翼端装置

エアバスA350の翼端装置
従来の翼端（左）とブレンデッドウィングレット（右）の後ろの翼端渦の線画

翼端装置は、抗力を低減することで固定翼航空機の効率を向上させることを目的としています。[ 1 ]翼端装置にはいくつかの種類があり、それぞれ機能の異なるものがありますが、その目的は常に航空機の抗力を低減することです。このような装置は、翼幅を大幅に増やすことなく揚力システムの高さを上げることで抗力を低減します。翼幅を長くすると揚力誘導抗力は減りますが、寄生抗力が増加し、翼の強度と重量を増やす必要があります。ある時点で、翼幅をさらに増やしても純粋な利点はなくなります。また、許容される翼幅を制限する運用上の考慮事項（例：空港のゲートで利用可能な幅）が ある場合もあります。

物理

従来の翼が揚力を発生させる際には、揚力誘導抵抗も発生します。翼下の高圧の空気は翼端上部の低圧面へと流れ込み、航空機の前進運動によって渦が発生します。トレフツ平面理論によれば、揚力系の高さを上げると誘導抵抗が減少することが示されています。垂直尾翼またはウィングレットは、航空機の中心から離れた翼のどの位置に配置しても誘導抵抗を低減できますが、最も効果的なのは翼端に配置することです。[ 2 ]

利点

翼端装置は抗力を低減することで、燃費効率と航続距離を向上させます。航空機の性能が向上し、上昇性能の向上による離陸飛行距離の短縮、巡航高度と巡航速度の向上が可能になります。離陸時の騒音も低減されます。[ 2 ]グライダーでは、誘導抗力の低減により横断速度が向上し、航続距離が延長されます。[ 1 ]翼端装置は、翼端渦の強度を低減することで、後続機の安全性も向上させます。

アメリカ空軍の研究によると、燃料効率の改善は航空機の揚抗比の増加と直接相関していることが示されている。[ 3 ]

平均的な民間ジェット機では、ウィングレットの採用により燃料効率が4～6%向上し、飛行中の騒音は最大6%減少します。実際の燃料節約量とそれに伴う炭素排出量は、機体、航路、飛行条件によって大きく異なります。[ 4 ]

初期の歴史

翼端板

垂直翼延長部を装備したHa 137試作機、1935年～1937年頃

最初の構想は1897年に遡り、イギリスの技術者フレデリック・W・ランチェスターが翼端渦を制御する方法として翼端板の特許を取得しました。[ 5 ]アメリカ合衆国では、スコットランド生まれの技術者ウィリアム・E・サマービルが1910年に最初の実用的なウィングレットの特許を取得しました。サマービルは初期の複葉機と単葉機の設計にこの装置を搭載しました。[ 6 ]ヴィンセント・バーネリは1930年8月26日に「翼面制御手段」で米国特許第1,774,474号を取得しました。[ 7 ]

単純な平らなエンドプレートでは抗力の減少は見られなかった。これは、プロファイル抗力の増加が誘導抗力の減少よりも大きかったためである。[ 2 ]

ホーナーのウィングチップ

リッピッシュ・オーレン翼端装置を備えたハインケル He 162A

第二次世界大戦終結後、シグハルト・F・ホーナー博士はこの分野の先駆的な研究者であり、1952年に発表した技術論文[ 8 ]で、垂下型翼端を採用し、その先端が尖った翼端によって翼端渦を翼上面から遠ざけることを提唱しました。垂下型翼端は、ホーナー博士に敬意を表して「ホーナー翼端」と呼ばれることがよくあります。グライダーや軽飛行機は長年にわたりホーナー翼端を採用してきました。[ 9 ] [ 8 ]

ホーナースタイルの翼端を備えたヴァンのRV-6

ジェット機におけるホーナー式下向き角度の「翼端装置」の最も初期の実装は、第二次世界大戦中に遡る。これはいわゆるリピッシュ・オーレン（「リピッシュの耳」）と呼ばれ、メッサーシュミット Me 163の設計者アレクサンダー・リピッシュに由来するとされ、ハインケル He 162 Aスパッツジェット軽戦闘機のM3およびM4試作3号機と4号機に評価のために初めて搭載された。この追加は、主翼の顕著な上反角に起因する、元のHe 162設計に存在したダッチロール特性を打ち消すために行われた。これは、完成した約320機のHe 162Aジェット戦闘機の標準装備となり、さらに数百機のHe 162A機体がヨーロッパ戦勝記念日（VEデー）までに未完成のまま残された。[ 10 ]

