アメリカの学生がレオナルド・ダ・ヴィンチのスケッチを基にドローンを開発
1480年代末、レオナルド・ダ・ヴィンチは「空気スクリュー」で駆動する一人乗りヘリコプターの精巧な設計を描きました。その素描を見て、この機体が実際に飛べるのだろうかと疑問に思った人もいるかもしれません。今ではその答えがわかっています。このイタリアの天才は正しかったのです。
2019年以降、メリーランド大学のエンジニアチームは設計コンペの一環として基礎技術の開発と試験を進めてきました。その後、研究チームのメンバーであるオースティン・プレテ氏が、ダ・ヴィンチのスクリュー設計を用いた無人クアッドコプターCrimson Spinを製作し、数回の短い飛行を行いました。
「うまくいったことにまったく驚いています」と、大学の航空宇宙工学部で修士号取得のためにこの機体を開発した大学院生のプレテ氏は語ります。当初、彼と他のチームメンバーは懐疑的でしたが、いくつかのコンピューターシミュレーションや3Dプリンターで出力したプロトタイプのスクリューが有望な傾向を示したことで、ダ・ヴィンチの設計にさらに期待を寄せるようになりました。
同氏は先週、カリフォルニア州サンノゼで開催された「Transformative Vertical Flight 2022」会議で、研究結果と機体の初飛行映像を発表しました。
このプロジェクトは、現代の技術が従来の飛行機やヘリコプターの設計とどのように異なるかを示す好例です。15世紀の飛行装置がすぐにAmazonの荷物を届けることは考えにくいものの、会議では、ヘリコプターのように垂直に離陸し、その後は飛行機のように水平に飛行できる珍しい航空機の数々も紹介されました。
Kitty Hawk、Airbus、Transcend Air、Jauntなどの企業は、この業界に革命をもたらし、エアタクシーで人々を運ぶことを期待しています。
プレテ氏が製作したのは小型ドローンにすぎませんが、この技術は人を乗せられるほど大型の機体にも応用できる可能性があります。「私は、この技術は十分にスケールアップできるはずだと本当に考えています」とオースティン氏は述べました。
メリーランド大学の大学院生は、ダ・ヴィンチが入手できなかった素材の恩恵を受けました。ルネサンス期の建材である木材や革は、航空機にとっては重すぎました。また、ダ・ヴィンチにはコンパクトな動力源もありませんでした。
プレテ氏は、空気スクリューの設計を可能にしたアルミニウム、プラスチック、電動モーター、バッテリー、コンピューター制御システムを利用できました。さらに、エンジニアがプロトタイプの開発やコンピューター内での空力シミュレーションに用いた、設計支援ソフトウェアや数値流体力学ソフトウェアも役立ちました。
現代のクアッドコプター技術も、この設計を実用的なものにする助けとなりました。これらの技術は、スクリューの回転速度をわずかに変化させることで、ドローンを何らかの方向に傾けて制御します。プレテ氏によれば、従来のヘリコプターのように単一のローターで構成する設計を試みるのは、はるかに困難だったはずです。ヘリコプターは、回転する各ローターの傾きを連続的に調整するため、複雑な伝動機構と操縦装置を使用しています。
しかし、課題も数多くあります。その中には、空気スクリューの重量の増加や、潜在的な不安定性も含まれます。プレテ氏は、何か奇妙な空力特性が、Crimson Spinを空中に保つのに役立っていたとみられることを発見しました。
超音速旅客機コンコルドのような三角翼の航空機は、翼の前縁のすぐ後ろで渦を巻く気流を生み出します。この渦が低圧域を作り出し、揚力を高めることがあります。シミュレーションによると、同様の渦が空気スクリューの平らな面の外縁に沿って形成され、機体全体に螺旋状に降下しながら上昇推力を生み出していることがわかりました。
この空力特性の結果として、空気スクリューは通常のプロペラに比べて下向きの気流が少なくなります。大学院生によれば、その下では砂ぼこりなど、吹き飛ばされる物が少なくなるということです。また、おそらく騒音もはるかに小さくなります。
この動作する空気スクリューは、DJI製ドローンほどの大きさの小型無人機ですが、プレテ氏は「形状の最適化と、さまざまな飛行モードでの性能研究」によって改良できると考えています。同氏はこのプロジェクトにはもう関わらないものの、関心と資金があれば、メリーランド大学で研究を継続できると考えています。
「これは実用的な浮揚機になりうるものであり、人を乗せられる規模にまで拡大できる可能性もあります。ただし、機能、信頼性、性能についてさらなる研究が行われるまでは、現在の企業の開発に用いられる様子は見当たりません。とはいえ、最終的にはダクトファンと同じような用途で使われるようになるかもしれません」
ダ・ヴィンチのスケッチに着想を得たこのドローンは、離陸と移動が可能です。飛行中、この珍しいプロペラは無人航空機に特有ではない、ドリルのような音を発します。
