【コラム】

航空機の技術とメカニズムの裏側

9 飛行機の操縦(2)動翼にまつわるあれこれ

井上孝司  [2016/03/14]

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前回は、飛行機が3次元の操縦操作を行うために使用する動翼、すなわち昇降舵(エレベーター)・補助翼(エルロン)・方向舵(ラダー)の基本的な動作について解説した。すべての飛行機がこれらの動翼を普通に備えていれば話は簡単だが、なにしろ例外の多い世界である。

水平尾翼がない機体

普通、尾翼というと垂直尾翼と水平尾翼が別々にあるものだが、水平尾翼を止めてしまう形もある。

まずV尾翼。水平尾翼と垂直尾翼を別々に設ける代わりに、斜めに突き出た1つの尾翼で済ませてしまうもの。後縁部に動翼を設ける場合もあれば、尾翼がまるごと動く場合もある。それらを左右で逆方向に動かしたり、同一方向に動かしたりすることで、任意の方向の力を生み出して、ピッチやヨーの操作を行う。

ちなみに、下に写真を載せたYF-23Aは全遊動式V尾翼なので、この大きな尾翼がまるごと動く。

F-22Aと競合したノースロップYF-23Aは、全遊動式のV尾翼。F-22Aは垂直尾翼と水平尾翼を2枚ずつ持つ、よりコンベンショナルな構成 写真:USAF

コンコルドがわかりやすい例だと思うが、水平尾翼を持たない機体もある。この場合、主翼の後縁に取り付けられた動翼がピッチ操作も受け持つ。左右で連動して同じ方向に動けば縦操縦操作になるし、左右で逆方向に動けば横操縦操作になる。同じ動翼が両方の機能を併せ持つ場合、エルロンとエレベーターの機能を兼ねているということで、これをエレボンと呼ぶ。

ダッソー・アビアシオンのミラージュ2000戦闘機は、コンコルドと同様の無尾翼デルタ翼機 写真:USAF

完全な無尾翼

コンコルドはデルタ翼(平面型が三角形なので、こういう)と垂直尾翼の組み合わせだが、これがB-2爆撃機になると垂直尾翼がない。

では、ヨー方向の操作はどうやるのかという話になるのだが、この機体の補助翼は上下2分割構造になっていて、それらが一体になって上下いずれかに動くだけでなく、別々に動く(上下の両方に展開する)こともできる。

そこで、左側だけ上下に展開させて右側は何もしないと、左側だけ抵抗(ドラッグ)が発生するので、機首は左に振れる。機首を右に振りたければ逆にする。ドラッグによってラダーと同じ機能を発揮させるので、これをドラッグ・ラダーという。

機首を振る効果を強めるには、ドラッグ・ラダーはできるだけ翼端に近いところにある方がいい。そこで、補助翼を上下二分割構造にしてドラッグ・ラダーの機能を持たせたわけだ。

補助翼の角度が左右で異なる点に注意。この場合、補助翼としての機能とドラッグ・ラダーとしての機能を一度にやっている写真:USAF

なお、ドラッグ・ラダーではなくエアブレーキとして使うために、補助翼を上下二分割構造にした機体もある。それがグラマンA-6イントルーダー攻撃機。普段は補助翼として上下一体になって動作しているが、エアブレーキの機能が必要になったときは上下が分かれて別々に開く。ただし、左右とも同じように動作するので、機首を振る動きにはならない。

エルロン・リバーサル

本連載の第1回で、主翼が弾性を備えた構造になっているという話を書いた。実はこれが、補助翼の効きに影響する。なぜか。

弾性を備えた主翼は、上下方向に動くだけでなく、ねじれた動きもする。そういう主翼の後縁に補助翼を取り付けて動作させるとどうなるか。

例えば補助翼を下げた場合、本来なら、それによって上方向の力が生じるはずである。ところが、補助翼は主翼の後縁に付いているから、その上方向の力は主翼の後ろ寄りにかかる。すると、主翼を持ち上げるだけでなく、前縁が下がる方向にねじる力も発生してしまう。

その結果として主翼が捻れて前縁が下がると、主翼の上面に気流が当たって、主翼を押し下げる動きが発生する。それが補助翼による上げ方向の動きより強いと、(主翼を上げるつもりで)補助翼を下げたのに主翼が下がってしまうという、意図したのとは逆の動きをする。

下手くそな図だが御勘弁いただきたい。主翼がねじれると逆効きが生じるというところだけ理解していただければ

補助翼は左右で逆方向の動きをするものだから、反対方向では逆の動きが生じる。結果として、例えば左にロールを打つ(機体を左に傾ける)つもりで行った操作により、機体が右に傾いてしまう。これが補助翼の逆効き(エルロン・リバーサル)と呼ばれる現象。

これを防ぐにはどうするか。ということで考え出された方法の1つが、高速飛行時にだけ使用する補助翼を別に設ける方法。ボーイング747が典型例だが、主翼の内側寄り、2番エンジンと3番エンジンが取り付く辺りの後縁に、小さな補助翼(高速エルロン)が付いている。余談だが、飛行機のエンジンは左側から順番に数えるので、左端が1番エンジンである。

低速で飛んでいるときは動作せず、高速になるとこちらを使う(逆に翼端の補助翼は使わなくなる)。内側寄りのほうが主翼の前後幅(翼弦長)が長く、強固なのでねじれにくい。すると、ねじれに起因する逆効きも起こらなくなる。面積が小さくても、速度が速ければちゃんと効く。

補助翼を使わないで横操縦

ただ、内舷寄りに高速エルロンを設ける手が使えるのは、それなりに翼幅がある機体だから。戦闘機みたいに翼幅が短い機体だと、同じ手は使えない。そこで、補助翼を使わずに横操縦を行う方法がポピュラーになった。

第1の方法として、全遊動式水平尾翼を使う方法がある。前回に触れたように、戦闘機の水平尾翼は全遊動式といって、独立した昇降舵を持たない形が一般的。水平尾翼全体が、付根に設けられたシャフトを中心にして上下方向に動く。左右を同じ向きに動かせば昇降舵として機能するが、左右を逆向きに動かせば補助翼と同じように横操縦に使える。

もう1つの方法は、スポイラーを使う方法。スポイラーとは主翼の上面に展開する抵抗板だが、左右の主翼で同じように立てれば、左右均等に抵抗が生じてブレーキがかかる。ところが、片方の主翼でだけスポイラーを立てれば、そちら側だけ下向きの力が生じて横操縦ができるというわけ。

この方法を使っている機体として日本でなじみ深いのが、航空自衛隊のT-2練習機とF-1支援戦闘機。この機体の場合、スポイラーを立てるとその下に空間ができて、主翼の下面から気流が上方に向けて吹き抜けるようになっている。

T-2やF-1の現物を間近で見ようと思ったら、航空自衛隊浜松基地に隣接する「航空自衛隊浜松広報館」」に行くのが早道だ。T-2なら岐阜県の「かかみがはら航空宇宙科学博物館」にも展示してある。

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インデックス

連載目次
第18回 航空機の動力系統(5)エンジンの羽根を冷やす
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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