運転免許を持っている人なら誰でも 99A 戦車を運転できますが、ヘリコプターの運転と何が違うのでしょうか?

ヘリコプターが頭上を低空飛行するとき、多くの人はヘリコプターの操縦方法を疑問に思うかもしれません。車の運転に似ていますか？運転免許があれば99A戦車を運転できるとメディアは報じていましたが、ヘリコプターを運転するのはどんな感じでしょうか？今日はこの問題について議論しましょう。
マニュアルトランスミッション車の運転は比較的複雑です。運転中は両手でハンドルを操作し、右手はギアシフト、左足はクラッチ、右足はアクセルとブレーキを操作します。ヘリコプターを操縦するには、手と足も使う必要があります。以下では、テールローターを備えたシングルローターヘリコプターを例に、ヘリコプターの飛行を制御する方法を分析します。まず、図 1 に示すように、ヘリコプターの構造を理解する必要があります。

図1 ヘリコプターの構造の概略図（出典：専門家データマップ）

簡単に言えば、ヘリコプターのエンジンが動力を生み出し、ブレードが揚力を生み出し、ハブがローターを制御し、テールローターが機首の方向を制御します。ヘリコプターを飛行させるには、コックピット内のサイクリックピッチレバー、コレクティブスロットルレバー、ペダルなどの制御機構を使用する必要があります。サイクリックピッチレバーはヘリコプターの水平方向の動きを制御し、コレクティブピッチレバーはヘリコプターの離着陸を制御し、ペダルはヘリコプターの方向を制御します。理解を容易にするために、動作メカニズムに従って次の分析を実行します。

図2 ヘリコプターの簡易操縦模式図（出典：エキスパートデータマップ）

質問 1: ヘリコプターの飛行方向を制御するにはどうすればよいでしょうか?

ヘリコプターの前進、後進、左または右への飛行は、サイクリックピッチスティックによって制御されます。サイクリック ピッチ スティック (コントロール スティックとも呼ばれます) を前に押すとヘリコプターは前進し、後ろに押すと後退します。左右にも同じことが当てはまります。ヘリコプターの揚力は回転するローターから生じます。ローターが回転すると、底部が上を向いた回転円錐が形成されます。ヘリコプターが低高度でホバリングしているとき、回転する円錐の上向きの引力はヘリコプターの重力によってバランスが取られます。スティックを前方に押すと、コーンが前方に傾き、ローターの引っ張りによって垂直方向と水平方向の 2 つの成分が生成されます。水平方向の成分はヘリコプターを前進させる引力です。

図3 ヘリコプターの前進飛行とホバリング力の解析の概略図（出典：専門家データマップ）

サイクリックピッチレバーの動きにより、一連の非常に複雑な機械的リンク相互作用が発生します。図4、図5に示すように、ピッチ変更ロッドは油圧シリンダを介して自動傾斜装置の下の固定リングをピッチ変更ロッドとともに傾斜させ、それによって自動傾斜装置の上方の動的リングを同期して傾斜させます。自動傾斜機構のダイナミック リングは、ピッチ ロッドを介してブレードを強制的にフラッピングするように駆動し、ブレードの迎え角が周期的に変化して、最終的にローター全体が傾斜します。ローターの引っ張り方向は周期的なピッチロッドと同期して変化し、ヘリコプターを飛行させます。

図4 サイクリックピッチロッドに接続されたローター部品（出典：エキスパートデータマップ）

質問 2: ヘリコプターは離着陸をどのように制御するのでしょうか?

ヘリコプターの高度変化はコレクティブピッチレバーによって制御されます。コレクティブピッチレバーを上げ下げすることで、ヘリコプターの飛行高度を上昇または下降させることができます。集合ピッチレバーは最終的にすべてのブレードの合計ピッチを変更します。これを集合ピッチと呼びます。集合ピッチレバーが持ち上げられると、油圧シリンダーを介して自動傾斜機構の固定リングが全体的に上昇するように駆動され、その後、動リングが上昇に追従してピッチレバーを押し、すべてのブレードの迎え角を増加させます。ブレードの揚力が増大し、ローター全体の牽引力が自然に増大し、ローターがヘリコプターを上昇させるように駆動します。集合ピッチレバーが持ち上げられると、スチールケーブルが燃料レギュレータを同期的に制御して燃料噴射量を増加させ、エンジン出力がローターの集合ピッチを増加させる電力要件に適合するようにします。