ウィングレット

1979年から1980年にかけてNASAが実施したテスト中の気流を示す、KC-135ストラトタンカーのウィングレットとタフト
NASAラングレー遷音速風洞におけるガルフストリームVモデルのウィングレットフラッター試験

「ウィングレット」という用語は、以前は航空機の追加の揚力面、例えば固定式の着陸装置の車輪間の短い部分を指すために使用されていました。 1970年代にNASAでリチャード・ウィットコムが行った研究において、ウィングレットという用語が初めて使用され、その現代的な意味は翼端のほぼ垂直方向の延長を指しました。[ 11 ]

ウィングレットのもう一つの潜在的な利点は、後流渦の強度を低減することです。[ 12 ]これらの渦は飛行機の後ろに引きずり、他の航空機に危険をもたらします。[ 13 ]空港における航空機間の最小間隔要件は、主にこれらの要因によって決定されます。航空機は重量によって分類されます（例：「軽量」、「重量」など）。これは、渦の強度が航空機の揚力係数に比例して増加するため、低速かつ重量が重いときに乱流が最大になり、迎え角が大きくなるためです。

ウイングレットと翼端フェンスは、低圧（翼上）と高圧（翼下）の空気の合流点を翼面から遠ざけることで、翼端付近の層流への渦の干渉を減らし、効率を向上させる[ 14 ]。翼端渦は、翼端の前縁で発生し、後方および内側に伝播する乱流を作り出す。この乱流は、外側の翼の小さな三角形の部分で気流を「剥離」し、その領域の揚力を減少させる。フェンス/ウイングレットは、結果として生じる渦の中心がウイングレットの先端にあるため、渦が形成される領域を翼面から上方に押しやる。

ウィングレットによる燃費向上はミッションの長さに応じて増加する。[ 15 ] ブレンデッドウィングレットはより急な迎え角を可能にし、離陸距離を短縮する。[ 16 ]

初期の開発

マクドネル・ダグラス MD-11 Fのウィングレット

NASAラングレー研究センターのエンジニア、リチャード・T・ウィットコムは、 1973年の石油危機後の燃料費の急騰に対応して、ホーナーのコンセプトをさらに発展させました。彼は綿密な航空設計に基づき、一定の曲げモーメントにおいて、ほぼ垂直のウィングレットは水平翼幅の延長よりも大きな抗力低減効果を発揮することを示しました。[ 17 ]ウィットコムは、プロファイル抗力を最小限に抑える綿密な設計によって抗力低減の純利益が得られることを初めて認識しました。[ 2 ]

ウィットコムの設計は、1979年から1980年にかけてNASAと空軍の合同チームによってドライデン飛行研究センターに拠点を置くKC-135ストラトタンカーを使用して飛行試験された。[ 5 ]ロッキードL-1011とマクドネル・ダグラスDC-10も試験に使用され、後者の設計はマクドネル・ダグラスによって派生型MD-11に直接実装され、1990年にロールアウトされた。[ 5 ]

1983年5月、メリーランド州ボウイ高校の高校生が、ニューメキシコ州アルバカーキで開催された第34回国際科学技術フェアで、抗力を低減する翼端装置の研究成果により最優秀賞を受賞しました。 [ 18 ]同月、彼は「翼端翼型」に関する米国特許を申請し、1986年に公開されました。[ 19 ]

実装

リアジェット28/29、ウイングレットを備えた最初の商用航空機

リアジェットは、1977年の全米ビジネス航空協会（National Business Aviation Association）の大会で、リアジェット28のプロトタイプを公開しました。このモデルは、民間機、軍用機を問わず、量産機に初めて採用されたウィングレットを採用しました。リアジェットは、NASAの支援なしにウィングレットの設計を開発しました。モデル28は当初、プロトタイプの実験機として開発されましたが、その性能は高く、リアジェットは量産を決定しました。飛行試験の結果、ウィングレットによって航続距離が約6.5%延長され、方向安定性も向上しました。リアジェットは、リアジェット55、31、60、45、そしてリアジェット40といった新型機にもウィングレットを採用し続けました。

