飛行の原理

基礎知識

このレッスンでは、飛行中と操作中に関わる4つの力について紹介します。飛行中に関わる4つの力は、飛行を支配する基本原則です。それら原則は飛行機を飛ばすためのものです。操縦士が機体の一部機能として飛行中にどれだけパフォーマンスを発揮するかは、推力、抗力、揚力、および重量によって発生する力を、変更するためのパワーおよび飛行制御の使用をプランニングおよび調整する能力に依存します。

導入 - 飛行中に働く力

用語

• 揚力（LIFT） – 翼の上下を通過する空気流れの影響によって生じる上向きの力
• 重量（WEIGHT） – 揚力と反対方向へ作用し、重力による下向きの引っ張る力によって引き起こされる
• 推力（THRUST） – 飛行機を空中において前進させる力
• 抗力（DRAG） – 推力に対抗し、飛行機の速度を制限または減速させる後方に向かう力
• 翼弦（CHORD LINE） - 翼の前縁と後縁を結ぶ想定上の直線のこと
• 相対風（RELATIVE WIND） - 航空機の飛行経路に対する風の移動方向のこと。迎角に関係なく、飛行経路の反対側にある
  • 例：直線および水平姿勢時の低速飛行と高速飛行の相対風は同じである
• 迎角（ANGLE OF ATTACK） - 弦線と相対風の間にできる角度のこと

揚力

• 重量によって発生する力と反対に作用する力

揚力の仕組み

• ニュートンの運動の3つの法則：
  • ニュートンの第1法則：静止している物体は静止したままの傾向があり、動いている物体は同じ速度で同じ方向に移動し続ける傾向がある
  •  ニュートンの第2法則：物体に一定の力が作用した場合、その結果の加速度は物体の質量に反比例し、加えられた力に正比例する
    • 法則は次の式で表すことができる：力=質量x加速度（F = ma）
  •  ニュートンの第3法則 ：すべての作用に対して、等しく反作用がある
• ベルヌーイの原理
  • 流体（空気）の速度が上がると、その内圧が下がる

翼型

定義

• 翼型は、たとえば翼などのあらゆるものの表面を指し、空気流れの動きと相互作用するときに空力を得る

翼型＆揚力

• 翼型周りにおける空気流れの循環は、揚力の生成における重要な要素である
• 翼の形状は、ニュートンの法則とベルヌーイの原理の両方を利用するように設計されている
  • 翼上部の曲率が大きいほど、その表面を通過する気流が加速する
• ベルヌーイの定理によると、翼上面における気流速度の増加により圧力が低下し、揚力が発生する
  • 上面を移動する分子（空気を構成するもの）はより速く移動する必要がある
  • 上部の分子はより長い距離を移動するため、上面の圧力は低下する
• また翼上面から下向きの空気の流れ（ダウンウォッシュ）も発生する
  • このダウンウォッシュへの反作用により、翼に上向きの力がかかる（ニュートンの第3法則）
• この作用反作用の原則は、空気流れが下面を打った時にわずかながら迎角に変化を起こすという現象でも確認することができる
  • 空気流れは下向きに強制されるため、結果的に上向きの力が発生し、正の揚力が生成される

揚力

揚力 = ½ pC_Lv²S

• P = ρ（読み：ロー）または圧力係数
• CL =揚力係数 – 迎角に関連する揚力を測定する方法
  • 風洞試験により、翼の設計と迎角に基づいて決定
• V = 対気速度
• S = 表面積（一定）
• 発生する揚力は操縦士によって制御されるだけでなく、航空機の設計要素によっても決定される
  • 操縦士は迎角（AOA）、対気速度（AS）を変更でき、フラップを下げることで翼の形状を変更できる

迎角の変化

• AOA - 翼弦と相対風の間に作られる角度
  • AOAを増やすと揚力が増える
  • ピッチを変更すると、AOAも変更され、同時に揚力係数（CL）が変更される

対気速度の変化

• つまるところ翼が空中を速く移動するほど、より多くの揚力が生成される
  • 揚力は対気速度の2乗に比例する
    • 例：200ktsでは、飛行機は100ktsで移動しているかのように4倍の揚力を持つ（他の要因が一定のままの場合）
      • ただしそれは反対に、速度が半分に減少すると、リフトは1/4に減少する

