三面航空機

ピアッジオP.180アヴァンティの3つの揚力面

三面翼航空機、あるいは三揚力面航空機と呼ばれるものは、前翼、中央翼、尾翼を備えています。中央翼は常に揚力を生み出し、通常は最も大きな面積を占めます。一方、前翼と尾翼の機能は機種によって異なり、揚力、操縦性、安定性などが含まれます。

民間航空機では、三面翼配置は安全な失速特性と短距離離着陸（STOL）性能を実現するために用いられることがあります。また、翼面積を最小限に抑え、それに伴う外皮抵抗を低減できるとも言われています。戦闘機では、この配置は失速前と失速後の機動性を向上させるためにも用いられ、多くの場合、推力偏向と組み合わせて用いられます。

歴史

1911年に使用された初期の呼称は「3面翼システム」でした。[ 1 ] 1920年代のフェルニックの設計は「タンデム」と呼ばれていました。確かに2つの揚力翼面がタンデムに配置されていますが、尾翼が3つ目の水平面を形成しています

先駆的な実験

1908年ヴォワザン・ファルマン I

航空黎明期には、多くの航空機が前後の補助翼面を装備して飛行しました。操縦性と安定性の問題は十分に理解されておらず、典型的にはピッチ制御は前面で行われ、後面も揚力を受けるため、ピッチが不安定になりました。 1901年のクレス・ドラッヘンフライガーと1908年のデュフォー三葉機は離陸に必要な出力が不足していました。より成功した機種としては、ヴォワザン・ファルマン I（1907年）とカーティス1号（1909年）があります。ライト兄弟も、操縦性と安定性の両方を得るためにフライヤーの基本設計の実験を行い、最初はカナード翼、次に三面翼、そして最後に従来の構成で飛行しました[ 2 ] [ 3 ] 1914年に第一次世界大戦が勃発すると、主翼と後尾翼面積が小さくなるという従来の構成が定着し、三面翼機はその後も長年飛行することはほとんどなかった。 1917年のフォッカーV.8と1921年の カプロニCa.60ノビプラノはいずれも失敗作であった。

ソフトストールとSTOL

モルニヤ1

1920年代、ジョージ・ファーニックは、従来の尾翼に加え、2つの揚力面を並列に配置するというアイデアを考案しました。小型の前翼は大きな荷重を受け、迎え角が増加すると最初に失速するように設計されました。これにより機首が下がり、主翼を失速させることなく安全に回復することが可能になりました。この「ソフト」失速は、従来の設計では通常得られない、失速時の安全性を確保します。3面単葉機であるファーニックT-9は1929年に初飛行しました。ファーニックは後継機であるFT-10 クルーゼアの操縦中に事故死しました。[ 4 ]

純粋なカナード設計でもこのようなソフトストールは達成可能ですが、ピッチングの制御が困難になり、前翼が機首上げ、失速、回復を繰り返すことで振動が発生する可能性があります。また、失速した前翼からの乱流後流自体が主翼上の気流を乱し、揚力の大幅な損失を引き起こし、機首下げピッチングモーメントを打ち消すほどの事態にならないように設計上の配慮が必要です。三面設計では、3番目の尾翼が失速せず、より優れた操縦性が得られます。

1950年代に、ジェームズ・ロバートソンは実験的なスカイシャークを開発した。これは、広く従来型の設計であったが、安全な失速だけでなく優れた短距離離着陸（STOL）性能を提供することを目的とした小さなカナード翼を含む様々な特徴を備えていた。この前翼により、従来のSTOL設計に必要な大きな迎え角とそれに伴う失速の危険なしにSTOL性能を達成できた。この航空機は米国陸軍によって評価された。[ 5 ]ロバートソンのシステムは、改造されたセスナ軽飛行機であるレン460として商品化された。これはその後、1980年代にピーターソン260SEとしてライセンス供与され、生産され、前翼のみが改造された230SEとなった。2006年には耐久性を高めた派生型であるピーターソン・カトマイが生産に入った。1988年のイーグル-XTS [ 6 ]とその派生型であるイーグル150シリーズでも、ほぼ同様のアプローチが採用されている。

