皆さんこんにちは！
飛行機には、プロペラエンジンとジェットエンジンとに分けることができます。ジェットエン
ジンが主流となっている航空業界ですが、小さな飛行機や短い滑走路の飛行場などではプロペ
ラ機が活躍しています。そのプロペラも近年進化しています。
航空機のプロペラがより複雑になるにつれ、複合材料が鍵となる
コリンズ・エアロスペース社は、ロッキード・マーティンC-130Hの8枚羽根のNP2000複合材プロペラにより、一定のプロペラ直径でより大きな牽引力が得られると述べている。クレジット: コリンズ・エアロスペース
新製品と改造の両方において、より多くのブレードを組み込んだ新しい設計が登場するにつれ
て、プロペラ製造業者はますます複合材料に目を向けるようになっています。
「ハーツェルは現時点では複合材ブレードとスピナーの開発に専念することを決定しました」
とオハイオ州ピクアのハーツェル プロペラ社の社長 JJ フリッゲ氏は言う。「複合材ブレード
のプロペラは、重量が軽く慣性モーメントも小さいため、アルミニウム ブレードのプロペラよ
りもブレードの数を増やすことができます。」
彼の説明によると、ブレードの数を増やすと、特に高馬力の航空機では性能が向上し、多くの
状況では、低速性能（離陸と上昇）が大幅に向上します。
フリッゲ氏によると、複合材ブレードにはメンテナンス上の利点もある。カーボンファイバー
製とアルミニウム製のプロペラのオーバーホール間隔は通常同じだが、複合材にはオーバーホ
ールの合間に工場出荷時の状態に戻せるという利点がある。「アルミニウム製ブレードの場合
オーバーホール中に除去された素材は復元できない」と同氏は指摘します。
「そのため、アルミニウム製ブレードの耐用年数はオーバーホール 3 ～ 4 回分に短縮されま
す。しかし、カーボンファイバー製ブレードは復元回数に制限がありません」。
ハーツェルのカーボンファイバーブレードにはニッケルコバルトの電気鋳造先端部が組み込ま
れており、フリッゲ氏によればアルミニウムよりも硬く、水や異物による損傷を大幅に軽減す
るということです。
同氏は、プロペラアップグレードパッケージの需要が高まっていると付け加えました。例えば
ハーツェル社はピラタス PC-12、キングエア 200 および 350、パイパー メリディアンおよ
びDaher TBM シリーズ全体に搭載されている、より重い 4 ブレードのアルミニウム製プロ
ペラシステムの代替としてブレードの複合材製プロペラシステムを提供しているということです。
ハーツェルはピラタス PC-12 やその他の航空機に 5 枚羽根の複合材プロペラを提供しています。クレジット: アーティ・ドノフリオ/ニューイングランド・プロペラ・サービス
フリッゲ氏は、電動航空機にとって、バッテリーの重量増加を相殺するためには、より軽量の
プロペラが重要になるだろうと述べています。「電気推進は、今後数十年にわたって大きな成
長が見込まれる分野です」と同氏は言います。「当社は、電気推進プロジェクトに携わる多数
の企業と、どのように支援できるかについて話し合っています。そして、そのほとんどが複合
ブレードを求めています。」
「ブレードの数を増やすと、一定のプロペラ直径でより大きな牽引力が得られます」と、フラ
ンスの Ratier-Figeac/Collins Aerospace Mechanical Systems のプロペラ システム担
当ゼネラル マネージャー兼社長の ジャン＝フランソワ・シャヌー氏は言います。
「複合材や新しい先進的な材料を使用することが、ブレードなどの部品の総重量を減らす鍵と
なります。」
この点に関して、OEM は、エアバス A400M、ロッキード マーティン C-130H、
ノースロップ グラマン E-2C/D ホークアイに使用されている 8 ブレード複合システムである
NP2000 プロペラを開発および製造しました。コリンズ エアロスペースは、ハミルトンサンド
