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趣味の自作航空機 ジャイロプレーン / オートジャイロ / ジャイロコプター
ジャイロプレーンの実際 中巻 技術編  100


換算表


 
1inch = 25.4 mm


1feet = 0.3048 m  1 m = 3.281 feet = 3.3 = 0.55


1mile = 1.609 km


1 = 10 = 0.303 m = 303 cm


1 = 6 = 1.818 m


 
1feet2 = 0.0929m2  1m2 = 10.764 feet2       


1 = 3.3058 m2      1 m2 = 0.3025     1 ha = 0.0929 m2


 
1mile/hr = 1.609 km/hr = 1.467 feet/sec = 0.447 m/sec


1feet/min = 0.00508 m/sec   1 m/s = 200ft/min   2 m/s = 400ft/min


1kt = 1.852 km/hr = 0.5144 m/sec = 1.15 mile/hr


 
1ksi =1,000 lbs/inch2 = 0.7031 kg/mm2


1lbs/inch2 = 0.07031 kg/cm2 = 0.0007031 kg/mm2


1lbs/sq.ft = 4.882 kg/sq.m   1 kg/sq.m =0.2048 lbs/sq.ft


1mmHg = 133.32 Pa  760 mmHg = 29.92inch/Hg= 1013 hPa = 1気圧


1hPa = 1 millibar


 
1lbs = 0.4536 kg 1 kg = 2.205 lbs = 35.27 ounces 1 ounce =0.02835 kg


 
1USgal = 3.785 litre    (混合油 比重 γ =0.72)


1rad = 180/π = 57.3 deg   1deg = π/180 = 0.01745


1rpm = 0.1047 rad/s   1 rad/s = 9.549 rpm


1 HP =76.04 m. kg/s = 550 ft. lb/s


 
空気密度 ρ0 = 1/8 = 0.1250 kg s2/m4


ρ: mass air density  ρ0 = 0.002378 slugs/cu. ft  1/ρ = 420.5
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ジャイロプレーンの実際 中巻 技術編  99


世界記録    2015年(平成27年)9月現在


離陸重量 500kg未満という一般的なオートジャイロの絶対的な世界記録。


(国際航空連盟 FAI (Federation Aeronautique Internationale)のサイトで、RECORDS ROTORCRAFTから Subcrass E-3a 離陸重量 500kg未満のAutogyros の公認記録)


単純に 速度200km/hr  高度8,000m  距離1,400km


その詳細


速度 207.7 km/h 2002-11-16 Kenneth H. Wallis (GBR) Wallis Type

WA-121/Mc (G-BAHH) McCulloch 4318 ShipdhamAirfield-Norfolk (United Kingdom)  3 km course


高度 8,049m 2004-04-20  Andrew C. Keech (USA)  Little Wing LW-5  (N100MK) Rotax 914  Frederick, MD (USA)   Altitude without payload


距離 1,414.64km 2007-02-03  Andrew C. Keech(USA)   Little Wing LW-5 (N100MK) Rotax 914  North Little Rock, AR (USA) -Frederick, MD (USA)  Distance without landing



無着陸 航続時間や滞空時間についての公認記録規定は無いらしい(?)が、9時間と少しが最大だろうか。これは北アイルランドのノーマン・サープラス(Norman Surplas)が世界一周飛行の途上、フィリッピン Laoag 国際空港から沖縄県嘉手納基地まで 約1200kmを飛行した時の記録である。


また、既に公認された速度の世界記録には次のようなものも。


0.79km/h 時速約800) 2011-07-22 Larne, NI(United Kingdom) - Oki (Japan): 北アイルランド Larne → 日本隠岐の島空港ノーマン・サープラス


127.9km/h 2011-07-20 Laoag (Philippines) - Okinawa(Japan): フィリッピン Laoag → 日本 沖縄嘉手納基地 ノーマン・サープラス


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ジャイロプレーンの実際 中巻 技術編  98


重量データ


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ジャイロプレーンの実際 中巻 技術編  97


ローターによる振動


参考文献 : Collected Works of DESIGN CLASSROOM / Taken from 11 years of PopularRotorcraft / PRA 1974


1: 1回転1回振動 1per rev  2ブレード・シーソー・ローター


  1-1 重量mass moment の不揃いout of balance。 


   (2枚の)ブレードの重さが異なる。同じでもそれぞれの重心位置が異なる。その結果mass moment に違いがでて、遠心力が異なる。


ローターの重心位置が回転軸からずれており、パイロットは機体全体やマストの1per revの振動を感じる。25%コード翼端近くで重量加除調整する。


車輪のstatic unbalanceに似る 


 1-2 トラッキングのずれout of track。 車輪のdynamicunbalanceに似る。


   パイロットは1と同じく機体全体やマストの1per revの振動を感じるが、違いを認識する必要がある。


重量mass moment の不揃が無くても起きる。原因はブレードの出来具合に基ずく揚力の違い。大揚力は大コーニング角でチップは高い軌跡を描く。 


巡航オートローテンション状態でトラックするように、取り付けピッチを変えるか トリムタブでブレードを捩じる。ブレード出来具合の原因として、例えば木材など材料の不均質があげられる。 


