ラジコンヘリのメカニズム

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ラジコンヘリのメカニズム

ラジコンヘリコプター」と「ラジコンヘリのパーツ」は見てもらったかな?
読みきると基本的な用語も増えていると思うから、いちど目を通してみてよ。


 さて、ラジコンヘリのしくみ(メカニズム:
Mechanism)は、なかなか理解しづらい部分がある。


 よーく考えると、「ふ~ん」とだんだん解ってくるようになるので、各部分の動きを自分の頭のなかでイメージしながら読んでいってくれるといいと思う。写真や動画も載せたので、少しは理解に役立つんじゃないかな。


 興味を持ったら、さらに専門的な本やサイトを見て、理解を深めていくといいね。
CB100のスケッチ
この絵どう? Walkera CB100
 ロータブレードの回転方向(Blade Spin Direction)
 ブレードのピッチ(Pitch)
 ピッチ(Pitch)/エレベータ(Elevator)
 ロール(Roll)/エルロン(Aileron)
 ヨー(Yaw)/ラダー(Rudder)
 固定ピッチ(Fixed pitch)/コレクティブピッチ(Collective pitch)
 ジャイロプリセッション(Gyro Rrecession)
 テールロータブレード(Tail Rotor Blade)のピッチ





ロータブレードの回転方向(Blade Spin Direction)


ロータはメインロータテールロータがあるよね。


GAUI(ガウイ)社のHURRICANE255もそうなんだけど、大抵はメインロータは右回り(時計周り:Clockwise)でテールロータは左回り(反時計まわり:Counter-Clockwise)なんだ。


Walkera(ワルケラ)社のCB100やE-Flite社のBlade-mSRもおなじだ。


メインブレードの回転方向(右回り) テールブレードの回転方向(左回り)


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ブレードのピッチ(Pitch)


まず、ラジコンヘリが浮いたり、前進・後進・回転など三次元の動きができるのは、メインロータやテールロータのブレードの角度を変化させることにより、空気の流れをコントロール出来るからなんだ。


ここで、このプレードの角度のことを「ピッチ(Pitch)」と呼ぶよ。また、ブレードの前縁が上に向いているときを「プラス」ピッチという。逆に下を向いているときを「マイナス」ピッチという。


まずは、プラスピッチの場合、ブレードが黄色(yellow)の方向に進んでいると、空気はピンク色(pink)のように流れて、下方に押し下げられる。これによりブレードには白色(white)のように上方に浮こうとする力(揚力:ようりょく:Lift)がうまれるんだ。


2枚のメインロータブレードが高速でブンブンと回ると、この揚力がグングンと増して、自分の重量(自重または重力:Weight)より大きくなると機体が浮くんだ。


空中で静止しているときは、ちょうどこれらのバランスが取れている状態。
ブレードピッチがプラス


さて、今度はブレードのピッチが逆にマイナスの場合は、上の逆で下方に行こうとする力が働く。


「これじゃあラジコンヘリが猛スピードでおちてきちゃうじゃないか~ あぶないのでは・・・?」と思うよね。


確かにそのとおりなんだけど、これこそ、3D演技をするときに必要不可欠なこと。


わかりやすいのが、背面飛行(逆さまで浮いているときなど)は、メインブレードがこの向きなんだよ。


逆さになっているときをイメージしてごらん。
機体が逆さのときには、地上から見ると、上のブレードのピッチ角と同じになっているんだ。解った?
ブレードピッチがマイナス


そして、この制御(コントロール)をするときの送信機のスティック操作を「スロットル」という。(送信機がモード1(mode1)なら右手、モード2(mode2)なら左手で上下または前後方向に操作する) 


スロットルというと、エンジンやモータの回転を変化させるスティックとか機能のことを言うけど、ラジコンヘリのすごいところは、ひとつのスティックで「モータ(エンジン)回転」と「ブレードのピッチ」を両方コントロールできるんだ。(ブレードのピッチを変えられる方式をコレクティブピッチというんだけど、後ほど出てくるから読んでおいて)


人間の手は2本しかないので苦心の末だと思うけど、良く考えたもんだと思うよ。
先人技術者に脱帽~!


