

エルロン(フランス語で「小さな翼」または「ひれ」を意味する)は、固定翼航空機の各翼の後縁に通常設けられる、ヒンジ付きの飛行制御面である。 [ 1 ]エルロンは2つ1組で使用され、航空機のロール(または航空機の縦軸の周りの動き)を制御する。ロールは通常、揚力ベクトルの傾きによって飛行経路の変化をもたらす。この軸の周りの動きは、ローリングまたはバンキングと呼ばれる。
エルロンの発明の功績をめぐっては、かなりの論争が続いている。ライト兄弟とグレン・カーティスは、1906年のライト兄弟の特許をめぐって長年にわたる法廷闘争を繰り広げた。この特許は、翼を曲げることで横方向の操縦を実現する手法を規定していた。兄弟は、カーティスのエルロンの使用がライト兄弟の特許に違反すると判断した複数の裁判で勝訴した。最終的に、第一次世界大戦をきっかけに、米国政府は法的解決策を制定せざるを得なくなった。エルロンのコンセプトは、 1864年の論文「航空移動について」に基づき、イギリスの科学者マシュー・ピアーズ・ワット・ボルトンによって1868年に特許取得されている。

「エルロン」という名称はフランス語で「小さな翼」を意味し、鳥が飛行を制御するために用いる翼の先端部を指すこともある。[ 2 ] [ 3 ]この用語が初めて印刷物に登場したのは、1877年のカッセルの仏英辞典第7版で、「小さな翼」という主たる意味が込められていた。[ 4 ]動力飛行機の文脈では、1908年頃に印刷物に登場した。それ以前は、エルロンはしばしば、その技術的に兄弟分であるラダー(方向舵)と呼ばれ、その方向や機能に区別はなかった。あるいは、より説明的に水平舵(フランス語ではgouvernails horizontaux )と呼ばれていた。航空学における「エルロン」の最も初期の印刷物の使用例の一つは、 1908年のフランスの航空雑誌『L'Aérophile 』に掲載されたものである。 [ 5 ]
エルロンは、ラダーとエレベーターによる飛行制御の機能がほぼ標準化された後、1915年頃までに、翼のワーピングなどの他の横方向制御方式をほぼ完全に置き換えました。エルロンとその機能(横方向制御かロール制御か)の発明者については、これまで多くの相反する主張がありましたが、[ 5 ]この飛行制御装置は、イギリスの科学者で形而上学者のマシュー・ピアーズ・ワット・ボルトンによって1864年の論文『航空移動について』で発明され、記述されました。彼は1868年にエルロン制御システムの特許を初めて取得しました。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
ボルトンによる横方向飛行制御システムの説明は、「[受動的な横方向安定性]とは区別される能動的な横方向制御の必要性を認識した最初の記録である。…ボルトンのこの発明により、今日の空中制御における3トルク法が誕生した」とチャールズ・マンリーは称賛した。[ 9 ]これはC.H.ギブス=スミスも支持した。[ 10 ] [ 11 ] ボルトンの英国特許第392号(1868年)は、フランスでエルロンが「再発明」される約35年前に発行されたが、飛行制御装置が一般的に使用されるまで忘れ去られ、見落とされていた。[ 12 ] [注1 ]ギブス=スミスは、もしボルトンの特許がライト兄弟の法的申請時に公開されていたら、彼らは飛行機の横方向制御に関する発明の優先権を主張できなかったかもしれないと何度も述べている。ライト兄弟が1906年に特許を取得できたという事実は、ボルトンの失われ忘れ去られた発明を無効にするものではなかった。[ 10 ]
エルロンは、1904年にロバート・エスノー・ペルテリエのグライダーに採用されるまで有人航空機には使用されていなかったが[ 5 ] [ 13 ]、1871年にフランスの軍事技術者シャルル・ルナールが、ボルトン式の振り子制御の単軸自動操縦装置で作動する、両側にエルロン(彼は「ウィングレット」と呼んだ)を備えた無人グライダーを製作し飛行させた[ 14 ] 。