1-3 配列不良 out of pattern。 基本的に1に似ていて1per revの振動を起こす。1の重量のバランスが完全であっても、(2枚の)ブレード配置が180度一直線上に無いと重心は回転軸から外れる。


以上は、最も周波数が小さい低次の強制振動で、ローター回転数に合わせて機体を揺らし、同時に起こり得るので見極める必要がある。

  難しいからと短気を起こして飛行に進むことは、将来構造疲労破壊を起こす可能性があるので避けなければならない。


ローター回転によって振動がどのように発生して消えるかを観察、低中回転で激しく操縦桿の振動が有るなら、13の可能性が高い。マストの振動は2の可能性が有るが2次的なものである。


チェック方法。ブレードごとに同じ位置で、ノーズウェイトの上に硬貨を載せてブレードの下がり具合を比較する。ブレード両端を持ち上げてハブ・センターを通して見通せる様にする。1/8インチ以下ならパーフェクト。1/2インチは限界で修正したい。


本来の2は 機体が浮上しなければ出ない。僅かに操縦桿を振動させる。2インチが限度で、明確な振動が有るものの気がかりな程ではない。1/2インチ以下はノーマル。


2ブレード・シーソー・ローターで最も一般的な操縦桿の1回転1回振動 1per revの原因は、硬いシーソー・ヒンジで、極端な場合はひどく振動して操縦力も大きく機体は転倒する。


2: 1回転2回振動 2per rev  2ブレード・シーソー・ローター


2-1 「drag 2 per rev


ドラッグ・ヒンジが無い2ブレード・ローターでは 1回転2回振動 2per revは前進速度により増大する。ローター回転数には無関係で、マストに伝わる振動は前後方向。(対して、1回転1回振動 1per revは円形を描く円運動)


対策はリード・バイブレターとして作用するフレキシブル・マストの使用か、それに準ずる方策としてスライダー・ヘッド(slider head)を試した例もある。これはローター・ヘッドの支持部にコイル・スプリングまたは板バネを組込み、荷重を受けてヘッドが前後に動くようにしたものである。

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スライダヘッドの例
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2-2 「cone flap 2 per rev」 


前進に伴ってローターがフラップ・バックする。前進側ブレードは上がり後退は下がる。前後方向で最大9度。


ローター・コーンの重心が回転軸を外れて回り、 操縦桿とマストを振動させる。  対策はシーソー・ヒンジの上下位置の変更。


ローター・ブレード共振振動


ローター・ブレードのフラッピング曲げ共振振動モードの例


参考文献 : Collected Works of DESIGN CLASSROOM / Taken from 11 years of PopularRotorcraft / PRA 1974


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次の図は注記文献からの写し。


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Bensen 式 木金コンポジット・ローター・ブレードのフラッピング振動モード解析結果を示し、このブレードはBensen B-8 GyroGlider B-8M GyroCopter のプラン図面に有るもの。ローター回転数300rpmについて行われた結果を見ると、ブレードに特別な欠陥が無ければ、高次の状態は実際には起こらないような気もするが、1次及び2次の状態はもっと低い回転数でも発生する事を経験的に知っている。即ちローターをハンド・スタートさせて滑走開始した後、前進速度(正しくは対気速度)とローター・スピードの加速とがマッチしないと、ローターはこの様に撓って(俗にローターが暴れると言う)傍目にもクネクネ・フニャフニャして回っているのが分かり、操縦者は揺れる操縦桿を注意深く握っていなければならず、正しく対処しないとローターのシーソー運動(=フラッピング)は過大になり、ハブ・プレートがシーソー・ストッパーにぶつかる程(=オーバー・フラッピング)になって、操縦桿は激しく強く揺すられるので其の保持も困難になる。回復の唯一の方法は、スロットルを絞って減速し、操縦桿を前へ押してローター・ディスクの迎角を小さくする(=アン・ピッチ)事。


この様な望ましくないローター・ブレードの運動には其のきっかけが有り、一つは上記の様なローター加速操作の不首尾。他には突風や不整地走行時の機体の上下運動が加振原因となりうる。


(注) 参考文献 : SPORT AVIATION Feb.1979


Technical Synopsis : The investigation of some unusual handling


characteristics of a lightautogyro


コントロール・プッシュプル・ロッドの共振


ローター・ブレードのフラッピング振動モード解析に関する参考文献(レポート)は 1969年から1970年にかけて、イギリスで起こった4件の超小型ジャイロプレン重大事故に鑑み、ローター・マストに概略平行に立ち上がっているコントロール・プッシュプル・ロッドの共振振動についても警告している。高速飛行でロッドに作用する空気力が大きければ、そうでなくても、細く長いロッドは撓み安く固有振動数は低い。 ローターの廻転と共振すれば、恐ろしい結果を招くので、有り得るそのような事態を避ける為に操縦系統の設計改善を強く推奨している。元々のレポートは22ページも有るのだそうだが、これをSPORT AVIATION誌に紹介したヘリコプタ技術者 Webb Scheutzou 氏の結論と提案は次のごときである。


