〜(ヘリSim論)〜

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上の図は、
ヘリコプターにかかる力の図です。
動力がローターを使って発生する揚力はFであり、f1とf2の成分に分解されますです。
等速度運動であれば、
これと機体の重心に掛かる力は釣り合ってます。
ヘリコプターの前進はf2の力ですすみ、f2と空気抵抗で釣り合っている状態で進んでいます。




動力によって1の方向にローターの回転力(トルク)がかかる
そのトルクは、
A.ローターを回す動力の力
B.ブレードが加速する力
C.空気を下方向に加速するための力
D.空気の粘性抵抗による抗力

作用反作用の法則によって、
A＝B+C+D　　　　＜力は絶対値

回転速度が一定ならば、Bが無くなります。

その反作用のトルクが2と2'の方向
機体が自転しないようにテールローターで3(右)の方向へ空気を流す。＜空気の加速
その反作用の4の(左)方向の力によって回転を止める。
その結果機体は左方向に行こうとするが、
揚力を上げてその分の増加に見合う力のラダーを操舵した場合、
力が釣り合うことにより右に傾いたまま空中で静止する。
浮き上がる瞬間右に滑るように動こうとするのは機体が水平であるため。



・メインローターブレードへの対気速度




まず、ヘリコプターが空気中を前進している状態を考える。

機体の前後を軸に左右の領域に分けて考えると、
左半分は向かい風、＜真左の方向で最高
右半分は追い風となり、＜真右の方向で最低

となり、
回転角にとってはSin関数になる、
この力積はCosとなり、
機種を上げる方向に働く。
言い換えれば、力積はローターの回転方向に90°遅れた方向に生じる。



上図の矢印は、矢の前後を軸方向から見たイメージです。
上：画面から垂直に向かってくる方向
下：画面から垂直に奥へ行く方向

という感じで、
以下のように機首を上げる運動が加わる。
振り子に様に見える性質です。　＜以後この運動は新たな要素が加わり自由度が拡張される。




この現象に加えて別の観点で機体は前進している事に着目すると。

風が吹く→機体がリフトする。
という現象があります。

風が吹くと、ローター円盤面に入る(通過する)空気が多くなります。

単位時間にローターが扱う空気が増えると、
ローターが行う仕事に対してそれを揚力に変換する効率が上がります。
従って、ホバリングより巡航速度で飛行していたほうが長時間宙に浮いていることができます。
オートローテーションでは降下角度を付けるのは
この作用を使いたいというコトです。

加えて、
ヘリのセッティングにおいてエンジン特性より低い回転を使ったりした場合、
風によりローターの効率が上がると負荷が減りエンジンの回転数自体が上昇して
メインローターがの回転まで上昇しまうことにより、さらに不安定になる場合があります。
これは、ガバナーが有効かと思われます。



地面効果(GroundEffect)
ヘリが地面近くだと揚力に影響を及ぼします。

感覚的に説明すると、、
空気が圧縮されて地面とローター円盤面の間に挟まっている感じの構図の力学的効果があります。
空気が横に逃げるにも余裕が十分でないため、地面を押す反作用の力を受けるという事です。

極度に斜めの地面などは無視して考えると、
揚力は地面に近いほど多めになり、
経験則では、
ローター径の1.1倍程度を越えたるまで効果があるそうです。

下図は表現が劇的に書いてありますが、
縦軸：地面効果による揚力
横軸：高度




次は、
重力とローターの揚力の作用点の違いによるモーメント。
そして、
それに掛かるジャイロプリセッション現象。

目的位置より右に来てしまったので
スティックを左に傾けて左方向に機体を「傾ける」ような操作をした場合です。
この力1の反作用は、
重心にかかる重力とローターという回転体の揚力中心の距離差によって、
機体を右にひねるトルク2が生じますが、
その力積はローターの方向に90°位相の遅れた力(トルク)3を生み出します。　＜機首を上げる方向の
ジャイロプリセッション(歳差）の運動を引き起こします。
よって、
結果として合成された二つ力は、
4で示すように、
機体は左後ろに傾いて進みます。　＜普通は人間がこの特性を予測して舵を打ちます。

そのため、機体が何らかの移動する運動をしていて、
それを放置していれば、
「右方向の円錐振り子」のような動きをします。＜これが前述した往復運動の拡張です。

・速い周期で生じる現象としては、
ミソスリもこの性質と同じメカニズムです。
これはヘッド周りの剛性がきっちりしすぎているとき、
硬いバネの振動のように、
速いモードの固有振動が励起されるというイメージです。

