟着陸するのは、とてもエキサイティングです。また宙返りや横転などを試みましたが、ヘリの360度ロールも今回が初でした。新たにデザインしたEC135p2の塗装とともに、スナップを投稿画像にアップさせていただきます。

●●オートローテーションの操縦法:
 ご存じのようにオートローテーションは、主にエンジン故障の際に使う、実機では必須の滑空技術です。降下に伴って前下方から吹き上げる、相対風のエネルギーでローターを空転させて揚力を保ち、狙った地点に不時着するわけですが、ヘリコプターの入門書を参考に、FlightGearでも可能かどうか試してみました。実機の手順は機種によって違うそうですが、おおむね次の通りです。
(1)高度は500ft以上必要。原則風上に向かい、巡航速度で水平直線飛行する。
   (巡航速度はR44が100Kt、EC135p2が137Kt)
(2)実機の訓練では、エンジンを掛けたまま、コレクティブ・ピッチを一杯に下げる。
   FlightGearでは実際に{キー(シフト+カギカッコ開く)でエンジンを止めてよい。
   コレクティブ・ピッチを下げると、トルク減の反動で機首が左を向くので、アンチ
   トルクペダル(ラダー軸)を操作し修正する。
(3)サイクリック・ピッチを調節し、60〜80Kt程度(機種による)を維持する。速すぎ
   ても遅すぎても、滑空距離が短くなる。
(4)コレクティブ・ピッチを調節し、ローター回転数を100%に保つ。速すぎればピッチ
   を少し増やして抵抗を与え、遅すぎれば減らす。こうして、対気速度とローター回
   転数を保ちながら滑空を続け、着陸予定地点へ向かう。
(5)地上100ftからフレアを掛け、速度と降下率を減少させる。
(6)接地寸前にコレクティブ・ピッチを使い、ローターに蓄えられた回転エネルギーを
   利用して一時的に揚力を増やし、降下速度をほぼゼロにして着地する。
…という感じです。状況によってはフレアをせず、前進速度を保ったまま強行着陸し、スキッドで滑りながら止まるという方法もあるそうです。
 これまでにロビンソンR44と、ユーロコプターのEC135p2およびbo105で着陸に成功しました。ただしR44はエンジンを停止すると、ほぼ直ちにローターも止まって、手の打ちようがないまま落っこちますので、あらかじめコレクティブ・ピッチを最小にしてから、エンジンを止める必要があります({キーでエンジンを止めると、ちゃんとクラッチも切れているので、ローターが止まるのは少々不思議です)。この一点を除けば、FlightGearの機体はヘリ操縦の入門書に紹介された通りに反応し、オートローテーションを再現することが出来ます。

 オートローテーション中の滑空比は未確認ですが、「開始時の高度と、せいぜい同じ距離しか飛べない」というのが実感です。羽田で練習する場合は、いったん風下に飛んでUターン。高度2500fを巡航速度で空港に接近して、敷地の端が前下方45度あたりに見える位置から開始すると、空港の中央より少し手前に降りられます。ただし向かい風が強いと、かなりアンダーシュートします。現時点では、私設ヘリポートの着陸帯(50m四方)を無理に狙わず、空港北西部に広がる平坦な区画内へ安全に降ろせればよし、ダメな場合も滑走路は一応避けよう、という方針です。

 滑空中は降下率が大きく、R44で2000ft/min近く出てしまいます(実機はR22で1000ft/min強)。速度と回転数の制御が忙しいので、スクリーンショットを取ったりすると地表が迫り、慌ててフレアに入る場合もあります。フレア段階まで来たら、着陸地点の精度にはこだわらず、減速と降下率減少に専念しましょう。接地時はコレクティブ・ピッチを使って尻上がりに揚力を増やし、確実に軟着陸させます。コレクティブの操作が早すぎると着地前に、ローターの回転エネルギーを使い切ってしまいますのでご用心。また誤って、風上からオートローテーションに入った場合も要注意です。追い風で降りたり旋回が遅れると、スキッドが地表でつまずいて、最後の瞬間に横転することも…。

     ●

 オートローテーションの操縦法は、FlightGear-Wikiの「Howto:Fly a helicopter」という項目にも、具体的な数値入りで解説があります。アドレスは以下の通りです。
 http://wiki.flightgear.org/Howto:Fly_a_helicopter

