高校物理　ライト兄弟飛行機　プロペラ原理　

自作飛行機の夢の中に、プロペラの自作があります。
飛行機の完成を急ぐなら、ペラは完成品を購入すべきですが、
おりからの円安で、輸入品は高値になっているし、
飛行機の完成自体が夢なので、設計段階のの今なら、テスト用のプロペラ自作に挑戦するのもありかなと思うようになりました。


１．木製プロペラの自作検討




Eric Clutton　がアマチュアビルダーのために書いた「木製プロペラの作り方」を参考に下調べする。






「翼理論の芽生え（リリエンタール、ラングレー、ライト兄弟の飛行）」から

「翼理論の芽生え（リリエンタール、ラングレー、ライト兄弟の飛行）」から

プロペラ各位置の翼角は異なる。
プロペラが一回転すると、各位置の翼型が同一ピッチ前進する翼角がそれぞれ適用される。


Ericの本に記載された作図チャートが良く分からなかったのですが、その疑問を氷解させる素晴らしいサイトを見つけた。

元高校の物理の先生が、授業のための講義資料としてまとめた「翼理論の芽生え（リリエンタール、ラングレー、ライト兄弟の飛行）」http://fnorio.com/0113flight_to_the_sky0/flight_to_the_sky0.html
です。

私も高校時代にこんな素晴らしい講義を受けていれば進む道も違ったかもと思ってしまいます。


２．　プロペラ・サイズ・ピッチの検討

サイズ・ピッチ・RPMの検討のあたり、世界で優秀といわれるULP,MLPの数値を比較してみます。

機　体 　　　　　馬力　　　ペラ回転数 　　　ペラ・サイズ・ピッチ　　巡航速度MAX

CMSshadow　　　５０HP 　3,333rpm　　　 ５０"×３５” 　　　　　　１３７km
ROBIN ATL　　　 ５０HP 　3,000rpm　　　 ５９"×２８” 　　　　　　１６６km
AN-2 　　　　　４３HP 　3,068rpm 　　 ５１"×４５”　　　 　 １７０km

以上から、最小直径ペラとして５０”×４５”程度を採用したいと思います。
　ピッチ４５”をピッチ角に変換すると　　４５”/(50"×３．１４）×tan-1 = 16°

ピッチ角１０°　　　　 ５０”×3.14×tan1０°=27.7"　　　MAX　 114Km
ピッチ角１２°　　　　 ５０”×3.14×tan12°＝33.3"　　　MAX　１３７Km
ピッチ角１４° 　　　 ５０”×3.14×tan14°=39" MAX 160Km
ピッチ角16° 　　　 ５０×3.14×tan16°＝４５”　　　MAX　１８５Km
ピッチ角18° 　　　 ５０×3.14×tan18°＝51”　　　MAX　 209Km
（JAPAN　ULP 基準では　最高速度185Km 以下）


３．木製プロペラの製作

（１）材料

　ペラの材料は入手が容易な、ホワイトウッドの１”×６”　（４枚張り合わせ）を
　使用する予定で買出しに出かけたら



　ビバ手稲富岡店で偶然、桧のリメイク材というのに出くわした。
　木端の形状を見ると用途は床材のようですが
　30×150×1800のサイズは3枚張りあわせるとぺラにぴったりです。
　1枚1,958円
　木目が通った確りした材質で強度はホワイトウッドをかなり上回るはずです。
　これはラッキー！
　選りすぐり、使えそうなのを3枚を購入しました。


プロペラ削りは、まだ先になるので、板が 乾いて反りが大きくならないように、取りあえずハタガネで抑えておきます。

（２）接着剤

　　試作なので、コニシボンドE206 を使用してみたい。
板の貼り合わせにはE206は粘度が低いので、フィラーを添加したほうがよさそうです。
　　表面のGFRP補強にもコニシボンドE206 を使用してみたい。

（３）製　図
　　　
　　　ペラ枚数は製作が比較的容易な2枚プロペラにしたい


(表のULTRA-Prop　はFRP製の既製品で、エンジン余力をぺラの枚数を増やすことで解決しています）

　　　自作ULPにはZENOAH50G(４０HP）エンジン使用する予定なので
　　　図表によると、４０Hpは3枚ぺラを駆動できるほど馬力に余裕があります。
　　　自作５０”　2枚ペラの幅を標準より広げたり、先端部の幅を増やしたりして、
　　　スラストを稼ぐ余裕があるはずです。

木製プロペラの先端が細くなっているのは、木製の強度限界を考慮してプロペラの安全性を担保するためのものらしい。

　もし、表面をGFRPで強化すると、先端部を広げることも可能になるはずです。
固定ピッチのプロペラは、通常巡航速度にあわせてピッチが設定されており、
モーターグライダーは、上昇速度に合わせた翼角の小さなクライムプロップが使用されます。

　自作ＵＬＰモグラーは、　2枚ペラの先端（翼角小）を強化して幅を広げ、エンジン回転数を
若干落として離陸させると、もっと直径の大きなクライムプロップの中央域のように機能するはずです。
また、上昇完了して、エンジン回転数を上げると高速の巡航速度を達成できるのではないか

　　と妄想は膨らみ続けます。

　　上記条件でペラの各位置の翼角を計算してみます。

「プロペラ各位置翼角計算表」

（表をクリックすると拡大します）
ペラ直径とピッチをパラメーターにしてEXCELで各部分の翼角を計算する。

　続いて、ペラの形状をデザインしてみます。



ジャイロ用ブレードは翼型NACA 8H12を採用しています。


形状のイメージはこんな感じ


参考ペラの各部断面の翼型は一定しておらず、どのようにしたら正確な型紙を作成できるのだろう？

①各部翼型下面を直線にして、上表で計算した翼角に合わせるとして
②各部翼型上面のトレーリングエッジ角（補助線）を参考図面から予測する？
③１０％、５０％、１００％　位置の翼型上面のカーブを手書きして、円弧テンプレートで仕上げる
④１０％、５０％、１００％　位置の翼型をホットワイヤーのテンプレートにして整形する。
　一旦、スタイロフォーム製のぺラを作り、そのほかの翼型位置を輪切りして、各翼型のテンプレートを作る

この程度しか思いつきません。

EXCELの作図機能の中に捩れを加える機能があったはずなので利用できないかもう少し調べてみようかな


（info)
3Blade Propeller Carving
https://www.youtube.com/watch?v=fmQA9fxQvoQ
AEROBATICの世界
ВОТ ЗВЕЗДА восторг неба Светлана Капанина
https://www.youtube.com/watch?v=sDCPXY0KqnU