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飛行機の運動 movement of aircraft
1. 飛行機の運動 movement of aircraft
2. 水平飛行 level flight
3. 旋回飛行 turning flight
(1)急旋回 steep turn
(2)急上昇旋回 steep climbing turn
(3)旋回半径 turning radius
4. きりもみ spin
5. 関連用語
1.飛行機の運動(movement of aircraft)
 飛行機の運動には,水平飛行を基本として旋回飛行のほか離陸,上昇,巡航,降下(進入)および着陸が挙げられる。これらのほか小型機には各種の曲技飛行のできるものもあるが,この本では通常の飛行を行う民間輸送機の運動を対象としているので曲技飛行の解説は省略し,また,離陸から着陸までの一連の運動についてはPART-2で実際の運用面から詳しく解説してあるので,そちらを読んでいただくことにして,この章では上記の各項目について述べることにした。
2.水平飛行(level flight)
 空中を飛ぶ飛行機は,翼に働く揚力で機体の重量を支えていることはすでに解説したとおりで,水平飛行をしている飛行機の揚力(L)は飛行機の重量(W)に釣り合っていなければならない。一方,飛行機が水平飛行をする場合は,目的と運動の形態によって速度をいろいろ変えることができる。たとえば民間ジェット輸送機の場合,高速巡航方式と長距離巡航方式を比較すると,前者の方がマッハ数で0.02〜0.04速い。水平飛行中に速度を変えて揚力を一定とするには,迎え角を変えて揚力係数(CL)を加減することが必要であり,パイロットは操縦桿を操作して昇降舵(または水平安定板)の角度を加減し,主翼の迎え角を調節して揚力が重量に等しくなるようにする。つまり,同じ水平飛行でも高速の場合は小さな迎え角で,低速の場合は大きな迎え角で飛ぶことになる。
 すでに述べたように,飛行機には抗力が働いているので,現在の速度で水平飛行を続けるには,その抗力に等しいエンジン(またはプロペラ)の推力(T)で前進させなければならない。水平飛行中に速度を増したいときは,それに応じて抗力も増すため,迎え角を減らすとともにエンジンのスロットル・レバーを進めて推力を増す必要がある。速度を減らしたいときは,その逆である。なお重要なこととして,あらゆる飛行運動において,揚力と抗力はいずれも飛行速度の自乗に比例して増減することが挙げられる。
図1-2-12 速度と迎え角の関係
図1-2-13 水平飛行中の力の釣合い
3.旋回飛行(turning flight)
 定常的な直線飛行と異なり,旋回は重力加速度(g)を伴うので機動性のある運動となる。自動車やモーターボートはハンドルや舵をきるだけで方向変換が自由にできるが,飛行機の場合は方向舵を踏むだけでは駄目で,まず飛行方向を変えようと思う側へ機を傾けなければならない。たとえば操縦輪を左に回すと,左翼の補助翼(スポイラーも一緒)が上がって揚力が減り,右翼の補助翼が下がって揚力が増すので,飛行機は左側へ傾斜する。操縦輪を右に回した場合は上記の逆となる。
 飛行機が左旋回する場合の機体に働く力の釣り合いを示したものが図1-2-14である。機体が左に傾斜すると主翼に働く揚力(L)の作用線も左に傾き,重量(W)を支える垂直成分のほか機体を左に加速させる水平成分(これは求心力)が生ずる。この水平成分と機体に働く遠心力(F)が釣り合うようにすれば飛行機は左旋回の軌跡を描く。しかし補助翼操作だけでは不十分で,方向舵操作を加えなければならない。
 旋回は円運動のため左右の翼に当たる空気流速に差を生じ,左旋回の場合は右翼の方が左翼より大きい速度で前進するため,その分だけ右翼の抗力が増したのと同じ結果となり,このままでは機首を右へ振る傾向を生ずる。そこで方向舵を適度に左に操作し,この傾向を修正しないと左旋回ができない。さらに,水平旋回飛行の場合,揚力の余弦分が重量と釣り合うことが条件になるため,水平直線飛行の条件であるL=Wのときよりも大きな揚力を発生させなければならない。そこで,昇降舵を操作し迎え角をやや増して釣り合わせる必要がある。また,同様な理由により,旋回飛行中の失速速度(Vs)は直線飛行中のVsより大きくなる。
図1-2-14 旋回中の力の釣合い(左旋回)
(1) 急旋回(steep turn)
 機体の左右の傾き(バンク角)を大きくして行う旋回。明確な定義はないが,約45°以上とされており,70°以上のバンク角では垂直旋回と呼ばれる。バンク角が大きいほど旋回半径は小さくなるが,機体に加わる荷重はバンク角のサインの逆数(セカント)に比例して大きくなる(45°で1.4G,60°で2G)。
(2) 急上昇旋回(steep climbing turn)
 飛行機の極限の性能を利用して行う操縦運動の一つで,急上昇と旋回とを組み合わせた運動。
(3) 旋回半径(turning radius)
 飛行機が一定高度かつ一定速度で旋回を行っているときの曲率半径。この旋回半径は,旋回中の飛行速度が大きいほど,また旋回中のバンク角が小さい(浅い)ほど増加する。
4.きりもみ(spin)
 飛行機が完全に失速したのち,旋回しながら自由落下する状態。すなわち,機体が失速してから左右の主翼の揚力や抗力の非対称性,あるいはパイロットの操作によって,機体がどちらかの方向に傾き,それをきっかけにして自転を始めるとともに,機首を下に向けつつ,螺旋状の運動を起こす。機体によっては,きりもみの間に機首上げモーメントを生じ,水平に近い姿勢できりもみを続ける「水平きりもみ」と呼ばれる運動を起こすものもある。
5.関連用語
急降下(dive)
 エンジンの出力を絞って降下する方法と,絞らないで降下する方法の2種があり,後者をパワー・ダイブ(出力急降下)という。降下の角度は,およそ60°以上の降下を指すことが多い。
急速降下(rapid descent)
 航空機の飛行高度を急速に下げる操作。緊急降下の練習に用いられ,緊急降下ほど降下率を大きくしないで高度を下げる(毎分1,000ft程度)。山岳地での降下に使用するキャニオン・アプローチと同じ操作をいう。操縦練習のとき,緊急降下というと,ATCが混乱するので,この用語を用いることがある。
地面効果(ground effect)
 飛行機が,地面のごく近くを飛行している場合,地面の影響により,翼まわりの気流の様子が変化し,誘導抗力が減少するとともに,迎え角の変化に対する揚力係数の変化の割合が増加する。これらの現象を地面効果と呼び,翼のアスペクト比を大きくしたのと同じ効果があることになる。通常,飛行高度が翼幅程度以下であれば,地面効果が見られるといわれており,この場合,誘導抗力が減少することによって,揚抗比が増加し,したがって,機体重量が同じであれば,その飛行のための必要推力または必要馬力が小さくてすむ。また,迎え角に対する揚力係数の傾斜が増すことによって,同じ迎え角,すなわち同じ姿勢で飛行している場合には揚力が増加し,着陸時,地面近くで飛行機が浮き上がる(フローティングという)傾向が生じる。さらに,水平尾翼の揚力が増加することによって着陸時の引き起こしに要する操縦力が大きくなるなどの影響がある。
図1-2-15 地面効果

 
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