最初は、「え~、何を言っているのか、わけわからん」と思うのは当然。
別の機会に解説していくのでお楽しみに。








【おことわり】


ブレードが生み出す揚力の発生メカニズムは、厳密にはブレード上面、下面の空気の流れによる圧力差によることなども考慮して説明しないといけないとは思うけど、ここはイメージとして力がどちらに発生するのか理解してもらうために、あえて上のような写真やイラストをいれてあるので、ここはご理解のほどよろしくお願いします。


ビギナーの方たちは、もっと正確に知りたくなったら、専門的なサイトや書籍などでみっちり勉強してね。




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ピッチ(Pitch)/エレベータ(Elevator)


さっき、ブレードの角度をピッチと説明したけれど、ここでは、ラジコンヘリの機体の動きにもこのピッチという用語を使うんだ、ほかにもいろいろ使うことがあるけど、この「ピッチ」は「両腕を真横に伸ばして、その周りに回転することと理解してちょうだい。


この両腕にあたる軸を「ピッチ軸」と呼ぶ。


ブレードのときもブレードの長手方向の軸の周りに傾くことをピッチと呼んだね。


言葉で説明してもなかなかわかりにくいので、HURRICANE255をモデルにしてみたぞ。


写真にマウスを乗せると画像が変化するので、「あーこのことか~」とわかるハズ。


人間の動作にたとえると、「おじぎ」のこと。
ピッチ軸とエレベータの動き


そして、この姿勢制御(コントロール)するときの送信機のスティック操作を「エレベータ」という。(送信機がモード1(mode1)なら左手、モード2(mode2)なら右手で上下または前後方向に操作する。上で述べたスロットルの逆だ)


前に傾けようとするときには、「エレベータダウン」するといい、後ろにのけぞる操作をするときには、「エレベータアップ」するというぞ。


「スピードが出てきたから、抑えて~、ほら、エレベータアップしろ~」とかね。


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ロール(Roll)/エルロン(Aileron)


さー、次は、ロールとエルロン。


ロールというと何を思い浮かべるだろーか?


おいらは「堂島ロールケーキ」のロール。大の甘いもの好きなので、ロールケーキを厚く切るときがワクワクするんだよね~。


「ロール」とはごろごろ巻くという意味。
「ローリングする」というと、進む方向を軸にしてその回りをクルクルと回ることを言うんだ。


この軸を「ロール軸」と呼ぶ。


例のように、写真を見てみよう。


マウスを乗せると、「こういうこと」なんだね。


このくらいの傾きなんかはなんともないけれど、なかなか、1回転、2回転と回すのは大変なんだ。


一生懸命練習して、きれいなローリングをできるようにしたいね。


ロール軸とエルロンの動き


そして、この姿勢制御(コントロール)するときの送信機のスティック操作を「エルロン」という。(右手で左右方向に操作する)


ラジコンヘリが地上から空中に舞い上がるとき、必ず左(メインロータが右回りのとき)に流れるんだけど、これを抑えるためには、エルロンを右に打ちながらスロットルを上げるという操作があるんだ。


何回も練習するうちに、だんだんとわかってくる。


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ヨー(Yaw)/ラダー(Rudder)


ラジコンヘリの機体の動きとしては最後の、ヨーとラダー。


「ヨー」とは、あんまり聞きなれない用語だよね。初めての人もいるかな?
これは、メインロータの軸の周りを回ることをいう。


この軸を「ヨー軸」と呼ぶ。


テールロータブレードの角度、もしくはテールロータの回転によって、機体の向きがかわるんだ。


画像にマウスを当てて理解してね。


「おーこのことか~」です。


画面中心がヨー軸の中心(のつもり)


空中で静止しながら、その場でクルクルと姿勢を変えることができるのが、ヘリコプターのすごいところだよね~。


ヨー軸とラダーの動き


そして、この姿勢制御(コントロール)するときの送信機のスティック操作を「ラダー」という。(左手で左右方向に操作する)


メインロータが右回りの場合には、機体は左回転をしようとする。


これを抑えてコントロールするのが、テールロータなんだけど、これを制御するのは人間ではまず無理。


そこで、ここを機械にまかせようと考えたのが、ジャイロ(gyro)


最初設定した姿勢をそのまま維持しようと、大変細かく高速でコントロールをしているんだ。


その上で、人が右に向きを変えたいとか左に向きを変えたいときに、送信機のスティックを倒すと、サーボモータが動いて、テールロータのピッチを変えるんだよ。(固定翼の場合にはモータの回転数を制御する。これも後に書いてあるので読んでおいて)


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固定ピッチ(Fixed pitch)/コレクティブピッチ(Collective pitch)


メインロータやテールロータに最初からプラスピッチで作ったブレードを取り付けて、モータの回転数を増減させて飛ばす方式のラジコンヘリを「固定ピッチのラジコンヘリ」と呼ぶ。