ガルフストリーム・エアロスペースは1970年代後半にウイングレットの研究を行い、ガルフストリームIII、ガルフストリームIV、ガルフストリームVにウイングレットを採用しました。ガルフストリームVの航続距離は6,500海里（12,000キロメートル）で、ニューヨーク・東京間の直行便の運航を可能にし、70以上の世界および国内飛行記録を保持しています。[ 5 ]バート・ルータンはウイングレットと垂直尾翼を組み合わせ、1986年に初飛行したビーチクラフト・スターシップというビジネス機の設計 に採用しました。

ウィングレットは他のビジネスジェットにも適用され、離陸距離を短縮して小規模空港からの運航を可能にし、巡航高度を高くすることが可能になります。新型機のウィングレットに加え、アフターマーケットベンダーは後付けウィングレットを開発しました。カンザス州ウィチタのWinglet Technology, LLCは、高温・高高度離陸時のペイロード航続距離を延長する楕円形ウィングレットをCitation Xに後付けする際にテストすべきでした。[ 20 ]

1986年に世界一周無給油飛行を成し遂げた最初の航空機であるルータンのルタン・ボイジャーには、従来のウイングレットが取り付けられていた。しかし、離陸時に滑走路を引きずって翼端が損傷し、翼端がそれぞれ約1フィート（30cm）切断されたため、飛行はウイングレットの恩恵を受けずに行われた。[ 21 ]

ウィングチップフェンス

翼端フェンスは、ほとんどのエアバスの旧モデルに搭載されています。

ウィングチップフェンスとは、ウィットコムの初期の研究で説明されているように、翼端の上下に広がる表面を含むウィングレットのことを指す。[ 11 ]どちらの表面も、同様の空力上の利点を持つウィングレットと同等かそれよりも短い。エアバス A310-300 は1985 年にウィングチップフェンスを採用した最初の旅客機となった。[ 22 ]他のエアバス機種ではA300-600、A320ceo、A380が続いた。エアバス A320 Enhanced、A320neo、A350、A330neoなどの他のエアバス機種では、ウィングチップフェンスではなくブレンデッドウィングレットが採用されている。アントノフ An-158 はウィングチップフェンスを採用している。

傾斜したウィングレット

ボーイング社は1985年に747の新バージョンである747-400を発表した。これは航続距離と積載量を拡大したもので、ウィングレットと翼幅の拡大を組み合わせて追加荷重を支える方式を採用している。ウィングレットにより747-400の航続距離は、それ以外は空力的に同一だがウィングレットのない747-300に比べて3.5%延びた。747-400D派生型には他の747-400に装備されている翼端延長部とウィングレットがない。ウィングレットは短距離路線ではわずかな利点しか提供せず、重量とコストが増えるためだが、-400Dは必要に応じて長距離バージョンに転換できる。[ 1 ]ウィングレットは既存のプラットフォームに基づくボーイング派生型設計に好まれる。既存部品を最大限に再利用できるためである。新しい設計では可能な限り翼幅の拡大、その他の翼端装置、またはその両方の組み合わせが好まれている。

イリューシンIl-96は、1988年にロシア初の最新鋭ジェット機としてウィングレットを採用しました。ボンバルディアCRJ-100 /200は、1992年にリージョナルジェット機として初めてウィングレットを採用しました。A340 / A330は、 1993/1994年に傾斜型ウィングレットを採用しました。ツポレフTu-204は、1994年にナローボディ機として初めてウィングレットを採用しました。エアバスA220（旧Cシリーズ）は、2016年から傾斜型ウィングレットを採用しています。

