滑空飛行

滑空するドラコ・タエニオプテルス、いわゆる「トビトカゲ」

滑空飛行は、推力を使わずに空気より重い物体で飛行する飛行です。動物のこの飛行様式は、ボルプレーニング（自力飛行）とも呼ばれます。 [ 1 ]滑空動物やグライダーなどの航空機もこの飛行様式 を採用しています。この飛行様式は、降下距離に比べてかなりの距離を水平方向に飛行するため、円形パラシュートのようにほぼ直線的に降下する飛行とは区別されます。

人間が滑空飛行を応用する場合、通常はこの目的のために設計された航空機を指すが、ほとんどの動力付き航空機はエンジン動力なしで滑空することができる。持続飛行と同様に、滑空には一般に、航空機や鳥の翼、または滑空するオポッサムの滑空膜などの翼型の応用が必要である。しかし、単純な紙飛行機[ 2 ]やカード投げのように、平らな（反りのない）翼でも滑空は達成できる。ただし、揚力体を持つ一部の航空機やトビヘビなどの動物は、翼の下に平らな表面を作ることで、翼がなくても滑空飛行を達成できる 。

グライダー

ほとんどの翼のある航空機はある程度滑空できますが、滑空するように設計された航空機にはいくつかの種類があります

人間への主な用途は現在レクリエーションですが、第二次世界大戦中は軍用グライダーが兵士や装備を戦場へ輸送するために使用されていました。スポーツやレクリエーションに使用される航空機の種類は、グライダー（セールプレーン）、ハンググライダー、パラグライダーに分類されます。後者の2つのタイプは、多くの場合、足で離陸します。3つのタイプすべてにおいて、上昇気流を利用して繰り返し上昇し、次の揚力源を見つけるまで滑空することを可能にする設計となっています。グライダー（セールプレーン）で行う場合、このスポーツはグライディング、またはソアリングと呼ばれます。足で離陸する航空機の場合は、ハンググライダーやパラグライダーとして知られています。固定翼のラジコングライダーも愛好家によって滑空されています

モーターグライダーに加えて、飛行の一部、通常は一定期間の動力飛行後の着陸時に定常滑空を行うように設計された動力航空機もあります。これには以下のものが含まれます。

滑空飛行用に設計されていない航空機は、全エンジン故障や燃料切れなどの緊急時に滑空飛行を余儀なくされる場合があります。滑空飛行を必要とした航空便の一覧をご覧ください。

滑空動物

鳥類

多くの動物は、単一の祖先を持たずに、何度も別々に滑空を進化させてきました。特に鳥類は、エネルギー消費を最小限に抑えるために滑空飛行を利用しています。特に大型の鳥類は滑空に長けており、その中には以下のようなものがあります

遊覧飛行用の航空機と同様に、鳥類は上昇気流の中で滑空と舞い上がりを交互に行うことができ、最小限のエネルギー消費でかなりの時間を空中で過ごすことができます。特にオオグンカンドリは数週間にわたる連続飛行が可能です。[ 3 ]

哺乳類

ムササビの飛膜

滑空を助けるために、一部の哺乳類は飛膜と呼ばれる構造を進化させました。これは、体の様々な部分の間に張られた膜状の構造です。コウモリで最も高度に発達しています。鳥類と同様の理由で、コウモリは効率的に滑空することができます。コウモリでは、翼の表面を形成する皮膚は、腹部の皮膚の延長であり、各指の先端まで伸びて前肢と体を繋いでいます。コウモリの飛膜は4つの異なる部分から成ります

  1. プロパタギウム：首から第一指まで存在するパタギウム
  2. 指板：指の中にある部分
  3. 斜板：最後の指と後肢の間にある部分
  4. 尾翼：2つの後肢の間の体の後部

