航空力学と飛行の基礎
飛行中の特性と飛行方法について学ぶ
目次
航空機にかかる 4 つの力
発明家や科学者たちは、飛行の基本原理を理解しようと何世紀にもわたって努力してきました。専門家たちは今もなお、航空力学の細かい点について討論しています。パイロットは、飛行に影響を及ぼす 4 つの力である “揚力”、”重力”、”推力”、”抗力” を始めに、飛行に関するいくつかの基本概念を理解する必要があります。
これらの 4 つの力は対になって作用します。揚力 (上へ持ち上げようとする力の和) と重力 (下へ引っ張ろうとする力の和)、そして推力 (前へ押し出そうとする力) と抗力 (後方へ押し戻そうとする力) という組み合わせで作用します。定常飛行では、この反対方向の力が互いにバランスをとっています。定常飛行とは、水平直線飛行、および一定の割合での上昇および降下を指します。この 4 つの力は、重心 (CG) と呼ばれる 1 点を中心に作用します。
揚力
航空機を浮揚させる力が揚力です。ほとんどの航空機の揚力は主翼が作り出します。主翼によって作り出される揚力の大きさをコントロールするには、翼の気流に対する角度である迎え角 (AOA: Angle of Attack) と対気速度を調整します。一般に、航空機の対気速度や迎え角が大きくなるほど、主翼による揚力が増加します。航空機の速度が増加したときに高度を保つには、迎え角を小さくする (わずかに機首を下げる) 必要があります。航空機の速度が減少したときに高度を保つには、揚力を増やすために迎え角を大きくする (わずかに機首を上げる) 必要があります。
上昇中あるいは降下中も揚力と重力はつりあっているということを覚えておいてください。航空機の上昇率あるいは降下率は、翼が作り出す揚力の大きさではなく、エンジンが作り出す推力の大きさに影響されます。
重力
重力は揚力と相対する力です。実際には、重力は常に航空機の重心から地球の中心を結ぶ線に沿って作用すると見なすことができます。
最初は、機体にかかる重力が変化するのは、燃料が消費されて減る場合だけだと思うかもしれません。実際は、翼が支える重量を変化させる荷重倍数 (G とも呼ばれます) の影響により、機体にかかる重力は大きく変化します。 たとえば、60 度のバンクで水平旋回している航空機は荷重倍数が 2 となります。その航空機が地上で静止しているとき 2,000 ポンド (907 kg) の重量があるとすれば、60 度バンクでの水平旋回中に、実際にかかる重力は 4,000 ポンド (1,814 kg) となります。
操縦中、揚力と重力のバランスを維持するには、迎え角を調節する必要があります。 たとえば、急なバンク角による旋回中は、わずかに機首を上げて (迎え角を大きくして) より大きな揚力を作り出し、増加した分の重力とつりあわせます。
推力
航空機の動力装置から供給される推力は、機体を空中で推進させます。推力は抗力と相対する力であり、定常飛行においては推力と抗力は等しくなります。推力を増加させて高度を維持すると、推力が瞬間的に抗力よりも大きくなるので、航空機は加速します。 しかし、抗力も増加するため、すぐにまた推力とつりあうことになります。その時点で航空機の加速は終わり、以前よりも速い一定の対気速度での定常飛行の状態に戻ります。
推力はまた、航空機の上昇力を決定する上で最も重要な要素でもあります。事実、航空機の最大上昇率は翼による揚力の大きさではなく、水平飛行を維持するのに必要な出力から、どれだけ余力があるかに関係しています。
抗力
航空機に影響する抗力には 2 種類あります。1 つは有害抗力と呼ばれるもので、着陸装置、支柱、アンテナといったさまざまな機体の構造物と空気との摩擦によるものです。有害抗力は飛行速度の 2 乗に比例して増加します。対気速度が 2 倍になると有害抗力は 4 倍になります。
