高速回転翼機技術の研究開発
航空技術部門 航空システム研究ユニット
田辺 安忠、小曳 昇、杉浦 正彦
ヘリコプタに代表される垂直離着陸（VTOL)航空機は狭いところへの着陸や空中停止できる特性を生かして、国民生活に密着した救難救急、消防防災など、幅広く利用されています。しかしながら、在来の形のヘリコプタの最大飛行速度は通常の固定翼飛行機と比較して著しく低く、運用範囲の制限となってきました。チルトロータ機であるオスプレイの配備に見られるように、世界的にも次世代の垂直離着陸機の研究開発が本格化しています。現在進めている複合型ヘリコプタ実現に必須である高速回転翼技術に関する研究をご紹介します。

研究開発の概要
複合型ヘリコプタヘリコプタ開発の歴史

近年開発された高速回転翼機

現在開発中の高速回転翼機

Sikorsky S-97 Raider (米国)
X-2の実用化版。
Vne 240kt, Cruise 220kt
飛行試験中
McDonnell Aircraft Corp. XV-1 (米国)
開発：1951主翼とプロペラを追加した複合式ヘリコプタ、
176kt

Bell-Boeing V-22 Osprey (米国)
開発：1982-1997年；製造：1997年－
回転翼の角度を変更することによる垂直/水平飛行を可能としたティルトロータ方式、 275kt

Airbus Helicopters Racer (欧州)
Cruise 217kt
初飛行を2020年目標

Fairey Rotodyne (英国)
開発：1953-1962年
チップジェット、主翼にプロペラを追加した複合式ヘリコプタ、 166kt
Lockheed AH-56 Cheyenne (米国)
開発：1966-1972年
在来ヘリのテールロータを残し、主翼とプロペラを追加した複合式ヘリコプタ、 215kt

EuroCopter (現Airbus Helicopters ) X3 (欧州)
開発：2010-2013年
在来ヘリのテールロータを無くし、主翼の両端にプロペラを追加した複合式ヘリコプタ、 255kt

Sikorsky X-2 (米国)
開発：2008-2010年
共軸2重反転ロータにプロペラを追加した複合式ヘリコプタ、 250kt

JAXAが提案する複合式ヘリコプタ

JAXAが提案する複合式ヘリコプタの概念設計案

海外の機体の課題• 過大なエンジンの搭載など、現状では速度記録の樹立を目的とした試験機• X2は高速性とアンチトルクを生み出す二重反転ロータが複雑かつ大きな空力抵抗となる• X3は巨大な推進プロペラが乗客の近傍で回転している危険性、さらにホバリング効率の低下も問題

在来ヘリと高速ヘリの飛行範囲の比較（準備時間も含めて15分の飛行）
現在(2014年1月時点)日本国内には43のドクターヘリを運航する拠点病院が設置されているが、出動命令後15分以内に到達できる範囲のカバー率は離島を除いてもまだ60％程度である。高速ヘリの導入により、既存の拠点病院でも、約90％のカバー率に向上させることができる。

構成：シングル・メインロータ、主翼の両端に電動プロペラを装備しアンチ・トルク装置として作動させる。
高速時の推進は尾部に取り付けた推進プロペラを用いる。
目標最大速度：270kt (500km/hr) （在来ヘリコプタの約2倍の飛行速度を達成する技術開発）
想定ミッション①：高速ドクターヘリ、15分以内で100km半径の地域をカバーする航空救急を達成。
想定ミッション②：高速防災ヘリ、大規模災害時、全国どこへでも2時間以内に到達して救助活動を開始。
想定ミッション③：高速海難救助ヘリ、日本のEEZ範囲内のどこへでも2時間以内に到達。

カーラー曲線：救助開始時間と死亡率との関係。
多量出血を伴う事故の場合、発生後15分以内に救命措置を施すことでほぼ100%命を救うことができる。

高速ヘリコプタを実現するために克服すべき技術課題

電動アンチ・トル
ク・システム 高速コンパウンドヘリコプタの実現には産業界との連携が不可欠であるが、JAXAが得意とする技術分野及びメーカから特に期待されている技術分野であることを基準に、JAXAが実施すべき技術課題の絞り込みを行った。

回転翼機／固定翼機多重モード制御方式

 以下の技術課題について重点的に研究を行う。
【システム技術】① 各種ミッションに応じた概念設計案の提案② 各種設計ツール（諸元策定、トリム安定解析、最適化、CFD解析ツー
ルなど）の構築と精度検証

