各航空機は、それぞれが独自の方法で制御圧力に抵抗または応答するため、多少の処理方法が異なります。 たとえば、訓練用航空機は制御アプリケーションに迅速に対応しますが、輸送機は制御に重く感じ、制御圧力によりゆっくりと反応します。 これらの機能を航空機に設計して、特定の安定性と操縦要件を考慮して航空機の特定の目的を容易にすることができます。 次の議論は、航空機の安定性、操縦性、および制御性の特性のより重要な側面をまとめたものです。 それらがどのように分析されるか。 およびさまざまな飛行条件との関係。
4.5.1 安定性 #
安定性とは、航空機がその平衡を妨げる可能性のある条件を修正し、元の飛行経路に戻るか、または継続するための固有の品質です。 これは主に航空機設計の特徴です。 航空機の飛行経路と姿勢は、航空機の空力特性、その推進システム、およびその構造強度によって制限されます。 これらの制限は、航空機の最大の性能と操作性を示しています。 航空機が最大限の実用性を提供するためには、パイロットの強度を超えたり、優れた飛行能力を必要とすることなく、これらの制限の範囲を安全に制御できる必要があります。 航空機が任意の飛行経路に沿ってまっすぐに安定して飛行する場合、航空機に作用する力は静的平衡状態にある必要があります。 平衡状態が乱れたときの物体の反応は、安定性と呼ばれます。 2 種類の安定性は、静的と動的です。
4.5.2 静的安定性 #
静的安定性とは、平衡状態に戻る最初の傾向または動きの方向を指します。 航空では、特定の AOA、スリップ、またはバンクから妨害されたときの航空機の最初の応答を指します。
- 正の静的安定性 – 航空機が妨害された後、元の平衡状態に戻る傾向 [図 4-18]
- ニュートラルな静的安定性 – 平衡状態が乱れた後、航空機が新しい状態に留まる最初の傾向 [図 4-18]
- 負の静的安定性 – 航空機が乱れた後、元の平衡状態から離れ続けるという最初の傾向 [図 4-18]
4.5.3 動的安定性 #
静的安定性は、航空機がトリミングした状態から乱れた後に表示される平衡状態に戻る最初の傾向として定義されています。 場合によっては、最初の傾向が全体的な傾向と異なるか、または反対になる場合があるため、2 つを区別する必要があります。
動的安定性とは、特定の AOA、スリップ、またはバンクから妨害されたときの、時間の経過に伴う航空機の応答を指します。 このタイプの安定性には、次の 3 つのサブタイプがあります。 [図 4-19]
- 正の動的安定性 — 時間の経過とともに、移動したオブジェクトの動きは振幅が減少し、ポジティブであるため、移動したオブジェクトは平衡状態に戻ります。
- ニュートラル ダイナミック スタビリティ – 一度移動すると、変位したオブジェクトは、振幅が減少したり増加したりしません。 摩耗した自動車のショックアブソーバーは、この傾向を示しています。
- 負の動的安定性 – 時間が経つにつれて、移動したオブジェクトの動きが増加し、より発散します。
航空機の安定性は、2 つの領域に大きく影響します。
- 機動性 – 航空機を簡単に操縦し、操縦によるストレスに耐えられる品質。 これは、航空機の重量、慣性、飛行制御のサイズと位置、構造強度、および発電所によって決まります。 これも航空機設計の特徴です。
- 制御可能性 – 特に飛行経路と姿勢に関して、航空機がパイロットの制御に応答する能力。 これは、安定性に関係なく、航空機を操縦する際のパイロットの制御アプリケーションに対する航空機の応答の品質です。
4.5.4 縦方向の安定性 (ピッチング) #
航空機を設計する際には、3 つの軸すべての周りに必要な程度の安定性を開発するために多大な労力が費やされます。 ただし、横軸の縦方向の安定性は、さまざまな飛行条件で特定の変数の影響を受けると考えられています。
