飛行の原則
基礎知識
本レッスンでは飛行原理に関する要素を紹介します。飛行原理とは、飛行に関わる力であり、航空機の性能や性能を表すものです。操縦士になるために航空エンジニアになる必要はありませんが、優秀な操縦士は、航空機に作用するこれら力及びこれら力の有効活用ならびに運航制限に関する知識を根拠に基づき、充分に熟知している必要があります。
翼型の設計による特性
平面図形
- 機体を上から見た翼の輪郭を表す言葉
- 形状に影響を与える要素は多くある。飛行目的、負荷係数、速度、製造および整備費、操縦性/安定性、失速/スピン特性、燃料タンク、ハイリフト装置、ギア等を含む
- それぞれの形状に長所・短所が多くある(多くの形状がその組み合わせからなる)
テーパ―翼
- 根元と端部の翼弦長比
- 矩形翼のテーパ比は1である
- 製造・整備が簡単で経済的(リブのサイズは同じ)
- 根元が失速する際より強い警告となり、復行中は制御を提供する
- 矩形翼のテーパ比は1である
- 楕円(テーパ)
- 最適なスパン単位の荷重分布と最小限の誘導抗力を提供
- しかし失速は翼全体が同時に突入、また製造費が非常に高価で、その構造も複雑である
アスペクト比
- 翼幅を平均弦長で割ることで得られる値
- アスペクト比が大きいほど、誘導抗力が少なくなる(揚力が増加)
- 翼のスパン(同じ領域)を大きくすると、翼の先端が小さくなり、翼端渦が小さくなる
- 誘導抗力を減らし、効率を高める
- 高い操作性と強度が必要な場合は、アスペクト比がはるかに低くなる
- 例:戦闘機、曲技飛行機
スイープ(前進翼/後退翼)
- リブの25%の弦点を結ぶ線が長手方向の軸に対して垂直でない場合
- スイープは前方に向かうが、通常は後方
- 音速に近い飛行に役立つが、低速機体の横方向安定にも役立つ
航空機の安定性及び操縦性
操作反応性
- 特に飛行経路と飛行姿勢に関して、操縦士の入力操作に応答する能力
- 安定性特性に関係なく操作時の制御アプリケーションに対する応答の品質
操縦性
- 機体を容易に操作でき、かかる応力に耐える品質
- 重量、慣性、操縦系のサイズ/位置、構造強度、およびエンジン動力によって左右される
- 設計上の特徴ともいえる
安定性
- 平衡(バランス)が崩れた際、元の飛行経路に戻ろうとする飛行機固有の品質(この傾向は主に設計の癖に依る)
- 別の言い方をすれば、安定性のある機体はバランスが乱れた場合でも、元の状態に戻ろうとする傾向がある
- 安定性が高ければ高いほど飛ぶのは容易だが、あまりに安定しすぎる場合、操作入力の際に大きな力を要する
- 従って、安定性と機動性のバランスを取る必要がある
- 安定性が高ければ高いほど飛ぶのは容易だが、あまりに安定しすぎる場合、操作入力の際に大きな力を要する
- 別の言い方をすれば、安定性のある機体はバランスが乱れた場合でも、元の状態に戻ろうとする傾向がある
安定の種類:静的&動的
静的安定性 (Static Stability)
- 均衡(Equilibrium):すべての対抗する力が均等になっている(一定の非加速飛行条件)
- 静的安定性(SS:Static Stability):平衡が乱れた後の機体姿勢に現れる初期傾向のこと
- 正の静的安定性(Positive SS):平衡が乱された後、元の状態に戻る初期傾向(直前にトリムされた姿勢に戻るなど)
- 負の静的安定性(Negative SS):平衡が乱された後も元の状態には戻ろうとせず、そのまま離れ続ける最初傾向(トリムされた姿勢から遠ざかり続ける)
- 中立の静的安定性(Neutral SS):平衡が乱された後、その乱された姿勢の状態を維持する初期傾向(機体は新しい姿勢を維持し、元のトリムされた姿勢に戻ろうとしたりしない)
- 正の静的安定性が最も望ましい – 機体は元のトリムされた姿勢に戻ろうとするため
動的安定性 (Dynamic Stability)
- 静的安定性は初期応答を示し、動的安定性は時間の経過に伴う系(システム)の応答を示す
- 乱れたシステムが時間経過と共に平衡に戻るかどうかを参照する
- 安定性の度合いは、どれだけ早く平衡状態に戻れるかという点で測定できる
- 「正」、「負」、「中立」と呼ばれる – 静的安定性と同じ呼称だが、時間経過に基づいて分けられる(全体的な傾向)
- 動的安定性は、振動と非振動とにさらに分けることができる
-
- 振動:ボウルの底に「大理石で作られた」重しがつけられている – 要はシステムが平衡状態にある
