航空機のプロペラは、2 つ以上のブレードと、ブレードが取り付けられる中央ハブで構成されています。 航空機プロペラの各ブレードは、基本的に回転翼です。 プロペラ ブレードはその構造の結果として、翼のようなものであり、航空機を空気中を引っ張ったり押したりするための推力を生み出す力を生み出します。 エンジンは、プロペラ ブレードを高速で空気中を回転させるのに必要な電力を供給し、プロペラはエンジンの回転動力を前方推力に変換します。
典型的なプロペラ ブレードの断面が
航空機の翼の断面に匹敵します。 ブレードの一方の面は、航空機の翼の上面と同様に、キャンバーまたは湾曲しており、もう一方の面は翼の下面のように平らです。 コード ラインは、ブレードの前縁から後縁までブレードを通る架空の線です。 翼のように、前縁は、プロペラが回転するときに空気と交わるブレードの厚いエッジです。
ブレードの角度は、通常度で測定され、ブレードの弦と回転面の間の角度であり、ブレードの長さに沿った特定のポイントで測定されます。 [Figure 4-36] ほとんどのプロペラにはフラット ブレードの「フェイス」があるため、コード ラインはプロペラ ブレードの面に沿って描画されることがよくあります。 ピッチはブレードの角度ではありませんが、ピッチは主にブレードの角度によって決まるため、2 つの項は同じ意味で使用されることがよくあります。 通常、一方の増減は、他方の増減と関連しています。
プロペラのピッチはインチで指定できます。 「74-48」と指定されたプロペラは、長さ 74 インチで、有効ピッチは 48 インチです。 ピッチはインチ単位の距離であり、スリップがなければプロペラは 1 回転で空気をねじ込みます。
新しいタイプの航空機の固定ピッチ プロペラを指定する場合、製造業者は通常、航空機の予想される巡航速度で効率的に動作するピッチのプロペラを選択します。 すべての固定ピッチ プロペラは、対気速度と 1 分あたりの回転数 (rpm) の特定の組み合わせでのみ効率的であるため、妥協する必要があります。 パイロットは飛行中にこの組み合わせを変更することはできません。
航空機がエンジンを作動させた状態で地上に静止している場合、または離陸時にゆっくりと動く場合、プロペラが固定ピッチ ブレードが完全な効率に達するのに十分な速度で前進するのを妨げるため、プロペラの効率は非常に低くなります。 この状況では、各プロペラ ブレードが AOA で空気中を回っていますが、それを回転させるのに必要な電力量に対して推力が比較的小さい。
プロペラの動作を理解するには、まず回転と前方の両方の動きを考えます。 図 4-36 のプロペラ力のベクトルで示されるように、プロペラ ブレードの各セクションは下に移動します。 この空気 (相対風) がプロペラ ブレードに当たる角度は、その AOA です。 この角度によって生じる空気のたわみにより、プロペラ ブレードのエンジン側の動圧が大気圧より大きくなり、推力が発生します。
翼の翼の形のようにキャンバー状になっているため、刃の形も推力を生み出します。 空気がプロペラを通過すると、一方の側の圧力は他方の圧力よりも低くなります。 翼のように、圧力が低い方向に反力が生成されます。 翼上の空気の流れは圧力が低く、力 (リフト) は上向きです。 プロペラが水平面ではなく垂直に取り付けられている場合、減圧領域はプロペラの前にあり、力 (推力) は前方にあります。 空気力学的に、推力は、ブレードのプロペラの形状と AOA の結果です。
推力は、プロペラによって処理される空気の質量に関しても考慮することができます。 これらの用語では、推力は、航空機のスリップストリーム速度をマイナスにした値を乗算した空気の質量に等しくなります。 推力の生成に費やされる電力は、気体の移動速度に依存します。 平均すると、推力はトルクの約 80% を占めます (プロペラによって吸収される総馬力)。 残りの 20% は、摩擦と滑りで失われます。 回転の速度に関係なく、プロペラによって吸収される馬力は、エンジンによって供給される馬力のバランスをとります。 プロペラが 1 回転する場合、処理される空気の量はブレードの角度に依存します。これにより、プロペラにかかる空気の「一口」の大きさが決まります。 したがって、ブレードの角度は、プロペラへの負荷を調整してエンジン RPM を制御する優れた手段です。