アメリカの先駆的な航空技術者オクターブ・シャヌートは、 1903年に当時の有力な航空雑誌『ラエロフィル』にライト兄弟の1902年グライダーの説明と図面を掲載した。これがきっかけでフランスの軍事技術者エスノー=ペルテリは、主翼の反りの代わりにエルロンを使用するライト兄弟式のグライダーを1904年に製作した。[ 5 ]フランスの雑誌『ラエロフィル』はその後、エスノー=ペルテリのグライダーのエルロンの写真を掲載し、1905年6月の彼の記事に掲載された。そして、そのエルロンはその後広く模倣された。[ 8 ] [ 15 ] [ 16 ]
ライト兄弟は1902年にグライダーのロール制御にエルロンではなく翼の反り返り機構を採用し、1904年頃、彼らのフライヤーIIは当時唯一協調バンク旋回が可能な航空機となった。動力飛行の黎明期には、ライト兄弟の設計は可動翼を用いた航空機よりも優れたロール制御を実現していた。1908年以降、エルロンの設計が改良されるにつれ、エルロンは翼の反り返り機構よりもはるかに効果的で実用的であることが明らかになった。エルロンには、翼の反り返り機構のように航空機の翼構造を弱めないという利点もあり[ 5 ] 、これがエスノー=ペルテリーがエルロンへの切り替えを決断した理由の一つであった[ 16 ] 。
1911年までに、ほとんどの複葉機は翼のワーピングではなくエルロンを使用するようになり、1915年までに単葉機でもエルロンはほぼ普遍的になりました。第一次世界大戦に至るまでの数年間、自国の航空技術の進歩が遅れていることに不満を抱いたアメリカ政府は、特許プールを施行し、ライト兄弟の特許戦争に事実上終止符を打ちました。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]ライト社も当時、ひっそりと航空機の飛行制御を翼のワーピングからエルロンへと変更しました。
エルロンを最初に導入したと以前に考えられていた人物には次のような人々がいた。

ライト兄弟のオハイオ州の弁理士ヘンリー・トゥールミンは、広範な特許出願を行い、1906年5月22日に兄弟は米国特許821393号を取得しました。[ 25 ]この特許の重要性は、飛行機を制御するための新しく有用な方法を主張している点にあります。特許出願には、航空機の飛行を横方向に制御するための特許請求が含まれていましたが、これは翼の反り返りに限定されず、「飛行機の翼の側縁の角度関係を反対方向に変化させる」操作によって実現されるものでした。つまり、この特許は、横方向のロール制御を実現するために、飛行機の翼の外側部分を左右で異なる角度に調整するために、翼の反り返り以外の方法も使用できることを明示的に示していました。ジョン・J・モンゴメリーは、ほぼ同時期に、翼の反り返りの方法について米国特許831173号を取得しました。 [ 26 ]ライト兄弟の特許とモンゴメリの特許は両方とも、米国特許庁の同じ特許審査官ウィリアム・タウンゼントによって審査され、承認されました。[ 27 ]タウンゼントは当時、翼を反らせる両方の方法は独立して発明され、それぞれ独自の特許付与を正当化するほど十分に異なっていると指摘しました。
米国の複数の裁判所の判決は、ライト兄弟が1機あたり1,000ドルから始まり、1日あたり1,000ドルに及ぶと言われているライセンス料でその権利を行使しようとした広範なライト特許を支持するものであった。[5] [28 ]ワシントンD.C.のスミソニアン航空宇宙博物館の元学芸員であるルイス・S・ケイシーと他の研究者によると、彼らが取得した特許により、ライト兄弟は、世界中のどこであれ横ロール制御を使用するすべての飛行は、彼らのライセンスの下でのみ行われるという立場を堅持していた。[ 29 ]
ライト兄弟はその後、横方向飛行制御を採用した航空機製造業者に対して数々の訴訟を起こし、その結果、兄弟は「第一次世界大戦前および大戦中、ドイツなどの他国と比較して、アメリカ合衆国の航空産業の成長と競争の欠如に大きく関与した」と非難された。[ 28 ]アメリカ合衆国が第一次世界大戦に参戦するまで、多くの航空機製造業者との長期にわたる法廷闘争が続いた。政府は関係者間で法的な合意を強制し、その結果、ライト兄弟には1%のロイヤルティが支払われた。[ 29 ]
