appendix グライダーの”翼”と”コントロール”について


 ここでは、各翼の働きとグライダーの操縦について、もう少し掘り下げて解説します。

 まず、初めに頭に入れていただきたいのは、「翼に発生する”揚力を大きくする”には大きく分けて2つの方法がある(Fig.1)」、ということです。すなわち、 

@ 迎え角を大きくする(厳密には速度一定のもと) ← 平板でも適当な迎え角を与えると揚力が発生・増加する。

A キャンバーを大きくする = 翼後部を別パーツ化して折り曲げてやる。

の2点です。前者の効果はグライダーの安定性に、後者はグライダーの操縦に大きく寄与しています。

 

Fig.1  揚力を増加させる方法

 Chapter1で説明したように、グライダーを初めとする航空機は、主翼(+エルロン)、水平尾翼(=水平安定板+エレベーター)、垂直尾翼(=垂直安定板+ラダー)の3つの翼を有し、各翼には前述の、エルロンエレベーターラダーの3種の動翼が取り付けられています(Fig.2)。また、機体を正面から見ると、主翼はVの字型に胴体に取り付けられており、この角度のことを上反角と呼んでいます。

Fig.2  グライダーの各舵面

1.安定性と尾翼の働き

 各尾翼と、主翼の上反角は、Fig.1の@の効果に基づいて、機体を安定させる役目を担っています。航空機を安定性の観点から見ると、丁度ヤジロベーのようなもので、もし主翼しかなければ外乱を受けたとき元の姿勢に回復できず、すぐに操縦不能に陥ってしまいます。尾翼はヤジロベーの長い手のような働きをしています。

 水平尾翼の働きを具体的に説明しましょう(Fig.3)。今、水平飛行を続けるグライダーに図のように前方下方から突風が当たったとします、すると機体は重心を軸に機首を上げてしまいます。この時、水平尾翼には迎え角が与えられ上方向への揚力が増加し、これによって重心周りに機首を下向きに回転させる力が働くので、機体は元の姿勢に戻ります。この様に、水平尾翼:水平安定板は、機体の縦方向の乱れを安定させる働きをしています。

Fig.3  水平尾翼(水平安定板)の働き

 垂直尾翼の働きも同様で、機首が左右に振れた際に姿勢を復元させます(Fig.4)。一方、機軸に対する揺れの復元は、主翼につけられた上半角が担っており、揺れが生じた際、機体が下方に滑ることで生じる流れに対する、平板に発生する揚力効果が基本です(Fig.5)。

 

Fig.4 垂直尾翼(垂直安定板)の働き        Fig.5 上半角による前後軸回りの安定効果

2.操縦性と動翼の働き

 各動翼は、Fig.1のAの効果に基づいて、機体の姿勢:機軸回りの運動を制御するのに使います(Fig.6)。

Fig.6 グライダーの機軸回りの運動

 例えば"エルロン"によるロール運動は、機体を傾けたい方向と反対側の翼のエルロンを下げ、これによって片側の翼の揚力が増加し、機軸に対して回転させる力を発生させます(Fig.7)。

Fig.7 エルロンによるロール運動

 各動翼は、操縦桿の左右方向の動き:エルロン、操縦桿の前後方向の動き:エレベーター、各ラダーペダルの踏み込み:ラダー、に連結されており、これらを操作することで機体をコントロールします(Fig.8)。

Fig.8 グライダーの操縦系統

 ところで、グライダーで左右に曲がるには、曲がりたい方向のラダーを踏んで、機首をその方向に向けてやればいいように思われますが、実際は僅かしか曲がることができません。これは丁度、氷上で車のタイヤを曲げても、スリップしてそのまま真っ直ぐに進み続ける現象と似ています(Fig.9)。