ブレードの角度は、プロペラの AOA を調整する優れた方法でもあります。 一定速度のプロペラでは、すべてのエンジンと航空機の速度で最も効率的な AOA を提供するように、ブレードの角度を調整する必要があります。 プロペラや翼に対して描かれたリフトとドラッグの曲線は、最も効率的な AOA が小さく、+2° から +4° まで変化することを示しています。 この小さな AOA を維持するために必要な実際のブレード角度は、航空機の前進速度によって異なります。
固定ピッチと地面調整可能なプロペラは、1 回転と前進速度で最高の効率を実現するように設計されています。 これらは、特定の航空機とエンジンの組み合わせ用に設計されています。 離陸、登山、クルーズ、または高速飛行に最大の効率を提供するプロペラを使用できます。 これらの条件を変更すると、プロペラとエンジンの両方の効率が低下します。 機械の効率は、実際の電力入力に対する有用な電力出力の比率であるため、プロペラの効率は、ブレーキ馬力に対する推力馬力の比率です。 プロペラの効率は、プロペラの「スリップ」の程度に応じて、50 ～ 87% 異なります。
プロペラ スリップは、プロペラの幾何学的ピッチと有効ピッチの違いです。 [Figure 4-37] 幾何学的ピッチは、プロペラが 1 回転で前進する理論的な距離です。 効果的なピッチは、実際に進む距離です。 このように、幾何学的または理論上のピッチは、滑りが発生しないことに基づいていますが、実際のまたは有効なピッチには、空気中のプロペラの滑りが含まれます。
プロペラが「ねじれた」理由は、プロペラ ブレードの外側の部分は、中心点の周りを回るすべてのものと同様に、ハブの近くの部分よりも速く移動するためです。 [Figure 4-38] ブレードの長さ全体で同じ幾何学的なピッチを持っている場合、ハブの近くの部分は負の AoA になり、プロペラの先端は巡航速度で失速します。 ブレードの幾何学的なピッチのねじれまたは変化により、プロペラは、巡航中の長さに沿って比較的一定の AOA で動作することができます。 プロペラ ブレードは、プロペラの長さに沿った回転速度の違いに比例してブレードの角度を変更するためにねじれ、この長さに沿って推力をよりほぼ均等に保ちます。
通常、1° から 4° が最も効率的なリフト/ドラッグ比を提供しますが、飛行中の固定ピッチ プロペラのプロペラ AOA は、通常 0° から 15° まで変化します。 この変動は、相対気流の変化によって引き起こされ、航空機の速度の変化に起因します。 このように、プロペラ AOA は、その軸を中心としたプロペラの回転と前方の動きという 2 つの動きの積になります。
一定速度のプロペラは自動的にブレードの角度を調整して、飛行中に遭遇するほとんどの条件で最大の効率を維持します。 離陸中、最大の出力と推力が必要な場合、一定速度のプロペラは低プロペラ ブレードの角度またはピッチにあります。 ブレードの角度が低いため、AOA は相対的な風に対して小さく効率的になります。 同時に、プロペラは、1 回転あたりの空気の量を減らすことができます。 この軽い負荷により、エンジンは高回転域で回転し、一定時間内に最大量の燃料を熱エネルギーに変換できます。 回転数あたりの空気の量は小さく、回転数とスリップストリーム速度が高く、航空機の速度が低いと最大の推力があるため、回転数が高いと最大推力も発生します。
離陸後、航空機の速度が上がると、一定速度のプロペラが自動的により高い角度 (またはピッチ) に変わります。 繰り返しになりますが、ブレードの角度が高いほど、相対風に対して AOA が小さく効率的になります。 ブレードの角度が大きいほど、1 回転あたりに処理される空気の質量が増加します。 これにより、エンジンの回転数が減少し、燃料消費とエンジンの摩耗が減少し、最大の推力が維持されます。
制御可能なピッチ プロペラを備えた航空機で離陸登りが確立された後、パイロットは、最初にマニホールドの圧力を下げてからブレード角度を上げて RPM を下げることにより、エンジンの出力を下げて動力を下げます。
巡航高度では、機体が水平飛行中で、離陸時や登山時に必要な電力が少ない場合、パイロットはマニホールドの圧力を下げてブレード角度を上げて回転数を下げることで、再びエンジン出力を低下させます。 繰り返しますが、これは、エンジン出力の低下に合わせるトルク要件を提供します。 1 回転あたりに処理される空気の質量は大きくなりますが、スリップストリーム速度の減少と対気速度の増加によって相殺される以上のものです。 AOA は、対気速度の増加に伴ってブレードの角度が大きくなったため、まだ小さいです。
