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 雪ケ谷制御研究所は企画・目論見書を作成し、応援者に個別に渡しております。ご興味のある方は、資料請求頁よりご連絡ください。

この頁は、雪ケ谷制御研究所として書きました。

企画の目標と現状は下記のとおりです

シコルスキー賞

 シコルスキー賞とは全米ヘリコプター協会(AHS)が全世界にむけて西暦1980年に設置した人力ヘリコプター(HPH)の賞金コンテストです。

 ヘリコプターの製造メーカーである米国シコルスキー社がスポンサーになり、米国ヘリコプター協会(AHS)が募集しているものです。

 応募資格は問われません。15ドルの登録費用で、審査を受けて一定の条件を満たせば、その最初の合格者に25万ドルの賞金が授与されます。

 2011年に、賞金を2万ドルから25万ドルに増額されましたが、以後、2013年の今日まで、33年間、受賞者は出ておりません。

 その条件はとは以下の3点で、同時に満たされねばなりません。

  • 滞空時間が60秒以上であること。
  • 少なくとも一回は3m以上の高度に達すること。
  • 10m四方のエリアの中に機体の一点が留まること。

 細則として、搭乗者の最低一名は、回転状態にあってはならないと明記されていますので、これも条件のうちといえましょう。要するに、ヘリコプターのホバリング(空中滞留)と同質の空中浮揚を求められています。

挑戦者

 いままでに、日本人の内藤さんが設計したYURI-1、米国のガメラ(Gamera)、米国ダ・ビンチIIIなどが挑戦をしていますが、いずれもシコルスキー賞の条件はクリアしていません。それに雪ケ谷制御研究所が開発する"YUKIGAYA ZERO"が挑戦しようというものです。


 受賞の直近にいると思われる挑戦者は、米国メリーランド大学のGameraチームです。2012年6月に滞空時間49秒を記録し、8月29日には、滞空は25秒ですが、2,5メートルの高さを記録し、更に9月6日には滞空時間を65秒を記録しました。


 Youtubeに投稿されているGameraⅡの映像を分析すると滞空時間が60秒を超えた飛行では高度は低く、高度が3mを超えた飛行では滞空時間は60秒にはるかに達しない短さのようです。また、機体は安定せず横滑りを起こして規定の一定エリアを逸脱しています。

 問題は、「地面効果」による浮揚を狙っているかぎり、その効果の消える1mまで達すると不安定になるのは明らかなのです。また、成功の一瞬が偶然の一回でなく、繰り返し恒常的に再現できなければ意味がないと考えますので、私たちは「地面効果」に頼らない浮遊方式を探求してきたのです。

 しかし、2013年6月9日のCTV newsでも報道しているように、トロント大学も飛行にチャレンジしています。1月25日のYouTubeの動画や、他の情報によりますと、構造は米国メリーランド大学のGameraチームが採用している機体に類似していますが、単に「地面効果」を狙ったものではなく、流体力学的に見ても、われわれの"YUKIGAYA ZERO"の強敵であると認識しています。⇒YouTube動画

2013.7.11カナダトロント大学チームが成功したというニュースが流れました。
カナダのMACLEAN'Sニュース

シコルスキー賞の申請

 雪ケ谷制御研究所の名義で6月中に申請する予定です。

スケジュール

 設計はすでに100%完了しております。本年6月より機体の製作に入り、2013年8月下旬の試験試行を予定、暑い夏をさらに熱く迎える計画となっています。

製作する機体・操縦

 製作する"YUKIGAYA ZERO"の機体は1機のみとします。模型は2013.4.19に完成。本体の製作にかかっています。

 操縦士は必ずしも体重が軽いひととは考えていません、操縦士の力で無理矢理飛行させるという思想ではありません。あくまで、流体力学の原点に立って、地道に設計を追求しました。

 製作は新横浜の弊社ラボラトリーにて行い、近隣の屋外広場に搬出して、その場で組み立てて直ちに試験飛行に臨みます。

 機体は、高さ5mの大型の竹とんぼに三段がまえのロータが張り出し、マストの下端に搭乗員兼漕ぎ手一名がぶらさがりペダルを漕ぎます。ロータ半径は上から順に第一段14m、第二段10m、第三段5mです。ペダル漕ぎで生まれるトルクはマスト内を貫通する駆動軸から歯車経由でロータに伝達され、ロータ翼から揚力が生まれます。

 機体と搭乗員の総重量は約90Kgとなります。計算上は、充分な揚力が得られますので、機は音もなく浮き上りはじめ、力の続くかぎり空中飛行ができると推定しています。安定性も非常に良好と自負しています。

 高度は少なくとも3m以上、滞空時間は短かくても1分以上を狙っています。戸外の飛行ですので風で流されても、搭乗員がひたすら漕ぎに専念できるように、機体の水平移動は自動制御されます。揚力は主に大ロータ二枚が担い、飛行安定は小ロータがこの役を受け持ちます。

