☆Global goods、global hobby sales from JAPAN！☆since 2010～
ショッピングカート
カートの中身
カートは空です。
|
ホーム ｜
推力の勘所（R&D）
|
※高Re回転渦流と静翼の機能実験（渦と損失。静翼で整流された排気での推力損失は3％以下。）
※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、インペラ枚数との相関があり、プッシャー式EDFの構造では有効な動態推力が発生しません。
最新鋭のリフトファンやヘリコプターのテールロータ（フェネストロン）、ドローンはトラクター方式が主流となっています。
※”ダクテットファンなるもの”は静止推力で失速している？ と思っておられる方がいますが、
インテークリップを付属した状態で最適な静止推力を出せる、セッティングが優れたEDFを考えればそのような事はありません。
（インテークリップを付属せずに、入力流量が制限されると失速し渦損が発生します。）
インテークリップは、整流して連続とし、入力流量を増やし、吸入抵抗を減らすので、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、
高性能な静止推力を評価の目安とお考え頂くと良いと思います。
※インテークリップについては多様な形状で静止推力実験しましたが、漏斗状であればほぼ同じで翼型などの形状依存はありません。
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。
ESCアンプの消費電力を正確に計測できれば、電費を向上させる事も可能です。
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、ESCアンプで消費される分だけで効率が低くなります。
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、
実際の空気中では空気抵抗（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。
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空気抵抗ゼロの惰性で運動を継続しているのと同じです。
（※ヘリ・ローターの静止推力と動態的な転移揚力効果の原理からも理解を深める事ができます。）
この惰性の場合は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、巡航速度の初速エネルギーは消耗せずに
惰性の運動エネルギーになります。
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、分散化の方が、物理的に高効率となる事が理解できます。
排気速度の速さはエネルギー損失そのものであり、多発で効率が良くなる理由は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増速作用ですので
多様な推力の原理を考えると、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。
質量ある粒子（流量質量）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がちですが
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
専門家からの貴重な意見も頂いており納得しています。）
先ずは、粒子状態と運動から解析してみる必要があります。
力積は過渡的な加速度による平均的な力が計算されますが、質量流量のようなランダムな粒子を定量的に扱うには要注意です。
空気密度や加速度が一様でないと正しく計算されない惧れがあり、これが力積問題です。
プロペラの運動量変化がプロペラで受ける反作用と考えられますが、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。
以下、（回転して）静止しているプロペラについて考察を進めます。
エネルギーが100％保存されて、誘導速度の2倍が排気（ダウンウオッシュ）となり、エネルギーが推力方向の損失となって
誘導速度と排気速度が等しいという条件で質量流量がプロペラと衝突する仮説は、実際の空気がどのように流れているかを
モデル化し思考実験で観測する事ができる筈です。（但し、高エネルギーな空気渋滞の無効的イメージの謎がある）
このように、衝突問題として考えると、プロペラの排気（誘導流）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そうですが、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）であると総じて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2020年現在の所で知る限りですが、類する理論や式は紹介されていません。
（高いコストで理論計算するより、出来合いの試作エンジンの推力テストで結果を出した方が無難ですよね。）
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、私なりに考えて行きたいと思います。
（ここでの衝突問題は、弾性衝突での作用反作用の力を考える事です。Re数の影響もあるので理学的観点からも相当な難問となっています。）
※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日本航空技術協会に問合わせて調整しました。
理学的で工学的ではありませんが、私は流体とプロペラブレードの衝突現象に着目して圧縮や粘性を伴う衝突（0＜e≦1）
と流れのエネルギー保存について考えを持っておりました。
流体の状態が理想気体であるという仮定で、書物が理論を展開している事に気づいたのはその時で、流入係数をa、流出係数をbとすると
b＝２a となりますのは、完全弾性衝突の e＝1の時で翼端渦もない全てが理想的で簡略化される2次元の条件となります。
実在空気は主には渦の損失がありそのように都合よくありませんので、ロスが生じ、プロペラ後流がねじれたり均一でない事でも
正しい静止推力（ホバリング）が計算できないという事になります。
つまり、実在気体を見積もるとb＝２a とはなりません・・・
ライト兄弟のように、理学ではなく工学的センスを発揮し成功したのが、トロント大学のアトラス（シコルスキー賞を受賞）です。
教科書通りでは効率が100％となっているし、ロータープロペラ効率≠性能なのでそのまま設計すると計画よりも
ローターダイアが小さくなって推力がかなり小さくなってしまいます。（プロペラ効率の定義が不当で妥協的程度問題がある！）
ライト兄弟のように教科書（理論）通りの理想気体でなく、実在気体で見積り実験を行う必要があったと思うのですが、
後日になって体育館の狭さに設計を制限されて不自由したのではないかという憶測がなされています。
※人力ヘリコプターの設計はIGEでの静止推力で、回転するローターサイズと仕事率の関数で決まり、回転数と無関係という概念を示していました。
（これは、シコルシキー賞を獲得したアトラスでも同じ考え方で踏襲されています。）
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がいわゆる言葉の壁です。
（渦が発生して空回りや失速のような効率の悪い状態と考えられます。）
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”を探しています。
このように推力を馬力の関数として考える事は、人力ヘリコプター設計のように原理的に重要な事なのです。
静止推力では、W≒∞ で推力が飽和するはずですが、実験データでは飽和する見込みがありません。
より大きくなるのは動態推力の効果と考えられますので、”実験で観測できないかデータ分析” して技術開発をしています。
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、粘性を伴う非弾性なので大きなエネルギーの損失が発生していますが著名な教科書でも損失を無視しています。
（※ダクティッドファンを損失の大きいプロペラと考える仮説）
静止推力と効率を上げようとすれば、弾性衝突と圧縮性を伴う流速が必要です。 消防車を開発するメーカーからヒントを頂いています。
基本原理は、質量のある粒子の作用反作用を使った衝突反動プロペラを考えるだけで自然界には多くのヒントと応用があります。
※ファン設計はレイノルズ数の影響を受け、排気はエネルギーの損失になるので、推力面を大きく排気流速をより遅くして最適効率化されます。
※送風機ブレードは推力効率よりも流れにエネルギーを乗せて排気を速くすれば、冷却効果は高くなると考えられます。
※ブレードは損失が大きいと枚数が多い分で不利となるが、効率の良い最適化されたブレードは枚数が多い程良い。
記事作成中。（ノウハウの公開はお客様へのサービスです！改訂したりの気紛れに進みます^^）UNDER COMPOSITION by CHANCE・・・画像のコピペや文言を拾うのはフリーですが質問やご指摘など一声かけて下さると嬉しいです！
ホームページ作成とショッピングカート付きネットショップ開業サービス