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。

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。

水平尾翼は、実は下向きの揚力が発生するような翼型を採用しています。これは、主翼の空力中心を機体重心より後方に置くことで頭下げのピッチモーメントとし、これを尾部に設けた水平尾翼の下向きの力でバランスさせているのです。

外乱によって頭上げが生じた場合、水平尾翼の迎え角増加により、揚力が増加。頭下げのモーメントを発生させます。逆に、機首が下がった場合は、水平尾翼の迎え角が減少し、機首上げのモーメントが発生して挙動をバランスさせます。

垂直尾翼は風見鶏と同じ原理で、ヨーの安定を生み出します。外乱によりヨーが生じると、迎え角の増加により逆向きのヨーモーメントが発生し、機体を安定させます。

尾翼の作用によって機体の姿勢安定を自然に維持する設計を、正安定と呼びます。多くの航空機は正安定を与えられていますが、近代の戦闘機はこの限りではありません。意図的に正安定を成立させないことで、機動性の向上を図っています。

通常、航空機は機体に作用する力の釣り合いによって飛行を維持しています。動翼は、この力の釣り合いに変化を与えることで機体制御を行うためのものです。

ローリング：補助翼(エルロン)は機体をバンクさせるためのものです。主翼後縁の外側に設けられており、これを左右非対称に作動させることで機体にロールモーメントを与えます。エルロンが、フラップの機能をも果たすものはフラッペロンと呼ばれます。

ピッチング：昇降舵(エレベータ)は、水平尾翼全体もしくはその後縁部が左右対称に作動することで、ピッチモーメントを生み出します。水平尾翼全体が可動する全遊動式のものは、エレベータ＋スタビライザからスタビレータとも呼ばれます。

ヨーイング：方向舵(ラダー)は、垂直尾翼全体もしくはその後縁部が作動することで、機体にヨーモーメントを与えます。ラダーの作動だけでは、機体が斜めに進むだけで旋回しません。右旋回させるには、エルロンで機体を右バンクさせた後、ラダーを作動させます。

主翼付け根の前縁を延長したものを、ストレーキやLERXと呼びます。原理的にはダブルデルタ翼と同様で、失速速度を低下させる効果があります。

戦闘機で求められる激しいマニューバでは、時に迎角が過剰となって失速(→スピン)に至ることがあります。そのため、機種ごとに最大迎角が指定されており、これを超えて機動することは禁じられています。LERXはF-5戦闘機の開発時に発見されたもので、前縁フラップのアクチュエータ収納部が離着陸性能の改善に有効であることから見出されました。

主翼の失速は、翼上面の気流がエネルギーを失って剥離することで起こります。超音速機で採用されるデルタ翼は、翼端失速しやすい特性を持っています。そこで、大迎角時にLERXが強力な渦を発生させ、これを翼上面に導くことで、エネルギーを与えて失速を防ぎます。LERXは、激しいマニューバや離着陸性能の改善に極めて有効です。