* コントロール・ロッドの固有振動数を改善する(高くする)事は簡単で、ローター・マストにアイドラー・ベル・クランク(idler bell cranks)を取り付けて、ロッドを2分割すれば良い。


* ローター・ブレードのフラッピング・モードを変えるのは簡単ではない。ブレードにチップ・ウェイト(tip wight)を加える事は好ましいが、遠心力増加によってブレード付け根の荷重が増えるから注意深くやらなければいけない。一方でチップ・ウェイトは疲労応力を減らす利点がある。


* しなやかで無い、剛な(stiffer inflapping)ブレードは、容易には尾翼等を叩きにくいメリットが有るが、一般的には重くなって、オートローテーション回転数まで加速する事が困難になる。但し一旦加速した後では、回転数の低下は急では無い。 故に重いブレードには予備廻転装置が必要であり、かつ良い結果を得る。


ローターの設計〜Martin Hollmann 氏の指摘


次の文献の中に シーソー・ローター(あるいはローター・ブレード)の設計に関してかなり具体的な記述がある。

  Modern Gyroplane Design : Martin Hollmann /Aircraft Designs, Inc. / 1992


その中で設計上考慮すべき事項を箇条書きにしているのだが興味深い一つを引用する。

  “Blade tip weights shouldbe used. The tip weights help to increase the inertia of the rotor, decreasethe coning angle and hence vibrations, and decreases the control sensitivity


フラッピング・モード


 次に示すのは、ある エアコマンドII-R532型 ジャイロプレンのローター加速時の様子で、ビデオ撮影されたものの再生TV画像から得たもの。ローター・ブレードは McCutchen Sky Wheels 直径23フィート〜アルミ合金桁とグラスファイバーのコンポジット構造で、Bensen ローター・ブレードとはフラッピング特性が異なる。が この例に示す写真では、ブレードの撓み形状は正常なコーニング状態とは言い難い。当該ブレード固有のフラッピング振動モードに陥ったと推定される。再生映像を見ると 操縦桿が大きく振れていて、ブレードとプロペラ及び地面との間隔はスレスレ〜但しその後アンピッチ操作と減速操作が行われ、尾翼等を壊したり転倒する事は無かった。なお、この機体はローターの予備廻転装置を搭載しており、ハンド・スタート以上の回転数まで予備廻転を与えてから滑走を始めたのだが、うまく行かなかった。不整地と言う悪条件の他に、ローター加速に見合わないスロットル開度および状況にマッチしない操縦桿操作が写真のごときフラッピング・モードを誘発したと考えられる。

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1992(平成4)年11月23日阿武隈川河川敷<直線は後から書き加えたもの>


以下の図は、G7−R447型やG6-R503型ジャイロプレンに使用した金属ローター・ブレード(23フィート ドラゴン・ウイングス)に関して試算したフラッピング曲げ共振特性図。正常な飛行状態でのローター回転数の範囲(300〜400rpm)では共振点は無い。しかし、ローター・スタートから200rpmへ加速する間には、幾つも有り(図の丸点)、機体前進による空気力・プロペラ後流・突風・滑走路の起伏による上下運動・タイミングの悪い操縦桿操作、および、それらの複合作用が、容易にローターの共振状態を誘起すると考えられる。これらの図の例では、ローターを200rpm近くまで予備廻転させてから、滑走開始する事が安全最良と分かる。


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ジャイロプレーンの実際 中巻 技術編  96


「爽快!」〜雑誌編集者のレポート


雑誌「Rotor & Wing」の技術担当編集者(James W. Kissick 氏〜ジェットレンジャーのパイロット)が、BensenGyroCopter を評価する事になって ・・・ 以下は偏見がないと思われるパイロットによるレポート。

  元々はRotor & Wing May 1969 の掲載だが、Popular Rotorcraft Flying Jul-Aug 1969に転載されたものからの部分意訳。


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Bensen GyroCopterを操縦するヘリコプタ・パイロット
PRF Jul-Aug 1969の裏表紙から>

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<上:記事の冒頭部分>
・・・

  ある航空機が適切に評価されているとは限らないのだが、独自に調査してみて 「純正Bensen機をBensen方式で運用」する限り安全と言われている事も納得した。Bensen社のスタッフの強い要請があって、新代理店や新規顧客と同様のパイロット訓練教程に従う事になった。チェックアウト(checkout 適性診断・訓練)は、Bensen社製の2機のジャイロ(グライダーとコプター)で実施された。それにはローター予備回転用の1馬力のエンジンと、本来のオーバー・ヘッド操縦バーの代わりに、立上がり操縦桿(joystick ジョイスティック)が装備されていた。動力は、2ストローク4気筒シングル・イグニッション90馬力標的機用エンジンで、重量は75ポンド。

