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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粘性流体は表面にへばり付く。それが、境界層。

層流境界層と乱流境界層

層流境界層は剥離を起こしやすいものの、摩擦抵抗は小さくなります。物体表面では粘性により速度が0になりますが、上下層がきれいに流れる層状境界層ではエネルギー交換が起こらないため、剥離を起こしやすいのです。

一方、乱流境界層は上下層が混じり合うため、剥離は起こしにくいのですが、摩擦抵抗は大きくなります。ボーテックスジェネレーターは、乱流境界層化によって剥離を起こしにくくするためのものです。ストレーキやドッグツースは、大迎角時に翼上面の剥離よる失速を防ぐために、翼表面に渦を発生させてエネルギーを与えて、失速を防ぐものです。

 

境界層の剥離が生み出す、圧力抵抗。

境界層の剥離と圧力抵抗

粘性流体の場合、前縁から最大翼厚位置にかけて、境界層は層状境界層のまま発達していきます。最大翼厚位置を過ぎると減速していくと共に、圧力は高まっていきます。流れはある時点から不安定になり、境界層は乱流境界層に遷移します。減速によって、遂に速度が0になると、境界層は表面から剥離してしまいます。その点を剥離点と呼び、これによって形成される流れを後流といい、圧力抵抗の原因となります。

ゴルフボールのように表面を荒くすると境界層が乱流境界層となり、剥離しにくくなるので圧力抵抗を下げることができます。

 

失速のメカニズム。

失速のメカニズム

過度の迎角や対気速度の低下によって生じる失速は、その形態によって分類されます。翼型によって失速形態が違うため、適切な翼型を選定して、制御しやすい飛行特性とせねばなりません。

翼の後縁から失速するものを後縁失速と呼びます。厚翼比0.15以上の厚翼で起こる現象で、後縁での乱流境界層の剥離が徐々に前方に移動しつつ、剥離領域が拡大していきます。揚力減少と抗力増加は、比較的緩やかです。

翼の前縁から失速するものを前縁失速と呼びます。前縁付近の小さな剥離―再付着が、前縁に向かって移動。突然にして一気に失速。揚力が急激に減少するとともに、圧力抵抗が急増します。

薄翼失速は、翼厚比0.09以下の薄翼で起こる失速です。小さな迎角で前縁付近で層流が剥離後、乱流化によってすぐに再付着する層流剥離泡が徐々に大きくなり、いずれ後縁に到達。失速します。一部では失速するものの、揚力は維持されながら失速していきます。

 

翼周りの循環が、翼端渦につながる。

ここまで、翼を2次元で見てきました。しかし、その様な翼は存在しません。翼の長さは有限で、翼端があるからです。

翼端では、上面より下面の方が圧力が高いため、空気は上に回り込もうとします。その結果発生するのが、翼端渦です。前方からの流れに翼端渦を重ねると、実質的に迎角を減らし、揚力と揚抗比を下げることになります。揚抗比を高くするには、翼幅を長くするしかありません。グライダーやU-2が、長大な主翼を持つのはそのためです。但し、翼幅には強度上制限が伴うため、代わりに翼端を上に曲げるのも有効です。ウイングレットと呼ばれるものがそれです。自動車用のリアウイングに備わる翼端板も同じ目的を持っています。

翼端渦は、理論的には切れること無く離陸滑走地点まで繋がっています。この翼端渦の影響を受けると、非常に危険です。飛行中に機体同士を近接させるには、非常に高い技量と慎重さが必要です。

 

翼端失速対策、それがねじり下げ。

ねじりさげ

主翼の翼端から失速が始まり、翼根に向かって拡大。最終的に翼全体が失速する現象を、翼端失速と呼びます。後退翼やテーパー翼等の翼端で翼弦長が短くなるタイプの翼で見られます。左右両翼が同時に失速した場合、頭下げに入ります。しかし、片翼が先に失速した場合は、危険なスピンに陥ります。

航空機にとってスピンは、非常に危険な現象です。片翼の揚力が失われ、抗力が激増するために、失速側を中心に意図しない回転運動が始まります。これが、スピンです。迎角が65~90度のスピンモードをフラットスピンと呼び、もっとも危険なスピンとされています。

翼端失速を防ぐには、主翼の取付角を翼端に向かって小さくしていく、ねじり下げが有効です。また、ドッグツースやストレーキ、ボーテックスジェネレーター等も有効です。

 

翼型の限界、それが臨界マッハ数。

FA-18 Hornet breaking sound barrier (7 July 1999)

ベイパーに包まれるF/A-18。翼面上で部分的に音速を超えることで生じる。
Ensign John Gay, U.S. Navy [Public domain], via Wikimedia Commons

第二次大戦を経て、航空機は急激な技術的発展を遂げています。布張りの複葉機から、金属製の単葉機へ。動力は、レシプロエンジンからジェットエンジンへ。最高速度は300km/h台から、音速一歩手前まで。高度は数百mから、成層圏まで。その能力は一気に発展を遂げたのです。

そこで問題となったのが、臨界マッハ数です。翼上面の流れは対気速度よりも加速されるため、亜音速域では部分的に音速を超えてしまうのです。この時の速度を、臨界マッハ数と呼びます。音速を超えると、翼上面に衝撃波が形成されます。莫大なエネルギーを浪費するため、衝撃波を形成するエネルギー分、抗力(造波抵抗という)が急増します。

 

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