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「トロイダル・プロペラ」とは何か、ドローンの未来を変える可能性はあるか?専門家が解説

従来のプロペラの基本構成は、1903年にライト兄弟が初めて動力飛行を行って以来、基本的に変わっていない。

しかし、エンジニアが空気力学を学び、新しい実験を試みるにつれ、プロペラはより複雑な形状に進化している。複数のブレード、高い掃引角、ブレードチップなど、さまざまな条件下で性能を最適化するための工夫が施されている。

最近のプロペラ技術の進歩は、「トロイダル・プロペラ」だ。このプロペラはリング状になっており、ブレードが互いにループを描くように配置されている。最近の記事やビデオでは、このプロペラを大々的に紹介しているが、果たしてどの程度「革命的」なのだろうか?

形状を洗練させる

2017年、MITの研究者たちは、トロイダル・プロペラの特許を申請した。彼らの特許では、この発明は従来のプロペラよりも効率がよく、騒音も少ないとされている。

偶然にも、すでに2012年に米国のエンジニアリング会社Sharrow Marineもボート用のトロイダル・プロペラを開発しており、従来のマリンプロペラよりも効率的で静かであることを実証している。

トロイダル・プロペラが静かな理由は、その複雑な形状にある。プロペラの翼の先端で自然に起こる渦(空気や水などの流体の渦巻き状の動き)の強さを最小限に抑えることができるからだ。

これは、ブレードの下に高圧の領域があり、その上に低圧の領域があるためである。翼の下の高圧の空気が、翼の上の低圧の領域に向かって移動するとき、渦を巻いて移動する。

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先端渦は、プロペラ翼や飛行機の翼の下と上とで圧力が異なるために発生する。 (The Conversation, CC BY-ND)

この現象は、本来回転する翼であるプロペラ翼に限ったことではない。飛行機の翼もこの現象に見舞われる。この現象を最小限に抑えるために、技術者たちは翼端のデバイスについて多くの研究を重ねてきた。

トロイダル・プロペラのような閉ループ構造の採用は、先端渦を低減する方法の一つだ。

プロペラの基本的な形状は発明以来変わっていないが、プロペラ翼のデザインは数多く提案されている。これらを検証するために、エンジニアは設計のトレードオフ研究を行う必要がある。ヘリコプターのブレードやドローンをより効率的に、より低騒音にするために、これらのアプローチのいくつかが試されている。

魔法のプロペラはない

プロペラの形状は、特定の「運用範囲」に対して最適化されなければならないことを理解することが重要だ。これは、作動する流体や空気の特性、回転速度、前進速度、その他の詳細を意味する。その範囲外では、プロペラの性能は低くなる。

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MITの2017年特許のイラストで、5aが通常のプロペラ、5bがトロイダル・プロペラを示している。米国特許US10836466B2

今のところ、すべての運転条件とスケールで低騒音と高効率を実現する魔法のようなプロペラ形状を達成した人はいない。トロイダル・プロペラも例外ではなく、これまでに得られたわずかな結果から、その利点はまだ完全に定量化されていない。

よく設計されたトロイダル・プロペラと、設計が不十分な従来のプロペラを比較すると、大きな改善が見られるが、公正な比較とは言えない。

よく設計されたトロイダル・プロペラは、濃密な流体や特定の速度範囲など、特定の運転条件において優位性を発揮する可能性がある。しかし、同じ条件下でトロイダル・プロペラがよく設計された従来のプロペラと比較してどうなのかという疑問が残る。

なぜなら、改良は常にベンチマークに対する相対的なものであり、そもそも最も効率的な設計であるとは限らないからである。

トロイダル・プロペラについて発表されていないようですが、公正な比較のもう一つの側面は、同じ推力での異なるプロペラの比較だ。そうすることで初めて、騒音低減やプロペラを回転させるのに必要なエネルギーに関する真の利点が見えてくるのだ。

家庭での実験は代表的なものではない

今年初め、MITリンカーン研究所の2022年R&D 100賞のひとつにトロイダル・プロペラが選ばれたというMITの発表があり、大きな盛り上がりを見せた。3Dプリントしたトロイダル・プロペラの実験が広く行われているが、そのすべてが良い結果をもたらしているわけではない

これは、最適化されていない形状や、これらの実験の一部を行う一般の人々による科学的厳密性の低さが原因である可能性がある。このことは、科学界に研究の機会を与えるものであり、トロイダル・プロペラや従来のプロペラを真に評価し、最適化することでその性能を向上させることができる。

これまでにも最適化の研究は行われており、その中には機械学習技術を使って適切な形状を特定するものさえある。また、エンジニアは、人間がどのように音を感じるかを考慮し、音が気にならないプロペラを作ろうと試みている。

高価でスケールアップが難しい

トロイダルプロペラには明確なデメリットもある。主なものは、その複雑な形状のために大量生産にスケールアップするのが難しく、製造コストが高くなることだ。

また、構造が複雑なため、不要な振動を避けるために特別な配慮が必要で、高速回転時には大きな問題となる。これもまた、製造コストの上昇につながる。

ドローンにトロイダル・プロペラを使用する場合、重量が重くなるとドローンの応答性や安定性にも影響する。これは、風が強いなど乱気流が発生する状況で運用する場合に重要だ。

全体として、トロイダル・プロペラは、少なくともいくつかのケースでは、プロペラ設計におけるエキサイティングな最近の発展だ。より静かにすることはできるが、まだ完全に従来のプロペラを置き換えることは出来ない – すべての状況に適合する単一のプロペラデザインは存在しないのだ。


本記事は、Abdulghani Mohamed氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「What is a ‘toroidal propeller’ and could it change the future of drones? An expert explains」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。

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