スバリズムレポート第2弾「航空機はなぜ飛ぶのか？〜飛行機が飛ぶ原理とは〜」 [2018年12月29日更新]

翼周りの流れを考えてみましょう。前縁にぶつかった流線は、上面と下面に分けられます。この場所の流速はゼロです。ここを、よどみ点と呼びます。別れた流線が再び合流するのが、後縁のよどみ点です。離陸滑走開始直後、よどみ点は後縁より上方にありますが、この流れは不安定で、そのうち剥がれていきます。これが、反時計回りの出発渦と呼ばれるものです。

大型機の出発渦に巻き込まれると、小型機は容易に墜落します。そのため、大型機が離陸した後は、出発渦が消失するのを必ず待たねばなりません。

この出発渦を打ち消すように生じるのが、時計回りの循環です。と言っても、空気を分子レベルで追っかけても、循環を見ることはできません。循環は、分子が次々に入れ替わりながら維持されているからです。この循環を見るには、一様な流れから翼周りの流れをベクトルで差し引くと見出されます。循環が上下面の流速差を導き、揚力を発生させるのです。

揚力は、クッタ・ジュコーフスキーの定理に基づいて以下のように示されます。

揚力＝大気密度×対気速度×循環

この循環を生み出すには、クッタ条件を満たす必要があります。端的に言えば、後縁が充分尖っていること。これにより、上下面の流線がスムーズに繋がります。これを満たさなければ循環は維持されないのです。

後縁が丸い場合、よどみ点が後端に移動せず、流線はいつしか翼表面から剥がれてしまいます。こうした現象を剥離と言います。この時、循環は壊れ、揚力は失われます。

剥離は、翼の迎角が過大になったときや、著しく対気速度が低下した場合にも発生します。これを、失速と呼びます。

一般に、迎角の増加に比例して、揚力係数と抗力係数は増加していきます。しかし、ある点を過ぎると抗力係数の急増に対して、揚力係数は急減少に転じます。この点を、最大揚力係数と呼び、そのときの迎角を失速迎角と呼びます。

迎角が過大となると、流線は翼上面から剥がれるように剥離します。これが失速です。また、剥離と再付着を繰り返す不安定な状況が、バフェットです。低高度での失速は即墜落に、バフェットは深刻な構造破壊に至るため、絶対に避けなければなりません。

揚力は、翼上面に生じる上向きの力の合力で示されます。この力の分布を風圧分布と言います。この分布は迎角で変化しますから、揚力の中心は迎角の変化で移動することになります。これを風圧中心と呼びます。しかし、揚力の作用点が移動すると扱いづらいため、迎角の変化でも移動しない作用点を定義します。これを空力中心と読んで区別しています。

通常、空力中心は翼弦線の25%前後にあります。空力中心が翼の重心ないし取付点中心より前方にある場合、揚力により頭上げのピッチングモーメントが生じます。翼には、時計回りにねじる力が生じます。

翼断面は前縁が丸く、後縁が尖っており、これにより循環が成立して揚力が発生します。その空気の流れを詳しく見ていきましょう。

前縁のよどみ点では、速度が0となるため圧力は最大となり、最大翼厚位置に向かって圧力が下がっていくため、空気は加速されて流速が最大となり、圧力は最小となります。もし、流体が非粘性流体、つまり粘性がない流体だとすると、後縁のよどみ点に向かって速度は0まで減速し、圧力は再び最大となります。空気は後縁の後方もよどみなくきれいに流れていきます。こうした一切乱れのない空気の流れを、層流と呼びます。

実際の空気には粘性があるため、様相は違ってきます。粘性流体の流れの中に円柱を置くと、後方は激しく渦を巻きます。その渦は安定せず、不規則な流れとなります。これを乱流と呼びます。円柱の背面は圧力が低下し、円柱は常に流れに引っ張る力が働きます。これを、圧力抵抗と呼びます。

また、表面近傍には速度の遅い層が形成されます。これを境界層と呼びます。境界層には、きれいな流れの層流境界層と、不規則な流れの乱流境界層があります。

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。

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。