トイヘリ、WalkeraのCB100やE-fliteのBlade-mSRは固定ピッチのラジコンヘリだ。


扇風機の羽根をイメージしてもらえばいいのかな。


固定ピッチのラジコンヘリはロータブレードも固定なのでモータの回転数を可変させて、揚力をコントロールするんだよ。






一方、GAUIのHURRICANE255など、ブレードのピッチ角を可変させることができるものを「コレクティブピッチのラジコンヘリ」と呼ぶ。


コレクティブピッチの頭文字で「CP」と表現している場合もあるよ。






コレクティブ(Collective)とは、「集合体、共同」などと訳す。つまり、メインロータブレードが2枚羽なら2枚同時に同じピッチ角に可変させることを言うんだ。


実際には、回転数をほぼ固定で、ピッチを可変させることによって、ブレードが生み出す揚力をコントロールできる。


このピッチ角と回転数の組み合わせによっては、ラジコンヘリの動き(コントロール:操縦)のニュアンスがガラリと変わるよ。


ここを自分好みの設定にチューニングしていくんだ。これも楽しみの一つ。






「ブレードのピッチ(Pitch)」のところでも書いたけど、マイナスピッチにすることができて初めて、背面飛行など曲技飛行の幅がグーンと広げることが可能となるので、将来的に、もっとラジコンヘリを楽しみたい人は、ゆくゆくはコレクティブピッチのラジコンヘリを購入することをお勧めする。当然、最初からでもアリで~す。


それなりに、構造も複雑になるし、設定もいろいろと大変だけれど、それがまた楽しみの一つになると思うんだ。


「ラジコンヘリのパーツ」の中の「スワッシュプレート」にも掲載したけど、プレートのピッチを変化させるしくみはこんなふうだ。


写真にマウスを乗せてみて。
下からサーボがスワッシュプレートを同時に押し上げ、引き下げている。


写真中央ちょっと上あたりにある、メインブレードを取り付けるグリップの角度が変化するの、解るよね。


ブレードは写真の右から左に回るので、マウスを乗せたとき、ブレードがプラスになるということ。


コレクティブピッチを可変させるときのスワッシュプレートの動き






メインロータブレードが上方に揚力を発生する場合の、2枚ずつのメインロータブレードとスタビブレードのピッチ角は下の写真のとおり。


ブレードは右回りで、機体の前後方向、水平方向のそれぞれ90度ごとの位置でのピッチ角を示した。それぞれ横方向から見たときの写真だよ。














スタビブレードはどこでもピッチ角はゼロ度(つまり水平)。
これで機体の水平をばっちり維持しているんだ。自分で組み立てるときには、この水平をしっかり出しておかないと、機体が安定しないので、よく覚えておくこと。


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ジャイロプリセッション(Gyro precession)


「ジャイロプリセッション」。難しい用語だねぇ。


これは、機体を前後、左右などへ傾けるときに知っておきたい定理(自然現象)のことなんだ。


実際には、自分で機体を新たに設計などして自作するような人でない限り、そんなに使わない用語ではあるけどね。


「あー、だからここがこう動くんだね」とわかるはず。






さて、機体がピッチング(Pitching:ピッチする)したり、ローリング(Rolling:ロールする)したりするのは、どうしてだろうか?


ブレードのビッチを可変させることにより、上向き、または下向きの力が発生することは、前に述べたとおりなので、基本的にはすべてこれで説明できる。


この上向きの力と、下向きの力を上手に組み合わせることによって、ラジコンヘリの機体を上向き(のけぞる)、下向き(前かがみ、おじき)、右傾、左傾させることができるんだ。


これらの併せ技で、斜め前や斜め後ろにも当然傾けることができるんだ。


なんとなく直感的にイメージはできると思う。






前進したいときは、機体を前傾姿勢(下向き)にすればいい。
ブレードの回転による浮力と地球中心に引っ張られる自重(重力)のそれぞれのベクトルの合成方向が進む方向になる。


2つの力を辺とした平行四辺形の対角線方向と長さが進む力(推力:Thrust:スラスト)
になる。学校でベクトルの勉強をしたはずなので、忘れた人は教科書などを見直してね。






さて、それではブレードの揚力を利用すればラジコンヘリの姿勢をいろいろコントロールできることがわかったと思う。


では、送信機のエレベータをダウンにしたとき、ラジコンヘリのブレードのピッチ角はどうなっていればいいんだろう?


直感的には、こんな感じかな?


下の写真の両サイドの写真はブレードを真横から眺めたときのもの。メインのブレードは真ん中の写真のとおり右回りとする。


エレベータダウン(Elevator Down)






メインブレードが前方を通過するときには下方向の力、後ろを通過するときには上向きの力が働けば、


ラジコンヘリは、前方には下向きの頭を下げる力、後ろは上向きのお尻を上げる力が働くので、クイッと前かがみになるはず・・・


はずだ・・・ Maybe・・・











ブッブー!  答えはノー 前かがみにはならないのだ。


上の写真のようにブレードにピッチを加えると、なんと「右に傾く」んだ。


「なんで、どうゆーこと?」








ここで、「ジャイロプリセッション」の話(定理)が必要になってくるんだ。




簡単に言うと、


その場で発生させようとした力は、90度後に反映される」んだ。


逆にいうと、


力を反映させたい場合は、90度前に力を発生させる」必要があるんだ。







何がいいたいんだろう?


