プロペラとは｜船・航空機・潜水艦の推進の仕組みと原理、種類・用途を解説

プロペラは、大きな風や強い流れを作ることによって、水中や空中の飛行機、船、潜水艦を走らせます。これは、2枚以上の翼を非常に速く回転させることによって行われる。プロペラの翼は回転翼として働き、ベルヌーイの原理とニュートンの第三法則を応用して、翼の前面と後面の間に圧力差を発生させ、力を発生させる。

仕組みと原理

プロペラは回転によって流体（空気や水）を後方へ押し流し、その反作用として前方へ進む力（推力）を得ます。ブレード（翼）は翼型を持ち、回転により迎角が生まれて圧力差を作り、揚力方向の力が軸方向の推力成分となります。流体力学的には、プロペラは流体の運動量を増加させる装置であり、推力は「質量流量 × 速度増分」で表せます。ブレードが流体に与えるエネルギーの一部は渦（後流の回転）として失われるため、渦を減らす形状や、二重反転（コントラローテーション）などで効率を高めます。

回転時にはプロペラ後流（スリップストリーム／プロップウォッシュ）が形成され、機体・船体に追加の流れを与えます。航空機では尾翼の効きや操縦特性、船舶では舵効きや船尾付近の流れに影響します。

主要な部品と用語

ハブ：ブレードの根元をまとめて軸に取り付ける中心部。
ブレード（翼）：推力を生む要素。根元から先端にかけてねじり（ツイスト）を持ち、各半径位置で適正迎角になるよう設計。
翼型・カンバー：断面形状。圧力分布と揚抗比を左右する。
ピッチ：1回転で理想的に進む距離（ねじのリードに相当）。ピッチスピードは「ピッチ × 回転数」で概算でき、速度や負荷に直結。
直径：取り込む流量を左右。一般に「大径・低回転」が効率的。
ブレード数：増やすと振動や騒音低減・直径短縮に有利だが、抵抗増で効率低下の傾向。用途で最適化。
スキュー/レーク：平面形や傾きの工夫。キャビテーション抑制、騒音低減、強度向上に寄与。

プロペラの種類

固定ピッチ（FPP）：構造が簡単・軽量・低コスト。負荷や速度の変化に対する柔軟性は小さい。
可変ピッチ（CPP）・定速プロペラ：ピッチ角を運転中に変え、最適効率を維持。航空機ではガバナーで回転数を一定に保つ。船舶では前後進の切替や微速制御に有効。
フェザリング：航空機でエンジン停止時にブレードを気流に沿わせ、抵抗を最小化。
可逆ピッチ：ターボプロップや船舶で逆推力を発生し、制動・後進に用いる。
二重反転（コントラローテーティング）：後段プロペラで後流の渦を回収し、推力向上とトルク反作用の相殺を図る。
ダクテッド/ノズル付き：リングやノズル（例：コートノズル）で低速時推力とキャビテーション耐性を向上。曳船や作業船、スラスターで多用。
ポンプジェット：潜水艦などでのダクテッド・マルチブレード。静粛性とキャビテーション抑制に優れる。
折りたたみ式：滑空機や帆走艇で抵抗低減のために使用。

用途別の特徴と運用ポイント

航空機（ピストン・ターボプロップ）：プロペラはエンジン出力を推力に変換します。離陸や上昇では低ピッチで高回転、巡航では高ピッチが効率的。定速プロペラは操縦者が選んだ回転数を保ちつつピッチ自動調整で最適負荷を維持します。飛行中の特性として、トルク反作用、Pファクター（高迎角時の左右推力差）、ジャイロ効果、スリップストリームによる方向舵への当たりなどが操縦に影響します。先端が音速に近づくと圧縮性影響で騒音・効率低下が起きるため、直径や回転数で先端マッハを管理します。着氷環境ではブーツや電熱、薬剤で翼を防除氷する仕組みが用いられます。

船舶・ボート：巡航時の高効率には大径・低回転が有利ですが、喫水・地上げや振動・騒音・空洞化（キャビテーション）との兼ね合いで設計します。作業船はノズル付きプロペラで低速推力を稼ぎ、プレジャーボートでは応答性や耐衝撃性からアルミ/ステンレス製の多様なピッチが選ばれます。複数軸・アジマス式で旋回性や可搬性を高める例も一般的です。

潜水艦：静粛性とキャビテーション抑制が最優先。強いスキューを持つ多翼プロペラやポンプジェットを採用し、低回転で大推力を得ます。深度により静水圧が高まりキャビテーション限界が上がるため、運用深度と速度の管理が重要です。

性能と設計の基礎

効率：プロペラ効率は通常0.6〜0.9程度（設計点で高く、離脱時やオフデザインで低下）。渦損失、摩擦、キャビテーション、圧縮性によって低下します。
パラメータ：直径・ピッチ・回転数・ブレード数・翼型・ねじり分布が推力と必要トルクを決定。用途ごとの「速度域」「負荷」「騒音規制」に合わせて最適化します。
評価指標：進行係数J、推力係数CT、動力係数CPなどの無次元量で性能を比較・選定します（専門設計では翼素運動量理論やCFDを併用）。

材料と製造

航空用：木製（軽量・吸振）、アルミ（普及）、CFRPなど複合材（高比強度・形状自由度・疲労耐性）。
舶用：ニッケルアルミ青銅（耐食・耐キャビテーション）、ステンレス、チタン（高価ながら高強度）、複合材スキンなど。鋳造後の機械加工や5軸CNC、ショットピーニング・研磨で仕上げます。

キャビテーション・騒音・振動

キャビテーションは局所的な圧力低下で気泡が生じ、崩壊時に衝撃で浸食・振動・騒音を引き起こす現象です。対策として、適切な直径と回転数、スキュー形状、滑らかな表面仕上げ、ノズルやダクトの採用、負荷分布の最適化が用いられます。海洋騒音の主要要因でもあるため、船舶・潜水艦では低騒音化設計が重視されます。

安全と保守

安全：回転体は視認しづらく危険。地上・甲板では後流や吸い込みに注意し、エンジン始動時は周囲確認。水中では遊泳者の接近防止を徹底。
点検：欠け・曲がり・腐食・電食・クラック・バランス不良を定期確認。船舶は海藻・ロープの巻き込みに注意し、犠牲陽極や塗装で防食。航空機はハブシールやガバナー、除氷装置の整備が重要。

歴史と発展

近代的なスクリュープロペラは19世紀に船舶で実用化され、のちに航空機で木製プロペラが普及しました。ライト兄弟は自作のねじり翼を採用し、効率の高い設計で初飛行に成功。以降、可変ピッチや定速プロペラ、複合材、二重反転、ダクト化などの改良が重ねられ、今日では飛行機から船、潜水艦を含む多様な分野で高効率・低騒音化が進んでいます。

選定のヒント

用途の速度域と必要推力を明確化し、直径・ピッチ・回転数のバランスをとる。
騒音・振動・キャビテーションの要求を考慮し、ブレード数や形状（スキュー、サイミター形状など）を選ぶ。
運用・整備体制に応じて、固定ピッチか可変ピッチか、材料（アルミ・NAB・CFRP など）を決める。

このようにプロペラは、流体を加速して反力を得るシンプルな原理に基づきつつ、形状・材質・制御の工夫で効率と静粛性、安全性を両立させる総合技術です。用途ごとに最適解が異なるため、基本原理と各要素の役割を理解することが選定・運用の近道となります。

EP-3E Orionの4番エンジンを移動させ、飛行前の点検を行う。