飛行機は空気の力を上手に利用して飛んでいます。
じゃあその空気にはどのような性質があるのか？
空気の力によってどのような現象が起きるのか？
みたいなことを理解していくのが、パイロットレベルの力学です。
重要なのは、飛行機とその周りで起きる現象を言葉と感覚でつかむことです。
数式を用いて計算する必要はありません！
とっても奥の深い分野ですが、最初は難しいことは理解しようとせず、ふーんって感じで読んでいただければ大丈夫です。
4 forces
パイロットが力学を学ぶ時に必ず最初に出てくる話です。
飛行機に働く 4方向の力をセットで見るから4 forces です。
Lift
上向きの力です。
日本語では揚力と呼ばれ、主翼が生み出します。
Weight
下向きの力です。
飛行機にかかる重力のことです。
Thrust
飛行機を前に進めようとする、推進力のことです。
前回の記事で学んだ、Powerplant がこれを生み出します。
Drag
飛行機の進行方向と逆向きにはたらく力のことです。
簡単に言うと空気抵抗のことです。
4 forces をセットで見る
Lift と Weight、Thrust と Drag は対になっています。
水平飛行時はそれぞれの力がつり合っています。
Lift = Weight,
Thrust = Drag
Thrust が大きくなると飛行機は加速し、Lift が大きくなると上昇します。
逆になると減速、下降となります。
Stall & Spin
Stall
日本語では、失速といいます。
空気が翼から剥離して、揚力を失う現象。と説明されます。
揚力は、空気が主翼の周りをきれいに流れることで安定して発生します。
上昇したい、つまり揚力を増やしたいときは操縦桿を引いて機首を上げることで、揚力が増加し上昇します。
ただし、いつまでも機首を上げれば揚力も増え続けるのかというと、もちろんそうではありません。
最初は機首を上げると揚力も増えますが、機首の角度がある１点を超えた瞬間一気に揚力が減少または無くなってしまいます。
この１点というのは、それまで綺麗に流れていた翼の周りの空気が急に秩序を失ってしまう瞬間のことです。
揚力を失った飛行機は自由落下を始め、一気に高度を失うことになります。
Weight > Lift(0) の状態ですね。
幸い、飛行機は通常の失速からは容易に回復できるので、離陸直後や着陸直前のように極端に低い高度を飛んでいるとき以外は、すぐに事故に直結するわけではありません。
訓練では失速からの回復操作を学ぶために意図的に失速させる行為を全員が必ず行います。
Spin
日本語では錐揉み(きりもみ)といいます。
先ほど「通常の失速からは容易に回復できる」といいました。
ここで言及する Spin はまさに通常の失速ではなく、回復が難しいか機体や条件によっては不可能となります。
スピンという言葉でイメージするのは、飛行機がぐるぐると回っている場面ではないでしょうか？
まさにその状況をスピンというのですが、これは左右の翼が不均衡に失速するために発生します。
両翼とも失速していることには変わりありません。
ここは少し複雑で、原理まで一度に理解するのは難しいので、今回は
スピンは飛行機がクルクルと回転するような失速で、回復が難しいまたはできない！
という理解で十分です。
操縦系統
ここまでで飛行機に働く力についてみてきましたが、行きたいところへ飛んでいくためにはこれらの力をうまくコントロールする必要があります。
飛行機の動きを表す３軸
飛行機の姿勢や動きは３つの軸で表すことができます。(飛行機に３本の串が刺さっているイメージです。)
ここはそんな重要ではないですが、今後これらの軸を使って飛行機の動きを説明するため頭の片隅に入れておきましょう。
Longitudinal axis
機首から尾翼に向かって伸びる軸
Lateral axis
左右の翼端を結んだ軸
Vertical axis
飛行機に対して垂直な軸
Primary flight controls
名前の通り主要な操縦装置で、以下の３つのことを指します。軍用機のような特殊なもの以外にはすべての飛行機についています。
Aileron
機体の傾きを制御するもので、主翼の外側後縁についています。
エルロンによる飛行機の動きをロールとよび、Longitudinal axis を中心とした動きをします。
この傾きのことをバンク角といい、水平線に対して45°傾いている場合はバンク角45°のように表現します。
操縦桿を傾けたい方向に動かすことで操作します。
Elevator
機首の上下を制御するもので、水平尾翼の後縁に付いています。
Pitch(ピッチ)ということばで表され、水平を0°として、機首が上を向いているときはプラス何度、下を向いているときはマイナス何度という風に表現します。
また、機首を上げることをピッチアップ、下げることをピッチダウンと言います。
Elevatorによる飛行機の動きは Lateral axis を中心とした動きです。
ピッチは操縦桿の押し引きで操作し、操縦桿を引くとピッチアップ、押すとピッチダウンとなります。
Rudder
機首を左右に動かします。
飛行機が「No」と言って首を横に振っているイメージです。
この動きをヨー(YAW)といい、Vertical axis を中心とした動きになります。
ラダーは足のペダルを使って操作します。右足のペダルを踏むと機首が右を向きます。
ラダーペダルとノーズギア (コックピット真下のランディングギア)は繋がっていて、地上走行をする際はラダーペダルを使って行います。
Secondary flight controls
Primary以外の空力に作用する可動部品すべてが含まれます。
訓練で使用される小型機によくみられる２つを紹介します。
Flap
主翼後縁の内側に付いています。(外側はエルロン)
翼の形を変化させることで、揚力を大きくすることができます。
揚力が大きくなると少ない速度で飛行することができ、よりゆっくりと進入したい着陸時や、より短い距離で浮上したい離陸時に使用されます。
ただし、揚力と抗力 (LiftとDrag) はトレードオフという性質があります。
揚力を増やそうとすると抗力も増えてしまい、飛行機の加速には不利になります。
離陸時にフラップを使用すると抗力が増えて、加速しにくくなるんじゃないの？
という疑問があるかもしれません。
その通りです。
しかしここでは少ない速度で浮上できるという点に注目します。
例えば、フラップを使わない場合の離陸速度が140ノットだったが、フラップを使用すると120ノットで離陸できるようになると、結果的に離陸に必要な距離は短くなります。
(数字は適当ですが、加速に時間がかかったとしても離陸速度が小さくなることで結果的に離陸距離が短くなるという仕組みです。)
Trim
言語化するのが難しいですが、誤解を恐れずに一言でいうと、
「力を入れずに操縦するための装置」
「舵面のニュートラル位置を変える装置」
とでも言いましょうか。
たとえば離陸時、パイロットは操縦桿を引いて浮き上がり上昇を開始するわけですが、巡航高度に達するまでずっと操縦桿を引き続けるのはとても大変だし、その中でマルチタスクをこなすのは不可能です。
そこで使われるのがトリムです。
上昇している姿勢でトリムをセットすると、操縦桿から手を離してもその上昇姿勢をキープしてくれるようになります。
そして巡航高度に達したら、巡航姿勢をキープするように再度トリムをセットします。
使い方はこんな感じですが、感覚は実際に操縦してみないとイメージできないと思います笑
まずは最初に言った
「力を入れずに操縦するための装置」
くらいの理解で、力学的なところはまた次回以降学んでいきましょう。