下の写真で説明するので、よーく眺めて理解してね。
メインブレードは右回り、90度ごとのメインブレードとスタビライザーブレードを真横から眺めたときの写真を配置した。


まず、ラジコンヘリの前面を下げるためには、(メインもしくはスタビ)ブレードが全面に来る「90度前に力を発生させる必要がある」。つまり、下方向の力を発生させるんだ。
下の1番上の写真のブレードのように、マイナスピッチにすればいいんだ。


スタビブレードがちょうど一番前面にきているけど、ここでプラスかマイナスにピッチ角が付いちゃうと、その90度後に力が反映されることになるので、おとなしく水平のままにしておかなければいけない。


お尻を持ち上げるためには、90度前に上向きの力を発生させておく必要がある。したがって、1番下のようにピッチ角はプラス。


1番後ろに位置しているスタビブレードも影響を発生させてはいけないので、水平のまま。






メインロータブレードが左右に位置するとき






もう一度、よーく頭の中で考えながら眺めてね。


メインブレードの2枚のピッチは「それぞれ逆」になっている。
片方がプラスならもう片方はマイナスになっている。


それでは、動画を見ながら頭のなかを整理してくれろ。









さらに90度ブレードが回転したときにはどうだろう? メインロータブレードとスタビブレードの位置がが逆になるよね。


それでは、下の写真をよーく眺めながら、上の説明のように考えてみよう。






メインロータブレードが前後に位置するとき






ブレードが回転すると、決まった場所で決まったピッチ角になるように変化するのが解ったかな。


メインロータブレードだろうが、スタビライザーブレードだろうが、関係ないね。


またまた、動画を見ながら考えてね。もうだいぶ整理できてきたんじゃないかな。









こういうふうにブレードのピッチ角が連続して変化することを
サイクリックピッチ(Cyclic Pitch)」と呼ぶよ。


サイクリックとは、「周期的に、繰り返して」という意味で、1回転して元にもどる間に、それぞれの位置でそれぞれ決まったピッチ角になるようにしてするしくみなんだ。


 たとえば、水平からスタートするブレードを90度ごとに見てみると




  水平 ⇒ プラスピッチ ⇒ 水平 ⇒ マイナスピッチ ⇒ 水平(元に戻る)


あるいは、


  水平 ⇒ マイナスピッチ ⇒ 水平 ⇒ プラスピッチ ⇒ 水平(元に戻る)


  これを繰り返す(サイクリック)ということなんだ。





つまり、送信機のスティックをそのままにしていたら、その間ずーっと同じ方向に力が働いていることになる。






くどいようだけど、今度は右に倒したいので、送信機のスティックのエルロンを右に倒すと、こんなふうにブレードが変化する。


と、言うわけで、この項の最初でラジコンヘリを前傾させるために予想したブレードのピッチ角にすると、右にロールするという意味が解ったはず。













思い通りにブレードのピッチ角や傾ける位置などを可変させるためには、スワッシュプレートをサーボが正確に傾けてやる必要があるんだ。


これらについては、今市販されているプロポやラジコンヘリキットは正確に送信機のスティックの動きに追従(ついじゅう)するようにできているので、送信機の設定や機体の組み立てさえしっかり確実に行えば、人間が特に考えず、指の動きに集中することができるので、大変すばらしい。


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テールロータブレード(Tail Rotor Blade)のピッチ



テールロータブレードにはサイクリックピッチはなくて、コレクティブのみ。





プラスからマイナスまでこんな感じで変化するぞ。


マウスのポインターを乗せてみてね。


HURRICANE255の場合は反時計まわりだから、マウスを載せる前が右方向に空気がながれるので、テールは左に行こうとする。また、マウスを乗せると逆に左のほうに空気が流れるので、テールは右に動こうとする。
テールロータブレードのピッチの変化


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さあどうだったかな?


言葉だけでは説明はなかなか難しいので、動画も載せてみた。


実際に購入してみて、いろいろと動かしてみるとよく解ってくるので、ぜひ、好みの機体をゲットしてね。






すでにラジコンヘリの機体を持っている人は、より理解を深めてもらえたらうれしいな。


ラジコンヘリを飛ばすには、さらに、送信機の設定、ジャイロの設定、スワッシュプレート/ロータ周りの設定などが必要なので、別のコンテンツで解説するね。


なにかリクエストがあれば、メールをちょーだい。


可能な範囲で解説してみようと思う。
だめだったら堪忍ね m(_ _)m










ラジコンヘリの機体の動きとブレードの動きの関係はちょっと難しいかもしれないけど、がんばって理解しよう!


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