ストランドおよびラティエ フィジェックのブランドでプロペラ製品を販売しています。
シャヌート氏はまた、新しい軽量素材と高度な空気力学の組み合わせにより、プロペラシステ
ムの重量と推進効率が最適化され、特定の飛行プロファイルに必要な総エネルギーが削減され
ると指摘しています。「エネルギーが燃料、水素、電気のいずれから得られるかに関係なく、
この効率は温室効果ガス排出量の削減に直接つながります。これが私たちの目標です」と同氏
は言います。
ウィチタに本社を置くマコーリー・プロペラ・システムズ社では、同社のジェネラル・マネー
ジャー、ジョン・ダンデュランド氏によると、開発努力の大半はブレード、ハブ、駆動部品に
集中している。「プロペラ・システムの中で最も複雑な部品であるこれらの領域には、性能、
騒音、[オーバーホール間隔]、重量といった重要な側面を改善する最大のチャンスがある」と
同氏は指摘します。
ダンデュランド氏は、複合材の需要が高まっており、主にブレードに使用され、多ブレードシ
ステムの重量の大部分を占めていると述べています。さらに、複合材ブレードは鍛造の制約を
受けないため、設計プロセスの柔軟性が高まると指摘しています。
「複合プロペラブレードは、伝統的な木材やグラスファイバー構造から、カーボンファイバー
や樹脂設計まで、さまざまな材料から製造できます」と彼は言います。「この幅広い材料オプ
ションと特性は、特定の運用ニーズに合わせて調整できます。」
それでも、ダンデュランド氏は、従来のアルミ製プロペラがすぐになくなるとは考えていませ
ん。「アルミ製プロペラは引き続き人気があり、多くの運航業者にとって性能と価格のバラ
ンスが取れているため、今後何年もアルミ製プロペラが主流であり続けるでしょう」と同氏は
言います。
ダンデュランド氏は、炭素繊維複合材はアルミニウム製支柱よりも製造コストが高いが、コス
ト差はいくらか縮まっていると付け加えました。「数量と拡張性の増加により材料費と製造方
法が改善するため、この傾向は今後も続く可能性が高い」と同氏は指摘します。
ダウティ・プロペラズの技術ディレクター、ジョナサン・チェストニー氏は、英国ブロックワ
ースに本社を置く同社が1980年代初めにサーブ340旅客機向けに複合材ブレードを導入して
以来、繊維、樹脂、製造技術が進化してきたと語る。複合材はブレードの「最適な素材」であ
り続けていると同氏は言います。
「複合材はブレードにさまざまな利点をもたらします」とチェストニー氏は言います。「強度
が必要な場所にのみ繊維を配置できるため、重量を最小限に抑えることができ、さらに炭素複
合材の優れた強度対重量比も実現します。修理は追加で行え、疲労性能も優れているため、寿
命が最大限に高まります。」
チェストニー氏も、コストの課題が残っていることに同意しています。複合材料だけでなく製
造技術にも課題が残っています。彼は、高性能金属のコストも上昇していると強調しています。
「既存の金属処理の一部が環境や健康に及ぼす影響がますます認識されるようになりコストが
上昇するリスクがあります」と指摘しています。「目標が変わり続ける中、材料の選択にはす
べての要素を慎重に考慮する必要があります。」
チェストニー氏によると、今日のプロペラ設計ではスチールとアルミニウム合金が引き続き広
く使用されているが、航空機のニーズが進化するにつれて「派生品は変化している」というこ
とです。コスト、重量、持続可能性の要求によって、計上の決定が複数の方向のいずれかに押
し進められる可能性があると同氏は言います。
「推進システムが複雑になるにつれ、軽量化の価値は増しているようです」とチェストニー氏
は説明します。「これにより、従来はコストがかかりすぎた、より特殊な材料を採用する道が
開かれます。」
同時に、製造技術、特に積層造形技術の進歩により、「積層造形技術に伴うペナルティなしに
構造最適化を強化できる」ようになったと彼は指摘。
プロペラの性能を最大限にするには、「プロペラのすべての部品と航空機との統合を考慮す