ブレンデッドウィングレット

ブレンデッド・ウィングレットは、主翼に鋭角ではなく滑らかな曲線で取り付けられており、主翼とウィングレットの接合部における干渉抵抗を低減することを目的としています。この領域に鋭角があると、境界層の流れと相互作用して抗力誘発渦が発生し、ウィングレットの利点の一部が損なわれる可能性があります。シアトルに拠点を置くAviation Partnersは、Gulfstream II、Hawker 800、Falcon 2000の改修用としてブレンデッド・ウィングレットを開発しています。

2000年2月18日、ブレンデッド・ウィングレットがボーイング737-800のオプションとして発表され、最初の船体セットは2001年2月14日に取り付けられ、2001年5月8日にハパグロイド航空で有償運航されました。 [ 23 ]アビエーション・パートナーズ/ボーイングの8フィート（2.4メートル）延長により、長距離飛行での燃料消費が4％削減され、737-800またはその派生型ボーイング・ビジネス・ジェットの標準装備として、航続距離が130または200海里（240または370km）増加します。[ 1 ] 737クラシックにも提供されており、多くの運航者が燃料節約のためにこれを機体に装備しています。アビエーション・パートナーズ・ボーイングは、757と767-300ER向けのブレンデッド・ウィングレットも提供しています。[ 24 ] 2006年、エアバスはウィングレット・テクノロジーとエアバスがエアバスA320ファミリー向けに設計した2種類のブレンデッド・ウィングレット候補を試験した。[ 25 ] 2009年、エアバスはA320ファミリーのペイロード範囲を拡大し、長距離飛行で燃料消費量を最大4%削減するように設計された「シャークレット」ブレンデッド・ウィングレットを発表した。 [ 26 ]これは、航空機1機あたり年間700トンのCO2削減に相当します。[ 27 ]シャークレットを装備したA320は2012年から納入されている。[ 28 ] [ 29 ]シャークレットはA320neo、A330neo、A350に搭載されている。また、後付けオプションとしても提供されている。[ 29 ] [ 30 ]

傾斜した翼端

傾斜翼端は翼端の傾斜角が主翼の他の部分よりも大きく、ボーイング民間航空機およびエンブラエル航空機の一部に搭載され、燃費、離陸および上昇性能を向上させている。ウイングレットと同様に、傾斜翼端は有効翼アスペクト比を高め、翼端渦を減らして揚力誘導抗力を減らす。ボーイングとNASAのテストでは、従来のウイングレットの3.5～4.5％と比較して、最大5.5％抗力を削減した。[ 1 ] 翼幅を長くする方が同じ長さのウイングレットよりも効果的だが、曲げモーメントは大きくなる。3フィート（91cm）のウイングレットは、2フィート（61cm）翼幅の増加分の性能向上をもたらすが、1フィート（30cm）翼幅の増加分の曲げ力がかかる。[ 31 ]

ボーイング787 ドリームライナーは、傾斜した翼端の利用例です。

傾斜翼端は、従来の主翼幅を単純に延長する場合に比べて、いくつかの軽量化の利点がある。高荷重係数の構造設計条件下では、翼端のより短い翼弦にかかる荷重が小さくなり、外側の主翼にかかる誘導荷重が小さくなる。さらに、前縁スイープにより、圧力中心は従来の主翼幅を単純に延長した場合よりも後方に位置する。高荷重係数では、この圧力中心の相対的な後方位置により、傾斜翼端は前縁が下向きにねじれ、内側の翼にかかる曲げモーメントが減少する。しかし、圧力中心の相対的な後方移動はフラッターを増大させる。[ 32 ]

傾斜翼端は、ボーイング767-400ER（初飛行1999年10月9日）、ボーイング777の-200LR/-300ER/F派生型（1994年6月12日）（次期777Xを含む） 、737派生型のボーイングP-8ポセイドン（2009年4月25日）、ボーイング787の全派生型（2009年12月15日）（キャンセルされたボーイング787-3は、傾斜翼端の代わりにブレンデッドウィングレットを使用することで翼幅を縮小したため、 ICAO飛行場参照コードDに収まるように翼幅が170フィート（51.7メートル）になるはずだった[ 33 ]）、およびボーイング747-8（2010年2月8日）に搭載されている。エンブラエルE-jet E2とC-390 ミレニアムの翼にも傾斜した翼端が採用されています。

