ヘリコプターの挙動 - shinchan-dot/VRCAviation-memo GitHub Wiki

VRChatのヘリコプターの動きを考える前提としての現実のヘリコプターの挙動のメモ。
特に断りが無ければRobinson R22（反時計回りローター）を想定して書いている。

参考資料

▼FM1-51 ROTARY WING FLIGHT (1979)
https://www.bits.de/NRANEU/others/amd-us-archive/FM1-51%2879%29.pdf
古いが詳しく、無料で読める。ただし英語。
以下「RWF」

▼Helicopter Flying Handbook
https://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aviation/helicopter_flying_handbook
無料。英語。絵はきれいだが説明はRWFの簡略版という感じがする。
以下「HFH」

▼ヘリコプター操縦教本　Vol.5
公益社団法人　日本航空機操縦士協会
以下「教本」

▼航空工学講座 11 ヘリコプタ
公益社団法人　日本航空技術協会
通称青本シリーズの1冊。
以下「青本ヘリ」

▼マンガでわかるヘリコプター操縦法　米国ライセンス留学　安さん奮戦記
たなかてつお
他の資料ではなかなか分からない、実際に操縦するときの感覚が描かれていて貴重。
AmazonのKindle版はなぜか「ヘリコプターの操縦」という商品名になっている。
以下「奮戦記」

▼現役航空整備士が書いたかなりマニアックなヘリコプター豆知識
公益社団法人　日本航空技術協会
以下「かなマニ」

▼R22 Pilot’s Operating Handbook (22 Feb 2024)
https://shop.robinsonheli.com/wp-content/uploads/2024/07/r22_poh_full_book.pdf
メーカー製の本物のマニュアル。無料で読める。ただし英語。
以下「R22POH」

▼ROBINSON HELICOPTER COMPANY FLIGHT TRAINING GUIDE
https://shop.robinsonheli.com/wp-content/uploads/2020/10/ftg_book.pdf
以前はロビンソンのサイトトップからリンクで辿れたはずだが、今はファイルはあるもののリンクが無くなっている様子。
メーカー製の本物の訓練ガイド。無料で読める。ただし英語。
以下「FTG」

トルク

メインローターを回す力の反作用で、機体はメインローターと逆向きに回転しようとする。
この効果をトルクと呼ぶ。
[RWF 2-33 TORQUE]
[教本 1-3 アンチトルクシステム]

ローターを回す力の反作用として「反トルク」などと言うこともあるが、どちらを反作用とするかは見方によって変わるので文脈で判断する。
「アンチトルクシステム」と言う場合は「機体を回転させようとする力を打ち消すシステム」という意味なので、
その文脈ではローターを回すほうではなく機体を回すほうを「トルク」と呼ぶのが妥当ではある。

メインローターだけでなくテールローターにもトルクがあるはずだが、テールローターは軽いからか問題にならないようである。

■トルクを打ち消す方法
トルクはテールローターで打ち消す。
[RWF 2-33 ANTITORQUE ROTOR]
[教本 1-3 アンチトルクシステム]

高速飛行時は風見効果により機首方向の変化が抑えられる。
[教本第7節テールローター故障]

R22の場合、速度が70ktで低出力ならテールローターが壊れていてもそれなりに(?)飛べるらしい。
[https://youtu.be/NMCRqOAh7gE?t=514 テールローター、メインローター解説ロビンソンR22]
[R22POH 3-5 LOSS OF TAIL ROTOR THRUST IN FORWARD FLIGHT]

■トルクの変動
トルクの強さはエンジン出力によって変わる。
[RWF 2-33 TORQUE]

普通は下記のようになる。
コレクティブを上げる
↓
メインローターブレードの迎え角が増える
↓
誘導抗力が増える
↓
誘導抗力に打ち勝ってメインローターの回転数を一定に保つためにガバナーが働いてエンジン出力が増える
↓
機体を回そうとするトルクが増える
↓
機首が右へ向こうとする

