ターボ機械協会 第 88 回総会（福岡）講演会（2023 年 5 月 19 日，九州大学伊都キャンパス）空飛ぶクルマ用の VTOL リフトファンの提案
佐伯尚文（風と音と熱のテクノロジー），大橋光太郎（風と音と熱のテクノロジー），奥隆夫（風と音と熱のテクノロジー）
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ほとんどの垂直離発着機は Fig.2 に示すロータの回転に伴う翼の揚力作用を使っている。

1. はじめにIOT 等の活用により、空中移動ドローンは実用域にあり、空撮、空中監視は日常手段となり、小荷物の空中配送も間近い。
その勢いは、身近な空中移動手段の実現、いわゆる“空飛ぶクルマ”実現へと向かっている。
空飛ぶクルマ社会は未踏の世界であり、技術的にはロータの小径マルチ化、運行は空中コリ
ドール、離発着はバーチポートの方向に進みつつある。
しかし、この方向は既定事実からの積み上げで導き出された像であり、身近な空中移動手段として本当に考えたのか疑問であり、玄関先からの垂直離着陸の可能性を技術的な面から検討を行った。

Fig.2 Lift-force on propeller section
揚力𝐿が有効に作用する迎え角𝛼の範囲は Fig.３に示す様に 20°前後が限界、これを越えると流れが翼面から離れ失速し、揚力𝐿は失われる。
揚力𝐿は

２．空飛ぶクルマの飛翔開発中機を含めた垂直離発着機のロータの掃引面積に対する機体重量を含む全備重量はFig.1 の様にほぼ比例関係となる。
空飛ぶクルマとすると、可搬重量は数百 kg。
機体重量、燃料重量を考慮すると 1ton 超は必須と考えられる。その場合、ロータ掃引面積は50m2 前後、直径 8m 相当のロータを要する事となる。
安全面、騒音面を考えると、玄関先からの離発着は考えられず、集中した離発着場バーチポートからの離発着となる。

𝐿 = 𝐶 L･𝜌/2･𝑤 ∞2･𝑙･𝑡と表わされる。

(1)

Fig.３ Airfoil characteristic curve (NACA4412) (1)（１）式から、失速限界内で大きな浮上力を得るには、主に相対流速𝑤∞を上げる事が有効で、ロータの場合は回転速度を上げる、ロータ径を大きくする事により達成出来る。
しかし、翼端速度が音速を超えると急激に誘導抵抗が増え、プロペラ径 r とプロペラ回転 N の間に
2πr・N＜c0（２）c0；音速

Fig.1 Rotor sweep area and all mass load1

ターボ機械協会 第 88 回総会（福岡）講演会（2023 年 5 月 19 日，九州大学伊都キャンパス）推力、応力重視で流出側を絞ると、リフトファンとしての可能性ある推力、反力値を得る。
解放、圧縮定常 2,500rpm での断面流線は Fig.６の様になる。

なる制限がある。
r が小さい場合は、全備保持重量∝r2 と音速限界から、コンパクトなロータで十分な揚力を得るのは困難である。
３．強力コンパクトな浮上ファンの探索
民生用送風機器のファン性能を横軸を風量、縦軸を発生静圧としてプロットすると Fig.４の様になる。

Fig.６ Velocity path line in 2,500rpm
詳細に見ると、吐出風量が不足、その為、推力、反力も足らない。また、反力は翼の回転対称性で流入翼列も加力する為、スラスト軸からずれる。
推力、反力を増加させる為、長コード翼とし、吐出側の転向加力、遠心加力増加を図る。
流入側では剥離流入となる為、流入側では分離翼とする。
Fig.7 に示す基礎実験で、リフトファンの作動確認し、以降は CFD 解析で構造の追い込みを行った。

Fig.4 Commercial fan capacity map

強力コンパクトなファンとして、遠心力を利用する遠心ファンがあるが、回転軸方向から流入、遠心方向に吐出するため重量流量を多く取る事が出来ず、浮上には適さない。
遠心力を利用しながら、貫流ファン様の二次元的な流れにより、回転軸方向に加算的に重量流量を増す方策を考える。
従来の貫流ファンは、家庭用エアコン室内機の配風ファンの様に、壁に沿って幅広く適度な一様風を流す等、低回転低圧負荷で使用される事が多い。
通常使用の文献(2)クロスフローファンのリフトファンの適用可能性を確認する為、ファン外径φ350mm、2,500rpm で推力、応力解析を行った。
圧縮定常解析では、解が不安定に揺動、非圧縮条件でも Fig.5 の様に特に吐出部の大きな渦が残る。

Fig.7

VTOL lift-fan unit for experimentFig.８のファン外径φ350mm リフトファン、軸長 1m では、2,500rpm で推力 358N、ファンとケーシングの合成応力 2,142N、軸入力 94kW を得る。

Fig.５ CFD result in 2,500rpm, uncompressed air2

ターボ機械協会 第 88 回総会（福岡）講演会（2023 年 5 月 19 日，九州大学伊都キャンパス）
Table 1 Specifications of MD902(3)機体寸法 (L,W,H：ｍ）

Fig.８ Lift-fan velocity path line in 2,500rpm

10.3

キャビン寸法 （L,W,H：ｍ）

2.69 x 1.44 x 1.24

総重量 (kg)

2,948

自重 (kg)

1,531

搭載重量 (kg)同様の構造で、推力、反力に対する軸入力の割合を減ら為、外径φ500mm とし低回転駆動の検討を行った。
その結果の反力値を使い Fig.９の現行ヘリコプターのφ10.3m ロータの置換検討を行い、方型緑のリフトファンでの代替可能性を得た。実現出
来れば Fig.９のロータ無し、テール無しで狭小地からの離発着が可能となる。

10.39 x 2.84 x 3.66

ローターブレード直径 (m)0.039641,417

燃料重量 (kg) / 増槽 (kg)584/746

標準座席数 / 担架＋座席

8/1+5エンジン型式P&WC PW207E

双発馬力（離陸/連続：SHP)･荷重N/ｴﾝｼﾞﾝW

710 / 625 x 2

片発時馬力 (2.5分 / 連続：SHP)800 / 710

529.4/466.1[kW]×２
596.6/529.4[kW]トランスミッション
双発馬力 （離陸 / 連続：SHP） 550 / 500 x 2

410.1/372.9[kW]片発時馬力 (2.5分 / 連続：SHP)680 / 620

507.1/462.3[kW]最大巡航速度 (km/h)
最大航続距離 （標準/増槽：km)250
648 / 828

IGEホバリングﾞ限度 (m)3,719

OGEホバリングﾞ限度 (m)3,170

４．おわりに空飛ぶクルマへのリフトファン搭載には、更なる軸入力の低減が必要であるが、ロータを使わない狭小地向け離発着ファンの可能性を示す事が出来た。
実搭載には、回転中の小翼回転機構の開発、飛行姿勢の安定制御、動力源とのシステム化等々多くの問題が未着手であるが、ロータが持つ本質的な限界（ロータと保持重量の制限）を打ち破り、身近で迅速な空中移動社会、空中作業の容易化を実現する浮上器実現の可能性を示せたと考える。

Fig.９ Image figure equipped with lift-fan
現行ヘリコプターのスペックは Table 1 の様になっており、代替するには更なる高性能化が必要である。
尚、リフトファンは垂直離着陸用と想定、巡航は巡航翼との組み合わせを考えている。

参考資料(1) 「NACA-TR-563」(2) Progress in Aerospace Sciences 45 (2009) 1-29
(3) 株式会社 エアロパートナーズ資料。

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