浮上させる理論的裏付けは下記のとおりです

飛行翼理論による人力ヘリコプターの誕生

 世にあるヘリコプターは「動力ヘリコプター」のことで、この世に「人力ヘリコプター」は、まだ存在していないと言えます。実は、その理由は、ヘリコプターの飛行理論も動力ヘリコプターが前提で成り立っているのです。私たちは、その動力ヘリコプター理論を「円盤理論」と呼んでいます。従来、人力ヘリコプターの飛行理論は存在しなかったのです。

 そのため、私たちは、人力ヘリコプターの理論構築、推論から出発をし、これなら飛べるという見通しを立てた上で、実機設計上のいろいろなアイデアを生み出しました。

 グライダーや人力飛行機と比べて、人力ヘリコプターの理論と実際は、比較にならないほど難しいのです。事実、人力飛行機はドーバー海峡横断にすでに44年前に成功しています。しかし、人力ヘリコプターは、航空機の誕生いらい未だにその飛行成功例は知られていません。

 格別の困難さの第一は離陸にあります。あまり知られてはいせんが人力飛行機の公式認定にあたっては離陸のために助走が認められています。琵琶湖鳥人コンテストでは高台から跳躍が助走となります。

 しかし離陸だけなら、既に達成されています。1994年、日本大学理工学部の宇宙航空学科の内藤晃先生が、Yuri-1号という10m径のロータ四枚を持つヘリコプター機体で世界ではじめて地上離脱に成功しています。これは、地面にたたきつけられた空気の反作用で地面効果(Ground Effect)いう余剰の浮揚力を利用したものです。これによって、十数秒間ではありますが、地上から十数センチの浮上を記録しました。

 しかしこの地面効果は、地上から1mも離れると急速に減衰し、そうなると四枚のロータは垂直揚力だけでなく水平分力も発生させ、機体は安定を失って横っ飛びに墜落してしまいます。

 その後、現れたガメラII号などのいわゆる人力ヘリコプターは、すべて、この地面効果を狙った設計になっています。

地面効果に頼らぬ飛行可能性の模索

 地面効果に頼らぬ飛行の可能性は、近代動力ヘリコプター理論に頼れば頼るほど困難に陥ります。「ヘリコプターの揚力は回転円盤で発生する」というのが動力ヘリコプター理論の骨子です。実際の動力ヘリコプターのロータは超高速で回転しますので、飛行翼理論はそのまま適用できないのです。

 ヘリコプターのブレードは自らの回転が生み出す擾乱した空気層に絶えず突入します。飛行機の固定翼が突入するのは新しい静かな空気層です。この違いは空気力学では決定的です。そのため、「回転円盤で発生する揚力」という「円盤理論」に頼らなければ、ヘリコプターでは揚力の計算ができないのです。

 したがって、従来は人力ヘリコプターにおいても、ロータの回転数は高ければ高いほど揚力は大きい、このドグマが正論となります。エンジンヘリのロータ回転数は一秒に5~10回ですからこれに近いほど飛行可能性が見込まれます。人力エネルギーはこの回転数を実現するために費やされてしまうのです。

 円盤理論に頼る限り、いかに模索も続けても、毎秒一回転を大幅に上回る体力の持ち主でも出現しないかぎり、地面効果に頼らぬ飛行可能性は見えてこないでしょう。

「ロータをゆっくりと回す」それが"YUKIGAYA ZERO"の秘訣です

 それならばロータを思い切りゆっくりと回転させたとしたら、円盤理論から脱却できるのでしょうか。実はできるのです。「擾乱される空気層」これが消え失せるからです。ブレードが一回転して元の場所にゆっくりと戻ってくる間に、空気の粘性によって、乱された空気は元の新しい静かな空気に回復しているのです。

 飛行機翼の理論、すなわち固定翼に関しての蓄積されたあらゆる知見、あるいは人力飛行機での所見がそっくりそりまま生かせるのです。人力飛行機の翼をロータに使えることを発見したことで、実現に一歩近づいたわけです。

 人力飛行機の巡航速度はほぼ毎秒10mです。ロータの先端がこの速度になるためには、ロータの回転数を決めれば、ロータの長さは決まります。YukigayaZEROでは、毎秒0,1回転、10秒で一回転としました。その結果、算出されたロータ半径が10m台だったのです。

揚力と抗力の計算で人力ヘリコプターが誕生

 翼型(AirFoil)を選択し、レイノルズ数を求めれば翼素(翼の微少単位)ごとの揚力係数と抗力係数とが求められます。翼の長さや幅から翼素ごとの面積が決まりますから、あとは公式に従って揚力と抗力を計算します。全ロータにわたってこの翼素ごとの揚力を合算すれば全揚力が出てきます。そして、翼素ごとに抗力と中心からの距離をかけてトルクを求め、これを合算すれば、回転数が決まってますから、必要な全馬力が出て来ます。計算式や計算過程ははぶきますが、その結果は、見事なものでした。