迎角＆対気速度

• AOAは翼のCLを確立し、揚力はASの2乗に比例する
  • 操縦士はAOAとASの両方を制御できるため、結果として揚力を制御できる

重量

定義　

• 機体の中心を通って地球の中心に向かって垂直に作用する重力
  • 機体自体、乗員、燃料、および貨物または手荷物（すべて）の合計負荷のこと
• 重力が飛行機を下向きに引っ張る
  • 安定した水平飛行で、揚力=重量の場合、飛行機は平衡状態にあり、高度の上げ下げは起こらない
  • 揚力が重量よりも小さくなると、飛行機は高度を失い、その逆であれば、高度を得る

推力

推力は前方へ向かう - 作用の力

• 飛行機の推進方向と反対側へ抗力が発生する
• この力は、エンジンがプロペラを回転させて縦軸と平行に推力を作用させるときに提供される
• F = MA
  • この力は、プロペラを回転させるエンジン内の燃焼ガスの膨張によって提供される
  • 空気の塊が飛行経路とは反対の方向に加速される（ニュートンの第3法則）
    • 等しい/または反作用は推力であり、機体を飛行方向に向かって押し出す力である
• 推力は機体を動かし始め、推力と抗力が等しくなるまで速度を上げながら動き続ける
  • 一定の対気速度を維持するには、推力と抗力が等しくなければならない
  • 推力が減少して、抗力よりも小さくなった場合に飛行機は減速する
  • 対気速度が増加すると、推力は抗力より大きくなり、対気速度と等しくなるまで増加する

抗力

定義

• 翼、胴体、またはその他の物体による気流の中断によって引き起こされる後方への抑制力
• 抗力は推力に対抗し、後方に対して相対風と平行に作用する
  • 飛行方向と反対側へ作用し、推力の前進力に対抗し、飛行機の前進速度を制限する
• 2種類の抗力
  • 有害抗力
  • 誘導抗力

有害抗力（Parasite Drag）

• 機体周りの滑らかな空気流れをそらす/妨げるような機体表面による影響が原因
• 3種類の有害抗力
  • 形状抗力（Form Drag）：構造体（突起など）による空気流れの表面からの剥離によって引き起こされた後方乱気流の結果（その量は構造体のサイズと形状に依る）
    • 基本的に、航空機の空力はどの程度のものか？
  • 干渉抗力（Interference Drag）：機体表面上を流れる空気の動きが別の空気流れとぶつかり、相互作用するときに発生する
    • 例：翼や尾翼のブレースストラットやギアストラットなどの構造物を覆う空気部分における空気流れの干渉
  • 表面摩擦抗力（Skin Friction Drag）：機体表面の粗さによって引き起こされる
    • 空気の薄い層がこれらの表面に付着し、小さな渦を作成して抗力を増す
• 有害抗力と飛行機の速度
  • すべての有害抗力の複合効果は、対気速度の2乗に比例して変化する
    • 例：機体が、一定の高度において160ktsでの飛行は80ktsでの飛行に比べて有害抗力が4倍になる

主なポイント：対気速度が増加すると、有害抗力が増加する 

誘導抗力（Induced Drag）

• システムとしての翼
  • 水平飛行では、翼の空力特性により揚力が発生するが、これは同時に抗力というペナルティが得られる
    • 揚力が発生するときは必ず誘導抗力が発生する
• 使い方
  • 揚力が発生すると、下面の圧力が上面よりも大きくなる
    • 空気の流れは翼下面の高圧領域から翼上面の低圧に流れます
  • 翼下面の高圧の空気流れは、後縁と翼端で翼上面にある低圧の空気流れと合流し、各翼端の後ろに続く螺旋または渦を引き起こす
    • 螺旋渦は、翼の下面から上面へ流れ込む
    • 基本的に、誘導抗力は翼が揚力を生み出すときに翼周りの空気流れの循環によって作られる
  • 翼端を超えて上向きの空気の流れがあり、後縁の後ろにダウンウォッシュがある
    • ダウンウォッシュは、揚力を生み出すために必要なダウンウォッシュとは関係ない
      • これが誘導抗力の原因である
        • 渦は乱流の生成に費やされるエネルギーのため抗力を増加させる
• ダウンウォッシュ
  • 渦は空気流を下向きに偏向させ、ダウンウォッシュを増加させる
    • 翼は、下向きかつ後ろ向きに傾斜している平均的な相対風で機能する
    • 翼によって生成される揚力は、相対風に対して垂直であるため、揚力は同じ量だけ後方に傾斜し、減少する
    • 渦のサイズと強度が大きく、ダウンウォッシュ成分が大きいほど、それに伴って誘導される抗力は大きくなる
• 対気速度が低いほど、飛行機の重量に等しい揚力を生成するために必要なAOAが大きくなり、誘導抗力も大きくなる
  • 誘導抗力は対気速度の2乗に反比例して変化する

