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推力理論 合っているのかな? 推力理論
推力理論

 ※インテークリップの形状と有り無し次第で、最適化などが図れそうです。
 飛行させて突然、リポの活性化でもないのに性能が上がったように感じる事がありますが、
インペラのピッチと流速度が飛行速度で最適化された新たな推力が発生したと考えて良いです。
   それをここでは「動態推力」と定義したいと思います。
(以前にラジ技で執筆した動的推力は、過負荷による回転不足と推力低下を動的条件が回復させる、異なる定義です。)
 動態推力では、インペラ枚数と速度の相関性、プッシャー式EDFでは動態推力が発生しないと理解出来ます。
   インテークリップは静止推力を上げる効果が大きいのでありますが、
 入力流体を整流して入力抵抗を減らすインテークリップの形状効果は絶大です。
静止状態から加速して離陸速度に達するまでは、静止推力が支配的な駆動力となりますので、
 静止推力を評価の目安とお考え頂くと良いと思います。

 ESCアンプを含めた総合効率でEDFを評価していますが、今のところバッテリー側入り口で入力電力を計測するしかありません。
(※機械的なファンブレード効率は別問題で、妥協的な程度問題があると予想されています。)
 ESCアンプの効率が悪いとモータには充分なエネルギーが入りませんが、これはモータへの負担を小さくして
 安全性が上がる方向性(ディレーティング)と考える事も出来ます。
 つまり信頼性を確保できる代わりに最大性能を引き出せていないので、効率が低目になる訳ですが信頼性を犠牲にして
   高性能を謳いサバ読むよりは正直です。


推力理論
推力理論などと難しく申し上げる前に、推力が飛翔体の飛行を継続する定常を説明する事が出来るので
 一種の飛行理論と考えられる一面があります。
 ボールのように、飛翔しない物体も”飛ぶ”と表現される事がある事を理解できますが
 翼が揚力を発生し、飛行する理論と同時に考える事で、飛行をより深く理解する事ができます。

   単純な物体の自由落下運動は、物理学の基礎ですが、重力によって無限に加速運動する訳ではなく、
空気抵抗(主に慣性抵抗)と釣り合う速度で平衡し、定速運動になります。
それを当然のように思うのは間違えだと最近気づいたので紹介しておきたいと思います。

   推力理論
 速度に比例する空気抵抗があれば、推力と釣り合った時に定常飛行となりますが惰性で運動を継続しているのと同じです。
 この場合エンジンの馬力で推進しているのではないので、エンジンの馬力は空気抵抗で消費されています。
 その馬力は、速度x空気抵抗(推力)で計算されますが、単位時間当たりのエネルギー、馬力(ワット)なので
 推力馬力と定義されています。この定義と計算から巡航燃費が経済的かどうかを設計する事が可能です。
 零戦の設計が、1000馬力程度でも空気抵抗を少なくする事で高速と低燃費を実現した事が理解できます。
 しかしながら単純に翼端を切り詰めて空気抵抗の低減を狙った32型は、成形処理が悪く、
 翼の誘導抵抗が増加して、許容し難い失敗作となった事例も有名です。
 
 ついでに、空気抵抗が無ければ永遠に加速して行くので宇宙空間なら僅かな推力でもマッハ速度、それ以上に達する事が容易です。
 馬力は、その速度に達するまでの時間が早いか遅いかの加速度と関係するに過ぎませんし、エネルギーは消耗せずに
 運動エネルギーになります。

  推力の分業
ターボファン

低回転大直径スクリューによる馬力節減のテーマは、海洋技術業界でも最近のテーマのようです。
流速ではなく、流量で稼ぐ推力の方が効率が高い事を示していますが、
流速の速い少数粒子の個人プレーよりも遅い大集団粒子による分業の方が、物理的な高効率となる事が理解できます。
それを数式で表す事が可能であり重要なポイントとなります。

宇宙推進のイオンエンジンも基本原理は、質量のある粒子の作用反作用を応用したものですので
近未来に重要なヒントを与える事でしょう。

  さて、プロペラが質量のある空気粒子を推し出す事による作用・反作用を応用して推力が発生しています。
質量のある粒子を加速しているのですから、排出速度が速ければ速い程に推力が高くなって良いと思われますが
良く調べるとそうではありません。
(解説書が不足なのは、プロペラ研究には早目に見切りを付けてタービンや回転翼に移行したのだと思われますが、
そもそも、プロペラ機はタービン機に比して燃費効率に充分優れているためプロペラ効率の良否等には関心が持たれないという
専門家の意見も頂いております。)


 先ずは、粒子の運動から解析してみる必要があります。
 プロペラの運動量変化がプロペラで受ける反作用(力積)と考えられますが、特にはね返るという現象は興味深く、
 プロペラの折損か反りによる不具合であると思います。
 実用のプロペラでは強い遠心力と応力が働いて元に戻ろうとします。

    衝突問題

 このように、衝突問題として考えると、プロペラ後流速度や速い排出速度を遅くする効果(静圧回復)、
 単位時間のエネルギーである馬力と推力の親密な関係も明らかになりますが、効率を考えて理想的なのは、
 単一粒子流速ではなく流量の支配(推力の分業)であると理解する事も可能です。
しかしながら理解を深める衝突の分析を発展的に拡張しても、解析しやすく扱いやすい方程式にする事は困難です。
イオンエンジンの専門書を見ても今のところ私の知る限りですが、類する式は紹介されていません。
  効率の高い多肢。

空気の圧縮性については、触れませんでしたが重要な要因です。
水と空気の大きな違い(圧縮と非圧縮性)がプロペラにどう影響するか、私なりに衝突問題を踏まえて考えたいと思います。

※ヘリコプターの回転翼では流体の理想状態や圧縮性について、前提条件が設定されています。
今までは教科書のランキンの運動量理論を使ってプロペラを考えていましたが、その点が問題でしたので学者に問い合わせ中です。


プロペラが馬力を吸収する?吸収しない?
専門書の説明で「馬力の吸収」という表現が多用されていますがどこからの由来なんでしょうか。
吸収しないものとは、飽和するとかのサチュレーションをイメージします。
私がランキンの運動量理論から推力(T)と馬力(W)を考えると
流速が速くなるほどT/Wが低く、飽和して行きますが、流量を稼げばT/Wが高くなって行く。
オールで水を漕ぐのと同じです、大きい面でゆっくり。
プロペラのダイアを大きくする事でT/Wが高くなり、大きな馬力を吸収するというイメージが湧いてきます。 
一般論、概論として私にはそれが最も馴染みやすく感じられますがこの疑問の答えを探しています。
T/W特性の指数(W≒∞でTが飽和)

非圧縮性流線。(非圧縮性流体は、圧縮性流体のように後流で加速されない)
レイノルズ数の小さい範囲では、空気でも同様な挙動であると考えられます。
衝突問題を考えると、粘性を伴う非弾性衝突なので大きなエネルギーの損失が発生している筈です。

圧縮空気泡方式(CAFS)はなぜ有効か。
基本原理は、質量のある粒子の作用反作用を使った反動推進なので、プロペラを考えるだけで自然界には多くのヒントがあります。
パルス推進と鳥のはばたき。

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