もう 1 つの誘導抗力は、揚力の副産物です。これは翼下面の圧力の高い部分から、翼上面の圧力の低い部分へ流れる空気の動きによって発生します。この影響は、対気速度が遅く、重力とつりあうのに十分な揚力を得るために大きな迎え角が必要となるときに顕著になります。事実、誘導抗力は対気速度の 2 乗に反比例して変化します。対気速度が半分になると、誘導抗力は 4 倍になります。
作用のつりあい
4 つの力の関係を、Flight Simulator で実験してみることができます。 セスナ スカイホーク 172 SP を水平直線飛行に設定してください。そして、コントロールを動かさずに出力を加えてみます。最初に対気速度が増加し、続いて機首が上がります。しかし、すぐに航空機は加速をやめ、対気速度は元の速度に戻ります。ただし、出力を加えた結果、航空機が一定の速度で上昇していることに注目してください。 また、最初の設定値より出力を下げると対気速度は結局ほぼ元どおりに戻りますが、航空機は一定の速度で降下します。
飛行の軸
航空機は前後軸、垂直軸、左右軸の 3 つの軸を中心に回転します。各軸に対する動きは、3 つの主要な操縦翼面によりコントロールされます。
エルロン、ラダー、エレベータ
前後軸を中心にバンクまたはロールをする際は、エルロンを使用します。ラダーは垂直軸を中心にヨーをコントロールし、エレベータは左右軸を中心にピッチをコントロールします。3 つの軸は、重心で交わります。この 3 つのコントロール装置をうまく調和させて使用できるかどうかが、職業パイロットと単なる航空機の操縦士との分かれ目です。腕のいいパイロットは、3 つの軸が調和した動きをするために、すべてのコントロール装置を同時に操作します。
水平直線飛行
水平直線飛行は一見簡単に見えますが、実際には習得するのが難しい飛行操作の 1 つです。なぜなら、パイロットは航空機をコントロールしようとするあまり、不要な操作を行って、航空機が本来持つ安定性を損なってしまうことが多いからです。水平直線飛行では、機体が空中でふらつかないように、微調整をスムーズに行うことが必要です。
2 種類の操作
水平直線飛行を確立、維持する操作は、次の 2 つに分けて考えるとよいでしょう。一定の高度と、対気速度を保つことです。そのためには揚力と重力、推力と抗力、という対となる相反する力のバランスを保つことが必要です。
一定の針路を保つ
ここでは、翼を水平に保ち、調和飛行を維持し、さらに、針路から外れないように細かい修正を加えるために、定針儀と旋回計を監視する必要があります。
ピッチ + パワー = パフォーマンス
前述の 1 つ目の操作を行うに当たっては、その操作を手助けしてくれる簡単なルールがあります。
基本方程式、「ピッチ + パワー = パフォーマンス」は、パイロットの鉄則です。特定のピッチ姿勢を維持し、一定レベルに出力を設定すると、航空機は特定の対気速度で飛行して水平飛行を維持するか、一定の率で上昇または降下するということをこの式は示しています。
たとえば、高度 3,000 フィート (915 m) で、セスナ スカイホーク SP の標準的な巡航飛行体勢を取るには、2,500 RPM 前後になるようにスロットルを調節します。水平飛行を維持するには、水平儀のミニチュア エアクラフトが水平線と平行になるようにピッチ姿勢を調節します。正面の窓から機外の水平線を見るときに、実際の水平線が計器パネルのすぐ上に位置するようにします。
機首を水平に保ち、2,500 RPM 前後のパワー設定なら、航空機は高度を維持し、指示対気速度 110 ノットで巡航します。
機体の高度が上下し始めたら、ピッチ姿勢をスムーズに微調整し、エレベータ トリムを調節してください。最終的には、航空機の “手放し” 飛行ができるようになります。
直進の維持
高度の維持より一定の針路を維持する方が少し簡単ですが、それでもやはり、飛行計器には気を配る必要があります。機首が正しい方向を向いているかどうかを確認するため、頻繁に定針儀を確認してください。
