【コラム】

航空機の技術とメカニズムの裏側

5 航空機の構造(5)主翼の配置と翼胴結合

井上孝司  [2016/02/15]

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主翼の内部構造についてはすでに書いたが、今回は、その主翼と胴体が取り付く部分にまつわる話を取り上げよう。案外と考えなければならない話が多い分野である。

高翼・中翼・低翼

飛行機は主翼の枚数に応じて、「単葉(主翼が1枚)」「複葉(主翼が2枚)」「三葉(主翼が3枚)」といった分類がなされる。昔は複葉機が普通で、時には三葉機もあったが、今では単葉機が普通だ(たまに例外があるが)。

その主翼が胴体に取り付く位置の違いにより、複数の区分ができる。この場合の位置とは前後方向の位置ではなくて、断面形状に対する上下方向の位置だ。具体的にいうと、胴体の下の方に取り付く「低翼」、胴体の真ん中辺に取り付く「中翼」、胴体の上の方に取り付く「高翼」、胴体から離れた上方に主翼を配置して支柱で支える「パラソル翼」に分類できる。

低翼・中翼・高翼・パラソル翼の違い。いずれにしても、主翼と胴体はどこかで結合する必要がある

飛行中は、揚力を発生する主翼が胴体を含めた機体全体を支えるのだから、主翼の強度部材である桁(翼桁)と、胴体の強度部材である縦通材やフレームを強固に結合しておかなければ、飛行機は空中分解してしまう。

低翼機の場合、以前に取り上げたセンターウイングボックスの両側に主翼を取り付けて、その上に胴体が載る格好になる。分割はされているが、左右通しの主翼の上に胴体が載っていると考えて差し支えない。

ところが、中翼や高翼だと話がややこしくなる。主翼を構成する桁を左右通しにすると、それが胴体のド真ん中、あるいは上方を突き抜けて横切る形になり(これをキャリースルーという)、機内のスペースに食い込んでしまうからだ。だから、中翼や高翼配置の機体だと、桁の構造に工夫をしたり、機内配置に工夫をしたりといった例がいろいろ出てくる。

ケーススタディ(1)B-29とランカスター

例えば、ボーイングB-29スーパーフォートレス爆撃機は中翼配置である。ところがこの機体は爆撃機だから、機内に爆弾を積み込むためのスペース(爆弾倉)を確保する必要がある。

さらに厄介なことに、爆弾を投下する前と後で重心位置が大きく変動しないようにする必要があるので、爆弾倉の位置をやたらと前方あるいは後方に寄せるわけにはいかない。しかも、空力的安定性を確保するには、重心位置を主翼の揚力中心位置より前方に持っていかなければならない。

とかなんとか、さまざまな要因を考慮した結果、主翼と胴体の結合部ではキャリースルーが胴体を左右にぶち抜いて、その前後に爆弾倉を分割配置することになった。こうすれば主翼に邪魔されずに十分な高さを確保できるが、長さには制約ができる。

そこで問題になったのが、中央部のスペースを占拠している主翼と爆弾倉によって、機内が前後に分断されてしまうこと。これでは前後の往来ができない。そこで、爆弾倉の上部に人がはって通れるぐらいのトンネルを設けて、前後の往来を可能にした。

B-29の胴体内部配置を大雑把に描いたもの。前後に分かれた爆弾倉の間に主翼が取り付いている

B-29爆撃機。主翼が胴体の中央に取り付いた配置と、その主翼の前後で扉を開けている爆弾倉の存在がよくわかる 写真:USAF

同じ第2次世界大戦中の爆撃機でも、アブロ・ランカスターは主翼の位置が比較的上に寄っている。そのため、爆弾倉もB-29のような前後分割ではなく、単一の長い爆弾倉になっている。そして、その爆弾倉の上をキャリースルーが左右に貫通している。

総面積が同じでも、複数の狭い部屋に分かれた状態よりも広い1つの部屋にまとまっているほうが、なにかと柔軟性がある。これは爆撃機の爆弾倉も同じで、単一の広い爆弾倉に小型爆弾をたくさん積むことも、大型爆弾を少数積むこともできた。その代わり、爆弾倉の高さはB-29ほど大きくない。