4.8.1 トルクと P ファクター #
パイロットにとって、「トルク」 (飛行機の左旋回傾向) は、飛行機の 3 つの軸の少なくとも 1 つの周りで、ねじれまたは回転運動を引き起こす 4 つの要素で構成されています。 これらの 4 つの要素は、エンジンとプロペラからのトルク反応、スリップストリームのコルクスクリュー効果、プロペラのジャイロ作用、プロペラの非対称荷重 (P ファクター) です。
4.8.2 トルク反応 #
トルク反応には、ニュートンの物理法則の第 3 法則が含まれます。すべてのアクションには、正反対の反応があります。 航空機に適用されると、これは、内部のエンジン部品とプロペラが一方向に回転するときに、等しい力が航空機を反対方向に回転させようとすることを意味します。 [Figure 4-39]
航空機が空中にいるとき、この力は縦軸の周りに作用し、航空機を転がす傾向があります。 ロールの傾向を補うために、古い航空機の一部は、下向きに押し出されている翼のリフトを増やすように装備されています。 より近代的な航空機は、このトルクの影響を打ち消すためにエンジン オフセットを使用して設計されています。
注: 米国で製造されたほとんどの航空機エンジンは、パイロット シートから見て、プロペラを時計回りに回転させます。 ここでの議論は、それらのエンジンを参照しています。
一般に、ほとんどの航空機のリフト操作がその速度であるため、補償係数は巡航速度でこの力を補償するように恒久的に設定されます。 ただし、Aileron トリム タブを使用すると、他の速度をさらに調整できます。
離陸ロール中に航空機の車輪が地上にある場合、トルク反応により、垂直軸の周りの追加の回転モーメントが誘導されます。 機体の左側がトルク反応によって押し下げられると、左側の主着陸装置により多くの重量が置かれます。 これにより、右側よりも左のタイヤの地面摩擦または引きずりが大きくなり、左側にさらに回転する瞬間が生じます。 このモーメントの大きさは、多くの変数に依存しています。 これらの変数には、エンジンのサイズと馬力、プロペラのサイズと回転数、航空機のサイズ、および地表の状態があります。
テイクオフ ロールのこのヨーイング モーメントは、パイロットがラダーまたはラダー トリムを適切に使用することによって修正されます。
4.8.3 コルクスクリュー効果 #
航空機のプロペラの高速回転により、コルクスクリューまたはらせん状の回転がスリップストリームに与えられます。 高いプロペラ速度と低前進速度 (離陸やパワーオン ストールへのアプローチのように) では、このらせん状の回転は非常にコンパクトで、航空機の垂直尾翼面に強い横方向の力を加えます。 [Figure 4-40]
この渦巻き状のスリップストリームが垂直フィンに当たると、航空機の垂直軸の周りで回転モーメントが発生します。 スパイラルがコンパクトであるほど、この力はより顕著になります。 ただし、前進速度が上がると、らせんが伸びて効果が低下します。スリップストリームのコルクスクリュー フローは、縦軸の周りの回転モーメントも引き起こします。
スリップストリームのコルクスクリューの流れによって引き起こされるこの転がりモーメントは右側にあり、トルク反応によって引き起こされるローリング モーメントは左側にあることに注意してください。つまり、一方が他方を打ち消している可能性があります。 ただし、これらの力は大きく異なり、常に飛行制御を使用して適切な是正措置を適用するのはパイロットの責任です。 これらの力は、その時点で最も顕著なものに関係なく、対抗する必要があります。
4.8.4 ジャイロアクション #
プロペラのジャイロ効果を理解する前に、ジャイロスコープの基本原理を理解する必要があります。 ジャイロスコープのすべての実用的なアプリケーションは、ジャイロスコープのアクションの 2 つの基本的な特性、つまり空間の剛性と歳差運動に基づいています。 この議論の関心は、歳差運動です。
歳差運動は、そのリムに偏向力が加えられたときの回転ローターの結果として生じる作用または偏向です。 図 4-41 に見られるように、力が加えられたとき、結果として生じる力は、回転方向の 90 度前方および方向に影響を及ぼします。