る」必要があるとチェストニー氏は言います。しかし、ブレードは最も大きな影響力を持つ
ため最大の注意が必要であると同氏は強調します。それでも、最大限の効果を得るには、すべ
ての側面に重点を置く必要があると同氏は言います。たとえば、ハブ設計の強化によりスピナ
ーの直径を小さくすることができ、これは電動駆動で可能になるナセルの小型化と空気力学的
に一致させる上で重要になる可能性があるということです。
「ブレードは、空力プロファイルと構造の両方の点で、最も重要な要素であり、製造可能な最
高の空力形状を実現することに重点が置かれています」とチェストニー氏は言います。
「ダウティ社は、繊維強化複合材で製造可能な形状で最大の効率を実現する独自の翼形状ファ
ミリーを持っています。最近の研究では、最新の計算流体力学技術を利用して、提案された航
空機の設置内でこの効率が維持されるようにすることに重点を置いています。」
複合材とともに、ダウティ社は浸食問題にも取り組んでおり、この分野は今も研究が続いてい
ます。例えば、同社はポリウレタンコーティングを施しており、チェストニー氏によれば浸食
耐性が「劇的に向上」しているという。「ダウティ社は英国のメーカーと共同で、ナノ粒子な
どの独自の添加剤を開発しており、これによりベース材料のその他の重要な特性を維持しなが
ら浸食耐性を高めることができます」と同氏は指摘します。
複合材プロペラブレードに関する最新の開発の 1 つは、NASA の火星探査ヘリコプター
Ingenuity（日本意味：創意工夫）に焦点が当てられました。バージニア州アーリントンに拠
点を置くエアロバイロンメント社が開発したこのブレードの設計では、地球よりも密度がかな
り低い火星の大気の揚力を考慮する必要がありました。Ingenuity は 2 つの逆回転ローターを
使用しており、それぞれが 2 枚ブレードのプロペラを駆動します。ブレード 1 枚あたりの重量
はわずか1 オンス（約28グラム）です。
エアロバイロンメント社の航空機械エンジニアであり、インジェニュイティ プログラムの主任
エンジニアであるベン パイペンバーグ氏は、火星表面の大気の密度は地球の海抜 100,000フィ
ートとほぼ同等であると指摘しています。空気力学的減衰も減少するため、安定性と制御に問
題が生じます。
もう 1 つの問題は、火星の音速です。これは地球よりも約 30% 遅いです。「火星の音速が遅
いということは、通常よりも低い [毎分回転数 (RPM)] で、ローターの先端からの抗力発散な
どの圧縮性の問題に直面することを意味します」と ピペンベルグ 氏は言います。
「Ingenuity のブレードは、先端マッハ数 0.76 で動作するように設計されているため、最大
RPM はその速度以下の動作に制限されます。その結果、非常に高速で回転しながらも非常に
軽量な大型ローターが必要になりました。」
材料の選択と設計では、-125℃（-193℉）から115℃（239℉）の間の熱サイクル、紫外線
火星の塵に耐えることも考慮する必要がありました。
「私たちが直面したあまり目立たない問題の 1 つは、ロケットでヘリコプターを打ち上げるの
が実に難しいということです」とパイペンバーグ氏は言います。「インジェニュイティが遭遇
した荷重制限のケースのほとんどは、打ち上げ直後に経験した振動と、火星の表面を飛行中に
ヘリコプターが経験するよりもはるかに大きな力によるものです。ローター ブレードとハブを
設計する際に、飛行できるほど軽量でありながら、こうした荷重を考慮に入れることが最優先
事項でした。」
パイペンバーグ氏によると、インジェニュイティのローターブレードは、機械加工されたロハ
セルフォームコアの上に成形された数種類の炭素繊維複合材から製造されています。
ブレードの設計では、曲げ荷重に反応し、鮮明な制御応答に必要な非常に高いファーストフラ
ップ周波数を提供するために、高弾性および一方向のスパーキャップを使用しています。