失速後の操縦性

グラマン X-29、後部ストレーキフラップを倒した状態

1979年頃、軍用ジェット機の設計者は、特に離陸時や戦闘時などの低速・高迎え角時における機動性と制御性を向上させる方法として、三面構成の研究を始めた。[ 7 ]アメリカ合衆国では、実験機のグラマン X-29が1984年に飛行し、マクドネル・ダグラス F-15の改造機であるF-15 STOL/MTDが1988年に飛行したが、これらの設計は後継機とはならなかった。ソ連では、カナード翼を前翼に改造したスホーイSu-27が1985年に飛行し[ 8 ]、この設計の派生型が生産に入った唯一の軍用三面構成となった。

最小翼面

スケールド・コンポジッツ・トライアンフ

1979年、ピアッジオはリアジェットと共同で、三面翼の民間用双発ターボプロップ機の設計研究を開始しました。この機体はピアッジオP.180アヴァンティとして誕生しました。この型式は1986年に初飛行し、1990年に就航し、現在も生産が続いています。アヴァンティでは、三面翼構成により、従来の同等機種と比較して、翼のサイズ、重量、抗力が大幅に低減されるとされています。[ 9 ]

その後、この構成を採用した2機の実験機がバート・ルータンの指揮の下、スケールド・コンポジッツ社によって製作され、1988年に飛行した。トライアンフはビーチクラフト向けに設計された双発ターボファンの超軽量ジェット機である。飛行試験により目標性能範囲が検証された。[ 10 ] [ 11 ]キャットバードはルータンがビーチクラフト・ボナンザの後継機として構想した単発プロペラ機である。2014年にペイロードなしで5,000 km（3,100 mi）の閉回路を飛行する世界記録、時速334.44 km（207.81 mph）を樹立した。[ 12 ]

戦闘機の設計

スホーイ Su-33

一部の先進的なジェット機は三面構成を採用しており、多くの場合、推力偏向装置と組み合わせて使用​​されます。これは通常、特に主翼の失速点を超える非常に高い迎え角において、制御性と機動性を向上させることを目的としています。プガチェフのコブラやクルビットなどの高度な戦闘機動は、スホーイの三面構成機で初めて実行されました

実験機グラマンX-29は、基本的な「尾部先行型」カナード翼構造を採用し、異例の前進翼と主翼根元から後方に伸びるストレークを備えていた。ストレークの先端に可動フラップが設けられ、実質的に三面翼構造となっていた。[ 13 ] X-29は、高迎え角機動性において並外れた性能を示した。[ 14 ]

よりシンプルな三面翼設計は、従来型のSu-27のいくつかの派生型に見られる。開発中の機体にカナード翼を追加することに成功した後、海軍のSu-33（Su-27K）、一部のSu-30、Su-35、Su-37など、その後の多くの量産型に採用された。中国の瀋陽J-15もSu-33の設計を継承している。

マクドネル・ダグラス F-15 STOL/MTDは、カナード翼と推力偏向装置を装備して改造された F-15 の機体で、これらの技術を STOL 性能と高機動性の両方で実証するために設計されました。

表面積を削減した設計

従来型航空機（上）と三面水上航空機（下）の平衡

3面構成は、従来の構成やカナード構成と比較して総空力表面積を減らすと主張されており、[ 9 ] [ 15 ]それによって抗力と重量の削減が可能になります。

ピッチング平衡

ほとんどの航空機では、飛行状況に応じて翼の圧力中心が前後に移動します。重心と一致していない場合は、航空機のピッチングを防ぎ、平衡を維持するために、修正力またはトリム力を適用する必要があります。[ 16 ]

従来の航空機では、このピッチトリム力は尾翼によって作用します。多くの現代の設計では、翼の圧力中心は通常、重心よりも後方にあるため、尾翼は下向きの力を加えなければなりません。[ 17 ]尾翼によって発生するこのような負の揚力は、主翼からの追加の揚力によって相殺されなければならず、その結果、翼面積、抗力、および重量要件が増加します。

三面翼航空機では、飛行中に必要に応じてピッチトリム力を前翼と尾翼で分担することができます。尾翼からのダウンフォースではなく、前翼からの揚力によって平衡状態を達成できます。ダウンフォースの減少と揚力の増加の両方の効果により、主翼への負荷が軽減されます。