  統計上、ジャイロのちょっとした事故は無経験が原因であると分かっており、それは適切なチェックアウトで防げる。Bensen社のチームは、ヘリコプタ経験時間にも無関心ではない。・・・ヘリコプタでオートローテーションで何時間飛行したか・・・ 更に、それで上昇したか・・・、と聞いてくる。

  結果、複座のアルミチューブの座席に、Bensen社テストパイロットのアル・クドニー氏と並んで座った。シートベルトは共通の一本である。座席が取付けられたジャイログライダは、直径1/2インチ長さ60フィートのマニラロープで、曳航車の牽引ボールに繋がれている。半日、曳航車に曳かれて20回以上飛行した。アルは曳航の最初の重要な過程の間、研修生が会社の機体を壊さないだろうと確信するまで同乗した。その後は教程通り自分でやった。

  ローター回転が十分上がる前に対地速度が増えると、激しい振動(バフェット buffeting)を招くので、予備回転装置の恩恵は格別である。これも理由の一つだが、曳航車に対気速度計は必須である。

  曳航飛行も動力飛行も同じだが、離陸滑走を始める時ローター・ディスクは迎角最大に保持する。機体が浮上可能になると前輪が突然浮き上がる。浮上するかどおかはローターの回転速度によるのだが、それはローターを通過する空気の量や 機体前進速度が関係する。前輪が浮上した時、経験の浅いパイロットは機体を後方へ傾けたまま、尾輪を滑走路に強く押し付けた状態で走行し続ける。経験を積んだパイロットは少し走っただけで、前輪も尾輪も地面から僅かに浮かした状態で、主輪だけで走行するように操作する。

  この曳航中、離陸前の速度で前輪と後輪を共に浮かした「バランス走行 (balancing)」の技量は、パイロット・チェックアウト(適性診断・訓練)において、重要な上達度判断のひとつである。

  曳航操縦時、研修生は前述の速度計を見ている曳航ドライバーからも注目されていて、機が飛行に移れるか、とすればどれ位の高さまでとかの判断を受ける。曳航飛行訓練では、横(ローリング)と縦(ピッチング)の組合わせ運動で空中に楕円形を描く事を実施する。

  飛行可否の要素の最たるものはローター回転数だが、回転計が装備された機体もあるが、空へ上がるにしては一時しのぎ的な物である。ローターが運用回転数に達するまでに、特徴ある段階を経過する。

  最初の段階は0〜180rpmで要注意範囲。この間に対気速度が15mphを超すと ローター・ブレードがバフェッティング(buffeting 打撃 振動)を起こす。ブレードが通過する度に微かに ヒューッ という音が聞こえる。

  次の180〜250rpmは、微かなヒュー音が明確なウーウーになり、更にバタバタ 叩くような音に変わって、これは前輪が浮き上がる前ぶれである。

  250〜300rpmへ加速する間に対気速度はグライダーで約15mph、コプターで約20mphに達するのだが、飛行中の安定回転数は385〜410rpmである。

  バランス走行している時、25〜30mphでスムーズに離陸する。あるいは尾輪を引きずっている時にパワーを加えると、機は力ずくで浮き上がる。どちらの場合も 機首を下げ、スロットルを加減して、上昇・水平飛行・降下のための姿勢を整える。

  設計上、最良飛行速度は45mphで非常に安定が良く、手放し飛行ができる。

  Vne (超過禁止速度)は、ブレードの特性や胴体の抵抗、その他の要素が関係するので機体ごとに定められる。体や顔にあたる強い風がつらいので、自分の飛行は意図して最高速度を70mphとした。しかしあるベンセン機は、特別に注意深く管理された条件のもとで115mphを達成した。

  離陸滑走距離は、滑走開始前にローターがどれ位速く回っているか(ブレードを手で押し回すよりは、予備回転装置の使用を強く勧める)と、その後ローター通過空気でいかに早く浮上回転数まで上げられるかにかかっている。無風状態で数百フィートである。

  極端に違うのが着陸距離で、意のままに急停止できる。快適な35〜40mphに調節して地上2〜3フィートまで降下する。少しパワーを絞って、沈む直前にパワーをアイドルまで落として操縦桿を最後方まで引く。結果、大迎角のローターに大量の空気が流れ込んで機は緩やかに沈下する。機首を少し上に向けて主輪と尾輪で または尾輪が最初の形態で着地する。強大な力で引き戻された感じあって超短距離急停止する。初心者の自分も適切に操作すると、無風状態で30フィート以下だった。

  着陸はそのように面白いのだが、飛行そのものは信じられない程だ。数百フィートまで上がると、機体の丸裸状態の構成も気にならなくなって、観覧車に乗っている気分になる。とは言っても、イギリス人が類似の機体で出した上昇高度記録13,350 フィートに挑戦する気にはならない。人が体験できる「鳥の様な飛行感覚」と言われているが「爽快!」な経験をした。