- もし片側を摘まんで上方向に動かせば(平衡を乱せば)、ボウルはカタカタ左右に揺れた後(振動した後)で静止する
- 正の静的、正振動の動的安定性
- 振動(周期)が長いほど、平面の制御が容易になる(長い周期> 10秒)
- 短い振動(周期)ほど制御が困難になる(短い周期< 1-2秒)
- 構造的な障害が発生する可能性があるため、中立/発散型の短い振動周期は危険である
- もし片側を摘まんで上方向に動かせば(平衡を乱せば)、ボウルはカタカタ左右に揺れた後(振動した後)で静止する
- 非振動:ボウルの底に「コットンで作られた」重しがつけられており、上記と同様の操作を行うと、振動せずにストンと元の状態に戻る
- 振動:ボウルの底に「大理石で作られた」重しがつけられている – 要はシステムが平衡状態にある
- 最も望ましいのは正の動的安定性である
縦安定性 (Longitudinal Stability)
- 縦の安定性は、飛行機を横軸の周りで安定させ、ピッチ姿勢の運動を伴う
- 縦方向に対して不安定な機体は、急降下や急上昇を起こしやすく、飛行が難しく危険になる
- 縦方向の安定性を得るには、はじめにモーメントのバランスが取れた状態から突然ピッチ姿勢が上方向に変化しても、主翼と尾翼のモーメント変化によってピッチ姿勢が下がり、再び元の状態に戻る回復モーメントが得られる…という設計が必要
- そして反対に機体が機首下げになると、瞬間の変化で機首が元の状態に戻る
- 静的な縦方向の安定性または不安定性は、次の3つの要因に依存する
- 重心(CG)に対する翼の位置
- CGは通常、翼の揚力中心(CL)よりも前方にあり、結果として機首はピッチ下げの姿勢になる
- この機首による下方向への重さは、水平尾翼によって発生する下向きの力によって釣り合う
- 水平尾翼は、自然なテールダウン方向の力を作り出すために、負のAOA(迎え角)を取り入れた設計をされることが多い
- 尾翼を下げる力は、機首を上げる(ピッチアップモーション)動きを生むことに注意
- この機首による下方向への重さは、水平尾翼によって発生する下向きの力によって釣り合う
- CG-CLテールダウンのラインは、CLで上向きの力と、両側で互いにバランスを取る2つの下向きの力(CGとテールダウン)を持つレバーのようなものである
- CGにおけるさらに強いダウンフォースは;テールダウンの力は弱い(しかし、より長い腕を持つ)
- 機首が上がると(他の制御/出力の変更なしで)、対気速度が下がり始める。速度がが下がるにつれて、エレベーターによるテールダウンの力が減少する。テールダウンの力が減少するにつれて、機首が下がり始め、その結果、対気速度が上がります。速度が上がると、水平尾翼のテールダウンの力が増加し、機首を持ち上げる。操縦士が修正しないままにしておくと、この一連の流れが繰り返され、機体が安定した飛行姿勢に戻るまで、機首の上げ下げの幅は減少していく
- CGにおけるさらに強いダウンフォースは;テールダウンの力は弱い(しかし、より長い腕を持つ)
- CGに関する水平尾翼表面の位置
- CGがさらに機体前方に位置する場合、より多くのテールダウンの力が必要になる
- 機首の重さによりピッチ上げの姿勢を取ることがより困難になり、追加のテールダウンの力によりピッチダウンが困難になるため、これらのおかげで縦方向の安定性が向上する
- 小さな乱れは大きな力によって発生するが、素早く減衰させられる
- 機首の重さによりピッチ上げの姿勢を取ることがより困難になり、追加のテールダウンの力によりピッチダウンが困難になるため、これらのおかげで縦方向の安定性が向上する
- CGがさらに機体後方に位置する場合、飛行機のピッチが不安定になる
- CGがCLの後ろにある場合、尾翼は上向きの力を発揮する必要があるため、機首が上がらない
- 突風が機首を跳ね上げる場合、尾翼表面上の空気流れが少ないと、機首がさらにピッチ上げの姿勢になる
- これは非常に危険な状況である
- 尾翼表面の面積またはサイズ
- 尾翼表面の面積/サイズが大きいほど、加えられる力が大きくなる
横安定性(縦軸回りにおいて)
- 縦軸まわりにおけるの横方向の安定性は、次の影響を受ける
- 上反角;スイープバック角度;キール効果;重量配分
- 上反角は、翼が根元から先端に向かって上方に傾斜する角度のこと
- 上反角は縦軸の両側における翼のAOAによって、バランスのとれた揚力を形成する