スプリットチップ

737 MAXのスプリットチップウィングレット

マクドネル・ダグラス MD-11 は、 1990 年にスプリットチップ・ウィングレットを備えた最初の航空機でした。

737次世代機では、サードパーティベンダーのAviation Partnersが、737 MAXの翼端装置に似た設計であるスプリットシミターウィングレットを導入しており、[ 34 ]ユナイテッド航空がローンチカスタマーとなっている。 [ 35 ]

ボーイング737 MAXは、新型の翼端装置であるアドバンストテクノロジーウィングレットを採用している。[ 36 ] ウィングレット、ウィングチップフェンス、傾斜ウィングチップの3つを組み合わせたようなこの新設計により、737 MAXで既に期待されている10～12%の燃費向上に加えて、さらに1.5%の燃費向上が見込まれるとボーイング社は主張している。

グライダー

工場製ウィングレットとウインチによる発進を備えたシェンプ・ヒルト・ヴェントゥス2グライダー

1987年、機械技術者のピーター・マサックは、ペンシルベニア州立大学の航空宇宙工学准教授で空気力学者のマーク・D・モーマーに、彼が所有する翼幅15メートル（49フィート）のレース用グライダーの性能を向上させるためのウイングレットの設計を依頼した。以前にもホイットコムのウイングレットをグライダーに適用しようとした研究者はおり、確かに上昇性能は向上したが、高速巡航時の寄生抗力によるペナルティは相殺されなかった。マサックはこのハードルを克服できると確信していた。[ 37 ]試行錯誤の末、彼らは最終的に、モーマーがウイングレットの応用に特化して設計した新しいPSU-90-125翼型を使用して、グライダー競技用の成功したウイングレット設計を開発した。 1991年テキサス州ユバルデで開催された世界グライダー選手権では、最高速度のトロフィーは、ウイングレットを装備した15メートルクラスの翼幅制限付きグライダーに贈られ、翼幅無制限のオープンクラスの最高速度を上回るという異例の結果となった。[ 38 ]マサックは、プロトタイプのマサックシミターにウイングレットを使用して、1993年の全米15メートルグライダー大会で優勝した。[ 39 ]

PSU-90-125 ウィングレット翼型プロファイル

マサックのウイングレットはもともと量産グライダーに後付けされたが、導入から10年以内に、ほとんどの高性能グライダーに工場でウイングレットまたはその他の翼端装置が装備されるようになった。[ 40 ]ウイングレットが初めて量産旅客機に搭載されるまでには10年以上かかり、これはNASAの開発の焦点であった最初の用途だった。しかし、競技でウイングレットの利点が証明されると、グライダーへの採用は迅速だった。ソアリング競技では優勝者と次点者の得点差は1%未満であることが多いため、効率がわずかに向上するだけでも大きな競争上の優位性となる。競技に参加しないパイロットの多くは、ロールレートやロールオーソリティの向上、翼端失速の傾向低下などの操縦上の利点を求めてウイングレットを装着した。この利点は注目に値する。なぜなら、グライダーをトレーラーに収納するには、グライダーのウイングレットは取り外し可能である必要があり、通常はパイロットの好みによってのみ装着されるからである。

グレイザー・ダークス DG-303 は、工場標準装備としてウイングレットを組み込んだ初期のグライダー派生型設計です。

非平面翼端

スピロイドウィングレットを備えたファルコン50

アビエーション・パートナーズは2010年にファルコン50に閉表面のスピロイド・ウィングレットを開発し、飛行試験を行った。[ 41 ]

非平面翼端は通常、多面体翼構成において上向きに傾斜しており、翼端近傍の局所的な上反角を増加させます。多面体翼設計自体は、数十年にわたり自由飛行模型航空機の設計において人気を博してきました。非平面翼端は、慎重に設計すれば、ウィングレットと同様の後流制御の利点を備えながら、寄生抗力のペナルティを軽減できます。非平面翼端は、多くの場合、傾斜翼端のように後退角が付けられ、ウィングレットと組み合わせられることもあります。ウィングレットもまた、非平面翼端の特殊なケースです。