高速飛行に最適なローター・ブ
レード設計

低空力抵抗胴体形状

拠点病院の設置とドクターヘリ運航体制のコストを考慮すれば、高速ドクターヘリの導入はユニット・コストの視点から非常に効率的である。

研究開発スケジュール

JAXAが実施すべき技術課題の絞り込み

高速飛行時推進用プロペラ

ローターハブ部の抵抗軽減

主翼の追加

JAXA提案のコンセプト
上記の欠点を克服するコンセプトの提案• 高速前進飛行時に揚力を分担する低抵抗固定翼• 高速前進飛行に適したメインロータ（ハイミューロータ）• アンチトルクを生み出すとともに、電動化によって安全性を高めた主翼先端部の電動サイドプロペラ• 高速前進飛行を可能とする胴体尾部の高効率プッシャー・プロペラ• 空力抵抗を低減する洗練された胴体とロータ・ハブ形状• 与圧可能なキャビンとドクターヘリのミッションに最適な客室配置【要素技術】① ロータと固定翼との空力干渉の軽減及び胴体とハブの低空力抵抗形状の設計② 高速飛行に最適なロータ・ブレードの設計（ハイミュー・ロータ）③ 飛行速度に応じた多重モード制御方式（操舵技術などを含む）④ 高速推進技術⑤ 電動化アンチトルクシステム(1) 高速前進飛行（高アドバンス比）に適した先進ブレードの最適設計技術(2) 空力抵抗を低減する洗練された胴体とロータ・ハブ形状(3) 高速前進飛行時の揚力を分担する主翼と胴体尾部の推進用プロペラ(4) 前進飛行時の補助推力及びアンチトルクを生み出す主翼両端の電動プロペラ(5) 空中停止及び低速飛行時の回転翼機／高速飛行時の固定翼機の多重モード制御
これらの技術課題に対し、空力問題については、最近のCFD解析技術を用いて評価する予定である。
システム構築や飛行制御などの課題については、スケールダウン模型による風洞試験や飛行試験で検証する計画である。

課題
JAXA提案概念機
スケールモデル

年度

機体の空力低減

H31

H32

H33

H34

スケールモデル機体による機体コンセプトの成立性と飛行性能確認システムの成立性

ハイミューロータ
概念図

ロータ模型の風洞試験

H30

ロータと翼の空力干渉低減

風洞試験とCFD解析に空力干渉の効果の把握と低減技術

胴体の空力抵抗低減

搭載物要求を満たす設計とCFD解析による空力抵抗軽減

ロータハブのフェアリング

フェアリングの設計とCFD解析による空力抵
抗軽減

最適ハイミューロータ

ハイミューロータ最適設計

模型ロータによる試験検証

コンパウンドヘリの全機形状CFD解析

各課題の進捗
システムの成立性：スケールモデルでの飛行試験

機体の空力特性
風洞試験技術

CFD解析技術
Inner Rotating Main
Rotor Blade Grid

Inner Rotating Tail
Rotor Blade Grid

Inner Fuselage Grid

Inner Background
Cartesian Grid

第2次概念模型

200180

18080

13560

90404520300

350
400
Flight time [s]

450

500

00.7
main rotor μ100

GPS Course [deg]GPS Speed [kt]

225

120

Inner grids
BladeBladeFuselage

0.8

270

140

ヘリコプタの胴体と複数の回転翼に対応した移動重合格子法

0.9315

GPS Course

160

1360

GPS Speed

250

回転翼機用統合解析ツールの構成
CFD/CSD連成解析：rFlow3D
ブレード構造解析：rMode
ロータ空力騒音計算：rNoise

Max mugreater than
0.8

Max speed120 kts

0Outer Background
Cartesian Gridy/b=-0.25
U∞

0.6

μ=0.4

第2次概念模型による風洞試験

0.014
0.012
0.010
0.008

最適ハイミューロータ概念（特許出願済）

0.006

0.3

0.004

0.2

0.002

0.1

0.000

Opti-Rotor
UH-60
NASA
0.00

250

300

350
400
Flight time [s]450500参照機体（UH-60A）のロータ・ブレードと

μ=0.8

0.016

y/b=0.25

0.4

0

飛行データ

ホバリング時のロータのダウンウォッシュと主翼との干渉

高速前進時のロータと主翼との干渉（ロータの前進側と後退側では大差）

μ=0.9

0.018

Advancing side

0.5

μ=0.8

ロータの前進率と流れ場の関係

複雑な胴体形状は非構造格子で捉える(JANUS)

Retreating side

第2次概念模型による 飛行軌跡

μ=0.6CDE/σ

第1次概念模型

最適ハイミューロータJAXAが提案する複合式ヘリコプタの計算例

ホバー性能比較

0.02

0.04
0.06
CT/σ

0.08

0.10

高速前進性能比較