  事実上、プラス面に対して配慮すべきマイナスの要素もある。どのオートジャイロも、安全に製作されて安全に運用されれば本質的に安全である。常にオートローテーション状態で飛行しているので、エンジンや曳航ロープの不具合は、不意ではあっても正常な着陸を意味する。ただ機首を下げて対気速度を維持する事が、降下率を調整するために好ましい。機体より少し大きい開けた場所に、極めて安全に緊急着陸できる。

  一方マイナス面だが、高速飛行、ローター負荷の低下、乱流などの条件の下で、およびそれらの組合わせの下で、ゼロG状態を招き、容易にトラブルに陥りやすい。

  高速飛行ではローター・ディスクの迎角が小さくなっていて、少しのピッチ変化が 正であるべき迎角を負にしてしまい、その瞬間空気がローターを下向きに抜ける。

  結果、全揚力が失われ、回転しているプロペラの推進力は機体を回復不可能な機首下げ回転運動をもたらし、人生を破滅させかねない。この危険な飛行形態を理解しないで、多くの人が命を落とした。慎重なオートジャイロ・パイロットは、ゼロG状態にならないよう、それを避けて飛行している。

  スポーツ飛行の魅力はさておき、実用面はどうだろうか?。ジャイロコプタは疑いもなく、空中写真の撮影、短距離の移動手段、家畜の探索、宣伝活動の余興としても使える。農薬散布に使用した例もある。

・・・


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ジャイロプレーンの実際 中巻 技術編 95


味方領空への帰還  KamanJet Gyro  SAVER 


かつてベトナム戦争の折、やむなく戦闘機から脱出したパイロットが敵方の領地にパラシュート降下する事を避け、味方の領空まで迅速に帰還する方策として開発・テストされたのが米国Kaman社による、初のターボファン・ジェット・ジャイロSAVER Stowable Aircrew Veicle Escape Rotorseat>。


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オートジャイロ付き緊急脱出座席、ローター・シート。戦闘機座席背面に折り畳んで格納され、緊急時乗員とともに射出、ローター、ターボ・ファンエンジン、尾部を伸開してオートジャイロ・モードで飛行する。ローター・ブレードは望遠鏡の様に伸びて直径14フィートになり、9001000rpmで回転し、有利な地点まで行って着陸、あるいはパラシュート降下する〜その様なプロジェクトだった。


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<降着装置付き架台にセットされ、地上での曳航飛行から始めて自由飛行に成功した。1971年〜1972Popular Rotorcraft FlyingVol.10 No.1 1972より>

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Rotor Dia 14feet(4.26m)
T0=123kgf θ04°W=280kgf

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ジャイロプレーンの実際 中巻 技術編 94


米空軍パイロット ベンセン・ジャイロを評価  


アメリカ空軍(USAF)のテストパイロットによる、ベンセン・ジャイロコプタの訓練と評価レポート 〜 PRF Jan.-Feb. 1969から抄訳。

  レポートは USAF Captain DonaldL. Jensen 氏。


  背景にベトナム戦争との関わりがある。


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 <記事冒頭タイトル部分(背景写真は左右が逆)>


------------自分は10年前にパイロット訓練を始めたのだが、その頃誰かに「将来ガーデン・チェアに腰掛けて時速70マイルで空を飛ぶだろう」と言われたら、その者の正気を疑っただろう。だが今年の6月、ベンセン・ジャイロ・コプタで単独飛行する栄誉に与り、それはジェット機の初単独飛行と同じ様にエキサイテングだった。ベンセン・ジャイログライダとジャイロコプタの訓練と評価を報告する前に、米空軍USAFがベンセン・ジャイロに関心を寄せ、それに公式識別記号 X-25を付した背景を説明する。昔からUSAFは、高性能ジェット機からの乗員の脱出に高い関心を寄せてきた。経験と技術によって、航空機の全運用範囲において信頼性の高い脱出システムを開発してきた。だが近年の東南アジアでの事案は新しい問題をもたらした。すなわち、敵地領域内で航空機から脱出したパイロットが敵の捕虜にならないように ------------<以下中略するが、立案されたプロジェクトの一環がベンセン・ジャイロの試用評価試験である>


プロジェクト・プログラムは3段階

  最初はジャイログライダ使用の地上曳航で、予備的な揚力/抗力データを得る事と、戦闘機パイロットの機体に対する反応のデータを得る事。

  次にジャイロコプタを地上から2000フィートの高度まで上昇させてエンジンを止め、一定の速度で降下する試験を含める。レーダー・トラッキング装置を使用して高精度の滑空角度を計算する事。

  最後は、これは現在計画中なのだが、ジャイログライダの落下試験。特別なローター・ヘッドを装備して、ローターの始動(spin up)とパラシュートの分離、および滑空降下を実演する事。