主なポイント：揚力が増加すると、誘導抗力が増加する

全体の抗力

• 全体の抗力は、誘導抗力と有害抗力の合計である

地面効果（Ground Effect）

• 誘導抗力の減少に影響がある
• 説明
  • 離陸/着陸時において地面に対して非常に近い距離を飛行しているとき、翼周りの空気流れの垂直成分は地面によって制限されているため、地表は飛行機周りの3次元による空気流れのパターンを変更する
    • これにより、翼端渦が減少し、上昇流および下降流が減少する
    • 地面効果が気流の下向きのダウンウォッシュを制限するため、誘導抗力が減少する

飛行中における影響

• 離陸
  • 誘導抗力の減少により、揚力を生み出すのに必要な推力の量が減少する
    • したがって、飛行機は通常の離陸速度よりも遅い速度で離陸できる
  • 地面効果から離れると、翼周りに通常の空気流れが戻り、誘導抗力が増加するため、飛行を維持するために必要な力（推力）が大幅に増加する
• 着陸
  • 誘導抗力の減少により、飛行機が浮いているように見える
    • 飛行機が着陸するのを助けるためにフレア中は、通常エンジン出力を絞る必要がある

上昇

• 定常状態では、通常の上昇における揚力は、同じ対気速度での定常水平飛行の場合と同じである
  • 上昇が確立されたときに飛行経路が変更されるが、傾斜した飛行経路に対する翼の迎角（AOA）は、リフトと同様に、実質的に同じ値に戻る
  • 直進かつ水平姿勢から上昇姿勢への変化する際、エレベーターが最初に適用されたときに揚力変化が発生する
  • 機首を上げると、AOAが増加し、一時的に揚力が増加する
  • この瞬間の揚力は重量より大きくなり、飛行機は上昇を開始する
• 飛行経路が安定すると、AOAと揚力は水平飛行と同じ程度に戻る
• エンジン出力設定を変更せずに上昇に入ると、対気速度は徐々に低下する
  • これは、水平飛行でASを維持するために必要な推力では、上昇でASを維持できないため
  • 上向きに傾けると、重量の成分は同じ方向に、抗力と平行に作用する
    • これは抗力を増加させる（抗力は推力よりも大きいため、対気速度は等しくなるまで減少する）
  • 上昇では、重量は下向きに作用するだけでなく、抗力とともに後方にも作用するため、同じ対気速度を水平飛行に維持するには追加のエンジン出力設定が必要
• 余剰出力の量が上昇性能を決定する

下降

• フライトコントロールに前方圧力が適用されると、AOAが減少し、翼の揚力が減少する
  • 揚力/AOAの減少は一時的であり、飛行経路が下向きに変化中に発生する
  • それは一時的に揚力が重量を下回ったため
• 飛行経路が安定した下降中にある場合、翼のAOAは再び元の値に近づき、揚力と重量は安定する
• 降下が開始されてから安定するまで、対気速度は徐々に増加する
  • これは、飛行経路に沿って前方に作用する重量成分の要素によるもの（たとえば上昇中の後方側に対して）
    • 推力は抗力よりも大きい
• 同じ対気速度で降下するには、降下に入ったときにエンジン出力を減らす必要がある
  • 出力設定の量は降下の勾配に依存する
    • 下降角度が大きくなると、前方に作用する重量成分の要素が増加する

旋回

• 他の動く物体と同様に、飛行機には、旋回させるための側面からの力が必要である
  • 通常旋回では、上記の力はバンク入力によって供給されるため、揚力は内向きにも上向きにも発揮される
• 機体がバンクするとき、揚力はターンの中心に向かって内向きに、そして垂直上向きに動作する
  • 揚力は、水平コンポーネントと垂直コンポーネントの2つのコンポーネントに分かれている
    • 垂直コンポーネント–垂直方向に作用し、重量とは反対に作用する
    • 水平コンポーネント-旋回中心に向かって水平に作用する（向心力）
      • これが飛行機を旋回させる成分である
• 揚力の分割により、重力と支持重量に対抗する揚力量が減少する
  • その結果、追加の揚力が作成されない限り、機体は高度を失う
    • これは、リフトの垂直成分が再び重量に等しくなるまでAOAを増やすことによって行われる
    • バンク角が大きくなると揚力の垂直成分が減少するため、バンク角度が急勾配になるほどAOAを大きくする必要がある