そして、胴体を横切るキャリースルーに人が通れるぐらいの穴を空けて、前後の往来を可能にしている。

ランカスターの胴体内部配置を大雑把に描いたもの。前後に分かれた爆弾倉の間に主翼が取り付いている

ケーススタディ(2)C-130ハーキュリーズ

今の軍用輸送機の「公式」を作ったのはロッキードC-130ハーキュリーズだといって差し支えはないだろう。その「公式」とは、高翼配置にするとともに降着装置を短くまとめて、機体を地面に近づけるとともに後部ランプを設けるというものだ。こうすることで、人や貨物の積み降ろしに際してタラップや昇降台を用意する必要がなくなるし、車両は後部ランプから自走で積み降ろしできる。

というだけでは、話が終わらない。貨物を積み込むスペースは凸凹していない、シンプルな四角い箱になっているほうがありがたい。先のランカスターの爆弾倉の話、あるいはクルマのトランクルームのことを考えてみれば容易に理解できる話だ。

ところが前述したように、飛行機として軽く、強く造ることを考えると、左右の主翼を構成する翼桁を左右通しにして、胴体とガッチリ結合する必要もある。また、降着装置を収容するスペースも必要になる。

低翼配置の民航機なら、機内を2層構造にしてキャビンの床下に翼胴結合部や降着装置収容スペースを設けるところだが、軍用輸送機では胴体をまるごと単一の空間として使いたい。

ということで、主翼は高翼配置にして、機内への食い込みを最低限に抑えている。降着装置も、胴体の両脇に張り出しを設けて、そこに収容することにした。これが、C-130で確立した「軍用輸送機の公式」である。

C-130輸送機。胴体上部に取り付いた主翼と、胴体両側面に張り出した降着装置収納用のバルジ、車両や貨物の出し入れに使う後部ランプが見て取れる 写真:USAF

ただし、機内への翼胴結合部の張り出しを完全になくすまでには至らず、たいていの機種では程度の差はあれ、張り出しが残っている。その部分は前後の部分よりも天井高が低く、そこの天井高によって、積み込むことができる貨物の最大高が決まる。

機種によっては、胴体の上部に張り出しを設けて主翼を取り付けることもある。その方が機内上部の張り出しを少なくできて、空間確保の面で有利だが、空力や構造の面では面倒かもしれない。航空自衛隊向けに開発中の川崎XC-2が、そんな傾向の強いデザインだ。

ちなみに、なにかと話題のV-22オスプレイも同様に、主翼は胴体の上に設けた張り出しに取り付いている。機内空間の確保という理由もあるだろうが、もっと大事な理由もある。

オスプレイは海兵隊の人員輸送機として使用する関係上、艦上運用も考えなければならない。そして艦上では場所をとらないように、主翼とその両端に取り付いたエンジンを一緒に、グルッと回転させて前後向きにしてしまう。それをやるには、主翼が胴体内部に食い込んでいては具合が悪く、胴体の上部に飛び出している必要がある。

つまり、オスプレイの翼胴結合部は他の軍用輸送機と違い、回転させるためのメカが組み込まれているわけだ。その模様は、米国海軍のニュースサイトの記事「First Production V-22 Joins Flight Test Program」に載っている写真で確認できる。

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インデックス

連載目次
第17回 航空機の動力系統(4)アクセサリーいろいろ
第16回 航空機の動力系統(3)エンジンの始動とAPUとRAT
第15回 航空機の動力系統(2)エンジンの動作を妨げる要因
第14回 航空機の動力系統(1)エンジンの種類と動作原理
第13回 飛行機の操縦(6)その他のあれこれ
第12回 飛行機の操縦(5)動翼の作動方法
第11回 飛行機の操縦(4)スポイラーとエアブレーキ
第10回 飛行機の操縦(3)高揚力装置
第9回 飛行機の操縦(2)動翼にまつわるあれこれ
第8回 飛行機の操縦(1)三次元の操縦操作と動翼
第7回 航空機の構造(7)航空機の機体構造材[2]
第6回 航空機の構造(6)航空機の機体構造材[1]
第5回 航空機の構造(5)主翼の配置と翼胴結合
第4回 航空機の構造(4)戦闘機の機体構造
第3回 航空機の構造(3)胴体の構造
第2回 航空機の構造(2)主翼の内部構造
第1回 航空機の構造(1)揺れたり、反ったり、空間が空いたり

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