また、旋回計を必ず確認してください。旋回計に表示されているミニチュア エアクラフトの翼が水平の場合、航空機は旋回していません。翼が水平でない場合に、翼を水平にして調和飛行を維持するためには、エルロンおよびラダーに、スムーズに圧力をかけて微調整する必要があります。
旋回
航空機が旋回するのは、主翼が作り出す揚力が、”コーナーを曲がる” ように機体を引っ張るためです。ラダーが機首を左右に方向転換させるからではありません。理論的には、ラダーを使用して機体をスキッド (外滑り) させることはできますが、方向転換の方法としては非効率的で、乗り心地もよくありません。そこで、航空機を旋回させるために、バンクを使用します。
揚力の水平成分
エルロンを使用して主翼をバンクさせると、主翼によって生じる揚力が少し横向きに働くようになります。この部分は、揚力の水平成分と呼ばれます。これが、旋回時に航空機を引っ張る力となります。
アドバース ヨー
主翼をバンクさせることによって、両翼の迎え角がそれぞれ変化します。また、翼面上の空気の流れもエルロンに当たって曲げられるので、両翼の抗力もそれぞれ変化します。これらの 2 つの要素により、航空機は旋回と逆方向にヨーしようとします。つまり、機体を左へバンクさせると、機首が右を向く傾向があるということです。
この影響 (“アドバース ヨー” と呼ばれます) を打ち消すには、旋回と同じ方向にラダーを動かします。左へバンクするには、わずかにラダーを左向きに動かします。逆の場合も同様です。
揚力のロス
旋回の際、揚力の一部が脇へそれてしまうため、高度を保つには主翼によって作り出される合計揚力を大きくしなければなりません。揚力を大きくするには迎え角を大きくする必要があるので、ロールして旋回へ突入するときに、操縦桿を少し手前に引いてエレベータをわずかに上げます。旋回が急なほど、エレベータを上げる必要があります。45°以上の急なバンクで旋回をするには、高度を維持するために、かなり上向きにエレベータを作用させる必要があります (おそらく、出力も同時に上げる必要があります)。旋回を終えてロールを戻すときには、操縦桿を引く力を緩めることを忘れないでください。
旋回計
旋回計は、実際は 2 つの計器です。ジャイロ部分は、航空機の旋回率、つまり方向転換の速度を示します。傾斜計、またはスリップ/スキッド指示器と呼ばれる管に入っているボールは、旋回の質、つまりその旋回が “調和飛行” しているかどうかを示します。
動作のしくみ
旋回計に利用されているジャイロは、通常 30°の角度に設置されています。航空機が旋回すると、力がかかるためジャイロは摂動を起こします。この摂動率によって、計器内のミニチュア エアクラフトが左右に傾きます。旋回が速ければ速いほど摂動も大きくなり、ミニチュア エアクラフトのバンク角も大きくなります。
標準旋回
計器内のミニチュア エアクラフトの翼が、”L” と “R” の上にある細い目盛りと揃っていれば、航空機は標準旋回しています。たとえば、1 秒間に 3°の標準旋回を行う航空機は、2 分で 360°旋回します。
バランス作用
旋回の際にかかる力のバランスがとれていて、航空機が調和飛行を行っている場合、滑り (スリップ/スキッド) 指示器の黒いボールは、2 本の垂直参照線の間に留まっています。ボールが旋回に対して内側に動く場合は、機体が内滑り (スリップ) しています。ボールが旋回に対して外側に動く場合は、機体が外滑り (スキッド) しています。
スキッドを修正するには
- 旋回方向へのラダーの圧力を減らします。
- または、バンク角を大きくします。
スリップを修正するには
- 旋回方向へのラダーの圧力を増やします。
- または、バンク角を小さくします。
Flight Simulator のオート ラダー機能をオンにすると、調和飛行を維持するようにラダーが自動的に動きます。
上昇