エルロンを最初に発明したのは誰なのかについては、今日でも議論が分かれています。19世紀の他の技術者や科学者、例えばシャルル・ルナール、アルフォンス・ペノー、ルイ・ムイヤールなども、同様の操縦翼面について記述していました。横方向の飛行制御のための別の技術である翼のワーピングも、ジャン=マリー・ル・ブリ、ジョン・モンゴメリー、クレメント・アダー、エドソン・ギャロデット、DDウェルズ、ヒューゴ・マトゥラトなど、複数の人物によって記述または実験されました。 [ 5 ] [ 30 ]航空史家C.H.ギブス=スミスは、エルロンは「航空史上最も注目すべき発明の一つでありながら、すぐに忘れ去られた」と記しています。[ 5 ]
1906年、ライト兄弟は飛行機の発明(グライダーの形で数十年前から存在していた)ではなく、横方向の飛行制御を含む飛行機の表面を操作する空気力学的制御システムの発明で特許を取得しました。 [ 31 ]ただし、舵、昇降舵、補助翼は以前に発明されていました。
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一対のエルロンは通常相互接続されており、一方を下方に動かすともう一方は上方に動く。下降エルロンは翼の揚力を増加させ、上昇エルロンは翼の揚力を減少させ、機体の縦軸(機首から尾部まで伸びる)を中心とするローリングモーメント(「バンキング」とも呼ばれる)を生み出す。[ 32 ]エルロンは通常、翼端付近に取り付けられているが、翼根付近に取り付けられている場合もある。現代の旅客機には翼にもう一対のエルロンが付いている場合もあり、この2つの位置は「アウトボードエルロン」と「インボードエルロン」という用語で区別されている。
エルロン操作の望ましくない副作用は、ロールと反対方向のヨーモーメントである逆ヨーです。エルロンを使用して航空機を右にロールさせると、左へのヨー運動が発生します。航空機がロールすると、左翼と左翼の間の抗力変化によって逆ヨーが発生します。上昇する翼は揚力を増加させ、誘導抗力を増加させます。下降する翼は揚力を低減し、誘導抗力を低減します。偏向したエルロンによって引き起こされるプロファイル抗力は、片方のエルロンが後方に回転し、もう片方が前方に回転することによる揚力ベクトルの変化とともに、この差をさらに増大させる可能性があります。

協調旋回では、逆ヨーはラダーの使用によって効果的に補正され、垂直尾翼に有利なヨーモーメントを生み出すことで逆ヨーに対抗する横力が生じる。もう 1 つの補正方法は「差動エルロン」である。これは、下降エルロンの偏向が上昇エルロンの偏向よりも小さくなるように設定されている。この場合、反対のヨーモーメントは左右の翼端間のプロファイル抗力の差によって生成される。フリーズ エルロンは、上方に偏向したエルロンの翼の下に突出することでこのプロファイル抗力の不均衡を増幅させる。最もよくある方法は、前縁のわずかに後方、翼面の下部付近でヒンジで固定されることによって、エルロンが上方に偏向しているときにエルロン面の前縁の下部が翼下面よりわずかに下に突出し、その側のプロファイル抗力が大幅に増加する。エルロンは、これらの方法を組み合わせて設計されることもある。[ 32 ]
エルロンが中立位置にある場合、翼幅全体にわたる対気速度の変動により、旋回外側の翼は反対側の翼よりも大きな揚力を発生させ、機体はロールを続ける傾向があります。所望のバンク角(縦軸を中心とした回転角度)が得られたら、パイロットは反対側のエルロンを使用し、翼幅全体にわたる揚力の変動によるバンク角の増加を防ぎます。このわずかな逆方向のエルロン操作は、旋回中ずっと維持する必要があります。パイロットはまた、旋回と同じ方向にラダーをわずかに操作することで、逆ヨーを抑制し、胴体が飛行経路と平行になる「協調旋回」を実現します。計器盤上のスリップインジケーター(別名「ボール」)と呼ばれるシンプルなゲージは、この協調旋回が達成されたことを示します。[ 32 ]

