なぜドローンは安定して飛行できるのか？反トルクについて考える

誰でも簡単に安定した飛行を楽しめるドローン。少し前までは考えられないものです。

ヘリのラジコンはずっと前からありましたが、価格も高く操縦が難しくほんの一部の方の贅沢な趣味というイメージでした。

ここでは、ドローンを誰でも安定して飛行させることがなぜ可能なのかについて、ドローンの飛ぶ原理についてお話します。

 

ドローンが飛ぶには何が必要か・・・もちろん真っ先にプロペラが必要ですよね！

それはヘリのラジコンも同じです。

でも１つ決定的に違うところがあります。それはもちろんドローンには何枚もプロペラが付いていることですよね。

なぜドローンには複数のプロペラが付いているのか？

その説明の前に、まずヘリのラジコンが飛ぶ基本原理についてお話します。

ヘリが飛ぶ原理

ヘリにはローター（プロペラ）が基本的に２つ付いています。

１つはメインローターと呼ばれる機体の真上に水平に付いているローターです。もう１つはテールローターと呼ばれる機体の後ろに垂直に付いているローターです。

これらメインローターとテールローターにはそれぞれ役割があります。

メインローターの役割

メインローターの役割とは、ずばり機体を浮かせる力を発生させるためにあります。

メインローターを回転させることで上向きの力（揚力）が発生し、その力が機体重量を超えると機体は宙を舞います。

テールローターの役割

テールローターの役割は、主に機体の方向を制御するためにあります。

メインローターを回転させると、機体はメインローターの回転とは逆方向の力が発生します。これを反トルクと呼びます。メインローターを回転させただけだと、機体が宙を舞った瞬間に機体がメインローターの回転方向と逆向きに回転してしまうのです。

なぜ反トルクというものが発生するかというと、メインローターはそこそこ質量があるためです。

竹とんぼを飛ばすことを想像してみてください。

実は、竹とんぼを手のひらで回転させているときにも反トルクは発生しています。なぜ反トルクが発生しているのに体は微動だにしないのかというと、竹とんぼの質量に対して私たちの体重が桁違いに重いからです。加えて地面に足を付けているために、私たちの足の裏には摩擦力というものが発生しており、それも竹とんぼを回転させても私たちの体が微動だにしない理由です。

ヘリに話を戻すと、確かにヘリのメインローターと機体自体の質量は機体の方が何倍も質量があります。しかし竹とんぼと私たちの体重ほどではありません。加えて、揚力がヘリの質量に勝ったときヘリは宙に浮きます。宙に浮くとヘリのスキッド（ヘリの足の部分です）に今まで発生していた摩擦力が０になります。このためにヘリがメインローターだけで飛行しようとすると反トルクの作用により、メインローターの回転方向とは逆向きに回転してしまうのです。

テールローターはこの反トルクを打ち消す向きに力を発生させます。

反トルクとテールローターのこの打ち消す力が釣り合っているときにヘリは宙に静止することができるのです。

逆にテールローターの回転を弱めて反トルクの方が強い状況をあえて作り出すとヘリはメインローターの回転方向と逆向きに機首を向けることができます。その逆はもうお分かりですよね。

この通り、ヘリにはテールローターが必要不可欠な存在なのです。

では複数のプロペラが付いているドローンはどうかというと・・・

ドローンには複数プロペラが付いています。よく見かけるのはクワッドコプターと呼ばれる４枚プロペラが搭載されているモデルです。

その他にも、ヘキサコプター（６枚プロペラ）、オクトコプター（８枚プロペラ）などがあります。一般的にプロペラの枚数が多ければ多いほど飛行時の安定性は増し墜落の危険性は減少すると言われています。ただし、その分メンテナンスやコストもかかります。個人で飛行を楽しむのであればクワッドコプターで十分です。

話を戻して、ドローンのプロペラが回転する場合にももちろん個々のプロペラに対して反トルクが発生しています。

しかし、ヘリのように機体に垂直に付いたテールローターのような存在は見当たりません。

これは、複数のプロペラ同士でこのそれぞれが発生させる反トルクを打ち消しているためです。

実は、ドローンに搭載されたプロペラの回転方向は全て同じという訳ではありません。基本的には隣り合うプロペラはそれぞれ逆回転になっています。

１つのプロペラで発生した反トルクは、その隣にあるプロペラが発生する反トルクで相殺してくれるという訳です。

これによりドローンはテールローターを搭載しなくても安定したホバリングか可能なのです。

ちなみにドローンが機首の向きを変えるときは、このバランスを崩します。それぞれのプロペラの反トルクが釣り合った状態からこのバランスを崩すことで、ドローンの機首を向けたい方向に向けることができるのです。