何と、揚力は110㎏、馬力(動力)は120W(ワット)という数値でした

 ここで人力ヘリコプターYukigayaZERO号の理論値概要が目出度く誕生したのです。

 なお、上記の負荷の理論値は、飛行翼の二次元的解析の結果であり、より現実に近い三次元的解析では別種の抗力も考慮せねばなりません。大きくても二次元値の二倍程度です。従って、理論値の3倍ていどの負荷に耐える動力があれば、試験飛行は確実であると判断できます。

 120Wの三倍である360Wは一分程度の飛行であれば、運動選手の体力を持ってすれば、十分に許容範囲内です。ちなみに、人力飛行機レースでは500W級の鳥人が活躍しております。

設計上の諸工夫:

 このようにして、理論上の目途は立ちました。揚力や抗力の計算に先立って、実は様々な重要な設計上の工夫がなされています。飛行力理論の援用だけでは、YukigayaZEROの誕生はあり得なかったのです。

中抜けのブレード

 ロータ(回転翼)は一直線上にならぶ二枚のブレードが回転軸を挟んで、向き合って一体となったものです。しかも、このブレードも翼の張られた部分と骨格だけの部分が半分づつから成り立ちます。

 ブレードの重量をおさえ空気抵抗を減らす工夫はブレードを中抜けとしたことであります。回転中心から遠い半分強には、人力飛行機の固定翼と同様の翼弦(Chord)が1mから0.3mのテーパー翼で形成さています。

 人力飛行機の固定翼は全長にわたって均等に揚力を発生させますが、回転翼上の揚力分布は末端で最高、回転中心にむかうにつれ三次関数的に減少し、最後はゼロとなります。同面積では回転翼の揚力は1/3しかないのです。

上段ローターと中段ローターの間隔を保つ工夫

 3段式ローターになっていますが、上段と中段の間隔は非常に重要です、これが近すぎると、空気に乱れが生じて、狙った揚力をだせなくなります。そこで、上段のフレーム構造に工夫をして、ある一定以上の距離を保つようにしました。

遊星歯車によるトルクバランスの維持

 上段と中段の二枚のロータは逆方向に回転します。両者のトルクを打ち消してあわせて機体が回転しないように安定をはかります。

 安価な市販品の遊星歯車も活用して、ロータ逆転を実現しました。

入力トルクへのカウンタートルク

 漕ぎ手による入力トルクを打ち消す装置も必要です。第三段の半径5mの小ロータはこのトルクを発生させるためのものです。

ホバリングの安定を確保

 屋外飛行を目標とする"YUKIGAYA ZERO"では、戸外に付きものの風への対処が不可欠です。ホバリング中の風速が1~2mでも長大なロータが風に押されて機体は10秒も経たぬうちに5m、10mと簡単に横に流されてしまうでしょう。

 下段ロータは機体を水平方向に移動させる目的のための舵翼としての役割も担わせます。ロータの翼端に対向してシュナイダー舵(プロペラ)を取りつけます。

 その他、ジャイロコンパス、加速度計なども使い、流された方向と逆方向に水平な揚力を発生させます。こうして機体は風に逆らって離陸地点に自動帰還し続けます。操縦士はひたすら漕ぎに専念して、横風への気遣いはまったく不要となります。

人力動力の増強策

 漕ぎ手の脚運動のエネルギーを通常の自転車よりは、ずっと効率よく回転軸に伝える装置として、OTC社(オーテック)スーパー・ダ・ヴィンチ(SDV)という駆動機構を使います。ペダルを円運動としてではなく楕円運動で漕げますので、歩行や山登りや徒競走の時のように無駄なく自然に筋肉運動を回転軸回転に伝達することができます。

頑丈な軽量機体の製作

人力ヘリコプターの材料素材と接着

 YukigayaZEROの機体材料の材料素材の選択には人力飛行機の開発で会得したノウハウを全て注ぎ込みました。マスト、ブレードの非翼部分のトラス構造、そして翼桁(ビーム)の構造材は炭素繊維強化プラスチック(CFRP)を用います。

 翼桁に直行するリブは発砲スチロールとし、翼面は上下面ともにプラスチックフィルムで、リブに沿って張ります。このようにこれ以上は望めないだろうという程に徹底した軽量化を図りました。

 パイプや板からなる構造材はすべてエポキシ樹脂の接着剤により相互間を接合しトラスや翼桁となります。リブや翼面フィルムも接着剤で翼桁やリブに接合します。接着剤は相当な分量となりますが、重量はたかが知れてはいます。連結強度が信頼でき軽量であるという点で、接着剤に優る他の接合方法はありません。