滑空するフクロネズミやムササビなどの他の哺乳類も飛膜を用いて滑空しますが、コウモリほど効率は良くありません。高度を上げることができないからです。フクロネズミは木から飛び立ち、四肢を広げて滑空膜を露出させます。これは通常、熱帯雨林で木から木へと移動する際に、餌を探し、捕食者から逃れるための効率的な手段です。この樹上性移動は、ボルネオやオーストラリアなどの熱帯地域では一般的で、木々は高く、間隔が広くなっています。

ムササビでは、翼膜は前肢から後肢まで、胴体の両側に沿って伸びています。フクロモモンガでは、翼膜は両手の第5指から両足の第一指まで伸びています。これが翼のような形状を形成し、50メートル以上滑空することが可能です。[ 4 ]この滑空飛行は、膜の曲率を変化させたり、脚や尾を動かしたりすることで制御されます。[ 5 ]

魚類、爬虫類、両生類、その他の滑空動物

哺乳類や鳥類に加えて、トビウオ、トビヘビ、トビカエル、トビイカなどの他の動物も滑空します。

飛び立つトビウオ

トビウオの飛行高度は通常約50メートル（160フィート）であるが、[ 6 ]波の先端で上昇気流を利用すると最長400メートル（1,300フィート）の距離を滑空することができる。[ 6 ] [ 7 ] 水面から上昇するために、トビウオは尾を1秒間に最大70回動かす。[ 8 ]次に胸びれを広げ、わずかに上方に傾けて揚力を得る。[ 9 ]滑空が終わると、トビウオは胸びれを折りたたんで海に戻るか、尾を水中に落として水面を押し上げ、再び滑空して方向転換する。[ 8 ] [ 9 ]この「翼」の湾曲した形状は、鳥の翼の空気力学的形状に似ている。[ 10 ]この魚は、空気と海流の組み合わせによって作り出される上昇気流の方向に向かってまっすぐ飛ぶか、斜めに飛ぶことで、空中にいる時間を延ばすことができます。[ 8 ] [ 9 ]

クリソペレア属のヘビは、「トビヘビ」という通称でも知られています。枝から飛び立つ前に、このヘビはJ字型に体を曲げます。体を木から離して上方に突き出した後、腹部を引っ込め、肋骨を広げて「擬似凹面翼」を形成します。[ 11 ]その間ずっと、地面と平行に蛇のように横方向に波打つように動き続けます[ 12 ] [ 13 ] 。これにより空中での方向を安定させ、安全に着地します[ 14 ] 。トビヘビは、四肢、翼、その他の翼のような突起物を持たないにもかかわらず、ムササビなどの滑空動物 よりも優れた滑空能力を持ち、生息する森林やジャングルを100メートルもの距離を滑空します。[ 13 ] [ 15 ]彼らの目的地は主に弾道学によって予測されるが、空中で「滑るように」移動することで飛行中の姿勢制御をある程度行うことができる。 [ 16 ]

ドラコ属のトビトカゲは、肋骨が拡大して翼（パタギア）を形成し、膜状の構造物を介して滑空飛行を行うことができます。[ 17 ]

滑空飛行は、新世界（アマガエル科）と旧世界（モリアオガエル科）の両科にまたがる3,400種のカエルの間で独立して進化してきた[ 18 ] 。 [ 19 ] この並行進化は、地上の高い樹上での生活への適応と考えられている。旧世界種の特徴には、「手足が大きく、すべての指と指の間に水かきがあり、腕と脚の側面に皮弁がある」ことなどがある。

力

飛行中の滑空動物または航空機にかかる力

滑空中の航空機および動物には、主に3つの力が作用します。[ 20 ]

航空機または動物が降下すると、翼と体の上を流れる空気は、運動に垂直な方向に揚力と運動に平行な方向に抗力を発生させます。グライダーは前進しながら降下するため、重力ベクトルは抗力を相殺する前方成分を持ち、速度を一定に保ちます。抗力を克服するためのエネルギーは、重力による位置エネルギーの損失から得られます。[ 21 ]