■ペダルの操作量
巡航時、ペダルが中立位置でトルクとテールローターがだいたい釣り合う。
[教本 4-8 機首方位のコントロール]

前進飛行中はメインローターが転移揚力を得るとともにテールローターの効率も上がる。
[RWF 2-36 AIRFLOW IN FORWARD FLIGHT]

巡航時の風見効果とテールローターの効率向上を総合してペダル中立で釣り合うように設計するということだと思う。
逆に言えば、無風のホバリング中は上記の効果が無い上にメインローターの転移揚力も無く高出力が必要なので、左ペダルを踏んでいないと機首方位を保てない。

■前進飛行中に旋回するとき、機首方位のコントロールにペダルは使わない。
[RWF 2-34 HEADING CONTROL]
[教本 4-8 機首方位のコントロール]

ヘリコプターにはアドバースヨーが無く、垂直尾翼だけで機首の向きが旋回に合うということっぽい。
ただしバンクしつつ高度を一定に保つためにはコレクティブを上げるので、それで機首が右を向くようなら左ペダルが必要。
つまり、旋回時にペダルを踏むとしたら旋回方向が左右どちらであっても旋回開始時に左ペダルを踏むことになるはず。

■ペダルの操作量とテールローターブレードの迎え角が機械的にリニアであっても、操縦すると均一に感じないらしい。
[https://youtu.be/NMCRqOAh7gE?t=317 テールローター、メインローター解説ロビンソンR22]

この原因の一つは、メインローターの渦がテールに当たったり当たらなかったりするためっぽい。
[かなマニ p.23 メインローターからのボルテックスによるLTE]

テールローターによるドリフト
テールローターの推力により、トルクが打ち消されるだけでなく機体全体が右へ動こうとする。
パイロットはメインローターを左へ傾けるように操縦することでこのドリフトを防ぐ。
機体によってははじめからメインローターが左に傾くように設計されている場合もある。（どの機体？）
[RWF 2-34 TRANSLATING TENDENCY]

ローターマストの取り付け角
メインローターマストは機体に対して前方に傾斜するように設計される場合がある。（ていうかほとんどの機体がそうだと思う）
これにより前方飛行中に機体の前傾が少なくて済み、空気抵抗が減る。
[RWF 2-35 FUSELAGE HOVERING ATTITUDE]

AH-1コブラは前傾していないらしい。
https://x.com/HAYABUSA45001/status/1868273652569117122

ホバリング時の姿勢
■ロール
テールローターによるドリフトを防ぐためにメインローターを左に傾けると、シーソーローターではない場合、傾いたローターブレードにローターハブが引っ張られて傾き、機体も左に傾く。
シーソーローターの場合はホバリング中にメインローターが左に傾いても機体は真下にぶら下がる。
ただし、テールローターがメインローターよりも低い位置にある場合、低い位置で右へ向かうテールローターと高い位置で左へ向かうメインローターによって機体が左へ傾く。
[RWF 2-35 FUSELAGE HOVERING ATTITUDE]

いずれにしてもサイクリックは左へ操作するのだが、それと同じ分だけ機体も傾くとは限らない。

■ピッチ
メインローターマストが前傾しているので、ホバリング中にローター面を水平にするためにはサイクリックを後ろへ操作する必要がある。
シーソーローターではない場合、水平になったローターブレードにローターハブが引っ張られ、ローターマストが鉛直になるので機首が上がるはず。

R22はシーソーローターで、かつ、重心はだいたいメインローターより前にあるので、ホバリング時は機首が若干下がる。
[R22POH 2-5 CENTER OF GRAVITY LIMITS]
[https://youtu.be/1m-_bA-NvTc ヘリコプターホバリング姿勢解説その1]
[FTG 7.5 TAKEOFF TO A HOVER]

ちなみに、シーソーローター機はローターの傾きだけでは機体が傾かないので重心位置の許容範囲が狭い。
シーソーローター機のマストが長いのは、重心位置の許容範囲をなるべく広くするためでもある。
[RWF 2-60 EFFECT OF ROTOR SYSTEM DESIGN ON WEIGHT AND BALANCE LIMITATIONS]

