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■羽ばたき機の調整について■
「羽ばたき機」と呼ばれる機種には様々な形式があるのですが、写真は一番シンプルな「内支点、単葉、通常尾翼」という形式です。構造は比較的単純なのですが、調整には案外シビアな面があります。
2001年末に製作した写真の機体「FREEBIRD2」の場合、調整不調は、強い右ローリングとして現われました。ゴムの巻数を増やすほど、発航初期の右へのロールが強くなり、高度がとれず、地面をのたくるような飛行になりました。ゴムの巻数を少なくすればこのローリングは弱まり、比較的安定飛行するようになりますが、それでは結果として長時間の滞空をさせることはできません。
これは、内支点タイプの羽ばたき機に顕著に表われる「クランク回転部の左右の振幅により生じる、左右不均等なローリングモーメント」が一因と考察しました。
ゴム動力羽ばたき機は、ゴムの回転運動を上下運動に換えるため、何らかの形でクランクを使っています。左右の翼はそれぞれの支点を中心に実際には角度の限られた回転運動をしており、クランクからの駆動力は縦方向に伸びる２本のコンロッドで翼に伝えられます。
この「コンロッド」と左右の翼との接合部が、駆動力を伝える「作用点」になるわけですが、この作用点は、構造上、正面から見て決して左右同一の点にはならず、どうしても左右に距離を持って離れることになります。
一方、駆動部分のクランクもしょせん回転運動ですから、クランクが右側に寄ったとき(最右点)と左側に寄ったとき(最左点)では、角位置は同じでも左右のコンロッドの引っ張られ方に差が出ます。すなわち、最右点では左側のコンロッドが右側コンロッドより多く引かれ、最左点では逆になります。このため結果として、左右の羽ばたきは同じ位相にはならず、一定の角度ずつズレることになります。
さて、先ほどの「作用点」と「支点」との位置関係により、羽ばたき機は「内支点」式と「外支点」式の２種類に分かれますが、「内支点」式と「外支点」式では羽ばたきのズレの量に差が出ます。
すなわち、左右の作用点の距離が小さい「外支点」式の方がズレが小さく、作用点の距離が大きい「内支点」式はズレがより大きくなります。冒頭写真の「FREEBIRD2」は「内支点」の例です。
これを図示すると以下のようになります。
一方、この写真の「KAMO-3」（別のコーナーで紹介）は「外支点」の例です。
KAMO-3は先尾翼形式のため、もともと主翼と尾翼の配置がFREEBIRD2と逆ですが、「外支点」の特徴は基本的に共通です。
写真をクリックすると、駆動の動画が見られます。(Quicktime Movie 424KB)
内支点のこのズレを解消するためには、いくつかの方法がありますが、クランク部分の形状を写真のような「Ｗクランク」(立体クランク)と呼ばれる形状にするのが代表的です。
左の写真は、立体クランクに改造した「FREEBIRD2」の機首部分です。
立体クランクとコンロッドの動きの分解写真をご覧下さい。
上記の図の通常クランクの場合に比べ、左右の羽ばたきのズレの量が明らかに減っているのがわかると思います。
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写真をクリックすると、駆動の動画が見られます。(Quicktime Movie 480KB)
実を言えば、「FREEBIRD2」のオリジナル図面【2008年6月 リンク切れ訂正】では、この部分はもともとこの立体クランクにするよう指定されていたのですが、はじめ私がその意味を理解できずに単純な二次元クランクで製作していたのです。
また、羽ばたき機を専門に研究していらっしゃる奈良の高谷さんのホームページにも、この立体クランクの作例を含む図面が公開されています。
高谷さんのページには、上記の立体クランクだけでなく、羽ばたきの均一化のためのより高度な構造として、「Ｙ字クランク」の作例も紹介されています。
高谷さんのこれらの機体は屋外型で数分間という滞空ができるそうで、必見です。
ちなみに、羽ばたきのローリングを弱めるもう一つの方法は複葉化です。
複葉は内支点・外支点のどちらの場合でも、上下左右の４枚の羽ばたき翼の周期のズレが分散されるため、単葉（羽ばたき翼が左右２枚）に比べて特定方向への偏向が出にくいことになります。
写真左が壇上彰宏さん製作の「Freefly」、そのとなりが柴田進さん製作の「はごろも」です。「はごろも」のクランク構造部分の拡大がその次の写真です。
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さて、立体クランク化で、FREEBIRD2の旋回癖は明らかに改善されました。が、しかし右旋回傾向はまだ残りました。
業を煮やして、原設計にはない垂直尾翼を追加し、これに強い左旋回オフセットをつけてみましたが、これも右旋回がいくらか弱まるだけで、かえってゴム巻数が減った際の左旋回が強くなりすぎ、失敗でした。