 ところでFlightGearでは、実際に危機回避のために、オートローテーションを利用する機会はあるのでしょうか。現在のところ、答えはたぶんNo!です。幸いFlightGearのエンジンはご存じの通り、基本的には飛行中に停止しません。例外は燃料切れと、レシプロエンジンのミクスチャーを、高空でリーンにしたまま戻し忘れて低空に降りた時だけです。R44はレシプロ単発ですが、ミクスチャー自体が機能していないので、エンストは無いと思います。どっちみち本当に止まったが最後、先にご紹介しましたように、慌ててコレクティブを倒しても間に合わず、必ず墜落しますので同じことですが…(^^;)。
 またオートローテーションは、セットリング・ウィズ・パワー(注)からの脱出手段としても知られますが、上記WikiによりますとFlightGearのヘリには現在、セットリングを発生する機能はないそうです。少々詰まらないやらホッとするやら、というところですね。
 【注】セットリング・ウィズ・パワー:主ローターまたはテールローターの回転面に、翼端を回り込む形でドーナツ状の循環流が発生し、推力が急に失われる現象。別名ボルテックス・リング・ステート。

●●なぜローターが風圧で回るのか:
 数回の練習で、一応オートローテーションが出来るようになりましたが、「なぜローターは降下中、下からの相対風で回るのか」という疑問に取り憑かれました。通常のエンジン駆動中ですと、ローターは上から空気を吸い込んで下へ吹き出します。オートローテーションでは逆に、下からの風が上に抜けます。もし逆ピッチに切り替えるのでしたら、風車と同じ仕組みですから話は簡単です。が、なぜ正ピッチのままで、ちゃんと順方向に回り続けるのでしょう。

 子供のころ持っていた、竹とんぼと同じ原理のヘリ模型には、ローターの回転力=遠心力が落ちると、輪ゴムの力で3本のブレードを中央に引きつけ、ハブに切ったネジ状の溝で、ピッチ角をマイナスに切り替える装置が付いていました。単純で巧妙な可変ピッチ機構です。これで降下中、自動的にオートローテーションに入って、滞空時間を引き延ばすわけですね。なので、実機がエンジン停止時にオートローテーションを行うと知ったとき、「模型同様、逆ピッチにするんだな」と勝手に納得し、ごく最近までそう信じていました。米国本家フォーラムにも、「オートローテーションには、ネガティブ・ピッチが使われますか?」という問いがあるので、私以外にも似た発想の人がいるようです(^^;)。私の英語力では、書き込みは幾らも読めませんでしたが、「正のピッチで、ちゃんと回る」という結論のようでした。しかし一体…どうやって?

 ヘリ操縦の入門書や、加藤寛一郎さん(東大教授の前は、川崎重工とボーイングでヘリを研究)の本をひっくり返しても、必ず「コレクティブ・ピッチを最小にする」という表現になっており、ピッチ角がマイナスになるという記述は皆無でした。オートローテーションに成功したFlightGearの機体ファイルを調べても、コレクティブ・ピッチは次のような値で、最小ピッチが負になる例は見当たりませんでした。
 EC135p2 bo105:最大15.8度、最小0.2度
 EC130    :最大16度、最小0.5度
 R44     :最大13度、最小0.3度

 さらに調べた末、ようやくヘリコプターのポータルサイト(英文)で、ローターブレードに働く揚力・抗力の分布説明図を見つけました。同様の図が画像検索で複数見つかりますので、これが正解のようです。(あとで分かったのですが、実は手元にある操縦入門書にも、よく見ると簡単ながら同じ図がありました)
 解説を読んだ結果、ローターのピッチ角がゼロに近い場合、下から気流が当たったローター回転面の一部には、揚力ベクトルおよび抗力ベクトルの合力によって、ブレードが加速される領域が出来ることが分かりました。オートジャイロのローターも同じ原理なのですが、私はあれも逆ピッチだろうと思っていたものですから、なかなか新鮮な驚きでした。説明図と解説のアドレスは次の通りです。
   http://www.copters.com/aero/autorotation.html
 簡単に言いますと、空気を上から吸い込むエンジン駆動中は、揚力と抗力の合力ベクトルが、ローターの回転軸に対して後ろに傾いており、常に抵抗を生んでいます。しかしオートローテーション中は、逆に下から上に気流が抜けて迎え角(ピッチではなく、相対風とブレードのコードラインの角度)の分布が異なるため、ローター回転面の一部分に、揚力と抗力の合力ベクトルが前に傾いて、ブレードを前方に引っ張る領域が、かなり幅広く現れるのだそうです。

