01
回転する翼
ここに見えているのは、小型のヘリコプターです。上にある細長いブレードがメインローターで、ブレードの1枚1枚が翼になっています。空気に対して少し傾いたブレードは、動きながら空気を下へ押し、空気はブレードを上へ押し返します。この押し上げる力が揚力です。
飛行機は滑走路を走って、翼に空気を流します。ヘリコプターは代わりに翼を回します。だから機体がその場に止まっていても、翼は空気の中を動き続けます。まっすぐ上に離陸したり、1か所に浮かんでいたり、横や後ろへ飛んだりできるのはそのためです。
エンジンは、ギアボックスとマストと呼ばれる垂直の軸を通してローターを回します。実際のメインローターは1分間に数百回転し、翼端は約200m/s、時速700km以上の速さで動いています。モデルはスローモーションで動いていて、1枚のブレードの先端に色を付けてあるので、その動きを目で追えます。
モデルをドラッグすると視点を回せます。モデルの上でスクロールすると拡大・縮小できます。読み進めるにつれて、表示も本文に合わせて変わります。
02
ピッチを増やせば、揚力が増える
ヘリコプターのローターは、いつもほぼ同じ速さで回っています。揚力を変えるとき、パイロットは回転数ではなくブレードの角度を変えます。この角度をブレードのピッチと呼びます。ピッチが大きいブレードは、より急な角度で空気に当たり、より多くの空気を下へ押して、より大きな揚力を生みます。
パイロットは左手でコレクティブレバーを握っています。レバーを上げると、マストを囲む2枚のリング、スワッシュプレートが押し上げられます。スワッシュプレートから伸びるロッドが、すべてのブレードを一度に、一周のどこにあっても同じだけひねります。コレクティブ（一括）と呼ばれるのはそのためです。
レバーが低いと、ローターの揚力は機体の重さより小さく、ヘリコプターは降下します。中ほどでは揚力と重さがつり合い、ホバリングします。さらにレバーを上げると上昇します。ピッチを増やすとブレードの抵抗も大きくなるので、ローターを同じ速さで回し続けるには、エンジンがより大きな出力を出さなければなりません。
レバーを動かして、スワッシュプレートがマストに沿って上下し、ブレードがひねられる様子を見てください。揚力が大きくなると、ブレードは少し上向きにしなります。これをコーニングと呼びます。
03
テールローターがある理由
ローターを回すには、エンジンからのねじる力、つまりトルクが必要です。押せば同じだけ押し返されるので、ヘリコプターの機体は同じねじれを逆向きに受けます。上から見ると、このローターは反時計回りに回っています。何もしなければ、胴体は時計回りに回ってしまいます。
それを止めるのがテールローターです。長いテールブームの先端にあり、空気を横へ吹き出します。その力は、ボルトにかけたスパナのようにブームの先端に働き、メインローターのねじれとつり合います。ブームが長いほど、必要な力は小さくてすみます。
テールローターは、ブームに沿って通るシャフトでメインギアボックスから駆動されるので、2つのローターはいつも一緒に回ります。このモデルでは、メインローターが1回転するあいだに、テールローターは5回転します。
パイロットのペダルは、テールローターのブレードのピッチを変えます。押す力を強めれば機首は一方へ振れ、弱めればトルクで反対へ振れます。こうしてヘリコプターはその場で向きを変えます。
テールローターを持たず、逆向きに回る2つのメインローターを使うヘリコプターもあります。上下に重ねたり、前後に1つずつ置いたりして、互いのねじれを打ち消し合うのです。
04
前進側と後退側
前へ飛ぶとき、パイロットはサイクリックスティックを前へ倒します。するとスワッシュプレートが傾き、各ブレードのピッチが1回転ごとに1回ずつ増えたり減ったりするようになります。回転面が前へ傾いて、揚力の一部が機体を前へ引っぱり、機体全体も少し機首を下げた姿勢で飛びます。
こうなると、ローターの左右で当たる空気が違ってきます。一方の側では、ブレードが前へ、飛行で生まれる向かい風の中へ振られます。これが前進側ブレードです。反対側では、ブレードがその風から遠ざかるように後ろへ振られます。これが後退側ブレードです。尾部から数えると、印のブレードは0°から180°まで前進し、180°から360°まで後退します。
たとえば翼端が200m/sで動き、ヘリコプターが50m/sで飛んでいるとします。前進側の翼端は250m/sの空気に当たりますが、後退側の翼端はわずか150m/sです。揚力は対気速度の2乗に比例して大きくなるので、何もしなければ前進側の揚力がずっと大きくなり、ヘリコプターは横転してしまいます。
サイクリックがこれをならします。前進側のブレードのピッチを小さく、後退側のブレードのピッチを大きくして、左右の揚力がほぼ同じになるようにするのです。印のブレードを見てください。1回転ごとに、前進側ではピッチが下がり、後退側では上がります。
ここに限界があります。速く飛ぶほど後退側ブレードに当たる空気は遅くなり、必要なピッチは大きくなって、ついには失速してしまいます。ふつうのヘリコプターが時速300kmを大きく超えることがめったにないのは、主にこのためです。
数値は、半径5mの4枚ブレードのローターを表す小さなモデルから計算しています。ピッチ角は簡略化してあり、形や比率をつかむには十分ですが、正確な数値ではありません。