重さによってグライダーは下降しますが、空気の上昇速度が降下速度よりも速い場合は、高度が上がります。

揚抗比

抗力と速度。L/DMAXは総抗力が最小のときに発生します（例：寄生抵抗と誘導抵抗）。
抗力係数と揚力係数と迎え角の関係。失速速度は、揚力係数が最大となる迎え角に対応する。

揚抗比（L/D比）は、翼または機体によって発生する揚力を、空気中を移動することによって生じる抗力で割った値です。L/D比が高いほど、滑空斜面角（グライド比）は良好になります。

対気速度が降下率に与える影響は、極曲線で表すことができます。これらの曲線は、最小の沈下量を達成できる対気速度と、最適なL/D比を実現する対気速度を示しています。曲線は逆U字型です。速度が低下すると、失速速度付近で揚力は急速に減少します。「U」字のピークは抗力が最小の地点です。

揚力と抗力は、それぞれ揚力と抗力の係数に同じ係数 (1/2 ρ air v 2 S) を乗じた値に比例するため、L/D 比は揚力係数を抗力係数で割った値、つまり Cl/Cd に簡略化できます。また、どちらも対気速度に比例するため、L/D 比または Cl/Cd 比は通常、迎え角に対してプロットされます。

抗力

誘導抗力は、翼による揚力の発生によって生じます。低速では、航空機はより大きな迎え角で揚力を発生させる必要があり、誘導抗力が大きくなります。この項は、抗力グラフの低速側、つまりU字型の左側で大きな役割を果たします

寄生抗力とは、揚力の発生とは無関係な抗力であり、外皮摩擦と機体および翼の形状によって生じます。この抗力は高速時に顕著になり、抗力グラフのU字型において右側を形成します。プロファイル抗力は、主に断面積の縮小と流線型の採用によって低減されます。

揚力は臨界角まで着実に増加するため、通常、複合抗力が最も低くなるポイントで、翼または航空機は最高の L/D で動作します。

設計者は通常、動力付き固定翼航空機において、選択された巡航速度で揚抗比が最大となる翼設計を選択し、経済性を最大化します。航空工学における他のあらゆる要素と同様に、翼設計においては揚抗比だけが考慮されるわけではありません。高迎え角性能と緩やかな失速性能も重要です。

抗力の最小化は、高性能グライダー（グライダー）の設計と運用において特に重要です。最大のグライダーでは滑空比が 60:1 に近づくこともありますが、他の多くのグライダーでは性能が低く、訓練用としては 25:1 で十分だと考えられています。

滑空比

静止空気中を一定速度で飛行する場合、グライダーは一定の距離を前進し、一定の距離を下降します。前進距離と下降距離の比を滑空比と呼びます。これらの条件下では、滑空比（E）は数値的に揚抗比と等しくなりますが、他の操縦中、特に速度が一定でない場合は必ずしも等しくなるとは限りません。グライダーの滑空比は対気速度によって変化しますが、よく引用される最大値があります。滑空比は通常、機体の積載量によってほとんど変化しません。重い機体はより速く滑空しますが、滑空比はほぼ維持されます。[ 22 ]

滑空比（または「フィネス」）は、滑空角（γ）の正接です。あるいは、前進速度を降下速度で割った値でもあります（無動力機の場合）。

LD＝Δ秒Δ時間＝v前進v下降{\displaystyle {L\overD}={{\Deltas}\over{\Deltah}}={v_{\text{forward}}\overv_{\text{down}}}}