地面効果

地面の近くでは低い出力でホバリングできる。
この効果は地面に近いほど反比例のような形で強くなる。
地面からローターまでの高さがローター直径の半分のとき、7%ほどの推力増加。
地面からローターまでの高さがローター直径くらいで地面効果はほとんど無くなる。
[RWF 2-31 GROUND EFFECT]
[教本 3-6 ホバリングと地面効果]

■地面効果の強さの例
R22 BETA IIでは、気圧高度9000フィートで気温20度のとき、OGEホバリングは540kgくらいまで可。
9000フィートの地上から2フィートのIGEホバリングだと総重量600kgまで可。
つまり地面効果でだいたい1.1倍。
R22のローター直径は302インチ、地面からの高さは107インチに2フィート足して131インチで、比がだいたい0.4。
RWFでも教本でもグラフを見ると0.4のときだいたい10%くらいの推力増加で、R22POHと合っている。
[R22POH 5-6 R22 BETA II IGE HOVER CEILING VS. GROSS WEIGHT]
[R22POH 5-10 R22 BETA II OGE HOVER CEILING VS. GROSS WEIGHT]
[R22POH 1-3 EXTERNAL DIMENSIONS]

■地面効果の低下
滑らかな舗装の上で最大の地面効果が得られる。
背の高い草、起伏の多い地形、護岸、水上でホバリングしていると、地面効果が大幅に低下する可能性がある。
[RWF 2-31 GROUND EFFECT]

■対気速度による地面効果の低下
対気速度が10kt以上になると地面効果はほとんど失われる。
[教本 3-6 ホバリングと地面効果]
[青本ヘリ 4-5 地面効果]

風が10ktで吹いているときの着陸で「地面効果もあまり期待できない」というテロップあり。
[https://youtu.be/sNr4yQVWYQk?t=1512 ロビンソンR22 京都から名古屋空港へ with ATC]

固定翼機では速度があっても地面効果が発生するのにヘリではそうならないという意味だと思うが、この理由が明記されている資料は見つかっていない。

地面効果は、翼からの吹きおろしが地面に当たって起きる。
ヘリコプターの場合、ローターブレードの1枚ずつが固定翼機の主翼と同様に起こす吹きおろしと、
それらがホバリング中に同じ場所で重なってできる大きな柱状の吹きおろしが考えられる。[RWF 2-12 RELATIVE WIND]
対気速度があると地面効果が無くなるということは、後者の吹きおろしのみが地面効果に関係し、ブレード1枚ずつでは地面効果が起きないということっぽい。

考えられる理屈の1つめ。
細長い翼は地面効果が小さく、グライダーは地上2mで2%くらいしかないとのこと。
[https://www.jsal.or.jp/uploads/2021/06/24/2-2-7%20%E5%A0%B4%E5%91%A8%E9%A3%9B%E8%A1%8C%E3%82%AC%E3%82%A4%E3%83%89%E3%83%96%E3%83%83%E3%82%AF.pdf]
ということは、ヘリのブレードはとても細長くかつ位置が高いので、ブレード1枚ずつでは地面効果が起きない。

考えられる理屈の2つめ。
ローターの内側は対気速度が小さく揚力が弱い。
そのため、翼幅と高さの比を考えるとき、ヘリのブレードはより短いものと考えなければならず、そうするとブレード1枚ずつで地面効果が発生するには高さに対して翼幅が足りない。

転移揚力

前進飛行中はホバリング時よりも揚力が増える。
16から24kt付近で顕著に増加する。
メインローターだけでなくテールローターの効率も上がる。
[RWF 2-36 AIRFLOW IN FORWARD FLIGHT]
[教本 3-11 転移揚力と貫流速効果]