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  1968年2月、他のテスト・パイロットと共にベンセン社に到着した。目的はジャイログライダによるチェック・アウト(checkout 適性検査や訓練)。早く飛び上がりたかったのだが、ベンセン氏の訓練スケジュール説明で初日は工場見学と知り、当てが外れて少し失望した。私たちはエルロッド氏に引き継がれてジャイログライダ製造工程を始めから終わりまで見た。取扱説明書(operator's manual)を注意深く読んで、ジャイログライダ飛行の準備ができた。しかし再びベンセン氏が、空へ上がる事に待ったをかけた。ジャイログライダを地上で操作出来なければならない。ノースカロライナの2月、15ノットの冷たい風の中で滑走路を数往復した。ベンセン氏が、操縦桿を風上側へ傾ける自分の癖(昔のヘリコプターの習慣)をただして、想像したほどは難しくなかったがノーズ車輪の操作にも慣れた。そこでベンセン氏との同乗飛行に進む事になった。ベンセン氏はチェックアウトにあまり時間をかけずに、最初の着陸を自分にやらせた。殆どのパイロットが着陸時に恐怖感がある(ground shyness)と聞いており、自分も例外ではなく、地面に近くて低くい座席のUH-1F"Huey" ヘリコプタを経験したときは驚いたものだ。しかし少しやると、地上1フィートの所を飛行する事に慣れていると感じた。この問題はパイロットと地面の間に何も無いせいだろうか。尾輪からの着陸を続けてやって見せると、ベンセン氏は単独飛行可と判断した。自分はかつてジェット戦闘機でマッハ2で飛行し、それはスリリングだったが、今は第1次世界大戦のオープン・コクピットの"SPAD" 戦闘機のパイロットと同じ気持ちだ。

  ジャイログライダで一人で浮き上がった時、空間に腰かけていて、これは鳥の飛行に最も近いと感じた。回転するローター・ブレードだけの音を聞いて、羽を持つ友達も似た様な感覚だろうと想像した。単独飛行の合間を縫って、ジャイログライダ曳航用ピックアップ・トラックを運転した。トラックと人の組み合わせは、ジャイログライダのスロットルなので、ドライバーはジャイログライダの飛行特性を理解していることが大変重要であると理解した。ジャイログライダは試験データを得る事に使用するので、訓練週間の残りの時間は、ベンセン氏が正確・精密操縦の教習に集中してくれた。

  ジャイログライダの試験飛行は、特に戦闘機パイロットのチェックアウト(checkout) の面では大成功だった。経験ある戦闘機パイロットのジャイログライダ同乗飛行の平均時間は9分だった。実は、新しくジャイログライダを目指す人が、これに挑戦するかもしれないと心配して、この数値をここにあげることをためらった。

  将来のジャイログライダやジャイロコプタパイロットに対して強調したいのは、自分自身の注意深い訓練プランを作る事。初ソロすると、もう飛行を止めるのは難しい。

  ベンセン氏が操縦マニュアルの中でアドバイスしている、緊張した疲れたと思ったら中止する事、それを強調しておきたい。

  良い条件のもとでチェックアウトを受けてソロに出た、我々戦闘機パイロットの殆どが3500時間の飛行経験を持っている事を知って欲しい。

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  今年6月、今度はジャイロコプタのチェックアウトを受ける為にベンセン社に戻ったが、気候は前回の2月よりは好ましかった。クドニー氏が飛行教官となって初日はジャイロコプタのタキシング訓練。これはジャイロコプタのエンジンのトルク特性に慣れるための必須訓練である。足を前輪の操向バーからラダー・ペダルへ移す訓練も必要だ。ジャイロコプタは胴体が短いので(short coupled)、初心者にとって方向のコントロールは大変敏感。離陸滑走時にパイロットがオーバーコントロールを誘発しやすい。自分の経験から言うと、初心者にとって最良の方法は、小さな方向の振れは無視して放っておく事。対気速度が増えると、方向安定性が良くなって、小さな方向変化は消えて無くなる。数時間の訓練の後には、オーバー・コントロールしないで方向の操縦が出来るようになっていた。

  翌日ジャイロコプタで曳航飛行を何回かやって、ソロ飛行に出る準備が整った。 最初は高度3フィートで100ヤードの感動的な飛行。この日の残りは滑走路内での離着陸や浅い旋回飛行に終始した。翌朝、高度100フィートで完全な周回飛行をやった。着陸するとクドニー氏が「Whirly-Bug Club」の会員証カードをくれた。

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  我々はオハイオ州の米空軍基地へ戻って、パワー・アイドルやパワー・オフでの飛行を何度か実施して経験を積んだ。そのような操縦はプロジェクト・プログラムで要求されたものだった。

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  ここでジャイロコプタの安定性と操縦性について少し記す。特別な計測をやった訳ではなくて個人的な定性的な評価である。ジャイロコプタは無動力のローターで基本的に常にオートローテーション状態で飛行するのだが、ジャイロ(スコープ)の空間安定性(rigidity-in-space)の恩恵がある。更にこの本質的な安定性に加えて 動力駆動のシングルローター・ヘリコプタのような、やっかいな反動トルクの問題も無い。ジャイロコプタの全飛行範囲で、ローター回転数が空力的に自動でコントロールされるので、コレクティブ・コントロールが不要であって、操縦しやすさに寄与する。