非常に薄いスプレッドトウスキン（各ブレードのソリッドフォームコアの炭素繊維の上部およ
び下部の表面）の厚さは0.002インチ未満である。スプレッドトウスタイルの織物は、標準的
な織り方よりも薄く軽量です。材料は、宇宙や火星のような過酷な環境向けに特別に設計され
た東レアドバンストコンポジッツのシアネートエステル樹脂でプリプレグされています。
「インジェニュイティのために特別に開発した製造プロセスもいくつかありましたが、大部分
は、すでに宇宙飛行で実績のある材料に頼りました」とパイペンバーグ氏は言います。
「使用した複合材料はすべて、市販の市場で簡単に入手できます。」
カーボンファイバー素材は地上のプロペラブレードに通常使用されるものとかなり似ています
が、パイペンバーグ氏によると、標準的な織物素材よりもはるかに薄いラミネートです。
「シアネートエステル樹脂マトリックスはより珍しいものです」と彼は説明します。「宇宙の
過酷な環境に耐えられるように特別に配合されています。微小亀裂や紫外線劣化に強く、吸水
性とガス放出が低く、極端な温度にも問題なく対応できます。」
そこで当然の疑問となるのが、エアロバイロンメント社が火星の過酷な環境向けにインジェニ
ュイティのプロペラブレードを設計するために採用した技術が、地球上の固定翼機や回転翼機
にどの程度転用できるのか、ということです。
「いくつかの材料と製造技術は、地球上のローターやプロペラに間違いなく役立つと思います
」とパイペンバーグ氏は言います。「高弾性炭素繊維材料とスプレッドトウスキンは、優れた
機械的特性を備えた非常に軽量な部品を生み出すことができます。」
コネチカット州イーストハダムのニューイングランドプロペラサービスの社長、アーティ・ド
ノフリオ氏によると、複数のブレード設計による軽量化と性能効率が明らかになるにつれより
多くのプロペラOEMが複合ブレードに移行しつつあるという。それでも、少なくとも今のとこ
ろは、複合プロペラには独自のメンテナンス問題が伴うと同氏は警告しています。
「私たちが話しているのは、ほとんどの整備士が修理したことのない新しいタイプのプロペラ
ブレードです」と彼は指摘します。「OEM が複合材をより多く使用するようになると、整備
士の間で大きな学習曲線が生まれます。実際、それは現在進行中です。たとえば、修理の許容
範囲とそうでない範囲を学習し、それが判明したら、どのように修理するかを学習する必要が
あります。」
ドノフリオ氏によると、もう 1 つの大きな問題は、複合材の修理はアルミニウムの修理よりも
時間がかかることです。特に、剥離の場合はそうです。たとえば、アルミニウムのプロペラの
前縁に傷がある場合、整備士はヤスリなどの工具を使って傷を滑らかにするだけで済みます。
これは通常、現場で行うことができ、時間もかかりません。
「複合材ブレードに同様の損傷が発生した場合、修理のために外部のショップで取り外した
り特別な材料を注文したりする必要があるかもしれません」とドノフリオ氏は指摘します。
「また、複合材や接着剤の多くは保存期間が限られているため、修理施設には修理に必要な在
庫がない可能性があります。」
今後、複合材はプロペラブレードの設計にますます浸透していくだろうとドノフリオ氏は予想
しています。「特に電動式の航空機が増えれば、プロペラ技術に新たな革命が起こるでしょ
う」と同氏は言います。現在開発中の電気推進システムは重量を増加させるため、より軽量の
プロペラを使用する必要があります。現在よりもさらに軽量のプロペラが必要になります。
ダウティ社が次世代航空機プロペラブレードの開発に取り組む
GE エアロスペースの子会社 ダウティ のエンジニアリング リーダー、ジョナサン・チェストニ
ー 氏がインタビューで、航空機のプロペラ ブレードの設計の進歩とそれがメンテナンス プロ
セスに与える影響について語ります。
次世代の複合プロペラブレードをどのように定義していますか?