航空機の上昇は、エンジンが作り出すパワー (推力) が、特定の重量と迎え角で水平飛行を維持するために必要な量よりも大きくなると起こります。主翼が作り出す揚力が増大して上昇するわけではありません。この点は混乱しやすいのですが、機体が定常飛行 (たとえば、速度と上昇率が一定である状態) している場合は、揚力と重力がつりあっているということがわかっていれば理解できるでしょう。上昇中に揚力が重力を上回ると、機体が上方へ引っ張られることになります。
一定の引く力
一定の割合で上昇している間、地面に対して鉛直に作用している揚力の成分は、実際には重力よりもわずかに小さくなっています。これは、機体が上昇体勢にあるとき、揚力ベクトルは真上ではなく、少し後方を向いているからです。つまり上昇は、ある角度で機体を上へ引き上げている推力ベクトルによって起こるものだといえます。 丘でそりを引いている人を想像すると、全体的な概念が理解できるでしょう。
より大きなパワー
出力によって上昇率が決定されるのであれば、機体の上昇/降下をコントロールするのも、操縦桿 (操縦輪) ではなく、スロットルであるといえます。通常、上昇を開始するときは操縦桿を手前に引いて機体を機首上げのピッチ姿勢にします。しかし、誘導抗力が増加するため、増えた揚力はすぐに打ち消されてしまい、少し上昇した後は以前より遅い対気速度で水平飛行をするか、一定の割合で緩やかに上昇することになります。より大きい上昇率に達してそれを維持するには、より大きな推力が必要になります。このため、パワーを加える必要があるのです。
降下
航空機を降下させるには、操縦桿 (操縦輪) を向こうへ倒して、機首を下へ向ければよいと思われがちです。実際は、一定の対気速度を維持して安定した降下を行うには、パイロットはピッチと出力の両方を調整しなければなりません。
航空機は、水平または機首上げ姿勢でも降下できます。機体のピッチ姿勢を一定に保っている場合、機体が一定の高度を保つか、上昇するか、降下するかは、推力つまりパワーによって決まります。エンジンが、水平飛行を維持するために必要以上の推力を生み出すと、機体は上昇し、パワーを下げると機体は降下します。
与圧システムを備えていない航空機で降下する際、降下率は、約毎分 500 フィート (毎分 152 m) 以下にすべきです。 この降下率なら、降下中も乗客の耳は気圧の変化に対応できます。
さまざまなパワー設定と対気速度での操作に慣れるため、Flight Simulator の航空機で練習しましょう。出力が低いほど、降下率が大きくなることを忘れないでください。また、スムーズに出力を上げて降下を止める方法も練習してみましょう。
翼の働き
航空機は、エンジンではなく翼によって空中に浮き上がります。さまざまな形状の翼がありますが、これらはすべて相対風と呼ばれる、飛行方向からの風を分断することによって揚力を作り出します。翼の下側の空気の流れは、周囲と同じ圧力を維持しています。カーブしている翼の上側を流れる空気は加速し、ベルヌーイの定理などの要因によって、圧力が下がります。これにより、翼下面の圧力の方が翼上面の圧力よりも大きくなり、揚力と呼ばれる力が生み出されます。翼下面に空気が当たり、気流が下方へ向けられることによっても若干の揚力が生み出され、合計揚力が増します。主翼の揚力を変化させる場合は、エレベータを使用して機体のピッチを調節して、主翼の迎え角 (AOA) を変化させます。
飛行経路とピッチ姿勢
相対風は必ずしも機首の向いている方向から来るものではない、ということを覚えておくことは非常に重要です。別の言い方をすれば、迎え角は水平線と翼が作る角度ではなく、飛行経路と翼が成す角度です。
失速
主翼が臨界迎え角に達すると失速が起こります。主翼は、荷重係数、対気速度、バンク角、気象条件に関係なく、常に同じ臨界迎え角で失速します。パイロットは、エレベータを使用して迎え角をコントロールしなければなりません。
失速は航空力学上の現象であり、航空機のエンジンとは無関係です。グライダー、旅客機、ジェット戦闘機、プロペラ機のいずれも、主翼の迎え角が特定の角度に達すると、エンジンのトラブルとは関係なく失速します。