空気の出入りの顕著な特性として、
吹きつけは方向性が強いのですが、
吸い込みには方向性が付きにくいです。
じゃあ、いい加減でよいかと言うと、
場合によってはそうとも言えません。
空気は、慣性、粘性、弾性があり、
吸気は乱流などは、抵抗成分となってしまいます。
つまり、大気と相対的に真空は-1気圧ですから、
いくら強い力で引き込もうとしても、圧力が下がるのみです
エンジンで強く吸入するとき、
空気を導くのにファンネルを付けると吸気効率が見違えるコトがあります。





1
2
3
4

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追加：

注意点、
まず、1の動作です。
右にずれた機体を左に傾けて位置を修正させる
サイクリックピッチコントロール自体は、(スタビライザーを動かし)
空気が回転しているブレードを押している行為であり、
この力はすでに90°積分されることが考慮されて設計されてますので、
ジャイロプリセッションを考慮しなくて良いです。

つまり、
左に傾いた機体がどうなるか？
です。
重心に働く重力、
揚力による力、
が関係して、2のようにねじる力がしょうじます。
ヘリは水平に戻ろうとしますが、
スタビライザーを考慮しないで簡略的に考えると、
メインローターに慣性力の強いスピン(角運動量)があります。
となると、
ジャイロプリセッション(コリオリの力)3が起こります。
合成された結果4のように斜めに進みますので、
たいていの操縦者は、
慣れによってその動きを相殺するための舵を付加して打ちます。＜一般的な時計回りのヘリでは前方向に当てます。

それらを行わなければ、
ヘリは斜めに後退してしまいます故、
傾いた地点から、
前述した円錐振り子運動を続けてしまいます。

この影響は、
ヘリコプターのスキッドが地面に引っかかった時などに顕著に表れ、
事態が判らず混乱して、
復帰しようと舵を切ったり上昇しようとする操作が
更に姿勢を崩す結果になり、
コントロール不能になり事故を呼び起こしえます。

----ヘリコプター工学----





積分回路の問題です。



風の設定
ローターの回転方向


揚力Lift
抗力Drag


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ヘリコプターが浮くということを空力的概念で説明しますと、

空気は質量がありますから空気を下に吹っ飛ばす(運動量を増やす)力の反作用の力で浮いてます。

F･t=m･vです。

空気の吹き下ろし速度がvならば、
空気の質量密度ρ
円盤面積がS

一秒に吹っ飛ばす空気の質量はρ･v･S
という感じです。

実際には半径によって流速が異なるため円筒座標系を用いる計算です。

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Figure above
It is figure of force to hang to the helicopter. 
The lift that is used the rotor by motive power and generated is shown by F.  and it is possible to show dividing into the element of f1 and f2. 
If it is an equal speed movement
Power to hang in the center of gravity of this and the airframe balances. 
The advancement of the helicopter proceeds by the power of f2, and is advanced while balancing f2 by the wind drag. 






The turning force of the rotor (torque) hangs in the direction of 1 by Power source. 
The torque,
A.Force of Power source that turns rotor
B.Force to which braid accelerates
C.Force to accelerate air below
D.Drag by viscous resistance of air

By the action-reaction law　　
A＝B+C+D　　←(Force is an absolute value. )

The force of B disappears if the rotational speed is constant. 


The torque of the reaction is a direction of 2 and 2'
Air is thrown in the direction of 3(Right) by the tail rotor so that the airframe should not rotate.  ←(Acceleration of air)
The rotation is stopped by grace of the direction of 4(Right) of the reaction. 
Though the airframe tries to go to the Left side as a result. 
When you steer the ladder of power to raise the lift and to correspond to an increase in the amount
Geostationary in the air while having inclined at the left because force balances. 
It starts moving to slip right momentarily come to the surface because the airframe is the horizontal. 



It is understood that some Helicopters incline at the right and the main rotor curves somewhat. 
It is understood the rotor is up to lowering the twist from this former expansion image. 

・Airspeed to the main rotor braid



First of all, it thinks about the state of which the helicopter is advancing in air as shown in figure. 

When thinking centering on before and behind the airframe dividing into a right and left area

The left half is a head wind. 、←(It is the highest in the direction of the true left. 
The right half becomes a fair wind. 、←(It is the highest in the direction of the true right. 

..becoming..
It becomes Sin function for the turning angle. 
The impulse of this torque becomes Cos function. It works at the direction where the model is raised. 
In other words,
The impulse is caused in a direction 90° late for the direction where the rotor is rotated. 


The arrow in the above figure is an image seen axially before and behind the arrow. 

On：Direction vertically toward from screen
The under：vertical from the screen.. whereabouts to the interior it. 

Feeling
The movement that lifts the nose as follows joins. 
It is a character to see the pendulum.　←(As for this movement thereafter, a new element joins and degree of freedom is enhanced.)