滑空数（ε）は滑空比の逆数ですが、混同されることがあります。

例

飛行記事 シナリオ 滑空比
エータ（グライダー）滑空 70 [ 23 ]
オオグンカンドリ海上を舞う 標準速度で15～22 [ 24 ]
ハンググライダー滑空 15
エア・カナダ143便（ギムリ・グライダー） ボーイング767-200型機が燃料切れで全エンジン故障約12
ブリティッシュ・エアウェイズ9便火山灰の影響で全エンジンが故障したボーイング747-200B約15
パラグライダー高性能モデル 11
ヘリコプターオートローテーション中 4
動力パラシュート長方形または楕円形のパラシュート付き 3.6/5.6
スペースシャトル再突入後の宇宙からの無動力進入 4.5 [ 25 ]
ウイングスーツ滑空中 3
極超音速技術車両2平衡極超音速滑空推定値[ 26 ]2.6
キタムシ滑空 1.98
フクロモモンガ（オポッサム） 滑空 1.82 [ 27 ]
スペースシャトル超音速 2（マッハ2.5）[ 25 ]
スペースシャトル極超音速 1.8（マッハ5）、1（マッハ9以上）[ 25 ]
アポロCM遷音速 0.50（マッハ1.13）[ 28 ]
アポロCM再突入と極超音速 平均0.368（最初のピークG前）、0.41（マッハ6時）[ 28 ]

滑空飛行における滑空比の重要性

最良滑空速度（最良L/D）を得るための滑空角を示す極曲線。これは、静穏な空気中で可能な限り平坦な滑空角であり、飛行距離を最大化します。この対気速度（垂直線）は、グラフの原点から始まる直線の接線に相当します。この対気速度より速くまたは遅く飛行するグライダーは、着陸までの飛行距離が短くなります。[ 29 ] [ 30 ]

滑空機の性能を測る際には、最適な滑空比が重要ですが、さまざまな速度における滑空比も、その機体の成功を決定します (滑空に関する記事を参照)。

パイロットは、正確に対気速度を制御し、スムーズに操縦装置を操作して抗力を減らすことにより、航空機の最適な L/D で飛行することがあります。しかし、次に発生する可能性のある揚力の強さ、強く下降する空気中で過ごす時間を最小限に抑えること、および風の強さも、最適な飛行速度に影響します。パイロットは、下降する空気を素早く通過するため、また風に向かうときは地面に対する滑空角を最適化するために、より速く飛行します。国中でより高速に飛行するために、グライダー (グライダー)には水バラストが積まれ、対気速度が上昇して次の揚力領域に早く到達することがよくあります。これは、降下率と対気速度の増加が比例したままであるため、滑空角にほとんど影響せず、したがって重い航空機の方が高い対気速度で最適な L/D を実現します。その日の揚力領域が強い場合は、バラストの利点が上昇率の低下を上回ります。

上昇する空気の速度が降下率よりも速い場合、航空機は上昇します。速度が低いと、航空機の滑空比は悪くなりますが、降下率も低くなります。また、対気速度が低いと、上昇率が最大となる上昇気流の中心で急旋回する能力も向上します。約 1.0 m/s の降下率は、実用的なハンググライダーやパラグライダーの最大降下率であり、これを超えると上昇が可能なのは強い上昇気流があるときだけになります。グライダー (グライダー) の最小降下率は、クラスによって 0.4 m/s から 0.6 m/s の間です。旅客機などの航空機はハンググライダーよりも滑空比が優れていますが、前進速度がはるかに速く、降下率もはるかに高いため、サーマル状態になることはほとんどありません (ギムリ グライダー事故のボーイング 767は、滑空比がわずか 12:1 でした)。

高度損失は複数の速度で測定され、「極曲線」上にプロットされます。これにより、風上飛行や下降気流中など、様々な状況における最適な飛行速度を計算できます。グライダーに水バラストを積載した状態で、他の極曲線を測定することもできます。質量が増加すると、より高速で最適な滑空比が得られます（滑空比自体は増加しません）。

ソアリング

ソアリングする動物や航空機は、上昇気流の中で滑空とソアリングを交互に繰り返すことがあります。主な揚力の種類は5つあります。[ 31 ]サーマル、リッジリフト、風下波、コンバージェンス、ダイナミックソアリングです。ダイナミックソアリングは主に鳥類や一部の模型飛行機で使用されますが、まれに有人航空機によって達成されることもあります。[ 32 ]

鳥の急上昇飛行の例としては、次のようなものがあります。

人間にとって、滑空はグライダー、ハンググライダー、パラグライダーという3 つの航空スポーツの基礎となります。

参照

参考文献

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