飛行機の操縦(1)三次元の操縦操作と動翼

本連載の第1回で、主翼に取り付けられている操縦翼面の話が少し出てきた。先に機体構造の話に進んでしまったが、それが一段落したところで、操縦翼面の話に移ることにしよう。

3次元の操縦

鉄道車両の運転は「加速」と「減速」しかないから、これは1次元の操縦操作である。自動車や自転車やバイクや船は、「加速」と「減速」に「旋回」が加わる、2次元の操縦操作である。

そして、飛行機や潜水艦は「加速」と「減速」と「旋回」に加えて「上昇・下降」が加わる、3次元の操縦操作である。飛行機は空気から揚力を得て飛んでおり、地に足が着いているわけではないので、クルマのように「タイヤの向きを変える」というわけにはいかない。

そこで、操縦操作のために動翼と呼ばれるものを用意する。直進する時は(基本的に)使わないが、旋回・上昇・下降の際に動翼を動かすと、そこに気流が当たって、機体の姿勢や向きを変える力を生み出す。操縦操作のために動く翼面なので動翼だと覚えればよい。

その操作に使用するのが、コックピットに設けられている「操縦桿」または「操縦輪」と、左右のペダルである。戦闘機みたいに棒が突っ立っていると「操縦桿」、旅客機みたいにU字型のハンドルになっていると「操縦輪」と呼ぶのが普通のようだ。

なお、加速と減速はスロットルレバーでエンジンの出力を加減する方法が基本だが、実はこちらにもエアブレーキというのがあって、減速だけは空力的に行うことがある。その話もおいおい取り上げよう。

縦操縦(ピッチ)

まず、縦操縦、つまり機首の上げ下げの話から。基本的には、上昇や下降を行う際に必要な操作である。3次元の座標軸を想定した場合、左右方向のX軸を中心とする回転になる。

そこで使用するのは、水平尾翼の後縁部に取り付けられている「昇降舵」(エレベーター)である。左右の水平尾翼に取り付けられており、連動して同じ向きに動く。ただし、戦闘機などで多用している方法として、水平尾翼がまるごと上下に動く形もある。これを全遊動式水平尾翼(オールフライングテール)という。造りは違うが、機能的には同じだ。

操縦桿や操縦輪を手前に引くと、昇降舵は上に動き、そこに気流が当たって下方向の力を生み出す。それが尾部で発生するから、結果的に機首を持ち上げる動きになる。逆に、操縦桿や操縦輪を奥に押すと、昇降舵は下に動く。すると上方向の力を生み出すので、結果的に機首を下げる動きになる。

なお、飛行機の前後方向の動きと機首の上下方向の角度は、常に一致しているとは限らない。機首をいくらか持ち上げた状態で水平方向に前進することもあり得るが、その場合の機体の軸線と進行方向がなす角度のことを迎角(むかえかく)という。迎角が大きくなりすぎると、主翼が揚力を発生できなくなってしまうが、これがいわゆる失速(ストール)のこと。

「航空機とIT」の第6回で書いた話だが、機体の重心を主翼の揚力中心より前方に持ってくることで、縦の静安定を実現できる。動翼をまったく動かしていない状態で釣合がとれて真っ直ぐ飛行できれば話は簡単だが、時には外部からの影響によって、あるいは意図的な設計によって、そうならなくなることもある。

横操縦(ロール)

次は横操縦である。横操縦といってもカニさんみたいに横ばいの動きをするわけではなくて、機体を左右に傾ける操作のこと。3次元の座標軸を想定した場合、前後方向のY軸を中心とする回転になる。

旋回する際は、機体を旋回する方向に傾けて遠心力との釣り合いをとるので、横操縦が必要になるのが普通だ(たまに例外がある)。また、直進しながら横転する飛び方もあり、これはブルーインパルスの単独機がよくやっている。

横操縦に使用するのは、左右の主翼端・後縁部に取り付けられている「補助翼」(エルロン)である。昇降舵と違い、左右が逆方向に動く。つまり、左の補助翼が下がったら、右の補助翼は上がる。あるいはその逆。端のほうに取り付けるのは、そのほうがよく効くからだ(テコの原理を考えてみよう)。

そして補助翼を動かすのは、操縦桿なら左右に倒す操作、操縦輪なら左右に回す操作となる。左に倒したり回したりすると、左の補助翼が上がり、右の補助翼が下がるので、機体は左に傾く。右に倒したり回したりすると、すべて逆になる。

この操作によって傾きが発生するが、その際に地面との間でなす角度のことをバンク角という。バンク角をつけるだけだと機体は横滑りしてしまうが、主翼に上反角(翼端が付け根よりも持ち上がっている時に生じる角度のこと)がついていると、滑ったほうの翼に大きな揚力が生じて、傾きに対する復元力が発生する。これを正の横安定という。

ヨー

最後はヨー。3次元の座標軸を想定した場合、上下方向のZ軸を中心とする回転になる。旋回する際に、機首の向きを変えるための操作と言えばわかりやすい。

この操縦に使用するのは、垂直尾翼の後縁部についている「方向舵」(ラダー)である。これだけ足で操作するようになっており、左右の足をそれぞれラダーペダルに乗せている。左のラダーペダルを踏み込むと、方向舵は左に動き、機首を左に向ける力を生み出す。右のラダーペダルを踏み込むと逆になる。

ヨー方向の安定を実現するのは垂直尾翼だ。実際、直進安定性が良くないからといって、垂直尾翼まわりの設計を修正しなければならなくなった飛行機はいくつもある。

使用例は少ないが、垂直尾翼の後縁に方向舵を取り付ける代わりに、垂直尾翼をまるごと動かしてしまう、全遊動式垂直尾翼の事例もある。ロッキードSR-71ブラックバード偵察機がそれだ。

飛行機を旋回させる時は、補助翼を使って機体を傾けるとともに、ラダーペダルを使って機首の向きを変える。例えば左旋回なら、操縦桿を左に倒したり、操縦輪を左に回したりするとともに、左のラダーペダルを踏み込む。これで飛行機は左旋回する。右旋回なら逆の操作になる。

さらに操縦桿や操縦輪の押し引き操作を加えると、旋回と同時に下降したり上昇したりということになる。