図5 操作機構の制御プロセスの概略図（出典：エキスパートデータマップ）

コレクティブピッチロッドを下げる作業手順は、コレクティブピッチロッドを上げる作業手順とまったく逆になります。ここで特に説明する必要があることが 1 つあります。コレクティブピッチレバーを上げ下げしてスロットルを同期的に増減制御すると、ローターのコレクティブピッチは変化しますが、ローター速度は大きく変化しません。ローターの速度は比較的安定しており、これは車の運転とは異なります。

質問 3: ヘリコプターはどのようにして方向を調整するのでしょうか?

前のセクションでは、ヘリコプターがどのように直線飛行し、高度を変えることができるかについて説明しました。以下はヘリコプターがどのように旋回するかの分析です。ヘリコプターは2つのペダルを使って方向を変えます。左足を押すとヘリコプターが左に曲がり、右足を押すとヘリコプターが右に曲がります。図5に示すように、ペダルはテールローターに接続されており、テールローターのピッチを制御できます。
ヘリコプターのテールローターは、主にメインローターの回転時に発生する反動トルクを克服するために使用されます。テールローターを決して過小評価しないでください。故障すると、機首がメインローターと逆方向に回転し、飛行事故を引き起こしやすくなります。ペダルの片側を踏むと、テールローターブレードの角度が変わり、テールローターのピッチが変化します。メインローターの反作用トルクとテールローターのトルクのバランスが崩れ、ヘリコプターは左または右に旋回し、機首の方向も自然に変わります。

図6 テールローター推力の変化とヘリコプターの進行方向の関係の概略図（出典：専門家データマップ）

上記では、サイクリックピッチレバー、コレクティブピッチレバー、ペダルなどの機構の操作について紹介しました。実際の飛行中、パイロットはヘリコプターを安定した飛行状態に保つために制御機構の使用を調整する必要があります。たとえば、ヘリコプターが前進しているときは、サイクリックピッチレバーを前方に押します。傾いたローターの引力により、ヘリコプターが加速されるだけでなく、ヘリコプターの重心の周りに下向きのピッチモーメントが発生し、胴体が下向きに傾くことになります。つまり、ヘリコプターは加速して前進するために頭を下げる必要があるのです。パイロットは、ピッチ角が要件に達したときに、ピッチモーメントのバランスをとるためにスティックを時間内に引き戻す必要があります。そうしないと、ヘリコプターはピッチダウンし続け、制御を失います。さらに、ヘリコプターが前進飛行中に加速すると、ローターの引力が非対称になり、機体が傾きます。右回転翼のヘリコプターは右に傾き、左回転翼のヘリコプターは左に傾きます。加速度が大きいほど、傾斜角度が大きくなります。したがって、パイロットがスティックを前方に押すときは、バランスを維持するためにスティックを左または右に押す必要があります。

複雑な気流の影響が加わると、ヘリコプターを安定させる難しさがさらに増し、ヘリコプターのパイロットは動的バランスを維持するために制御機構を絶えず調整する必要があります。ヘリコプターの操縦は車の運転よりもはるかに複雑であることがわかります。ヘリコプターの操縦方法を学びたいと思ったことはありませんか?

科学普及チームの紹介: 597.9 ハイランド科学技術革新チームは、現代戦争研究、戦闘理論革新、軍事科学の普及、専門的な軍事理論コンサルティングの提供に専念する若い科学技術革新チームです。チームは、軍隊、大学、科学研究機関で豊富な経験を持ち、実りある学術的・科学的研究成果を持ち、学問に対する厳格で現実的な姿勢と革新の先駆的精神を備えた軍事科学の博士数名で構成されています。チームの基本的な目的は、「科学技術の知識を普及し、闘志を鼓舞し、強い国と強い軍隊の構築に貢献すること」です。

制作：ポピュラーサイエンス 中国軍事技術最前線

著者：陸英（軍事専門家）

企画：金和

科学評論：梁春輝（軍事専門家）

制作者：光明オンライン科学部