In addition to this phenomenon、
Phenomenon of which airframe is advancing. 
It when paying attention by the viewpoint from another direction。
It is possible to substitute it for the same phenomenon as follows. 

The wind blows. →The airframe rises. 
There is a phenomenon. 

Air that passes over the rotor disk side increases when the wind blows. 

When the air that the rotor treats at the unit time increases
Efficiency of converting it into the lift for the work that the rotor does goes up. 
Therefore, flying from the hovering by the cruising speed can be pending for a long time. 
The descent angle is put in an auto rotation because it wants to use this effect. 

If efficiency goes up by the wind 
when a rotation that is lower than the engine characteristic in the setting in the Helicopter is used, 
it is likely to become more unstable because the load decreases and the rotational speed rises. 


GroundEffect
The lift rises when the airframe is the vicinity of ground. 

When explaining in the feeling. 、
There is a dynamic effect of the composition of the feeling that 
narrows by air's being compressed between on ground and the rotor disk side. 

When thinking about extremely diagonal ground etc. by disregarding it
It becomes the nearer ground the lift is, more. 
In rule of thumb,
About 1.1 times the rotor diameter seem to be effective in the excess barrel. 

Though the figure below has written the expression in dramatic form
Vertical axis：Lift by effect of ground
Horizontal axis：High degree




The following

It is a moment by the difference of the action point of the lift of gravity and the rotor. 
And,
Gyroscopic precession phenomenon that hangs in it. 

Because it has come from a target position to the right
It is time when it inclines the stick to the left and operated the airframe left like "Incline it". 
The reaction of this force1
According to the gravity that hangs to center of gravity and the distance difference 
of the lift center of the solid of revolution of rotor. ←(force2)

The impulse invents force that 90° phase is late for the direction of the rotor (torque).←(Direction that lifts the nose)
The movement of the gyroscopic precession (Precession movement)is caused. ←(force3)
Therefore,
The airframe inclines behind the left and advances. 　←(If usual The person strikes the rudder forecasting this characteristic.)

Therefore,
If the airframe is doing moving some movements, and it has been left (Movement of 4)


It moves like "Right conic pendulum". 　←(It is enhancing of the reciprocation the above-mentioned of this.)

・As a phenomenon caused at a fast cycle
The miso pickpocket is the same mechanism as this character. 
The inhalation doesn't cause directionality easily. 



1
2
3
4


As a remarkable characteristic for air to go in and out. 
Though the directionality of the blow of air is strong. 
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Addition:

Notes、
First of all, it is operation of 1.
When the airframe is inclined to the left when swerving to the right and you correct the position
The cyclic pitch control (The stabilizer is moved) is an act of pushing the braid where air rotates directly. 
Because this power is already considered and has been designed 90° integration
You may not consider the gyroscopic precession. 

In a word
How does the airframe that inclines at the left become it?
It is working gravity in center of gravity. 
Power by lift
Power for the two to relate, and to twist 2 invites it. 

Though the airframe tries to return horizontally　＜When briefly thinking without considering the stabilizer
There is a spin with strong inertia force (angular momentum) in the main rotor. 
When becoming it
3 happens because of the gyroscopic precession (Coriolis force). 
Because it edges as a result of synthesizing it
Because it advances toward a diagonal direction(4 as a result of synthesizing it 

Most navigators
It strikes it adding the rudder to counterbalance the movement by the experience. ←(It applies it forward in a general clockwise Helicopter.) 

If you do not do them、
The Helicopter is a reason that retreats diagonally. 
From the inclining point
The above-mentioned conic pendulum keeps moving. 


This influence
It appears remarkably when the skid of the helicopter is caught to ground etc.
The situation is not understood and confused. 
The rudder is cut and operate start rising softening one's stance further results to return. 


----Helicopter engineering----






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When you explain the helicopter floats by an aerodynamic concept

It floats in the force of the reaction of force that is blown off below of air because air has mass (The momentum is increased). 

F･t=m･v


If the blowing down speed of air is v
Mass density of air：ρ
The area of the disk：S

The mass of the air blown off at one second：ρ･v･S

Because flow velocity is different in the radius, it is actually calculation with a cylindrical coordinates system. 

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・AD-インターフェース、
　マウス(ボール、光)
　タブレット、
　ジョイスティック、
　ガンマーカーブ、グラデーションツールでパターン化は？
　抵抗のようにカラーコードで示すのもアリ？
　サーボの差動でCOS信号から角度が出る？
　リサージュは？

コンパス
LD
バレル
ランチャー
ピゴット
モデルロケット　＜追跡制御技術の付加






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