- 機体は下げたほうの主翼に向かって横滑りまたは下降する傾向がある
- 上反角をとることで空気流れは下方に位置する主翼に対して、より大きいAOAで当たる
- これにより、下方の主翼は高い揚力を、反対に上方の主翼は低い揚力を得るため、元の姿勢へと復元する力が働く
- 浅いバンク角によるターン:AOAの増加は、下方に位置する主翼の揚力を増大させ、機体を直線水平な飛行姿勢に戻す傾向を持つ
- スイープバックとは、翼が根元の先端から後方に傾く角度のこと
- スイープバックは、安定性を得るために上反角を大きくするが、効果のほどは明確ではない
- キール効果は、胴体側面に対する風の影響によるもの
- 横方向に安定した航空機:キール降下領域の大部分は、CGの上部かつ後方になる
- 機体が片側に滑るとき、機体重量とキール領域の上部に対する気流による圧力の組み合わせで、機体が水平飛行姿勢に戻る
- 要約:胴体はキール効果によって風と平行になるように強制される
- 重量配分
- 重量が片側にある場合、その方向にバンクする傾向がある
方向安定性 (Directional Stability/垂直軸に関する安定性)
- 動的安定性は、垂直尾翼の面積と胴体側面および後方のCGによる影響を受ける
- 機体を風見鶏のように機能させ、機首を相対的な風の方へ向ける
- 側面-風向きを示すベーン-が機能するためには、ピボットポイントの後方に、より大きな表面積が必要になる
- したがって、側面はCGの前方よりも後方においてその表面積を大きくしなければならない
- 例:もし機首が左にヨーをした場合、CGを中心に回転が起きる。機体がヨーイングすると、相対風が機体の右側を押す。ピボットポイント(CG)の後ろにより大きな表面積があるため、CGの後ろに加えられる力が大きくなり、機首が元の右方向に押し戻される
- 側面-風向きを示すベーン-が機能するためには、ピボットポイントの後方に、より大きな表面積が必要になる
- 機体を風見鶏のように機能させ、機首を相対的な風の方へ向ける
- 垂直尾翼–垂直方向に伸びる尾翼は、直線飛行を維持する際に矢印の羽のように機能する
- 尾翼が後方に配置され、そのサイズが大きいほど、DSは大きくなる
- 機体が一方向にヨーイングすると、空気流れは垂直尾翼の反対側に当たる
- これにより、垂直尾翼に圧力がかかり、それまでの動きが止まり、機首が相対風の方向に戻る(風向きを示すベーンのように)
- 例:機首が右にヨーイングすると、相対風が垂直尾翼の左側に圧力をかけ、動きを停止させてから機首を左に戻す
- 機体が一方向にヨーイングすると、空気流れは垂直尾翼の反対側に当たる
- 尾翼が後方に配置され、そのサイズが大きいほど、DSは大きくなる
旋回傾向(トルク効果–左旋回傾向)
旋回傾向
- 平面の3つの軸のうち少なくとも1つを中心にねじれ軸を生成する、以下4つの要素で構成される
- トルク反作用
- コークスクリュー/スリップストリーム降下
- プロペラ周りのジャイロ効果
- Pファクター
トルク反作用
- ニュートンの第3法則–すべての作用に対して、等しく反作用が発生する
- エンジン部品/プロペラは一方向に回転する…のと等しい力で機体を反対方向に回転させようとする
- 空中の場合、この力は縦軸の周りに作用し、左ローリング傾向をもたらす
- 地上では、離陸時に左側が押し下げられ、地面の摩擦が増加する
- これにより、左回転のモーメントが発生するが、これはラダーで修正することが可能
- 強度は、エンジンサイズ/馬力、プロペラサイズ/回転数、機体サイズおよび地表面に影響される
- パワー設定が高いほど、左旋回傾向が大きくなる
- エルロントリムタブを使用してエンジンをオフセットし、エルロン/ラダーを使用することで、トルクを修正する
- ほとんどの航空機エンジンは機体中心線上(縦軸上)に設置されておらず、トルクによって引き起こされるローリングモーションの一部を打ち消すためにオフセットされている
- トリムタブは、水平飛行中の旋回傾向に対抗するように調整できる
- エンジンとトリムタブの位置によって相殺されないトルクは、均衡のとれたラダーとエルロンの入力で修正する必要がある
コルクスクリュー/スリップストリームエフェクト
- プロペラの高速回転により、空気をコルクスクリュー/らせん状の回転で機体後方に送る
- 空気が垂直尾翼の左側に当たり、機首を左に押す
- 高いプロペラ速度/低い前進速度では、回転は非常に小さくまとまる