特に大型または高速の航空機では、操縦力が極めて重くなる場合があります。操縦翼面の面積をヒンジより前方に延長すると必要な力が軽減されるという船舶からの発見を借りて、エルロンに初めて登場したのは第一次世界大戦中、エルロンが翼端より延長され、ヒンジの前にホーンが設けられたときでした。オーバーハング・エルロンとして知られる最もよく知られた例としては、ハンドレページ O 型(初飛行 1915 年 12 月 17 日)、ソッピース・スナイプ、フォッカー Dr.I、およびフォッカー D.VIIが挙げられます。後の例では、カウンターバランスが翼と一直線になり、操縦性が向上し、抗力が低減しました。現在では、同じ利点を持つフリーゼ型エルロンがあるため、これはあまり見られません。
トリム タブは、エルロンの後縁またはその付近に位置する、縮小版のエルロンに似た小さな可動部分です。ほとんどのプロペラ機では、ニュートンの第 3 運動法則 (すべての動作には等しく反対方向の反応がある) により、プロペラの回転によりロール運動が誘発され、それと反対の作用が生じます。操縦桿を一方向に押し続けることで疲労が生じるのを防ぐため、不要な動きに対して必要な圧力を調整またはトリムするためのトリム タブが用意されています。タブ自体はエルロンに対してたわむため、エルロンは反対方向に動きます。トリム タブには、調整可能なものと固定されたものの 2 種類があります。固定トリム タブは必要なたわみ量まで手動で曲げますが、調整可能なトリム タブはコックピット内から制御できるため、さまざまな出力設定や飛行姿勢を補正できます。 1950 年代の大型航空機の中には (カナダエア アーガスを含む)、パイロットがトリム タブの偏向によってのみ制御するフリー フローティング制御面を採用したものもありました。この場合、直線および水平飛行を実現するために制御を微調整するための追加のタブも提供されていました。

スペードは平らな金属板で、通常はエルロンヒンジの前方、エルロン下面にレバーアームで取り付けられています。スペードはパイロットがエルロンを偏向させるために必要な力を軽減し、曲技飛行によく見られます。エルロンが上方に偏向すると、スペードは下向きの空気力を生み出し、この力によってエルロン全体が回転し、エルロンをさらに上方に偏向させます。スペード(およびレバーアーム)のサイズによって、パイロットがエルロンを偏向させるために必要な力が決まります。スペードはホーンと同じように機能しますが、モーメントアームが長いため、ホーンよりも効率的です。

操縦翼面のフラッター(空力弾性フラッター)のリスクが高まる速度を速めるために、操縦翼面の重心をその面のヒンジ ラインの方向に移動させます。これを実現するために、エルロンの前部に鉛の重りを追加します。航空機によっては、エルロンの構造が重すぎるために、このシステムを機能させるにはエルロンの重量を過度に増やさなければなりません。この場合、重りをレバー アームに追加して、重りをエルロン本体のかなり前方に移動させます。これらのバランス ウェイトは涙滴型(抗力を低減するため)で、スペード型とはまったく異なる外観をしていますが、どちらもエルロンの下方かつ前方に突き出ています。フラッターのリスクを低減することに加えて、マス バランスは、操縦操作中に操縦翼面を動かすために必要な操縦桿力も低減します。
一部のエルロン設計、特に後退翼に取り付けられている場合、翼のフェンスのようなフェンスが内側の面と面一に組み込まれ、翼の上部を流れる気流の幅方向の成分の一部が抑制されます。この空気流は、下向きに偏向するとエルロン上部の層流を乱す傾向があります。