航空機設計者は、第二次世界大戦後、ウイングレットが導入される前は、主に単純な上反角の平面翼設計を採用していました。1990年代に新しいグライダーの設計でウイングレットが広く採用されると、設計者は翼端設計の空力性能をさらに最適化しようと模索しました。グライダーのウイングレットはもともと、直角に近い小さな遷移領域のみを備えた平面翼に直接後付けされていました。ウイングレット自体の性能が最適化されると、翼とウイングレット間の遷移に注意が向けられました。一般的な方法は、翼端弦からウイングレット弦への移行領域をテーパー状にし、遷移領域を後方に傾斜させることで、ウイングレットを最適な位置に配置することでした。テーパー部分を上方に傾斜させれば、ウイングレットの高さも低くすることができました。最終的に、設計者は複数の非平面セクションを採用し、それぞれがより大きな角度で上方に傾斜させることで、ウイングレットを完全に廃止しました。

Schempp -Hirth Discus-2およびSchempp-Hirth Duo Discus は、非平面の翼端を使用します。

アクティブウィングチップデバイス

タマラック・エアロスペースのアクティブ・ウィングチップ・デバイス

航空宇宙構造エンジニアのニコラス・グイダ氏によって2010年に設立されたタマラック・エアロスペース・グループは、翼端装置の改良版であるアクティブ技術荷重軽減システム（ATLAS）の特許を取得しました。[ 42 ]このシステムは、タマラック・アクティブ・キャンバー・サーフェス（TACS）を用いて、航空機が突風や急激な上昇などの高G事象を経験した際に、翼端装置の効果を空力的に「オフ」にします。TACSは、フラップやエルロンに似た可動パネルで、主翼後縁に配置されています。[ 42 ] [ 43 ]このシステムは、航空機の電気系統と高速サーボによって制御されます。高速サーボは、航空機が迫り来る応力を感知すると作動し、本質的には翼端の作動をシミュレートします。しかし、翼端自体は固定されており、TACSが翼端システムの中で唯一の可動部分です。タマラックは、セスナ・サイテーションファミリーの航空機に初めてATLASを導入し、[ 42 ] [ 43 ] 、連邦航空局と欧州連合航空安全局によって使用が認定されています。[ 44 ] [ 45 ]

翼端作動装置

翼端装置の作動に関する研究は特許出願を含むが[ 46 ] 、現在、この機能を採用している航空機はない。XB -70ヴァルキリーの翼端は飛行中に下方に垂れ下がることが可能で、波乗り飛行によるマッハ3飛行を可能にした。

回転ブレードでの使用

翼端装置は、回転プロペラ、ヘリコプターのローター、風力タービンのブレードにも使用され、抗力の低減、直径の縮小、騒音の低減、効率向上などの効果があります。これらの装置は、タキシング、離陸、ホバリング中に地表と相互作用する航空機のブレード先端の渦を低減することで、渦に巻き込まれた土埃や小石による損傷を軽減します。[ 47 ]

回転翼航空機の用途

NHIndustries NH90の翼端装置

アグスタウェストランドAW101（旧EH101）のメインローターブレードは特徴的な先端形状をしており、パイロットはこのローター設計によりダウンウォッシュフィールドが変化し、粉塵地帯での視界を制限して事故につながるブラウンアウトが軽減されることを発見しました。[ 48 ]

プロペラの用途

ハーツェル・プロペラ社は、パイパーPA-42シャイアンやその他いくつかの固定翼航空機で使用されている「Qチップ」プロペラを開発しました。これは、ブレードの先端を90度の角度で曲げることで、小径のプロペラディスクから同じ推力を得るものです。メーカーによると、プロペラの先端速度が低下すると騒音が低減します。[ 47 ]現代のシミタープロペラは、先端の後退角が大きく、航空機の翼の傾斜した先端に似ています。

その他のアプリケーション

一部の天井ファンにはウィングチップデバイスが搭載されています。ファンメーカーのBig Ass Fansは、ウィングチップデバイスを搭載したIsisファンは優れた効率性を誇ると主張しています。[ 49 ]しかし、高風量・低速設計の場合、ウィングチップデバイスは効率向上につながらない可能性があります。[ 50 ]

参照

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