スバルショップ三河安城の最新情報。スバリズムレポート第2弾「航空機はなぜ飛ぶのか?」| 2018年12月29日更新

 

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航空工学を飛躍的に進歩させた、NACA翼型。

Airfoil geometry

1:ゼロリフト線、2:前縁、3:前縁半径、4:最大翼厚、5:最大キャンバー、6:上面、7:後縁、8:中心線、9:下面
F l a n k e r [Public domain], via Wikimedia Commons

1930年代、翼理論が大きく発展し、精度高く流れを予測出来るようになると、NACA(NASAの前身)は翼型を詳しく解析し、体系的に分類を始めます。これが、NACA翼型です。

NACA翼型は風洞データを含め、広く一般に公開されています。コードナンバーが大凡の翼断面形状を表しており、設計者は要求に応じて適切な翼型を選定できるので、現在も多くの設計に用いられています。

ただ、先進的な航空機に於いては、既にNACA翼型を離れ、さらに効率の高い翼型を追求しています。

 

層流翼:翼全体を層流境界層で包め。

層流翼の流れ

それまでの翼型は、抗力係数は極めて小さいものの最大揚力係数が低いのが大きな欠点でした。その欠点を克服するためにNACAは改良を続けたのが、NACAの6系と呼ばれる翼型です。

乱流境界層より層流境界層の方が摩擦抗力が小さいので、なるべく層流の部分を広くすれば、摩擦抗力を減じられると考えられたのです。乱流への遷移点を後縁まで下げ、翼全体を層流で包んで抗力を下げようというのです。

迎角が小さい場合、層流境界層は翼上下面の最小圧力点まで維持されます。乱流境界層へ遷移する位置を可能な限り後方に下げるため、それまで30%位置にあった最大翼厚位置が、翼弦の40~50%の位置に設定されているのが特徴です。

 

層流翼:僅かな凹凸も許されない。

HondaJet Ryabtsev

主翼と胴体前部に層流翼を適用し、速度と燃費向上を図ったHondaJet。
Sergey Ryabtsev [GFDL 1.2 or GFDL 1.2], via Wikimedia Commons

P-51-361

大戦末期に帝国陸海軍機を圧倒したP-51は、長大な航続距離を誇る。
USAAF/361st FG Association (via Al Richards) [Public domain], via Wikimedia Commons

Kawanishi N1K Shiden

大戦末期に一矢を報いる活躍を見せた、紫電改。
USAF [Public domain], via Wikimedia Commons

層流翼型は、翼表面を極めて滑らかにせねばならず、実現は難しいとされています。米国のP-51や紫電改等が知られていますが、当時の工作技術でそれが確実に実現するのは不可能だったと言われています。

HONDA Jetは削り出しによって、極めて精度高く主翼を製作。理想的な層流翼型を実現しています。また、層流翼型を機首部の形状にも適用。機体性能の向上を図っています。

 

遷音速翼:臨界マッハ数を限界まで高めろ。

28.10.72 1er Vol d'Airbus (1972) - 53Fi1979 (cropped)

遷音速翼型であるリア・ローディング翼型を採用したエアバスA300B。
André Cros [CC BY-SA 4.0]

対気速度が遷音速域に達すると、部分的に音速を超えて、衝撃波が発生。造波抵抗が急増します。そこで、衝撃波の発生をより小さく滑らかにすることで、臨界マッハ数を高めようという翼型を、遷音速翼型と呼びます。

その実現には、翼厚を薄くするか、後退角を増やせば良いのですが、最大揚力は減少し、構造重量は増加してしまいます。

そこで考案されたのが、翼上面を平らにすることで超音速領域の加速を抑えて、衝撃波を弱め、抗力増加を緩やかにする翼型でした。飛行速度が同じであれば、後退角を弱め、翼厚を増やすことができます。また、構造重量を増やさずに、より大きなアスペクト比の主翼を実現できるので、誘導抵抗の軽減によってより高い燃費を実現できます。

 

ピーキー翼:衝撃波を弱めて抗力を下げる。

ピーキー翼、スーパークリティカル翼

ピーキー翼型は、1962年にイギリスのピアシーが提唱したものです。遷音速翼型の一種で、高速機用の翼型です。

一般に、マッハ0.8を超えると、翼表面では部分的に音速を超えて衝撃波が生じます。さらに、衝撃波の後方では、境界層が剥離します。

ピーキー翼型は衝撃波の発生を抑えるために、翼前縁の丸みを大きく取り、上面形状をなだらかにしています。翼上面の圧力分布曲線が前縁付近で急に立ち上がってピークを描くために、名付けられました。前縁付近の立ち上がりが大きいものをフロント・ローディング翼、後縁付近が大きいものをリア・ローディング翼と呼びます。臨界マッハ数が高まるため、後退角と翼厚比が同じならば、より高い巡航速度と低燃費を両立可能です。

エアバスA300Bでは、リア・ローディング翼を採用しています。

 

スーパークリティカル翼型:高速機用翼型。

スーパークリティカル翼の流れ

スーパークリティカル翼型は、NASAが中心となって開発した高速機用の翼型です。

前縁の丸みを大きく取るのはピーキー翼と同様ですが、翼上面を極めて平坦にしてあるのが特徴です。衝撃波の発生位置を後縁部まで下げることで、超音速領域を広げて、抗力の発生を緩やかにしています。この形状では、上面で発生する揚力が小さくなってしまいますが、下面の後縁付近の曲がりを強めることで揚力を稼いでいます。

スーパークリティカル翼型は、同じ翼厚比でも巡航マッハ数を15%程度増やせるとされています。最新の旅客機では、経済性が何よりも重視されます。特に重要な指標が、1座席当たりの燃料消費です。そのため、巡航マッハ数を維持しつつ、より低燃費で飛行できる翼型の研究が続いています。

 

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