飛行機の操縦(6)その他のあれこれ

過去5回にわたり、飛行機の操縦に関わる話を取り上げてきたが、これまでの話の流れからこぼれてしまっていた「小ネタ」がいろいろある。今回は、そんな話をまとめてみた。

先尾翼機

垂直尾翼にしろ水平尾翼にしろ、尾部に付いている翼面だから「尾翼」という。ところが何事にも例外はあるもので、飛行機の世界には先尾翼機というものがある。つまり、主翼よりも前方の機首両側面に、小さな水平尾翼が付いているものだ。先端にあるのに尾翼とは変だが、そういう。

よくあるのは、デルタ翼の戦闘機が先尾翼(カナード)を併用するケースで、日本でF-35とF-Xの座を争ったユーロファイター・タイフーンや、ダッソー・ラファール、某ゲームでおなじみのサーブJAS39グリペンが有名だ。いずれも全遊動式のカナードを備えている。

民間機でも先尾翼機の例がないわけではなくて、その昔、とあるテレビCMに登場して名を売ったビーチ・スターシップというビジネス機がある。商業的にはまるでうまくいかなかった機体だが、外見には一種独特の美しさがあると思う。

先尾翼機というだけでも珍しいのに、スターシップはプッシャー式、つまりエンジンナセルの前ではなく後ろにプロペラが取り付いていて、これも特徴的だ。

　●参考 ビーチクラフト スターシップ - Wikipedia

面白いのはスホーイ30MKIで、主翼と双垂直尾翼と水平尾翼に加えて、さらに主翼前方に小さなカナードを取り付けて操縦翼面を増やしている。しかも推力偏向ノズル付きだ。操縦の際に動かせるものが多いので、飛行制御コンピュータが面倒を見ないと収拾がつかなくなる。推力偏向ノズルを巡る詳しい話は「軍事とIT」の第132回・133回で取り上げているので、そちらを参照していただければと思う。

先尾翼と静安定性

カナードを使用すると、機首上げ・機首下げの力は尾部に対してではなく、機首に対してかかる。水平尾翼を持たない無尾翼デルタ翼機だと、主翼の後縁に取り付けたエレボンがピッチ制御を受け持っているが、それと比べるとカナード付きの方が機首を動かしやすい。つまり機敏に動ける。

ただし、カナードの使い方には2種類の派閥がある。つまり、カナードにも揚力を分担させる派閥と、カナードは揚力を発生しないで制御に徹する派閥だ。もっとも、まったく揚力を発生しないカナードというのはなくて、明示的に揚力を分担させるか、そうしないか、という違いという方が適切かもしれない。

以前にも書いたように、飛行機が縦の静安定を保つには、主翼の揚力中心を機体の重心よりも後方に持っていかなければならない。ところが、機首に取り付けたカナードが揚力を発生すると、それだけ揚力中心が前進することになるので、縦の静安定性は下がる。その代わりに機敏さが増す。

しかし、カナードに揚力を発生させなくても、主翼の取付位置を前方に移動する方法でも、揚力中心を前方に寄せて縦の静安定性を下げることはできる。そこにカナードを組み合わせる場合、カナードが揚力を発揮する必然性はなく、カナードは機首の向きを変えるためだけに機能する。

そのカナードを水平軸を介して取り付けると、カナードは上下方向の動きだけになる。だからピッチ方向の操作だけが可能になる。ただし、左右を逆向きに動かしてロール方向の操作を行うことも可能ではある。また、着陸後にカナードを同じ向きに立ててエアブレーキ代わりにする機体もある。

ところが、斜めの軸を介して取り付けると、ピッチ方向の操作とヨー方向の操作の両方を行える。両方のカナードを同じ向きに同じだけ動かすか、向きは同じで角度を違えるか、向きも左右で変えるか、といった違いにより、さまざまな向きに機首を振れるわけだ。