- これにより、垂直尾翼に強い横向きの力がかかり、垂直軸を中心に左旋回が起きる
- コルクスクリューの流れはまた、縦軸の周りに回転モーメントを作成する
- ローリングモーメントは右方向であり、ある程度トルクを相殺する
- コルクスクリューの流れはまた、縦軸の周りに回転モーメントを作成する
- これにより、垂直尾翼に強い横向きの力がかかり、垂直軸を中心に左旋回が起きる
- 前進速度が上がると、らせんが長くなり、効果が低下する
- スリップストリーム効果は、均衡のとれたラダーとエルロンの入力で打ち消され、上昇時に最も顕著になる(高いプロペラ速度と低い前進速度)
ジャイロ効果
- ジャイロスコープは2つの基本原理に基づいている
- 空間の剛性(この項目に適用されない)
- 歳差運動 - 力がリムに加えられたときに回転するローターの結果として生じるアクション
- 力が加えられると、それは回転方向90度先の点において、旋回方向へ作用する
- これにより、力が適用される場所に応じて、ピッチ/ヨーモーメントまたは2つの組み合わせが発生する
- 例:これは、後尾輪機体が離陸滑走中にテールが上昇したときに、最も頻繁に発生する
- ピッチの変更(後尾輪を持ち上げる)には、プロペラの上部に前進の力を加えるのと同じ効果がある
- この力は、回転方向(コックピットから見て時計回り)の先90°の点において感じることができる
- 前進の力はプロペラの右側の点において作用し、機首を左へヨーイングさせる
- 垂直軸を中心にヨーイングするとピッチングモーメントが発生する
- 横軸周りのピッチングはヨーイングモーメントをもたらす
- エレベーターとラダーの圧力で必要な修正を行う
- これにより、力が適用される場所に応じて、ピッチ/ヨーモーメントまたは2つの組み合わせが発生する
非対称ローディング(Pファクター)
- 高いAOAで飛行する場合、下方向に移動するブレードのねじりによいる見かけの「食い込み」は、上方向に移動するブレードよりも大きくなります(右図参照)
- これにより、推力の中心がプロペラ回転面の右側に移動(つまり左側に向かうヨーが発生)
- これは、その回転におけるプロペラブレードの速度とプロペラ回転面を水平に通過する空気の速度の組み合わせで生成される合成速度によって引き起こされる
- 正のAOAでは、右のブレードが左よりも結果として速く通過している
- これにより、推力の中心がプロペラ回転面の右側に移動(つまり左側に向かうヨーが発生)
- プロップは翼型であるため、速度の増加は揚力の増加を意味し
- つまり、下向きのブレードは揚力が大きく、飛行機を左に傾ける傾向がある
- 例:地面に垂直に取り付けられたプロペラシャフト(ヘリコプターのように)を視覚化する
- つまり、下向きのブレードは揚力が大きく、飛行機を左に傾ける傾向がある
- プロップによって生成されたものを除いて空気の動きがまったくなかった場合、ブレードの同一区域は同じ対気速度になる
- ただし、垂直に取り付けられた支柱を横切って空気が水平に移動するため、空気の流れに向かって前進するブレードは、後退するブレードよりも高い対気速度になる
- ブレードの進行により、揚力または推力が増加し、揚力の中心がそれに向かって移動する
- ただし、垂直に取り付けられた支柱を横切って空気が水平に移動するため、空気の流れに向かって前進するブレードは、後退するブレードよりも高い対気速度になる
- (飛行機のように)回転するプロペラが相対的に動いている空気流れに対して浅い角度を作ることを視覚化する
- 不平衡な推力は、空気流れに水平なときにゼロになるまで小さくなる
- 概要:プロペラの下降ブレードはAOAが高く、空気の「食い込み」が大きくなるため、推力の中心は航空機の中心線の右側に移動し、航空機は左側にヨーイングする傾向がある
航空機設計における荷重係数
ロードファクター
- 直線飛行から軌道変更をする際、機体構造にストレスとしてかかる力に影響のある係数のこと
- ロードファクターは、機体に作用する空力的な総合力の作用と機体総重量の比率によって求められる
- 例:荷重係数が3の場合、構造の総荷重は総重量の3倍になる、これを3Gとして表現する
- 機体に3Gをかけると、体重3倍の力で身体がシートに押し込まれる
- 操縦士にとってこのロードファクターは2つの異なる理由で重要である
1) そもそも機体構造へのストレスよりも操縦士自体にとって危険な過負荷