失速の詳細分析
特定のあるポイントまでは、迎え角を大きくすると主翼が生み出す揚力も大きくなります。 しかし、最終的には、空気が翼上面をスムーズに流れることができなくなり、岩にぶつかった水の流れのように渦を巻き始めます。このポイントが臨界迎え角と呼ばれ、合計揚力が突然減少し、主翼が失速します。
すべての翼には特定の臨界迎え角があり、常にその角度で失速します。最も一般的な航空機の翼の臨界迎え角は約 15°です。未熟なパイロットは、迎え角に対するピッチ姿勢をしばしば誤ります。飛行経路 (つまり相対風) は、機首が向いている方向では決まりません。
警告サイン
失速の直前に、わずかな揺れやバフェット (振動) が起こることがあります。この振動は、翼上面の空気流が乱れるために起こります。この空気が水平安定板とエレベータにぶつかって、操縦桿にわずかな振動を感じることがあります。ほとんどの航空機には、失速に近づくとそのことを知らせる警報装置が付いています。
失速からの回復
失速から回復する方法は 1 つしかありません。それは、迎え角を小さくすることです。迎え角を小さくするには、操縦桿を向こうに倒し、高度の低下を最小限で抑えるためにパワーを加えます。
重心
重心 (CG) とは、航空機を 1 本のケーブルでつり下げたときに完全につりあいがとれる点です。これは前後軸、垂直軸、左右軸が交差する点でもあり、飛行に関する 4 つの基本的な力である、揚力、重力、推力、抗力も、この点に対して作用すると考えることができます。航空機が安定して飛行し、操縦操作に機体が正確に反応するようにするには、航空機に物を積むときに、決められた範囲から重心が外れないように注意深く行う必要があります。
重心の変動
何も載せていない航空機は、シーソーのように機体の重心でバランスをとっています。機体に取り付けられているさまざまな部品は、それぞれがわずかずつ重心を変化させます。本来の重心より前方に配置されている物体は機体を前方へ傾け、重心の後方に配置されている物体は、機体を後方へ傾ける傾向があります。物体を傾ける力、すなわち “モーメント” の大きさは、物体の重量とその “アーム” の長さによって決まります。アームとは、暫定的な基準線と物体との距離のことで、多くの航空機では、エンジン ルームと操縦席を分離する防火壁が基準線となっています。
重心の管理
パイロットは、機内の重量の配分をコントロールすることで、重心を管理します。小さな航空機の多くは、燃料タンクと座席が最適な重心の近くに位置しているので、燃料や乗員、手荷物を追加しても重心が動くことはほとんどありません。それでもやはり、パイロットは、飛行前には毎回、荷物を積載した航空機の重心位置が、機体の製造元に指定された適切な範囲内にあることを確認する必要があります。
重心と安定性
決められた範囲内に重心を保つことは、絶対に必要です。子供がシーソーに乗るとつりあう位置が変わるように、重心の位置は航空機の安定性に影響するからです。
重心が機体の後部 (尾翼寄り) にあると、機体のピッチが不安定になります。重心があまり後ろにあると、機首が下げられなくなり、失速から回復できなくなることがあります。
重心が機体の前部にある場合、機体は機首が重い状態となり、着陸の最後の段階で行うフレアが難しく、場合によっては不可能になります。
着陸
着陸は、ほとんどのパイロットにとって最も難しい操縦です。やさしくスムーズに着陸するコツは、矛盾しているようですが、なかなか着陸しないように、地面をすれすれに飛行し続けることです。着陸の詳細については、ロッド マチャド氏によるレッスンで学ぶことができます。 ロッドの操縦レッスンを受けるには、[ラーニング センター] の [レッスン] タブをクリックしてください。
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