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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超音速翼型:前縁も鋭く、翼厚も薄い。

超音速翼型

マッハ数の増加に伴って、翼上面の超音速領域は広がっていき、遂に前縁まで至ります。音速を超えると、前縁のさらに前方に弓状の強大な衝撃波面が形成されます。衝撃波の後方は亜音速に減速され、圧力と温度が高まっています。また、同時に後縁にも強力な衝撃波面が形成されます。これにより生じる造波抵抗は極めて大きく、このままでは音速を超えることはできません。

前縁の衝撃波を弱めるには、前縁半径を小さくする必要があります。前縁を鋭くしていくと、衝撃波は前縁で発生するようになります。前縁が鋭いほど、衝撃波の成す角度は小さくなり、翼厚が薄いほど造波抵抗も小さくなります。その角度は、マッハ角に比例して小さくなります。つまり、超音速翼型は前縁と後縁の双方が鋭い、前後対称に近い薄い翼型となるのです。

 

超音速翼型:迎角で揚力を作る。

超音速流と翼型

揚力を発生させるには、前縁が充分に丸く、後縁が鋭いのが条件でした。しかし、前縁が鋭い翼型だと循環がうまく成立せず、揚力が発生しないはずです。超音速翼型は、どのように揚力を発生させるのでしょうか。ダイヤモンド翼で考えてみましょう。

超音速領域に至ると、空気の圧縮性が及ぼす影響が極めて大きくなります。ダイヤモンド翼を超音速流内に置くと、前縁と後縁に衝撃波が形成されると共に、翼上下面のエッジ部で膨張波が生じます。衝撃波の後方は正圧ですが、膨張波の後方は負圧に転じます。

この翼に迎角を与えると、下面側の迎角が大きいため、上面より圧力が高まります。膨張波は上下同様ですから、その後方の負圧域も上面側が強くなります。つまり、超音速翼型は迎角を与えることで、初めて揚力が発生するのです。

 

アスペクト比を高めると、揚抗比が高まる。

揚力と抗力 DG1000 glider crop

[右]:グライダーは高い滑空比を得るため、長大な主翼と高いアスペクト比を持つ。 Paul Hailday [Public domain], via Wikimedia Commons

 

迎角に対する、揚力係数と抗力係数の比を揚抗比と呼びます。揚抗比が高ければ、少ない抵抗で大きな揚力を得ることができます。

推力停止時の降下高度と滑空距離の比は、滑空比と呼びます。滑空比は、機体の空力効率を示す重要な指標ですが、それは揚抗比と等しくなります。そのため、グライダーのような航空機の主翼は、揚抗比の大きなものが採用されます。

所定の重量の飛翔体を飛ばすには、ある一定の翼面積が必要です。その翼面積を得るにあたっては、翼の縦横比は自在に設定できます。その縦横比は、機体の空力学的特性を大きく左右します。この縦横比をアスペクト比と呼び、翼幅と平均翼弦長の比で計算されます。

翼幅b、平均翼弦長をCm、翼面積をSと置くと、アスペクト比ARは次のように表されます。

 

アスペクト比が大きいほうが、翼端渦の影響を減らして誘導抵抗を減ずることができ、揚抗比は高くなります。しかし、翼幅が極端に大きいと慣性モーメントが過大となるため、運動性は低下します。

戦闘機や曲技機など運動性を重視する機体はアスペクト比は小さく設計され、グライダーや旅客機など揚抗比を重視する機体は大きなアスペクト比が与えられます。

 

上反角が横滑りからの復元力を生み出す。

上反角効果

空気の流れは風洞と違って、常に乱れています。気圧や流速の乱れは外乱として、左右両翼の揚力や抗力を変動させます。例えば、右翼側の気圧が低下すれば、機体には右回りのロールモーメントが生じます。一旦機体が右に傾くと、揚力に右向きの成分が生じますので、機体は右下方にスライドしていきます。これを横滑りと呼びます。

これでは、気流の乱れの度に横滑りを起こすので、機体は安定して飛行できません。外乱に伴う挙動が自然収束するような静安定を与えねばなりません。

機体が右下方に横滑りを起こすと、左上向きの風を受けます。この風の上向き成分によって、左右主翼の迎角が減少します。

もし、機体が上半角を持つのであれば、左翼側がより多く迎角が減少します。すると、揚力は右翼>左翼となって、機体に復元力が作用します。また、後退角がある機体でも、横滑り側の後退角が見かけ上減少するため、上半角同様に復元力が働きます。