ピアッジオP.180アヴァンティは、前翼と主翼の両方にフラップを備えています。両方のフラップは同時に展開し、離着陸時のピッチニュートラル状態を維持します。[ 9 ]

静的安定性と失速

カナード機では、通常飛行において自然な静的ピッチ安定性を確保するために、前翼が揚力を提供する必要があります。また、航空機が安全な失速特性を持つためには、前翼が主翼よりも先に失速し、機体をピッチダウンさせて回復させる必要があります。これは、主翼面積に安全マージンを設け、実際には最大揚力係数と翼面荷重に達しないようにする必要があることを意味します。これはつまり、主翼のサイズを大きくする必要があることを意味します。

三面翼航空機では、尾翼は従来の水平安定装置として機能する。失速状態では、主翼が失速した場合でも、尾翼が機首下げモーメントを供給し、機体の回復を可能にする。そのため、主翼は最大揚力係数まで使用することができ、その利点は主翼面積と重量の削減につながる可能性がある。

揚力のある前翼は重心の前方に位置するため、その揚力モーメントはピッチング運動と同じ方向に作用します。航空機が自然に安定するためには、前翼の大きさ、揚力勾配、モーメントアームは、主翼と尾翼によってもたらされる安定モーメントを上回らないように選択する必要があります。したがって、安定性の制約により、前翼の容積比（トリムと安定性の観点から前翼の有効性の指標）が制限され、結果として、前述のピッチ・トリム力の分担能力が制限される可能性があります。

翼面積の縮小

航空機の揚力翼の最小サイズは、航空機の重量、水平安定板によって生じる負の揚力に対抗するために必要な力、目標とする離着陸速度、および翼の揚力係数によって決まります

現代の航空機のほとんどは、離着陸時の主翼の揚力係数を高めるために、主翼の後縁フラップを使用しています。これにより、翼を本来必要なサイズよりも小さくすることができます。これにより翼の重量は軽減されるものの、翼の表面積は必ず減少します。表面積の減少は、あらゆる速度域において、翼面抵抗を比例的に減少させます。

後縁フラップを使用する際の欠点は、使用時に大きな負のピッチングモーメントが発生することです。このピッチングモーメントを相殺するためには、水平安定板を通常よりもいくらか大きくする必要があります。これは、後縁フラップによって発生する負のピッチングモーメントを相殺するのに十分な力を水平安定板が発生できるようにするためです。これはつまり、より大きな水平安定板によって発生するより大きな負の揚力を相殺するために、主翼を通常よりもいくらか大きくする必要があることを意味します。

カナード翼を持つ航空機では、前翼が離陸時に正の揚力を発生させ、後部安定装置が本来生み出すはずのダウンフォースをいくらか軽減することができます。しかし、主翼は離陸時に航空機の残りの重量を持ち上げられるだけでなく、失速を防ぐための十分な安全マージンも確保できるほどの大きさでなければなりません。三面翼を持つ航空機では、これらのハンディキャップは存在せず、主翼を小型化できるため、重量と抗力も軽減されます。三面翼を持つ航空機の全翼面積は、同等の二面翼を持つ航空機よりも小さくできるため、重量と抗力の両方を軽減できると言われています。

巡航時の最小面積は、フラップなどの従来の高揚力装置の使用によってさらに低減することができ、3面設計により飛行範囲のあらゆる点で最小表面積を実現することができる。[ 9 ]

面積を縮小した三面翼航空機の例としては、ピアッジオP.180アヴァンティやスケールド・コンポジッツ社のトライアンフとキャットバードなどがある。これらの航空機は、後流にさらされる総表面積を最小限に抑えるように設計されており、速度と燃料効率のために表面抵抗を低減している。いくつかのレビューでは、アヴァンティの最高速度と実用上昇限度をローエンドのジェット機と比較し、巡航速度での燃費効率が大幅に優れていると報告されている。[ 18 ] [ 19 ]ピアッジオ社はこの性能の一部を航空機のレイアウトに帰しており、従来のレイアウトと比較して総翼面積が34%削減されていると主張している。[ 9 ] [ 15 ]