高度の維持

• 高度を維持するのに十分な揚力の垂直成分を得るには、AOAの増加が必要である
• 抗力はAOAに直接比例するため、揚力が増加すると誘導抗力が増加する
  • したがって、バンク角に比例して対気速度が低下します
• 水平旋回で対気速度が低下しないようにするには、追加のエンジン出力設定を適用する必要がある
  • 追加の推力の必要量は、バンクの角度に比例する

旋回率

• 飛行機が旋回する速度は、揚力の水平成分の大きさに依存する
  • 揚力の水平成分はバンク角度に比例する
• したがって、任意の特定のASで、バンク角度を調整することで旋回速度を制御できる

旋回半径

• 対気速度が増加すると、旋回半径が増加し、遠心力は半径に直接影響を及ぼす
  • 旋回半径の増加により、遠心力が増加する。これに対して、揚力の水平成分の増加とバランスを取る必要がある
    • 揚力の水平成分は、バンク角を大きくすることによってのみ増加できる
• 対気速度を上げて一定の旋回速度を維持するには、バンク角度を大きくする必要がある

滑り落ち旋回（Slipping Turns）

• 滑り落ち旋回では、バンク角に対して旋回速度が遅すぎるため、機体は旋回飛行経路の外側に向かってヨーイングしてしまう
  • 揚力の水平成分（HCL）が遠心力（CF）より大きいため
• HCLとCFの均衡は、バンクの減少/旋回率の増加によって再び確立される
  • バンクを調整するためには、旋回指示計のガラス管内にあるボールを中央に置くか、ラダーへの入力量を調整する

横滑り旋回（Skidding Turns）

• 横滑り旋回では、バンク角に対して旋回率が大きすぎ、飛行機は旋回内側に向かってヨーイングされる
  • HCLと比較して過剰な遠心力がある
• 修正には、旋回率の低下/バンクの増加が含まれる
  • 必要に応じてラダー入力量圧を下げたり、バンクを調整したりする

失速

• 翼がそれにかかる負荷を打ち消すのに十分な揚力を生み出しているときはいつでも、機体は飛行する
  • 揚力が完全に失われると、機体は失速する
• すべての失速における直接の原因は、過度の迎角設定である
• 機体の失速速度は、すべての飛行状況に対して固定の値という訳ではない
  • ただし、速度、重量、負荷係数、密度高度に関係なく、特定の機体は常に同じAOAで失速する
  • 各機体には特定のAOAがあり、空気の流れが上部翼から剥離して失速する（16-20°）

最大迎角（Critical AOA）を超える可能性のある３つの状況

• 低速飛行
  • 対気速度(AS)が低下すると、高度を維持するために必要な揚力を維持するために、AOAを増加させる必要がある
    • ASが遅いほど、より多くのAOAを増やす必要がある。ところが過度な迎角（Critical AOA）に到達すると、揚力はこれ以上増加できない
      • 対気速度（AS）が減少すると、過度な迎角を超えているため、機体は失速する
• 高速飛行
  • 失速を得るために低速というのは必要ではない
  • 翼はどんな速度でも過度の迎角に持って行くことができる
    • 例：200ktsでのダイビングで、機首上げバックエレベータの圧力が急上昇した場合
      • 重力と遠心力のため、飛行機は飛行経路をすぐに変更することはできない
        • AOAを非常に低い値から非常に高い値に突然変更するだけ
    • 到来する空気に対する飛行機の飛行経路が相対風の方向を決定するため、AOAが増加し、失速角度に到達する
• 旋回飛行
• 機体の失速速度は、直線水平飛行よりも水平旋回の方が速い
  • • これは、機体重量に遠心力が加わるためである
      • 翼は、加えられる負荷に対抗するのに十分な揚力を追加生成する必要がある
    • 旋回では、バックエレベータの圧力を加えることにより、必要な追加揚力が得られる
      • これにより、翼のAOAが増加する（AOAは、バンク角とともに増加し、水平飛行を維持する）
    • 旋回中に過度なAOAに到達すると、機体は失速する

成功のポイント

本レッスンの各項目をレビューすること

• 飛行に関わる4つの力
• 飛行操作に関わる4つの力

参考資料

• FAA-H-8083-3
• FAA-H-8083-25