三日月翼
三日月翼構成

三日月翼は固定翼航空機の構成であり、後退翼の内側セクションの後退角が外側セクションよりも大きく、翼が三日月形になります。

この飛行機の平面形は、後退翼設計のいくつかの不快な副作用、特に失速に近づいたときに時々激しく「ピッチアップ」する傾向を軽減することを目的としています。

基本的な概念

一部のジェット機は、ボーイング 737の機内セクションのように、ある程度の三日月形をしています。

航空機が音速に近い遷音速領域に入ると、曲面を通過する空気の加速により、流れが超音速になることがあります。これにより衝撃波が発生し、波動抵抗と呼ばれる大きな抗力が生じます。この抗力の増加は非常に急速かつ強力であるため、音速の壁という概念が生まれます。

この効果が顕著になる速度は臨界マッハと呼ばれ、翼の上部と下部の表面の曲率によって決まります。曲率が大きい翼は臨界マッハ速度が低くなるため、造波抵抗の影響が大きくなります。遷音速および超音速で優れた性能を発揮するように設計された翼は、翼の曲率をより長い距離に広げる必要があります。これは当然、ロッキード F-104 スターファイターの翼のように、薄く、翼弦が長く、アスペクト比が低い設計につながります。このような設計では誘導抵抗が大幅に大きくなるため、低速時の効率が低下します。また、燃料や着陸装置を収納するスペースが不足するなど、実用上の欠点もあります。

後退翼は、物理的な翼弦長を長くすることなく、翼の有効曲率を下げる方法です。翼の後退角は、前縁曲率に直接接するのではなく、後退角の正弦分だけ翼上の気流の経路を長くすることで、有効翼弦長を増加させます。これにより、厚い翼でも、薄い後退角のない翼と同じ臨界マッハ数を実現できます。ほとんどの遷音速設計では、この理由から後退角が採用されており、大きな波動抵抗を被ることなく、実用的な内部収納に十分な厚さの翼を使用することができます。

実際の設計では、翼が胴体と接合する翼根部は、翼端よりも厚くなっています。これは、翼桁が翼全体から外側に働く力を支える必要があるためです。つまり、翼端では桁にかかる力は非常に小さいですが、翼根部では翼全体の揚力が大きく作用します。これらの力に対応するため、桁は一般的に翼根部に近づくにつれて大きくなります。このような設計では、翼のプロファイルを流線型にするために、翼は翼端部よりも翼根部ではるかに厚く、より急激に湾曲させる必要があります。

このような設計において臨界マッハ数をほぼ一定に保ちたい場合、翼の外側の薄い部分は、太い根元部分よりも後退角を小さくする必要があります。翼幅全体にわたって臨界マッハ数が一定になるように翼を成形すると、自然に三日月型になります。この設計には、互いに関連する2つの利点があります。これらの効果の組み合わせにより、三日月型翼はより広い速度域で優れた操縦性を発揮します。

後退翼上を空気が流れる際、空気は翼端に向かう力を受けます。高速では、この力は小さすぎて、空気が翼を通過するまでは影響が出ません。低速では、この横方向の動きがより顕著になり、横方向の動きによって空気が翼の外側に押し出されるため、この翼幅方向の流れが翼端に向かってますます顕著になります。非常に低速では、流れが非常に横向きになり、揚力を生み出す前後の流れが翼の失速速度を超えなくなり、翼端が失速することがあります。後退翼では翼端が重心よりも後ろにあるため、航空機後方でのこの揚力損失によって機首上げの力が生じ、さらに失速する可能性があります。ピッチアップと呼ばれる危険な暴走効果が発生する場合があります。

三日月翼はこの問題を軽減します。翼端の後退角が翼根よりも小さいため、横方向の力が低減されます。翼幅全体で見ると、これは翼幅方向の流れを大幅に減少させ、翼端失速時の速度を低下させます。さらに、翼端が失速した場合でも、直線後退翼の場合よりも前方に位置するため、揚力の損失が重心に近い位置で発生し、ピッチング力の大きさを低減します。[ 1 ]

速度域の反対側では、別の効果が作用します。翼に荷重がかかると、翼は上向きに曲がります。後退翼の場合、これらの荷重は平均翼弦の後方にあるため、この上向きの力は桁周りのトルクとなり、翼端が下向きに回転します。これにより、翼端が気流に対して平らになり、「ウォッシュアウト」するため、翼端の揚力が低下します。これにより、低速時と同様の機首上げ力が生じ、高速時にはこの力が非常に大きくなり、構造上の問題につながる可能性があります。繰り返しますが、三日月翼では翼端が圧力中心に近いため、これらの力は減少します。[ 1 ]

翼端にあるエルロンも、作動時に大きなトルク力を発生させます。これにより、エルロンリバーサルと呼ばれる問題が発生する可能性があります。これは、翼全体のねじれ運動によって反対の力が加わる現象です。この問題はスーパーマリン・スピットファイアではよく知られており、この影響を打ち消すために翼を大幅に強化する必要がありました。三日月型翼の場合、この影響は他の設計と比べてそれほど顕著でもそれほど顕著でもありません。しかし、三日月型翼は操縦負荷を軽減するため、必要最低限​​のねじり強度要件が通常よりも高くなる可能性があり、この利点が相殺される可能性があります。[ 2 ]