これの原因は、
ダウンウォッシュを置き去りにするからという説明と、[RWF]
流入する空気が増えるからという説明がある。[青本ヘリ]
たぶんどちらも結局は同じ事を言ってるんだと思う。

英語では translational lift といい、この translational は「並進」の意味で使っているんだと思う。
ローターの回転(rotational)運動による揚力ではなく機体の前後左右移動 = 並進運動による揚力増加という意味で。
つまり転移揚力ではなく並進揚力と訳すべきだったのでは？

■転移揚力の大きさ
エンジン出力に余裕のないとき、転移揚力を使って離着陸する。
[教本 3-11 転移揚力と貫流速効果]

つまり地面効果で浮けていれば転移揚力でも浮けるということっぽく、転移揚力は地面効果と同等かそれより大きいはず。

一例では、R22でIGEホバリング時にMAPが22、70ktの水平飛行でMAP18くらい。
[https://www.youtube.com/watch?v=Wpv1h9RHvd4&t=157s ロビンソンR22　高松空港から岡南飛行場 with ATC]

15ktくらい風があるとホバリングでも転移揚力が効き始め、パワーがある機体のように感じる。
[https://www.youtube.com/watch?v=F1_Ghf27MwY&t=158s ロビンソンR44　石垣から波照間まで　訓練＆遊覧＆移動]

貫流速効果
10から15ktの速度ではメインローターの前側だけが転移揚力を受けるような状態になる。
これにより振動が発生する。
また、ローター前側の揚力が大きくなり、ジャイロスコピックプリセッションによりローターが右へ傾く。
[RWF 2-39 TRANSVERSE FLOW EFFECT]
[教本 3-11 転移揚力と貫流速効果]

揚力の不均衡（非対称性）
ローターの右側ではブレードが機体の前に向かって動き、左側では後ろに向かって動く。
前進飛行中は機体全体の対気速度が前進側ブレードには足され、後退側ブレードからは引かれる。
対気速度の違いによって右側の揚力が大きくなり、ジャイロスコピックプリセッションによってローターが後傾する。
[RWF 2-39 DISSYMMETRY OF LIFT]
[教本 3-11 転移揚力と貫流速効果]

コーニングによるロール
前進飛行中はローターブレードがコーニングかつ前傾し、ローター後ろ側のブレードには相対風が前側と比べて上から当たる。
このため後ろ側の揚力が減って、ジャイロスコピックプリセッションによりローターが右に傾く。
[青本ヘリ 3-3-2 コーニング角の影響]

横風によるロール
横風を受けると、それによる揚力の不均衡が起きて機体が反対方向に傾く。
たとえば左から風を受けるとローター前側で揚力が増え後ろ側で減り、ジャイロで右に傾く。
[青本ヘリ 3-3-1 ロータ面左右の速度差の影響]

コーニング
回転中のメインローターは遠心力を受け、飛行中はさらに揚力を受ける。
これにより、飛行中のローターディスクは円錐形になる。
[RWF 2-26 CENTRIFUGAL FORCE]

ローターの回転数が許容範囲より低くなるとコーニングが過大になり、上から見たローターディスクが小さくなって揚力が減り、ブレードが曲がりすぎて損傷する。
[https://www.aopa.org/news-and-media/all-news/1998/march/flight-training-magazine/rotor-rpm Rotor RPM]

つまり飛行中は遠心力によってローターの形を支えている。
翼は細長いほど誘導抗力が少なくて済むので用途によってはできる限り細長くしたいはずだが、固定翼機の場合は翼を遠心力で支えられないので、ヘリのローターブレードほど細長くはできないっぽい。

■遠心力と揚力の計算例
R22のメインローター半径は3.84m。　[R22POH 1-3 EXTERNAL DIMENSIONS]
R22のメインローター回転数は530rpm。　[R22POH 2-2 ROTOR SPEED LIMITS]
R22のメインローターブレードの重さは11.79kg。　[https://rotorcraft.info/fe/acft/150/GeneralData]
R22の重量は最大622kg。　[R22POH 2-3 WEIGHT LIMITS]