三面航空機の一覧

種類国クラス役割日付ステータス番号備考
エースエア AERIX 200スイスプロペラ二等兵2002試作機自作キットとして設計されました
カーチス/AEA ジューン・バグアメリカプロペラ実験機1908試作機
カプロニ Ca.60ノビプラノイタリアプロペラ交通1921試作機三葉機を3機積み重ね、合計9翼の飛行艇
カーチス1号アメリカプロペラ実験機1909試作機カーチス・ゴールド・バグまたはカーチス・ゴールデン・フライヤーとしても知られています
デ・ラ・ファージュ・プルガアルゼンチンプロペラ二等兵1990年頃改変されたトビノミ[ 20 ]
デュフォースイスプロペラ実験機1908試作機スイスで初めて飛行した航空機。[ 21 ]
イーグルXTSオーストラリアプロペラ二等兵1988
イーグル・エアクラフト・イーグル150オーストラリアプロペラ二等兵1997
ファルマン三翼単葉機フランスプロペラ実験機1908試作機[ 21 ]
フェルニック T-9アメリカプロペラ二等兵1929
フェルニック・クルゼア FT-10アメリカプロペラ二等兵1930[ 22 ] [ 23 ]
フォッカー V.8ドイツプロペラ実験機1917試作機
グラマン X-29アメリカジェット実験機1984試作機カナード前翼とテールブームフラップを備えた前進翼
ヘリング・バージェスアメリカプロペラ1910複葉機[ 24 ] [ 25 ]
クレス・ドラゴンフライガーオーストリア＝ハンガリー帝国プロペラ実験機1901試作機飛行失敗：エンジン出力が離陸に必要な出力に達しなかった
マクドネル・ダグラス F-15 STOL/MTDアメリカジェット実験機1988試作機推力偏向の使用を含む、操縦性向上の技術実証機
ミコヤン＝グレヴィッチ Ye-8ソビエト連邦ジェット実験機1962試作機
ミラー＝ボハノン JM-2 プッシー・ガロアアメリカプロペラ二等兵1989運用1プッシャー構成のレーサー
NPOモルニヤ1ロシア交通1992
ピーターソン260SEと230SEアメリカプロペラ二等兵1986
ピーターソン・カトマイアメリカプロペラ二等兵
ピアッジオ P.180 アヴァンティイタリアプロペラ交通1986製造
ロバートソン・スカイシャークアメリカプロペラ二等兵
ルータンスケールモデル120「プレデター」アメリカプロペラ実験機1984試作機[ 26 ]
スケールドコンポジッツATTT（モデル133）アメリカプロペラ実験機1987試作機[ 27 ]
スケールド・コンポジッツ トライアンフ（モデル143）アメリカジェット実験機1988試作機
スケールドコンポジッツ キャットバード（モデル181）アメリカプロペラ実験機1988試作機
瀋陽 J-15中国ジェット高機動戦闘機2009
ショートNo.1複葉機イギリスプロペラ実験機1910試作機未飛行
スホーイSu- 27Mソビエト連邦ジェット高機動戦闘機いくつかの例では、標準の尾翼に加えて前翼が取り付けられています。
スホーイ Su-30 MKIインドジェット戦闘機1989製造スホーイSu-30のライセンス生産型
スホーイ Su-33ソビエト連邦ジェット戦闘機1987製造
スホーイ Su-34ロシアジェット攻撃1990製造
スホーイ Su-37ロシアジェット戦闘機1996試作機
スホーイ Su-47ロシアジェット実験機1997試作機主翼は前進翼です
ヴォワザン・ファルマン方程式 Iフランスプロペラ実験機1907
レン460アメリカプロペラ二等兵1963
ライトモデルA（改良型）アメリカプロペラ実験機1909[ 3 ]