手詰まりからしばらく放置していたのですが、'02年の夏、いっそ初心に帰ろうと、水平尾翼の迎え角の調整をやり直してみました。具体的には、飛行ルートがほんの少しピッチング気味だったため、それまでよりわずかに下げ舵になるよう(ほんの１度かそこらです)付け替えたのですが、なんとこれが劇的に効いたのです。
具体的には、右旋回癖が非常に弱くなり、ゴムの巻数を増やして右旋回が強まることもなくなり、最大巻数に近づくとかえって左旋回にはいるようになりました。
左旋回は、あとづけの垂直尾翼の左オフセットの効き過ぎと思われたため、ここで垂直尾翼を除去しました（←写真）。
最終的に、これでようやく、原設計にほぼ近い形状で安定飛行をするようになりました。
今回の一連の調整を通じ、左右の主翼の羽ばたきのバランス・重心位置・それに水平尾翼の角度、これらが十分に調整された羽ばたき機には、垂直尾翼がいらないということがよくわかりました。
本物の鳥に垂直尾翼がついていないことの意味も、ようやく理解できました。彼ら(鳥)は、今回私がやったような微調整を、(当然ですが)常に自分たちの肉体で完璧にコントロールしながら飛んでいるのです。
■ゴム動力機の木製プロペラの空転のお話■
(1)昔は模型屋さんならたいていはおいてあったと思われる、ライトプレーン用木製プロペラの空転金具。
手持ちのものをスキャナでそのまま読んでみました。けっこう読めるもんですね〜。
ふつうは真鍮でできていますね。らせん状の部分の切り欠きの向きにより、正転でシャフトがロックされてゴムのトルクがプロペラに伝わり、逆転の時はシャフトが滑って空転するようになってました。
実際に金具を取り付けたところを正面から見る。
取り付けには小釘を使います。
右の写真→は側面から見たところです。
(2)次は市販の金具がなく、空転機構を自作する場合の例です。
実際には(1)のような金具が手元にない方がほとんどだと思います。それでもたまたま木製プロペラがあり、それを空転させたいときは上のようにするのが一つの手です。
ゴムの動力を伝えるピアノ線のシャフトが、プロペラを貫通したところで１つの輪をつくるようになっています。一方、この輪に刺さるように、別の短い数ミリの棒状のピアノ線（ストッパー）が取り付けられています。
ストッパーは支点を中心にフリー回転するようになってます。
このストッパーを輪の中に入れてからゴムを巻きます。すると回転トルクがかかりますから、動力回転中はストッパーは輪から抜けません。このためプロペラが回ります。
上空でゴムがほどけると、シャフトの回転が止まるとともにプロペラが前方からの風圧で回ろうとし始めます。
この際、上記のストッパーは輪から抜けるので、シャフトがフリーになり、プロペラは空転します。
写真の例では、シャフトのピアノ線はφ0.9mm、ストッパーはφ0.5mm前後です。ストッパーをフリー回転させるためには、その根本を写真のようにクルクルっと小さく丸めなければならず、これは生のピアノ線では固くて難しいですから、その部分を焼鈍（やきなまし）して柔らかくしておく必要があります。
この方式だと、先に述べた真鍮の空転金具にくらべて、確実に空転します。ただしご覧の通り、作るのはめんどうです。ここまで手間をかけるんだったら、いっそ折り畳みプロペラにしてしまった方が性能はいいです。
しかし、スケール機など、折り畳みプロペラではかえって都合が悪い機種もありますので、それには有効な方法でしょう。
(3)スピンナーつきスケール機のプロペラ空転
ゴム動力スケール機のプロペラ処理でやっかいなのは、1930年代以降の機種ではスピンナーをつけているものがほとんどだということです。
これはスケール機のページに載せている「ウイットマン＝テールウインド」ですが、ホームビルト機ながらスピンナーをつけた例があり、模型もそれを模しています。
スピンナーつきの機種では、(1)(2)のような方法ではプロペラの実際の形を崩してしまいます。
このため、下のようなことをやります。
小さくてわかりにくいですが･･･。
この作例では、プロペラをシャフトが直接通っているのではありません。プロペラ側にはシャフトと内径がほぼ一致する金属製のパイプが通してあり、これはプロペラに接着してあります。（つまり、プロペラ・バルサ削りだしスピンナー・金属パイプ が一体です。）
このパイプの先端が、シャフトが空転するように斜めにヤスリで削ってあります。
つまり、(1)の金具と同じ形を、パイプの先端部につくってやるわけです。
こうすると、ご覧のようにスピンナーつきの機体でもほとんど目立たない外観でプロペラの空転ができます。
ちなみに、この作例では、シャフトのφが0.7mmぐらい、真鍮パイプは内径が0.8mm・外径が1.2mmぐらいです。
先端をカギ状に削るのは難しく見えるかも知れませんが、目の細かい細工用の金属ヤスリさえあれば案外簡単です。少なくとも、(2)よりは。
あとは応用です。写真の下はこれもピーナッツスケールの零式艦上戦闘機21型ですが、これも(3)の方法で空転させています。
ただ、違うのはその部分がスピンナーの内側に隠れていることです。当然、白いスピンナー（これもバルサ削りだし）は内部が空洞になっています。
内挿してしまうと部品交換ができないので、真鍮パイプの磨耗が心配でしたが、たぶん百回以上フライトした現在でも、この部分の故障は皆無です。