縦方向の安定性とは、航空機を横軸の周りに安定させる品質です。 これには、機首が飛行中に上下に動くときにピッチングの動きが伴います。 縦方向に不安定な航空機は、急なダイビングや登り、または屋台に次第に潜ったり登ったりする傾向があります。 このように、縦方向に不安定な航空機は困難になり、時には危険な飛行が困難になります。
航空機内の静的縦方向の安定性または不安定性は、3 つの要因に依存します。次の要因によって決まります。CG 領域またはテール サーフェスのサイズに関する水平テール サーフェスの CG 位置に対する翼の位置
安定性を分析する際には、自由に回転できる物体は常に CG を中心に回転することを思い出してください。
静的縦方向の安定性を得るには、翼と尾のモーメントの関係は、モーメントが最初にバランスが取れていて、機体が突然ノーズアップした場合、翼のモーメントとテールのモーメントが変化して、力の合計が不均衡だが復元モーメントをもたらすようにする必要があります。 再びダウン。 同様に、航空機が機首を下げている場合、結果として生じる瞬間の変化により、機首が元に戻ります。
ほとんどの非対称翼の CL は、AOA の変化に伴い前後の位置を変更する傾向があります。 CL は、AOA の増加に伴って前進し、AOA の減少に伴って後方に移動する傾向があります。 これは、翼の AOA が増加すると、CL が前方に移動することにより、翼の前縁をさらに持ち上げる傾向があることを意味します。 この傾向は、翼に不安定性の固有の性質を与えます。 (注: CL は圧力の中心 (CP) とも呼ばれます)。
図 4-20 は、直進飛行中の航空機を示しています。 線 CG-CL-T は、CG から水平方向のスタビライザー上の点 T までの航空機の縦軸を表しています。
ほとんどの航空機は、翼の CL が CG の後ろにあるように設計されています。 これにより、航空機は「機首が重い」ため、水平方向のスタビライザーにわずかな下向きの力が必要であり、航空機のバランスを取り、機首が継続的に下方に傾くのを防ぐことができます。 このノーズの重さは、水平方向のスタビライザーをわずかに負の AOA に設定することで補正されます。 このように生成された下向きの力が尾を押し下げ、「重い」ノーズのバランスをとります。 線 CG-CL-T は、CL で上向きの力と 2 つの下向きの力が互いにバランスを取るレバーであり、一方は CG 点で強い力で、もう一方は点 T での力で、はるかに小さい力であるかのようです (スタビライザーの下向きの空気圧)。 この物理原理をよりよく視覚化するために: 鉄棒が点 CL で吊り下げられ、CG で重い荷重が掛かっている場合、「レバー」のバランスを保つために、点 T で下向きの圧力がかかります。
航空機が水平飛行中の場合、水平方向のスタビライザーは水平になっている場合がありますが、翼からの空気のダウンウォッシュがあります。 このダウンウォッシュは、スタビライザーの上部に当たり、下向きの圧力を生成します。これは、特定の速度で「レバー」のバランスをとるのに十分です。 機体の飛行速度が速ければ速いほど、このダウンウォッシュが大きくなり、水平方向のスタビライザーに対する下向きの力が大きくなります (T テールを除く)。 [図 4-21] 固定位置の水平安定器を備えた航空機では、航空機の製造業者は、設計巡航速度と電力設定で飛行中に最適な安定性 (またはバランス) を提供する角度でスタビライザーを設定します。
航空機の速度が低下すると、翼を越える気流の速度が低下します。 この翼上の空気の流れの減少の結果として、ダウンウォッシュが減少し、水平方向のスタビライザーへの下向きの力が小さくなります。 次に、特徴的な機首の重さが強調され、機首のピッチがさらに下がります。 [図 4-22] これにより、航空機は機首が低い姿勢になり、翼の AOA と引きずりが減り、対気速度が上昇します。 機体が機首の低い姿勢で進み、速度が上がるにつれて、
水平スタビライザーへの下向きの力が再び増加します。 その結果、尾が再び下に押し出され、鼻が上昇して登る姿勢になります。
