　騒音の低減と空力性能はトレードオフの関係にあり、騒音を抑える設計変更は一般に空力性能を損なう傾向がある。例えば、プロペラの形状を変更して騒音を抑えた場合、推力や効率の低下を招くことがある。一方で、進行方向に最初に空気と接触する回転翼の前縁部は、形状や設計によって空力特性が大きく左右されるため、最適な形状を施すことで騒音低減効果を得ることが可能である。

　今回の研究では、三井化学が提供したマルチローター無人航空機向けプロペラのモデル形状に、静音飛行が可能なフクロウの翼を模した鋸歯（きょし）形状を適用し、計算機シミュレーションを実施した。鋸歯形状を前縁部に組み込んだ複数パターンのプロペラにおける空力音響特性を解析した結果、「SER6」モデルにおいて最大3dBの騒音低減効果を確認。同時に、空力性能の指標であるFM値では4～8％の軽微な低下にとどまった。

　前縁部の鋸歯形状の最適化は、振幅や幅（波長）といった幾何学的パラメーターに大きく依存する。今回の解析では、幅および振幅を各6mm、間隔を8mmとした鋸歯（SER6）において、騒音低減と空力効率のバランスが最も良好であることが判明した。これにより、騒音低減と空力性能という相反する要件の最適化には、鋸歯寸法の設計が重要な役割を果たすことが示された。

フクロウの翼の構造理解からプロペラ設計の流れ。（a）フクロウの翼の形態、（b）フクロウの第10主羽根、（c）クリーンなベースラインのプロペラ（CLE）と、鋸歯の大きさが異なる3つの鋸歯状のプロペラ（SER3、SER6、SER9）、（d）CLEモデルの正面図、（e）鋸歯形状の特徴［クリックで拡大］出所：千葉大学

　今回のシミュレーションで使用したプロペラモデルは、直径72cm以上の大型サイズであり、大型ドローンや空飛ぶクルマ（空モビリティ）への実装も視野に入る。重量の大きな機体に搭載することで、都市部における航空物流や次世代交通への応用が期待される。

フクロウ規範プロペラのデザイン［クリックで拡大］出所：千葉大学

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