 この場合、ブレードの先端付近は空気抵抗が比較的強いので「被駆動領域」と呼ばれ、中央部付近は逆にブレードを加速する力の方が強いため「駆動領域」、ブレードの根本は気流が剥離して抵抗のみ発生するため「失速領域」と呼ばれます。この「駆動領域」が、ローターを回す原動力です。
 前方から風を受けて前方へ加速するなんて変だ、とお考えの向きもありましょうが、帆船がタックする(浅く帆を開いて、斜め前からの風を使って走る=日本語では「間切る」。ジグザグに風上へ帆走できる)のと同じだ、という説明も米国の一部サイトにありました。また機体が前進している場合の影響ですが、基本的な変化はないものの、駆動領域と失速領域の位置が、後退ブレード側に寄るそうです。
 
 余談ですが、オートローテーションは意外にも、機体が軽すぎると危険だとか。直感的には逆みたいな気がしますが、降下率のブレーキに使うローターの回転力は、元を辿ればヘリコプターの位置エネルギーですから、開始時に高度が低すぎる場合だけでなく、機体が軽すぎても問題があり、機種ごとに安全な最小重量が決められているのだそうです。ヘリコプターには常識を覆す、ミステリアスな要素が多いですね。

●●簡単な曲技にトライ:
 現代のヘリは、ローターにリジット・ヒンジを採用する例が増え、機種によってはかなりの曲技が可能になっています。R44でオートローテーションの方法を探る過程で、あまり深く考えずに降下してループを試みたところ、あっさりうまく行きました。しかし2回目以降はパワー不足で、常に機首を横に振ってしまい、なかなか再現できなくて不思議でした。どうやらパワーを稼ごうとして、コレクティブ・ピッチを最大にしたのが逆効果だったようです。ブレードが立つと空気抵抗が大きいのでしょう、最小ピッチで降下姿勢に入れて加速し、そのままVneの少し下で一気に引き起こすと成功します。

 EC135p2では、360度ロールも可能です。ロールでは高度や速度をあまり喪失しませんので、初速は多少遅くても成功します。ローター回転の影響か、左ロールは比較的容易ですが、右ロールは角速度が遅くて少々ハラハラしました。操縦法は固定翼機のエルロンロールと同じで、軽く機首を持ち上げておいて、サイクリック操作でクルリと回り、背面でサイクリックを少し前に突いて、機首下がりを防止すればOK。背面付近でロールスピードが遅く感じ、固定翼の癖で無意識のうちに、ラダー軸をロールと同じ方向に利かせましたが、こうすると一気にクルンと回るところも、固定翼機と同じです。固定翼の場合、この反応は上反角の影響でしょうが、ヘリではどういう力学が働いているのか、見当が付きません。
 ループとロールが出来る以上、スプリットSもラクラク。ついでに大昔、航空ショーで見たハンマーヘッドを思い出して、それらしい運動をしようとしましたが、パワーとテールローターの推力不足か、そもそも理にかなう操舵をしていないのか、まったく無理でした。例えばメインローターのピッチを大きく動かし、操作の反動方向にヨーを掛けるのでしょうか。
 ヘリの操縦は、コレクティブとサイクリック、ラダー軸操作の微妙な相互作用にすべてが掛かっており、力づくではダメですね。最近、ホバリング旋回の練習を始めましたが、風見効果で機首が思った方角に回らないときなど、隠し味として、わずかにコレクティブを増減してローターの反動を誘い、ヨー運動のきっかけにするとか、ちょっとコツが分かりかけてきました。もっとうまくなったら、ラジコンヘリのスタント解説書でも漁ってみようかな。(ヘリの世界は、文献が極めて少ないのが悩みです)

●●EC135p2をオリジナル配色に:
 EC135p2のフォルダに自分用liveryを追加して、塗装などをいじっています。結果はアップさせて頂いた画像の通りで、昨年末ゴールインした私の水上機世界一周「海鳥の旅」に使った、ピラタスPC-9M改に少しだけイメージが重なるデザインです。ユーロコプターの機体は現在、ドイツで作られているようですので敬意を表し、ドイツ風に「D」で始まる機体記号を描いておきました。
 xmlファイル内の様々なタグにある、trueやfalse、1と0をあれこれ差し替え、多種多様な装備を取り替えて遊んでいます。ほとんどの外部装備はダミーですが、スキッドは高さの異なるものを選ぶと、実際に衝撃吸収力が変化することを知って感心しました。現在は、3種類ある中で一番タフなハイスキッドを付けており、かなり乱暴な着地にも耐えるようになりました。まだまだヘリをいじり回す日々が続きそうです。
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