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

質問

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。

回答No.3

funflier · ベストアンサー

＞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。

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。

回答No.2

BASKETMM

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。

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。

回答No.1

tetsumyi

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。