ローターブレードの重心がブレードの中央にあるとすると、半径が半分の1.92m。
これで計算すると、遠心力は7100kg重くらいになる。

ホバリング時の揚力は、622kgを2枚のブレードで支えるので1枚当たり311kg重。

実際にかかる遠心力はブレードの部位ごとに異なるが、ざっくり遠心力は揚力の20倍程度ある。

クロスカップリング

■コレクティブとヨー
仕組みは「トルク」の項を参照。

奮戦記では、コレクティブを操作するたびにペダルの操作が追い付かず機首が左右に振れて苦労する様子が描かれている。
[奮戦記前編 p.54など]

Bell206（古い機体で操縦を補助する装置が無くタービンエンジンでパワーがある）ではちょっとコレクティブを動かすと機首が大きく振れるとのこと。
[https://x.com/oppailot/status/1829836166075728039]

高速では風見効果で抑えられるのであまり気にならないとのこと。（ほとんどペダル操作しなくて済む？）
[https://youtu.be/22p6B1OIC6w?t=584 ヘリ操縦　クロスカップリング解説]

■前進中のコレクティブとピッチ
前進中なのでメインローター右側（前進側）のほうが相対風が速く、揚力が大きい
↓
コレクティブを上げる
↓
メインローターブレードの迎え角が一様に増える
↓
揚力は迎え角に比例するので、揚力が増える割合はメインローターの左右で同じで、増える量はもともとの揚力が大きい右側のほうが多い
↓
右側の揚力増加がジャイロスコピックプリセッションにより90度遅れて、機首が上がる

[FTG 7.1 STRAIGHT AND LEVEL FLIGHT]
[https://jl4ouf.blog.ss-blog.jp/2021-07-19 ヘリコプターを飛ばすクロスカップリング]
[教本 4-9 クロスカップリング]

■ロールとピッチ
A.
サイクリックを右へ
↓
ローターの前側で迎え角増、後ろ側で減
↓
ジャイロスコピックプリセッションでローターが右へ傾く
↓
機体が右へ傾く
↓
ローターの傾きが止まっても、機体が慣性でさらに右へ傾こうとする
↓
右へ傾こうとする力がローターに伝わる
↓
ジャイロスコピックプリセッションでロータが前に傾く
↓
機首が下がる

B.
ローターが右へ傾く
↓
ローターの右側が下がっていくとき、相対風が下から当たることになり、迎え角が増して揚力が増える
↓
ジャイロスコピックプリセッションで機首が上がる

A.とB.が同時に起こるが、ロビンソンではA.が支配的とのこと。
[https://jl4ouf.blog.ss-blog.jp/2021-07-19 ヘリコプターを飛ばすクロスカップリング]
[教本 4-9 クロスカップリング]

また、これらはロールからピッチだけでなくピッチからロールの順でも起こる。
[教本 4-9 クロスカップリング]

■昇降とピッチ
上昇すると上からの風が水平安定板に当たって押し下げ、機首が上がる。
下降では機首が下がる。
[https://www.aopa.org/news-and-media/all-news/1998/december/flight-training-magazine/helicopter-first-lesson-fundamentals-helicopter-controls Helicopter First-Lesson Fundamentals: Helicopter Controls]

■昇降とロール
水平安定板が右側だけにある場合、上昇すると上からの風が水平安定板に当たって機体が右ロールする。
下降では左ロールする。
[https://www.aopa.org/news-and-media/all-news/1998/december/flight-training-magazine/helicopter-first-lesson-fundamentals-helicopter-controls Helicopter First-Lesson Fundamentals: Helicopter Controls]

■ヨーとロール
テールローターがメインローターより低い位置にある場合、テールローターがメインローターより下を右へ押すので、機体を左へロールさせる力が働く。
つまり、左ペダルを踏んでテールローターの力を強めて機首を左へ向けると、同時に左へロールする。
「ホバリング時の姿勢」の項を参照。

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