 しかし接合工程は容易ではありません。ベテラン技能者の手にかからなければ、接着面や接着点の強度が持たないケースが多発します。YukigayaZERO製作にあたって工房での仕事の過半は接着剤との格闘となることが予想されます。

翼桁の新規設計

 YukigatyaZEROの機体自重は25Kgに抑えました。人力飛行機では30Kg以上あるいは40Kg台も一般的であります。そこでは揚力を一手で引き受ける翼桁(ビーム)は重量のある太いパイプが使われていました。これを新規設計し、単位重量を人力飛行機の構造の10分の1まで落としました。三段のロータで計6枚のブレードに及ぶので、効果は大きいのです。

 CFRPの薄板で竹のように節目のある中空の長い直方体の柱をイメージしてください。まるで四角い脊髄のようになります。ブレード翼にかかる揚力は引っ張りや圧縮荷重だけでなく、曲げモーメントや捩れモーメントによるせん断力として翼桁にかかってきますので、細かな設計上の工夫をしています。

三角形トラス

 ブレードの中抜け部分はCFRPのパイプにより組み立てられ横断面が三角形となるトラス構造です。桁と機体中心マストとの間の力の伝達を受け持たせます。

 三角形の底辺には長手方向に二本のパイプが伸び、前後の三角形と接続します。三角形の頂点は一本やや太いパイプ他の三角形の頂点と接続しています。頂点のパイプには揚力により生じた圧縮荷重がかかります。この場合、長柱の座屈問題への対処が必要ですので、一本であることが好都合となります。底辺の二本は引張荷重が主ですので、座屈の心配は在りません。

 詳細な説明ははぶきますが、その形状にはさまざなま配慮がなされています。

継手について

 YukigayaZEROの長大さを考慮すれば機体のブロック化は避けられません。とくに運搬のために機体は適当な大きさのブロックとして、素早い組立と解体に応じられねばなりません。1ブロックの長さ4mとしました。横縦幅は1を超えません。全体で16ブロックほどになります。

 ブロックの継手は建築分野でよく使われるターンバックルとしました。
バックルを回転させれば、継がれる対象がねじ山に引かれて相互に密着するという仕掛けです。操作の熟達は容易と思われます。機体中でもっとも頑丈な箇所は継手部となります。

  以上の工夫以外にも、軸受けはじめ、様々な工夫をしています。

人力ヘリの会のメンバーほか、ボランティアの応援を得て、活動を続けています。

下記のことは、既に目処を立てています

  • 技術的構想の立案⇒ 弊社伊東孝彦社長が技術計算も完了しています。
  • 設計⇒ 弊社伊東社長が設計を完了しています。
  • 部品手配⇒ 弊社伊東社長が中心となり行っています。
  • ウェッブ・サイトの制作⇒人力ヘリの会鈴木富司副会長が担当し、このように出来上がりました。
  • ウェッブ・サイトの広報とSEO対策⇒ 会のメンバーの桝田さんが行います。
  • ロゴデザインと制作⇒メンバー鈴木副会長の友人白井元章さんに作って貰いました。

マスコミ対応・スポンサー募集など

 私たちは、技術系の年配者が中心です。一途に「日本のためになる」ことを願って活動をして参りました。しかし、8月に初飛行を控えて、何かと人手が不足をしています。実際に飛ぶとなったら、世界のマスコミが注目をすると思います。機体に貼るスポンサーの申込みも盛んになると思われます。

 本、プロジェクトの意義を理解して、一緒に活動をする意向のある方は、ご連絡ください。各種応援申込み頁


このウェッブ・サイトにリンクを貼り、このプロジェクトを広報して下さる方も募集します。ブログ、フェースブック、twitterなどで、広く情報を広げて、お口添え、解説をお願いします。

諦めずに続けてきた応援活動

 2012年に人力ヘリの会を発足しましたが、停滞をしていました。問題は、ローターの直径が50メートルにも達すると当初考えられていたからです。

 伊東社長が設計中に、あるひらめきがありました。諦めずに設計に集中していたことで、解決をしたのだと思います。応援していた私、鈴木も伊東社長を信じていたご褒美を味わいました。翼の直径も24メートルでも飛ぶとのシミュレーション結果がでたのです。安全を考えて28メートルで実機を製作中です。オペレーターも、米国人みたいな超人も必要ないということで、安堵しています。

更なる強力な助っ人現る

 あきらめずに続けてきたご褒美は、更なる強力な助っ人という形で現れました。雪ケ谷制御研究所の取締役となられた東條巌さんです。雪ケ谷制御研究所としての、企画・目論見書をまとめるために、相当突っ込んで伊東さんに質問をしたようです。その結果、誰にでも理解てきるように文章でまとめたのです。

 上記の企画概要も、その企画・目論見書から抜粋をしたものです。

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