マルチローターの飛行原理とは？プロペラ・揚力・推力・反トルクの仕組みを整理

「なぜドローンが浮くのか」を正確に説明できるかどうかは、機体システム分野の理解度を測るポイントです。プロペラの動きと機体の姿勢制御の関係を整理しましょう。

ザックリ言うと、「プロペラが空気を下に押すことで上に浮く。プロペラごとに回転数を変えることで前後左右・回転の動きを作る」という仕組みです。

プロペラが揚力を生む仕組み

プロペラが高速で回転すると、翼断面形状によって上面と下面に気圧差が生まれ、プロペラが空気を下方に押し出します（吹き下ろし）。この「空気を押し下げる力」の反力として、機体を持ち上げる力（揚力）が発生します。

プロペラの回転数が高いほど揚力が大きくなります。

全プロペラの揚力の合計が機体の重量を上回ったとき、機体は上昇します。揚力＝重量のとき、機体はホバリング（空中停止）状態になります。

スロットルとプロペラ回転数

操縦者がスロットルを上げると全プロペラの回転数が増加し、揚力が増して機体が上昇します。スロットルを下げると揚力が減少し、機体は降下します。

全プロペラの回転数を均等に変えることで高度のみを変化させます。

姿勢制御（ピッチ・ロール・ヨー）の仕組み

マルチローターは、プロペラごとに回転数を変えることで機体を傾け、水平方向への移動や回転を行います。

ピッチ（前後の傾き）

前方プロペラの回転数を下げ、後方プロペラの回転数を上げると、前が下がり後ろが上がる。機体が前傾きになり前進します。

逆にすると後退します。

ロール（左右の傾き）

左側プロペラの回転数を下げ、右側プロペラの回転数を上げると、機体が左に傾き左移動します。逆にすると右移動します。

ヨー（水平方向の回転）

ヨーの制御には「反トルク」を利用します。時計回りに回転するプロペラは機体を反時計回りに回そうとする力（反トルク）を生じます。

プロペラの回転方向を対角で逆にすることで通常はこの力が相殺されます。特定のプロペラ群の回転数を増減することで反トルクのバランスを崩し、機体を意図的に水平回転させます。

反トルクとクアッドコプターの設計

クアッドコプター（4枚プロペラ）では、一般に次のように回転方向が設定されています。

CW×2とCCW×2が反トルクを相殺し、機体がスピンしないよう設計されています。ヨー操作時はどちらかのペアの回転数を増減してバランスを意図的に崩します。

プロペラの枚数と用途

プロペラ数が多いほど1基あたりの負担が減り、冗長性（1基故障時の安全性）が高まります。重い機材の搭載や安全性が求められる業務では、ヘキサ・オクタが使われます。

クワッドコプター・ヘキサコプターなどのマルチローターの機体特徴については、無人航空機の飛行の安全に関する教則（下図）でも解説されています。

一問一答

Q1. マルチローターが上昇するために必要な条件は何か。

A1. 全プロペラの揚力の合計が機体重量を上回ること。スロットルを上げてプロペラ回転数を増加させることで実現する。

Q2. クアッドコプターで機体を前進させるにはどうするか。

A2. 前方プロペラの回転数を下げ、後方プロペラの回転数を上げることで機体を前傾きにする。傾いた揚力の水平成分が前方への推力となり前進する。

Q3. 反トルクとは何か。どう対処しているか。

A3. プロペラが回転する際に機体に生じる逆方向の回転力。クアッドコプターでは対角のプロペラを逆回転（CW・CCW）させることで反トルクを相殺している。

まとめ

マルチローターはプロペラの回転で揚力を生み、各プロペラの回転数の差によってピッチ・ロール・ヨーの姿勢制御を行います。クアッドコプターでは対角プロペラが逆回転することで反トルクを相殺し、安定した飛行が実現されています。

この仕組みを「プロペラ回転数」と「力の方向」で整理しておくことが学科試験の機体システム分野の基礎です。

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