  ローターは突風に大変敏感で、円盤面荷重が小さい回転翼航空機に共通するのだが、乱れた大気中では凸凹した飛行になりがちである。しかしこのような状況下でもピッチングとローリングの減衰が良いので、イロットの負担はあまり増えない。ピッチングとローリングの典型的な短周期の揺れは、ほとんど1回のオーバー・シュートで済む。巡航飛行では正の縦安定特性を有し、長周期の揺れは大きく減衰する。

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  横(ローリング)と方向(ヨーイング)の特性はほとんどの飛行状態で満足できる。ジャイロコプタは正の上反角効果が有る(右ラダーで右へロール)。指示対気速度30ノット以上では、サイクリック操作(操縦桿操作)だけで旋回可能で、方向については全く問題ないのだが、旋回方向へ少しラダーを踏むと、違和感のない(seat of the pants)釣合旋回になる。ジャイロコプタが巡航中、方向(ヨーイング)の短周期の揺れは、素早く風見安定する。30ノットより遅いと、方向安定性は低下するが、垂直安定板の動圧減少が要因と思われる。

  訓練を始めた頃にぶつかった方向の問題の原因がこれであるが、経験を積むと低速での方向不安定を不満に思わなくなった。

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  自分はパイロットの立場でプロジェクトに参加したのだが、飛行するまでには大勢の専門スタッフのサポートがあった。テスト・パイロットとしての任務は、大変やりがいがあって、かつ楽しかった。


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ジャイロプレーンの実際 中巻 技術編 93


高度・速度制限図 H-VDiagram


H-V Curve  Height-VelosityDiagram   Deadman’s Curve


イメージ 1

ヘリコプタ関係の図書に出てくるのが、「デッドマンズ・カーブ」とか「H-V ダイアグラム(高度・速度制限図)」の話。右の図は、FAABasicHelicopter Handbook の翻訳書(社団法人日本航空技術協会)からの写しである。基本的な内容は、ヘリコプタがエンジン停止で緊急事態が発生したとき、オートローテーション飛行状態に移行して安全に着陸が可能な高度と速度の関係を説明するもので、その為の図であり、機種ごとに異なる。


 ジャイロプレンは離陸から上昇-巡航-降下-着陸に至るまで常にオートローテーション状態で運用する。だから、図の「塗りつぶした部分=オートローテーション着陸の為に安全でない部分」という考え方は、ジャイロプレンには当てはまらないと考えられる。


しかし、ヘリコプタとは少し異なった考え方で、似たような「ジャイロプレン用のH-V ダイアグラム」を示して注意を喚起しているケースもある。その一例が下図。


イメージ 2

 図の飛行制限領域で突然エンジンが停止した場合、正常な着陸接地の為に必要な運動エネルギーが不足で、引き起こし操作が出来ず、軟着陸出来ない。 ①垂直降下は、高度に余裕がある所でやめる。②離陸後の急上昇はやらない。③低空低速飛行を避ける。
 さもないと飛行制限領域での飛行となり、緊急時の対応が困難になる。

  のケース: 垂直降下中エンジン急停止した場合、機首を下げて急加速前進しても、正常なフレア着陸に必要な運動エネルギー(前進速度やローター回転数)が不足の状態で地面に達し、機体損傷をまねく。

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②のケース: 離陸後十分な速度に達しないまま急上昇し、高度も低い所でエンジン急停止。機首を下げて急加速前進する間もなく降下、したがって結果は①と同様。

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③のケース: 必要馬力曲線のバックサイドでの飛行。低速度であるほど馬力を要する領域なので、ここでのエンジン不調は①と同様の結果となる。

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どのケースにも当てはまるが、エンジン急停止ではなくて不調の場合も、スロットル操作にエンジンが即座に反応して、パワーが回復してくれるかが問題であり、結果に差が出る。なお、図中の高度や速度の数値は一例であり、機種ごとに異なる。

以上は “Height Velocity Curve for Gyroplanes by Greg Gremminger ”を参考にしてまとめた。

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ジャイロプレーンの実際 中巻 技術編 92


CarterGyro CGDT / CarterGyro Demonstrator Trainer


小型軽量単座のスポーツ・ジャイロの分野でも、無滑走離陸は魅力的であり、いろいろ試みられた。
    ベンセン・ジャイロコプタもコマンダー・ジャイロも同様だが成功して普及するまでには至っていない。一方で、新しいマーケットを目指して新機軸の汎用実用ジャイロプレン開発をスタートさせた企業がでてきた。グローエン・ブラザース航空とカーター航空で、それぞれ成果を出したが、やはり市場には出回っていない。
    しかしカーター航空からスポーツ・ジャイロの分野が注目する素晴らしい結果が公表された。それは特別に大きいわけでもなく基本的にベンセン・サイズの CarterGyro で、多少強い風の中で、垂直に離陸して40メートル位まで上昇し、次にやはり垂直降下して元の位置に着地する〜そのような動画を閲覧することが出来る。ただ残念な事に、その後、現在(2015年)に至るまで進展がないようで、一般愛好家の手が届くところには無い。