- 過剰なロードファクターは機体の構造的な故障を引き起こす可能性がある
2) ロードファクターが増加すると、失速速度が増し、見かけ上安全な速度で失速に突入することもある
航空機設計
- 機体強度をどれだけ持たせるべきかは、どのような目的に機体が使用されるかといった用途によって決められる
- 最大耐ロードファクターを設計に盛り込もうとしても、効率的に組み込めないため困難である
- 機体を効率的に制作する場合、そもそもとして非常に過剰な負荷を取り除く必要がある
- この問題は、さまざまな状況における通常運航で予想される最大のロードファクターを決定する - これらは「制限ロードファクター(負荷率)」と呼ばれる
- 機体は、構造的な損傷なしに限界のロードファクターに耐えるよう設計する必要がある
- 機体を効率的に制作する場合、そもそもとして非常に過剰な負荷を取り除く必要がある
- 最大耐ロードファクターを設計に盛り込もうとしても、効率的に組み込めないため困難である
航空機設計のカテゴリーシステム
- 通常のカテゴリーにおける制限ロードファクターは-1.52 G〜3.8 G
- ユーティリティカテゴリの制限ロードファクターは-1.76 G〜4.4 G(スピンを含む)
- アクロバットカテゴリの制限ロードファクターは-3.0 Gから6.0 G
- 下のVgダイアグラムは、特定の重量/高度に対して有効な機体の飛行動作強度を示している
- 安全な操作入力のための対気速度とロードファクターの許容可能な組み合わせを示している
翼端渦&諸注意
- 翼が揚力を生み出しているときはいつでも、翼下面側の圧力は上面部よりも大きい
- 空気流れは下面の高圧領域から上面の低圧エリアに向かって流れがち
- これにより、翼の後方に向かって回転するような気流が巻き上がり、翼端から後ろに流れるような旋回気流が発生する
- これは、2つの逆回転する円柱状の渦で構成され、各翼端から発生する
- これにより、翼の後方に向かって回転するような気流が巻き上がり、翼端から後ろに流れるような旋回気流が発生する
- 空気流れは下面の高圧領域から上面の低圧エリアに向かって流れがち
- 渦の強さは翼の重量、速度、形状によって決定される
- 迎角は強さに直接影響する
- 重量が増えると、AOAが増加する
- クリーンな構成の翼は、フラップやスラットなどを使用した場合よりもAOAが高くなる
- 対気速度が低下すると、AOAが増加する
- 重量が増えると、AOAが増加する
- 迎角は強さに直接影響する
- 最大の渦強度は、機体重量が重く、機体表面がきれいで、機体速度が遅いときに発生する(主に離陸時と着陸時)
渦の振る舞い
- 数百fpmの速度で沈没し、航空機後方に進むにつれて速度が遅くなったり減少したりする
- 渦が地面に沈むと、風と共に横方向に広がって移動する傾向がある
- 横風は風上への横方向の動きを減少させ、風下への動きを増加させる
- 注意するように、これは別の機体によって発生した渦が、自分の進路に移動してくる可能性がある
- 横風は風上への横方向の動きを減少させ、風下への動きを増加させる
- 先行する航空機によって発生した渦が、追い風によってこちらのタッチダウンゾーンに移動させられてしまうなど
回避
- 後方乱気流は、渦を生成中の機体よりも、はるかに軽い航空機に対して危険を及ぼす可能性がある
- 構造上の大きな損傷、または誘導されたローリングを引き起こして航空機を制御不能にする可能性がある
- 着陸-先行するジェットの上空または、着陸地点を超えて着陸する。離陸滑走中のジェット手前にに着陸する
- 平行滑走路–横滑りの可能性があるため、他のジェットの飛行経路より高い位置にとどまること
- 滑走路を横切る–大きなジェットの飛行経路の上を横切る
- 離陸-着陸するジェットの着陸地点より後方で離陸し、離陸滑走するジェットの進路手前で離陸する
完成基準
訓練生は飛行原理を理解しています。
成功のポイント
操縦士は、航空機に作用する各力の有効活用及び運航上の限界について、しっかりと理解しなければならない。
本レッスンの各項目をレビューすること
- 翼型の設計特性について
- 飛行機の安定性と操縦性について
- 旋回傾向(トルク効果)について
- 航空機設計の荷重係数について
- 翼端渦と注意について
参考資料
- FAA-H-8083-3
- FAA-H-8083-25
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