1-2 ローターブレードの構造

 ローターブレードは固定翼機の主翼に相当するものですが、はるかに細長く回転に適応した独特の構造をしています。ローターブレードの構造上の設計要求とその実際を理解しましょう。

 

ブレードに働く力と構造設計上の要点

（静強度）　１枚のブレードには平均して、機体重量のブレード枚数分の１だけの空気力（揚力）が働きます。全備重量10,000lbs（約5トン）、4枚ブレードの中型ヘリコプタでは、平均2,500lbs（約1.25トン）の空気力が働きます。ブレードは細長いので、この空気力は大きな曲げモーメントを作ることになります。このため固定翼やプロペラのように余り変形させない剛構造にすると、ブレード根元付近の応力が過大になり、構造的に成立しません。そこでヘリコプタのローターブレードは柔構造として、揚力によってブレードが撓み、それによって遠心力が作る曲げモーメントを発生させ、空気力が作る曲げモーメントを相殺するように工夫されています。

　

　但し、ねじり方向（ピッチ方向）はブレード翼型の迎角に直結しているので僅かな変化でも発生空気力の大きな変化に繋がります。そこで極力ねじれないように捩じり剛性の大きな構造にする配慮が必要です。

更に、回転によってブレード付根で数トン～数十トンに達する強大な遠心力が働くので、これに十分耐えられる引張強度を持った構造にする必要があります。

　（疲労強度）　このような静的強度要求に加えて、ブレード構造にとって最も重要な要求は疲労強度です。前進飛行中のブレードに働く空気力は、一回転中にその大きさとスパン方向の分布形状が大きく変化します。その為、回転中のブレードに働く荷重も複雑に変化します。ブレードは一秒間に数回転するので、この荷重は繰り返し荷重となってブレードの疲労強度に大きな影響を与えます。ブレードは十分な疲労強度を確保できる構造であることが最重要です。

 

（振動特性）　最後に、強度要求に加えて振動特性も重要な要求であることを忘れてはなりません。何故なら、ブレードの固有振動数がロータ回転数の整数倍に近づくと共振を起こすのでこれを避ける必要があるからです。固有振動数がロータ回転数の整数倍に近づかない特性を備えた構造にすることが求められます。

ブレード構造に対する設計要求

以上から、ロータブレードは空力形状要求を満たす成型性に加え、剛性、強度、振動に関する以下の５つの要求を満たす構造でなければならないことになります。

ⅰ）フラップ、リードラグ方向に柔な構造

ⅱ）捩りにできるだけ剛な構造

ⅲ）強大な遠心力による引張りに耐えられる構造

ⅳ）十分な疲労強度を有する構造

Ⅴ）ロータ回転との共振を避ける振動特性

ブレード構造の実際

　　図は最近のヘリコプターの典型的なブレード構造です。疲労強度の確保、最適翼型形状成型の容易性等の理由からガラス繊維を主体にした全複合材製が最近の主流です。

ガラス繊維製D型中空桁（Dスパー）が主要構造で、遠心力や推力を受け止めてハブまで伝える役目を持ちます。その後方は翼弦方向の重心が後方に行きフラッター等を起こすことを避けるために、ノーメックスハニカム（複合材製のハニカム材）等の軽量な材料をコアとして翼型形状を作り、最後尾はガラス繊維テープ製の後縁材を通します。全体を±45度方向に繊維が走るガラスやカーボンの織物で覆った構造をしています。

ガラスやカーボン繊維は疲労強度が金属材料より優れ、要求ⅳ）を満たします。またガラス繊維は伸びが良く、これで作られたDスパーは十分しなやかに撓み、要求ⅰ）を満たします。

Dスパーと±45度方向に走らせた繊維を持つ外皮で全外周を覆った閉じ断面形状は、捻り断面特性が大きく要求ⅱ）を満たします。更にDスパーの肉厚を十分確保すると共にスパン方向に走る繊維を入れ、十分な引張り強度を確保することで、要求ⅲ）を満足させています。

最後に前縁付近に鉛の錘を埋め込み、軽量なノーメックスハニカムでもまだ取りきれなかった翼弦方向の重心バランスを取ると共に、スパン方向に錘の量を増減して固有振動数調整し、Ⅴ）の振動特性の要求を満足させています。