参照

参考文献

注記

  1. ^ GHブライアン著『航空の安定性』、1911年
  2. ^ Culick, FEC (2003年6月). 「ライト兄弟：最初の航空技術者とテストパイロット」(PDF) . AIAAジャーナル. 41 (6): 1003– 1004. Bibcode : 2003AIAAJ..41..985C . CiteSeerX  10.1.1.579.7665 . doi : 10.2514/2.2046 . 2013年7月13日閲覧.
  3. ^ a b Engler, N. 「1909-1910 Wright Model AB」 . wright-brothers.org . ライト兄弟飛行機会社.
  4. ^ 「Fernic T.10 Cruisaire」 . 1000aircraftphotos.com . 2015年5月3日閲覧。
  5. ^ 「スポーツとビジネス - レンの紹介」（PDF） . Flight International . 1963年5月23日. p. 751. 2013年7月14日閲覧。
  6. ^ 「オーストラリアのイーグルXTS、マレーシアの合弁会社を通じて離陸へ」(PDF)フライト・インターナショナル1991年11月27日 p. 18 . 2013年7月14日閲覧。
  7. ^ミラー、J.; X-planes、Speciality Press (1983)、178ページ。
  8. ^ Green, W. & Swanborough, S.; The complete book of fighters、Salamander (1994)。
  9. ^ a b c d e「Piaggio P180 Avanti II 仕様と説明」（PDF） . Piaggio Aero. 2005年1月.
  10. ^ 「Scaled Compositesプロジェクト：Triumph」 Scaled CompositesウェブサイトScaled Composites 2013年7月14日閲覧。
  11. ^ベイリー、ジョン（1991年1月30日）「Rutan on the Attack」（pdf）、Flight International、vol. 139、no. 4252、Reed Business Publishing、p. 30 、 2013年7月14日閲覧。
  12. ^ FAI レコード ファイル番号 #17236、FAI
  13. ^ヤン・ロスカムの『飛行機設計』では、X-29は三面機の航空機として説明されている。
  14. ^ 「NASA​​ドライデン・ファクトシート - X-29」 NASAドライデン飛行研究センターウェブサイト。NASA。2009年12月15日。 2013年7月14日閲覧。
  15. ^ a b Mazzoni, Alessandro (1982年5月27日). 「米国特許4,746,081」 . USPTOデータベース. 2013年7月11日閲覧。
  16. ^フィリップス、ウォーレン・F. (2010). 「4.1 静的平衡と安定性の基礎」.飛行力学（第2版）. ホーボーケン、ニュージャージー州: ワイリー・アンド・サンズ. p. 377. ISBN 978-0-470-53975-0 重心周りの合力とモーメントがすべてゼロになるように操縦装置が設定されている場合、航空機はトリム状態にあると言われます。これは単に静的平衡を意味します
  17. ^ Barnard , RH; Philpott, DR (2010). 「11. 静的安定性」. 『航空機飛行』（第4版）. イギリス、ハーロウ：プレンティス・ホール. p.  275. ISBN 978-0-273-73098-9。
  18. ^ロバート・ゴイヤー（2012年4月19日）「ピアッジオ P.180 アヴァンティ II（レビュー）」フライングマガジン。2013年7月14日閲覧
  19. ^コリンズ、ピーター（2005年11月1日）「フライトテスト：ピアッジオ・アヴァンティII - 打ち負かすのは難しい」フライト・インターナショナル誌。 2013年7月14日閲覧。
  20. ^ “Pou-Guide - Les "Pulgas" argentins" . pouguide.org 。2015 年5 月 3 日に取得。
  21. ^ a b Jane, FT; All the world's aircraft 1913、Sampson Low、1913年、複製再版、David & Charles、1969年。
  22. ^ Le Document Aéronautique n°52、1930 年 7 月、440 ページ
  23. ^ Fernic-Cruisaire FT-10の写真、Aerofiles、2015年5月3日閲覧。
  24. ^ Taking Off: Pioneering New England Aviation, 1910、Historic New England ウェブサイト (2014 年 10 月 5 日閲覧)。
  25. ^ Herring-Burgess Biplane Archived 6 October 2014 at the Wayback Machine、スミソニアン国立航空宇宙博物館ウェブサイト（2014年10月5日閲覧）。
  26. ^ 「先進技術『プレデター480』」. 2012年1月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年4月15日閲覧。
  27. ^ 「SCALED Model 133 'SMUT' (ATTT or AT3)」 。 2013年5月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年4月15日閲覧。

参考文献

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