日本で次期支援戦闘機(FS-X)に関する検討が行われていた時、カナードを取り付けて運動性を向上させる話が出たことがあるが、それによる重量増加や構造複雑化とメリットを天秤にかけた結果、カナードは使わないことになった。だから今のF-2戦闘機はカナードなしである。

トリムタブとバランスタブ

例えば、クルマを運転している時に、直進安定性がすこぶる悪くて、常にステアリングをこまめに調整しなければならないのでは疲れてしまう。もちろん手放し運転はいけないが、細々と調整し続けなくても真っ直ぐ走ってくれるぐらいでないと困る。

飛行機も同じで、操縦桿や操縦輪を中立位置にして、ラダーペダルは踏まない状態で、それで水平直線飛行をしてくれるのが理想的だ。ところが、必ずしもそれが実現できない場面が考えられる。例えば、燃料を消費すれば重心位置が動くかもしれないし、人や積荷の搭載位置によっても重心位置は影響を受ける。すると、重心と揚力中心の関係が変化するから、機体が不安定になる可能性がある。

そこで、釣合の調整をとらなければならない場面が出てくる。しかし、そのために動翼を動かしたのでは効きすぎるし、腕力も要る。それに、釣合をとって手放しでも安定してくれるようにしたいのだから、通常の動翼とは違う方法で調整する方がいい。

そこでトリムタブというものが登場する。タブというと、ダイアログボックスの上に並ぶものが馴染み深いが、飛行機のタブも形は似ている。

よくあるのは昇降舵に取り付けたトリムタブで、昇降舵の後縁の一部だけが独立して上下に動くようになっている。面積が少ない分だけ、昇降舵をまるごと動かすときよりも効きは少ない。そのトリムタブだけを動かして釣合をとるわけだ。明示的に機首上げ・機首下げを行うときには、もちろん昇降舵を使う。

昇降舵と違い、昇降舵のトリムタブは釣合がとれたらそのままの位置にしておけばよく、常に操作していなければならないものではない。だから、トリムタブを動かすレバーは独立して存在しており、それを動かして釣合をとる。機体によっては、方向舵や補助翼にトリムタブがついている場合もある。

ちなみに、無尾翼デルタ翼機で、釣合をとるためにエレボンを少し上げて、機首を上げる操作が必要になることがある。ところが、その状態で水平飛行していると、上げたエレボンは空気抵抗になる。その点、カナードを装備して、それが揚力を分担してくれれば、エレボンで釣合をとるよりも具合がよい。

動翼に取り付けるタブはもう1つあって、それがバランスタブ。こちらは、人力操舵を使用している時に、操舵に必要な力を軽くするために使用する。つまり、タブに当たった気流の力を、そのタブが取り付いている動翼そのものを動かす方向に働かせるわけだ。

ただ、人力操舵だからバランスタブが必要になるわけで、機械力で動翼を動かしている時は、バランスタブは必要ない。

方向舵で機首上げ

面白いことをしているのがF/A-18ホーネットの一族。以下に示したのはホーネットが空母のカタパルトから発艦する際の写真だが、水平尾翼を機首上げ方向に作動させるだけでなく、左右の方向舵を内側向きに作動させている。

これは、機首上げの力を増やす狙いによる。普通、双垂直尾翼なら方向舵は左右が同じ側に動いてヨー方向の操作を受け持つものだが、このときだけは例外である。空母から発艦する際に機首上げの力が足りないということで、後からこういう工夫をしたらしい。ホーネットはフライ・バイ・ワイヤ(FBW)を使っているから、飛行制御コンピュータのプログラムを手直しすれば対応できる。

第9回で取り上げたノースロップYF-23は全遊動式のV尾翼を備えているが、このV尾翼を左右とも前下げの状態にすると、空中ならピッチ操作(機首上げ)として作用するし、地上ならエアブレーキとして作用することになる。方向舵ではなく尾翼がまるごと動くので、エアブレーキとしてはこちらの方が見応え(?)がある。