注意せねばらないのは、その復元力が過剰になると横滑りを周期的に繰り返すようになるということです。これは、ダッチロール現象として知られており、振幅が増大するような特性であれば、非常に危険です。それ故、後退角を持つ機体では、逆に下半角を与えられる場合があります。

当然ながら、運用される航空機は静的安定を有していますが、速度低下や上昇限度の超過、機体の損傷が生じるとこのような現象が現れて、時に重大な事態を引き起こします。

P-1 01l Kawasaki C-2 5D4 1065 (29921029178)
 

[左]:低翼配置の主翼ゆえに、上反角を持つ海上自衛隊のP-1紹介機。海上自衛隊 [CC BY 4.0]
[右]:高翼配置の主翼に強い下半角がついた、航空自衛隊のC-2輸送機。Ronnie Macdonald from Chelmsford and Largs, United Kingdom [CC BY 2.0], ウィキメディア・コモンズ経由で

 

航空機の性格を決定づける、翼面荷重。

翼面荷重

参照:Wikipedia - Wing loading

A6M3 Model22 UI105 Nishizawa

低翼面荷重で抜群の格闘性能を発揮した零式艦上戦闘機。 IJN [Public domain], via Wikimedia Commons

翼面積と重量の比を翼面荷重と呼びます。揚力と翼面積は比例すると考えられますが、揚力は対気速度とも比例します。そのため、低速の機体ほど翼面荷重が低く設計されるのが一般的です。

低翼面荷重の機体は、低速でも充分な揚力を確保できるため、短距離での離着陸が可能な他、高い上昇性能と小さい旋回半径を有しています。ただ、気流に流されやすく、悪天候にも左右されやすいのが難点です。

高翼面荷重の機体は、失速速度が高くなります。フラップ等で揚力を補ったとしても、離着陸には長い滑走路が必須となります。翼面積が小さくても、対気速度が高ければ充分な揚力が得られるため、高速機では抗力低減を考慮して高翼面荷重が採用されます。

艦上戦闘機零戦は、大戦初期においては傑作機でした。空母から発艦せねばならない零戦は、徹底した軽量化と抗力低減が図られ、思い切った低翼面荷重(21型:107kg/㎡)を実現。素晴らしい格闘性能と長大な航続性能を誇っていました。零戦は数々の戦歴を築き上げ、その存在は既に伝説にまで昇華していました。

ところが、大戦後期に主流となった一撃離脱・編隊空戦といった空中戦闘に於いては、高翼面荷重で高速性能に優れた機体が適していました。零戦は、完全に時代遅れになっていたのです。

にも関わらず、海軍首脳部は、低翼面荷重で格闘性能に優れた戦闘機に固執しました。後継機として三菱に開発を命じた2000ps級の烈風は、低翼面荷重(130~150kg/㎡)を実現するため、30㎡に及ぶ翼面積を持つ層流翼を持っていました。しかし、それは終戦に間に合わず、代わって急遽投入されたのは、紫電改でした。陸上戦闘機として艦上運用を考慮しない、紫電改は170kg/㎡の高翼面荷重の機体で、高速性能に優れており、大戦末期に素晴らしい戦歴を残しています。

Kawanishi N1K Shiden 超音速流と翼型

[左]:高翼面荷重を採用し、高速性能で米軍機に対抗した紫電改。USAF [Public domain], via Wikimedia Commons [右]:低翼面荷重を実現すべく巨大な主翼を採用する予定であった、烈風。

 

尾翼は、何のためにある?

尾翼の役割

航空機には主翼の他に、水平尾翼と垂直尾翼の2種類の尾翼があります。これは何のためにあるのでしょうか。

航空機は揚力によって、飛行を維持しています。しかし、この揚力が、突風や乱気流等の外乱によって変動することがあります。この時、機体の挙動が発散しないようにするのが、尾翼の役割です。

一般的な旅客機で見てみましょう。円形断面の胴体に主翼を備え、ここにエンジンナセルを吊下し、水平尾翼、垂直尾翼を胴体後方に装備しています。水平尾翼は縦方向の安定を司り、垂直尾翼は横方向の安定を司ります。

 

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