ハンドレページ・ビクターの議論でしばしば言及される自己フレア機能は、三日月翼に固有のものではなく、ある程度の翼後退角を持つハイテイル機であればどこでも起こり得る。この効果は、T字型テールケースの高い位置に取り付けられた尾翼よりも主翼が先に地面効果を受けることによって生じる。これにより、主翼に短時間の揚力増加が生じるが、尾翼によって打ち消されず、機首が上がる。この回転は、機体が十分に降下し、尾翼も地面効果を受け始めるとすぐに停止する。[ 2 ]

歴史

スーパーマリン545は三日月形の主翼に3段後退翼を備えていましたが、生産には至りませんでした。

三日月翼の平面形状は、第二次世界大戦中、アラド航空機製造会社に勤務していたドイツの空気力学者、リューディガー・コージン（Dipl.-Ing. Rüdiger Kosin）とヴァルター・レーマン（Walther Lehmann）によって発明されました。試作翼は1945年4月までに製作され、アラドAr 234 V16試作機に搭載される予定でした。しかし、搭載される前にイギリス軍が現場を制圧し、翼は破壊されました。

イギリスの航空機メーカー、ハンドレページ社の設計スタッフ（エンジニアのグスタフ・ラハマンもその一人）はドイツに派遣され、アラド社の仕事ぶりに感銘を受けた。彼らはその後、この設計をHP.80 V爆撃機（後にヴィクターと命名される）の提案に取り入れた。

ハンドレページ社は3分の1スケールの研究用グライダーHP.87を提案しましたが、すぐにこれを断念し、0.36スケールの主翼を持つ動力付き研究機HP.88に切り替えました。HP.88は1951年6月21日に初飛行しました。その短い飛行期間中、機体はピッチング振動を起こしやすく、1951年8月26日には機体が空中で分解する前に、ピッチング振動が次第に激しくなることが観測されました。

当時、ビクターの設計はすでにかなり進んでおり、最初の試作機は1952年12月24日に飛行し、量産型は1958年4月に就航した。HP.88で発生した問題は、最終的には尾部制御装置のサーボ機構に起因するものであり、爆撃機のレイアウト固有の問題ではなかった。

一方、フランスではブレゲ社が三日月翼の旅客機としてBr.978A設計を提案し、同社はこれを「クロワッサン」と呼んだが、この設計は実現しなかった。[ 3 ]このレイアウトはスーパーマリン・スイフトの超音速版であるスーパーマリン545にも採用されたが、生産には至らなかった。

アブロ・バルカンの初期型は直線状の前縁を有していましたが、遷音速域で問題が顕著でした。そのため、前縁を延長することで内側部分の後退角を小さくしました。その結果、三日月翼のデルタ翼型とも言える改良された主翼レイアウトが生まれました。

ハンドレページビクター

三日月形の翼を持つビクターB.1

ビクターは、生産が開始された唯一の三日月翼型機でした。長年にわたりイギリス空軍で運用され、爆撃機としてだけでなく、フォークランド紛争中の空中給油機など、様々な任務を遂行しました。

三日月形の翼のプロファイルと形状は、飛行中の不利なピッチング挙動に対抗するために、特に初期の開発段階を通じて、かなりの微調整と変更が行われました。

最初の試作機の飛行試験において、ビクターはその空力性能を実証し、操縦性やバフェッティングの問題もなくマッハ0.98まで飛行した。試作機と量産機の間には、空力面での変化はほとんどなかった。量産機は、低マッハから中マッハの速度域で機体が機首上がりする傾向を抑えるため、ノーズフラップを自動で操作する機構を備えていた。初期のビクターの特異な飛行特性の一つは、自動着陸能力であった。滑走路に並んだ後、機体は自然にフレアし、主翼が地面効果を受けると同時に尾翼が沈み込み、パイロットの指示や介入なしにクッション着陸を実現した。[ 4 ] [ 5 ]

ビクターは操縦性が良く、優れた性能を持ち、低速飛行特性も良好で、大型爆撃機としては異例な機敏な機体と評された。1958年にはファーンボロー航空ショーでの展示飛行の練習中にビクターが数回のループとバレルロールを実施した。[ 6 ]

ビクターは超音速飛行ができるように設計されたが、音速の壁を破った事例が複数発生している。[ 7 ]

参考文献

注記

  1. ^ a b Lee 1954、611ページ。
  2. ^ a b Lee 1954、612ページ。
  3. ^「イル・ヤ・ウン・アン、ルイ・ブレゲ・プレゼンテート・ソン・モエン・クーリエ・ア・アレ・アン『クロワッサン』」"。Les Ailes。1953 年 1 月 17 日。5 ページ。
  4. ^ガンストン、W.; Aeroplane Monthly 1981年2月、63ページ。
  5. ^バトラーとバトラー 2009、29ページ。
  6. ^ Flight International、1958年9月12日、438、442ページ。「ファーンボロー・ウィーク：これまでで最も記憶に残るSBACの展示」
  7. ^バトラーとバトラー 2009、33-34ページ。

参考文献

  • バトラー、P.; バトラー、A.;エアロファックス：ハンドリーページビクター. ミッドランドパブリッシング, 2009. ISBN 1-85780-311-6。
  • グリーン、W.;第三帝国の戦闘機、マクドナルド＆ジェーンズ、1970年。
  • Hygate, B.英国の実験用ジェット機、Argus、1990年、106～112ページ。
  • Lee, GH (1954年5月14日). 「三日月翼の空気力学」(PDF) . Flight International . pp.  611– 612.
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