戦前の航空の「開拓時代」から第一次世界大戦初期にかけて使用されていたこれらのエルロンは、それぞれ1本のケーブルで制御され、エルロンを引き上げていました。航空機が停止しているときは、エルロンは垂直に垂れ下がっていました。このタイプのエルロンは、1909年のファルマンIII複葉機とショート166で使用されていました。翼の反りを利用した「逆」バージョンは、サントス・デュモン・デモワゼルの後期型に搭載されており、翼端を「下向き」に反らせるだけでした。[ 33 ]この構成の欠点の一つは、基本的な相互接続式エルロンよりもヨーイング傾向が強いことでした。[ 34 ] 1930年代には、多くの軽飛行機が単動式エルロンを使用していましたが、操縦桿を離すとエルロンを中立位置に戻すためにスプリングが使用されていました。
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1908年のブレリオ8号機は、現代の飛行制御システムに直接つながった「ジョイスティック/ラダーバー」制御の組み合わせを持つ最初の機体で使用されました。[ 35 ]初期の航空機の一部の設計では、「ウィングチップ」エルロンを使用していました。これは、翼端全体を回転させて、独立した旋回ロール制御面としてロール制御を実現するものでした。AEAのジューンバグはこれらの一種を使用し、1916年のドイツの実験機フォッカーV.1と、それ以前のバージョンのユンカースJ 7全ジュラルミン製実証用単葉機の両方で使用されていました。J 7は、従来のヒンジ式エルロンを備えた1918年のユンカースDI全ジュラルミン製のドイツの戦闘機設計に直接つながりました。このタイプのエルロンの主な問題は、特に航空機がすでに失速の危険にさらされている場合に、積極的に使用すると失速する危険な傾向があることです。そのため、主にプロトタイプで使用され、量産機ではより従来型のエルロンに置き換えられます。

ブリストル飛行機会社[ 37 ]の技師レスリー・ジョージ・フリーゼ(1897–1979)は、1930 年代に航空機が高速化するにつれて操縦桿にかかる力を減少させるために、約 25 ~ 30% の翼弦線で底面近くで旋回するエルロン形状を開発した[1]。エルロンが上に偏向されると (翼を下げるために)、エルロンの前縁が翼の下側の気流中に翼の下側の下側に突出し始める。気流内での前縁のモーメントは後縁の上昇を助け、操縦桿にかかる力を減少させる。下方に動くエルロンは境界層にエネルギーも加える。エルロンの縁は翼の下側からエルロンの上面へと気流を導き、それによって翼の揚力に加わる揚力を生み出す。これによってエルロンの必要な偏向が減少する。1930 年のCanadian Fleet Model 2複葉機と、1938 年に人気を博した米国のPiper J-3 Cub単葉機の両方に、設計どおりにフリーズ式エルロンが搭載されており、幅広い層にフリーズ式エルロンを紹介するのに役立ちました。
フリーズ式エルロンの利点として、逆ヨーモーメントを打ち消す能力が挙げられます。そのためには、エルロンの前縁を鋭角にするか、あるいは鈍角にする必要があります。これにより、上向きのエルロンに大きな抗力が加わり、もう一方のエルロンを下げた際に生じるヨーモーメントを相殺するのに役立ちます。しかし、これにより、不快な非線形効果や、潜在的に危険な空力振動(フラッター)が発生する可能性があります。[ 38 ]逆ヨーモーメントは、基本的に航空機のヨー安定性と、エルロンの差動運動によって打ち消されます。[ 39 ]
フリーズ型エルロンにもスロットが形成されるため、下げられたエルロンの上を空気がスムーズに流れるため、高迎え角での効率が向上します。フリーズ型エルロンは差動制御式に設計することもできます。差動エルロンと同様に、フリーズ型エルロンは逆ヨーを完全に除去するものではありません。エルロン操作時には、ラダー操作との協調が必要です。[ 36 ]

機械的なリンク機構を注意深く設計することで、上側のエルロンを下側のエルロンよりも大きく偏向させることができる(例えば、米国特許第1,565,097号)。[ 40 ]これにより、高迎え角でエルロンを偏向させたときに翼端失速が発生する可能性が低減します。さらに、結果として生じる抗力差によって逆ヨーが低減します[ 41 ](上でも述べたように)。この考え方は、上側のエルロンに伴う揚力の損失はペナルティを伴わず、下側のエルロンに伴う揚力の増加は最小限に抑えられるというものです。航空機のローリングカップルは常に2つの翼の揚力の差です。デ・ハビランド社の設計者がシンプルで実用的なリンク機構を発明し、同社の英国製複葉機であるタイガーモスは、差動エルロンを採用した最も有名な航空機の1つ、そして最も初期の航空機の1つとなりました[ 42 ] 。