  <写真はCGDT Rotorcraft 2007 Vol.45 No.1から>

イメージ 1   イメージ 2



<公表されている仕様>


参考データ : CarterGyro = CGDT / CarterGyro Demonstrator Trainer
機体
 ベースになった元の機体 Monarch Butterfly
座席数
 1
エンジン
 ロータックス 582 (60馬力)
自重
 445ポンド (202キログラム)
全備重量
 750ポンド (340キログラム)
ローター

 Carter ハイ・イナーシャ/メカニカル・ピッチ・コントローラ付き 2翅
 直径 26 フィート (7.9メートル) 弦長 9 インチ (23センチメートル)
 20 ポンド (9 キログラム)のチップ・ウェイト付き

プロペラ

 Carter 中空コンポジット構造/ピッチ・コントローラー付き
 直径 60 インチ (1.52メートル)
 ピッチ・コントローラーを含む重量 10.5 ポンド (4.8キログラム)

静止推力
 325ポンド(147キログラム) (〜 60馬力から)
降着装置
 Carter Smart Strut ストローク 14 インチ (35.5センチメートル)
ローター予備回転数
 ピッチ・ゼロで 460rpm (490rpm)
ローター回転数
 巡航時 280rpm
ジャンプ離陸

 高度 150 フィート (45メートル)
 記録された"" 2.25G


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ジャイロプレーンの実際 中巻 技術編 91


ジャンプ・テイクオフ・コンテスト    


PRA Popular Rotorcraft Association)は1993年の年次大会で、懸賞金付き性能コンテスト(The Autogyro Performance Award)の実施を発表した。実質はアマチュア・ビルド小型オートジャイロのジャンプ・テイクオフ能力とスピード性能を競うものであって、危険も伴い従来行われた事も無くて珍しく、話題になってゼネラル・アビエーションの航空雑誌などでも紹介された。内容は次のとおり。

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   停止位置から50フィート(約15メートル)離れた場所の高さ10フィート(約3メートル)の仮想障害物を越える離陸をやって、約10マイル(約16キロメートル)離れた地点へ高速飛行して着陸し、再度離陸して帰還する。採点(減点)方法や懸賞金とその次年度への繰越規定が詳細に定められていて、ジャンプ・テイクオフ能力とスピード性能両方の合計得点によって勝者を決定する。 ---

   1994年の大会では6機6人のエントリーが見込まれたが、実際に挑戦したのは3機3人。しかしジャンプ・テイクオフ規定を満足する結果が出ず、総合得点でHank Hinchmanが少額の賞金を得たものの、優勝者無しとなった。


以下は Rotorcraft 誌 Sep. 1994から抜粋引用。


1995年のPRA年次大会では2機2人が挑戦、僅差でDickDeGrawが優勝者(優勝機)と決定し、賞金20,000ドルを獲得した。

   なおDick DeGrawは、EAA1986年オシコシ大会に独自設計製作の交差反転ヘリコプターを持って参加し、回転翼機部門で優勝している。


イメージ 1


上は優勝者(優勝機) Dick DeGraw のスタートの様子。無滑走完全ジャンプ・テイクオフし、高さ10フィートの仮想障害は軽くクリアした。スタートからフィニッシュまでに要した時間は14分50秒。機体は、コンテストに向けて全く新しく設計製作したもので、エンジンはスバルEA82。 “Power Splitter Differerential”でローターを470rpmまで予備回転させてジャンプ・スタートし、飛行中もローターへ10%ほどのパワーを供給し続ける。ローター・ブレードはドラゴン・ウイング3翅可変ピッチ。


イメージ 2


これはJohnny Hay のスタートの様子。僅かに滑走(3フィート6インチ)して離陸し、高さ10フィートの仮想障害はきわどくクリアした(ビデオ判定の結果)。Johnny Hayは昨年に続き2度目の挑戦。スタートからフィニッシュまでに要した時間は15分56秒。機体は基本的にベンセン・ジャイロコプタの派生型であり、従来の機体に手を加えて改造したもの。エンジンは2400ccのターボ付きフォルクス・ワーゲン。昨年のVベルトをスリップしにくいコグベルトに交換し、ローターを440rpmまで予備回転させてジャンプ・スタートした。ヒューズ・ヘリコプタのローター・ブレードを使用、ローターは0°〜 7°の範囲でピッチ可変。


イメージ 3  JohnnyHay 機のローター・ヘッド 


  次頁は、Video Gram Productions <Rotor/WingSports/TV> ビデオ・テープ(1995年PRA)から抜粋コピーして加工した、約6秒間の比較用連続写真。


イメージ 4

    Dick DeGraw スタート


イメージ 5

   Johnny Hay スタート


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