持続可能性への取り組みにより、プロペラへの関心が再び高まっています。1940 年代に初め
てジェット エンジンをターボプロップ構成に改造して以来、プロペラにとって最大のチャンス
が到来していると言っても過言ではありません。業界の炭素削減ニーズに応えるために現在
の確立された限界を超えて拡大する可能性が存在します。
ダウティ は、持続可能なプロペラ飛行の未来を推進するという目的を確実に果たすために、効
率、速度、騒音の領域に注力してきました。テストに裏付けられた計算流体力学などの分析技
術の向上により、効率と騒音の両方で大きな改善が達成できることが実証されています。
こうした改善を実現するために、ブレードの形状はますます複雑になっており、安全性、耐久
性、信頼性を維持するために構造の継続的な革新が求められています。また、構造性能が空力
音響性能に追いつくようにするには、分析ツールの進歩も必要です。ポリマー マトリックス複
合材の使用によって得られる柔軟性は、こうした高度なブレード構造のニーズに完全に適合し
ています。 ダウティは 50 年以上にわたって複合材ブレードに取り組んでおり、1984 年に最
初の全複合材ブレードが サーブ 340 航空機に採用されました。
ブレード製造の自動化は大きな課題ですか?
堆積速度が主な要因となる航空機構造を中心に、多くの技術が開発されてきましたが、ブレ
ードでは小さな半径で複雑な曲率を実現する必要があり、多くの自動化パスの使用が制限され
ます。編組の使用は人気があり、これらの技術の継続的な開発はブレードに最も有益であるこ
とが証明されています。これは、最新のブレード形状にも当てはまります。
製造技術は、約束された業界のタイムスケール内で意味のある環境変化に必要な速度で工業化
できるものでなければなりません。自動化はソリューションの 1 つの要素にすぎません。
デジタル テクノロジーのメリットを最大限に活用することも、効率を最大化し、ライフサイク
ル全体にわたるコスト効率を達成するために必要なデジタル ツインの基盤を構築する上で重要
です。
持続可能な航空燃料 (SAF) や電気推進などのより新しい、より効率的な燃料源は、プロペ
ラの製造にどのような影響を与えていますか?
現在の推進技術では、段階的な改善以外に明確な前進の道筋はなく、ガスタービンの熱効率向
上で達成できる限界に近づいています。業界は、SAF や水素などの代替燃料と、電化レベル
の向上に期待を寄せています。
当社は、完全電動、ハイブリッド電動、水素燃料電池（液体および気体）、SAF、燃焼用水素
オープンローター構成など、幅広い破壊的パワートレイン技術の要件に合わせて技術ロードマ
ップを調整しています。
これらの新興技術はさまざまな可能性を秘めていますが、実現可能性と費用対効果については
まだ答えが出ていない疑問があります。特に、業界内の数少ない合意点の 1 つとして、持続可
能性のニーズに完全に対応できるソリューションは 1 つもないということが挙げられます。そ
のため、あらゆる選択肢に対応する準備が必要です。
将来のプロペラ製造において重要な特徴は何でしょうか?
まず、重量です。ブレードに複合材を使用すると重量面で大きなメリットが得られますが、プ
ロペラ システムの残りの部分にも同様の配慮が必要です。フェアリング、軽量で高強度の金属
合金、および付加技術の適用における複合材の使用はすべて検討されています。
私たちは工業化も考慮します。製造技術が拡張可能であり、一定の速度で提供できる状態にあ
ることが重要です。
最後に、環境の持続可能性は、プロペラが満たさなければならない必須事項の 1 つです。
ライフサイクル分析により、空気力学的性能はプロペラにとって最も重要な要素であることは
明らかですが、製造プロセスにおける炭素の削減にも常に重点を置く必要があることがわかっ
ています。原材料、製造時のエネルギー使用量、リサイクル性を考慮した設計の検討はすべ
て将来の製造技術にとって重要な要素です。
技術は新しい複合材の修理に対応できるほど急速に進化していますか?
製品の堅牢性と保守性は Dowty にとって常に優先事項であり、プロペラは修理可能性を考慮
して設計されています。製品開発プロセスで考慮する 1 つの側面は、可能な限り、検査および
修理技術を含む既存の利用可能な技術を使用して機器を保守できることです。
検査を簡素化し、改善する画期的な技術が登場しています。製造時に構造物に組み込むものも
あれば、修理工場で活用されるものもあります。どちらもメンテナンス コストを削減し修理
作業の安全性を向上させる可能性があります。また、メンテナンスと取得コストを最小限に
抑えるために、製造技術と並行して修理技術も改善したいと考えています。
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