飛行機の回転プロペラは、非常に優れたジャイロスコープを作り、同様の特性を持っています。 プロペラを回転平面から偏向させるために力が加えられると、結果として生じる力は、回転の方向と回転方向に 90° 前方にあり、力が加えられた点に応じて、ピッチング モーメント、ヨーイング モーメント、または 2 つの組み合わせになります。
このトルク効果の要素は、常に尾輪タイプの航空機に関連しており、より顕著であると考えられており、離陸のロール中に尾を上げているときに最も頻繁に発生します。 [Figure 4-42] このピッチ姿勢の変化は、プロペラの回転面の上部に力を加えることと同じ効果があります。 90° 前方で作用する合力により、垂直軸の周りで左にヨーイングモーメントが発生します。 このモーメントの大きさは、いくつかの変数に依存します。そのうちの 1 つは、テールが持ち上げられるときの突然さ (加えられた力の量) です。 ただし、プロペラの回転面のリム上の任意の点に力が加えられたときに、歳差運動、またはジャイロ アクションが発生します。 結果として生じる力は、回転方向に適用点から 90° になります。 力が加えられた場所に応じて、飛行機は左右にヨーイングするか、ピッチアップまたはダウン、またはピッチングとヨーイングの組み合わせにします。
ジャイロの動作の結果、垂直軸の周りでのヨーイングはピッチングモーメントをもたらし、横軸の周りのピッチはヨーイングモーメントをもたらすと言えます。 ジャイロアクションの影響を補正するには、パイロットがエレベーターとラダーを適切に使用して、望ましくないピッチングやヨーイングを防ぐ必要があります。
4.8.5 非対称荷重 (P ファクター) #
航空機が高い AoA で飛行している場合、下向きの可動ブレードの「噛み」は、上向きの可動ブレードの「噛み合わせ」よりも大きくなります。 これにより、推力の中心がプロップ ディスク エリアの右側に移動し、垂直軸の周りで左に向けてヨーイング モーメントが発生します。 航空機の AOA と各ブレードの AOA の両方を考慮しながら、各ブレードで風ベクトルの問題を処理する必要があるため、この説明は複雑です。
この非対称荷重は、回転面におけるプロペラ ブレードの速度と、プロペラ ディスクを水平に通過する空気の速度の組み合わせによって生成される、結果として生じる速度によって引き起こされます。 航空機が正の AOAS で飛行されると、右 (後方から見て) またはダウンスイング ブレードが、左または上向きのブレードに影響を与えるよりも大きい速度の領域を通過します。 プロペラ ブレードは翼形であるため、速度が上がると揚力が増加します。 ダウンスイング ブレードのリフトが大きくなり、航空機の機首を左に引っ張る (ヨール) する傾向があります。
航空機が高い AoA で飛行している場合、下向きの可動ブレードの結果速度が高くなり、上向きの可動ブレードよりも多くの揚力が発生します。 [Figure 4-43] これは、プロペラ シャフトが地面に対して垂直に取り付けられている場合 (ヘリコプターなど) に容易に視覚化できます。 空気の動きがまったくなかった場合。
プロペラ自体、各ブレードの同じセクションの対気速度は同じになります。 この垂直に取り付けられたプロペラを横切って空気が水平に移動すると、ブレードは空気の流れに流れ込むよりも、ブレードが後退するよりも高い対気速度を持ちます。 このように、水平の気流に流れ込むブレードは、より多くの揚力または推力を生み出し、推力の中心をそのブレードに向かって移動させます。 垂直に取り付けられたプロペラ シャフトを、移動する空気に対して (航空機のように) より浅い角度に回転させることを視覚化します。 この不均衡推力は比例して小さくなり、プロペラ シャフトが移動する空気に対して正確に水平である場合にゼロの値に達するまで小さくなります。
トルクのこれら 4 つの要素のそれぞれの影響は、飛行状況の変化に応じて値が異なります。 飛行のある段階では、これらの要素の 1 つが別の段階よりも目立つ場合があります。 飛行の別の段階では、別の要素がより顕著になる場合があります。 これらの値の相互の関係は、機体、エンジン、プロペラの組み合わせ、およびその他の設計機能に応じて、航空機によって異なります。 すべての飛行条件で航空機の積極的な制御を維持するには、パイロットは、これらのさまざまな値を補うために必要に応じて飛行制御を適用する必要があります。