ライトフライヤー号や、その後の1909年初頭のブレリオXI号、エトリッヒ・タウベ号などのパイオニア時代の初期の航空機では、[ 43 ]翼の外側部分をひねって迎え角を変え、揚力を増減させることで横方向の操縦を行っていた。この方法は、翼構造に負担がかかり、操縦装置が重くなり、機動中に迎え角が大きくなると横方向の機体が失速する危険性があるという欠点があった。1916年までに、ほとんどの設計者は翼の反りを放棄し、エルロンを採用した。NASAなどの研究者は、新しい名前ではあるが、翼の反りを再び検討している。NASA版はX-53 Active Aeroelastic Wingであり、米国空軍はAdaptive Compliant Wingを試験した。[ 44 ] [ 45 ]
スポイラーは、翼上の気流中に展開することで気流を乱し、発生する揚力を低減する装置です。多くの現代の航空機設計、特にジェット機では、エルロンの代わりに、あるいはエルロンを補助するためにスポイラーが使用されています。例えば、F4ファントムIIやノースロップP-61ブラックウィドウは、ほぼ全幅のフラップを備えていました(翼端には非常に小さな従来型のエルロンも搭載されていました)。
上反角を持つ航空機はすべて、安定性を高めるために何らかのヨー・ロール・カップリングを備えています。セスナ152/172シリーズのような一般的な練習機は、ラダーだけでロールを制御できます。ボーイング737では、高迎え角においてエルロンよりもラダーの方が機体のロール制御力が大きくなります。このため、ラダーが完全に舵角を切った位置で動かなくなり、横転するという2件の重大な事故が発生しました(ボーイング737のラダーの問題を参照)。
フォッカー・スピンや模型グライダーなどの一部の航空機は、横方向の制御を一切行いません。これらの航空機は、従来の航空機よりも大きな上反角(ディヘドラル)を利用しています。ラダーを偏向させることでヨー角が生じ、大きな差動翼揚力が生じ、ヨー角に起因するロールモーメントが生じます。このタイプの制御システムは、フライング・フリーのような小型航空機や、よりシンプルな2機能(ピッチとヨー角の制御)のグライダーモデル、または3機能(ピッチ、ヨー、スロットル制御)の模型動力航空機(例えば、フリーフライトエンジン搭載の「オールドタイマー」模型飛行機の無線操縦バージョンなど)で最も一般的に見られます。

1917年、海軍次官補(フランクリン・D・ルーズベルト閣下)が設置した委員会の勧告により、米国のほぼすべての航空機メーカーを包含する航空機特許プールが民間で設立されました。製造業者航空機協会の設立は、米国政府にとって極めて重要でした。なぜなら、ライト社とカーチス社という二大特許保有者が、米国が第一次世界大戦に参戦する中で切実に必要としていた新型航空機の製造を事実上阻止していたからです。
この異例の取り決めは反トラスト法違反と解釈される可能性もあったが、幸いにもそうはならなかった。これは明確な経済的目的、すなわち、重要な部品に関する特許を1つ保有するだけで、航空機全体の開発が滞るのを防ぐという目的があった。実際には、この特許プールは市場構造にも技術進歩にも何ら影響を与えなかった。米国製航空機の速度、安全性、信頼性は、特許プールが存在していた期間(1975年まで)を通じて着実に向上した。その間、ダグラス、ボーイング、ロッキード、コンベア、マーティンといった企業が民間航空機市場で大きなシェアを占めていたが、いずれの企業も長期間市場を独占することはなかった。
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