Fig.9 ラダー操作のみによる機体のスリップ

 そこで、機体を"曲がらせる"には、機体を傾けて主翼に発生する揚力を曲がりたい方向に向けて曲がる、「旋回」というテクニックを使います。主翼全体から発生する揚力の平均を方向と力の量を現す1本の線(=ベクトル)で表したのが、Chapter1でも示したFig.10です。定常飛行時、機体を後ろから見ると(Fig.11 左)、揚力は機体に垂直に立っています。この際、曲がらせたい方向にエルロンを使って機体を傾けてやる(Fig.11 右)と、揚力:Lは曲がりたい方向に傾くので、これを垂直と水平方向に分解してやれば、曲がりたい方向への水平分力Lhが発生することが分かります。(注:この際垂直方向の力は、定常飛行時のLからLvに低下(=沈下速度が増加)するので、旋回を行うときは迎え角を増して揚力を増加させます。) このLhにとグライダーを前進させる力T(後述)の合力よって、グライダーは飛行方向を変えるのです(Fig.12)。

Fig.10 定常(≒水平)飛行時にグライダーに作用する力

Fig.11 定常時と旋回時の揚力ベクトル

Fig.12 機体を旋回させる力

 しかしながら、このエルロンだけを使って機体を旋回させると、”アドバース・ヨー”という特異な現象をもたらします。これは、下がったエルロンの抵抗が上がったエルロンの抵抗より大きいため、曲がろうとする反対方向に機首が向こうとする現象です(Fig.13 左)。これを打ち消すために、旋回方向側のラダーを踏むと、旋回と反対方向に垂直尾翼の揚力が増し、丁度重心を支点にして機体後部を吊り上げるような形になり(Fig.13 右)、結果、機首が曲がろうとする方向を向いて旋回するようになります。

Fig.13 ラダーによるアドバース・ヨーの打ち消し

 以上のことを念頭に、グライダーの旋回操作は以下要領でおこなっています。

@旋回したい方向に操縦桿を倒すと同時に、旋回したい方向のラダーを踏む。

Aそのままだと、ロールが続くので、操縦桿をニュートラルに戻し、垂直方向の揚力の低下を補うために、若干操縦桿を引いて迎え角を増す。

B更にロール角が増すのを防ぐため、操縦桿を反対方向に心持倒す(当て舵)。

C旋回を止めたいポイントが近づいたら、操縦桿を逆方向に倒すと同時に反対側のラダーを踏んで、機体の姿勢を元に戻し、旋回操作を終了する。

3.スピードコントロールと降下方法

 一方、水平尾翼に取り付けられた”エレベーター”の役割はどのようなものでしょうか?エレベーターは名前の通り、機体を上昇下降させる働きを持っていますが、グライダーにおいては、主に姿勢を変えることで速度を増減する”スロットル・レバー”的な役割で使われています。これは、エレベーターを使って機体のピッチ角:θを変えることで、推力T(=W×sinθ)を調整することでおこないます(Fig.14

Fig.14 エレベーターによる速度調整

 着陸などの降下では、エレベーターを使って降下させると、スピードが必要以上に出てしまいます。そこで、実際の、特に着陸など急速に高度を低下させたい場合は、主翼に取り付けられた”スピード(orダイブ)ブレーキ:スポイラー”と称する機構で降下をおこないます。これは必要に応じて、主翼に設けられた出し入れ可能な遮蔽版を立てることで揚力を低下させるとともに、抗力を増加させ、沈下速度を増加させるものです(Fig.15)。グライダーの着陸は、左右に動ける(ビルに設置される)エレベーターのようなものと思ってもらえれば、一番イメージ的に近いと思います。

Fig.15 スポイラーの働き

 これまで述べてきたように、グライダーの翼はそれぞれ重要な役割を担っています。そして、これらの翼に取り付けられた各動翼を、手足を総動員して巧みに操作することで、機体を自由自在に操ることができるのです。


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参考図書

 「基礎航空工学」航空学習会編 鳳文書林出版

 「紙ヒコーキで知る飛行の原理」 小林昭雄著 講談社(ブルーバックス)

 月刊エアライン1997年8月号

 「風を聴け」丸井満著 エアロビジョン