この上昇が続くと、再び対気速度が低下し、テールへの下向きの力が減少し、再び機首が下がるまで減少します。 航空機は動的に安定しているため、今回は以前のように機首が低くなりません。 航空機は、このより緩やかなダイビングで十分な速度を取得して、別の登りに乗り始めますが、登りは前のダイビングほど急ではありません。
機首が交互に上昇および下降するこれらの振動のいくつかの減少の後、航空機は最終的に、尾部の下向きの力が航空機の潜水傾向に正確に対抗する速度まで落ち着きます。 この状態が達成されると、航空機は再びバランスの取れた飛行を行い、この姿勢と対気速度が変わらない限り、安定した飛行を続けます。
スロットルを閉じると、同様の効果が見られます。 翼のダウンウォッシュは減少し、図 4-20 の T での力は、水平方向のスタビライザーを押さえるには十分ではありません。 レバーの T での力が、重力によって機首を引き下げたように見えます。 航空機は本質的に対気速度を取り戻し、適切なバランスを再確立しようとしているため、これは望ましい特性です。
パワーまたは推力は、パワーの増加によりノーズが上昇する傾向があるという点で、不安定化の影響を与える可能性もあります。 航空機設計者は、推力線が CG より上を通過する「高推力線」を確立することにより、これを相殺することができます。 [図 4-23 および 4-24] この場合、パワーまたは推力が増加すると、ダウンを打ち消すモーメントが生成されます。
尻尾に負荷をかけます。 一方、非常に「低い推力線」は、水平尾翼面のノーズアップ効果をさらに高める傾向があります。
結論: CG が CL の前方にあり、空気力学的テールダウン力により、航空機は通常、安全な飛行姿勢に戻ろうとします。
以下は、縦方向の安定性の簡単なデモンストレーションです。 レベル フライトでの「ハンズオフ」制御用に航空機をトリミングします。 次に、制御機を少し押して、機体の機首を下げます。 短時間で機首が元の位置まで上昇して停止すると、航空機は静的に安定します。 通常、ノーズは元の位置 (レベル フライトの位置) を通過し、一連のゆっくりとしたピッチング振動が続きます。 振動が徐々に停止すると、航空機は正の安定性を保ちます。 それらが不均一に続く場合、航空機は中立的な安定性を備えています。 それらが増加すると、航空機は不安定になります。
4.5.5 横方向の安定性 (ローリング) #
航空機の機首から尾翼まで伸びる航空機の縦軸の安定性は、横方向の安定性と呼ばれます。 これにより、片方の翼が航空機の反対側の翼よりも低くなると、横方向または「転がる効果」を安定させることができます。 航空機を横方向に安定させる 4 つの主な設計要因: 二面体、スイープバック、キール効果、および重量配分。
二面体 横方向の安定性を実現するための最も一般的な手順は、縦軸に対して垂直に 1 ～ 3 度上にある角度で翼を構築することです。 航空機の両側にある翼が胴体を結合して、「二面体」と呼ばれるわずかな V または角度を形成します。 二面体の量は、横軸に平行な線より上の各翼の角度によって測定されます。
二面体は、航空機の縦軸の両側にある翼の AOA によって生み出される揚力のバランスを伴います。 一瞬の突風によって一方の翼が上昇し、もう一方の翼が下がった場合、航空機は岸に浮かびます。 機体が回転せずに傾斜すると、下降した翼に向かって横滑りしたり、下にスライドしたりする傾向があります。 [図 4-25] 翼には二面体があるため、空気は上翼よりもはるかに大きな AoA で下翼に衝突します。 下翼の AOA の増加は、上翼よりも高い揚力を生み出します。 リフトが増加すると、下翼が上向きに上昇し始めます。 翼が水平な位置に近づくと、両翼の AOA が再び等しくなるため、転がりが沈む傾向があります。 二面体の効果は、横滑りが発生したときに航空機を横方向のバランスの取れた飛行状態に戻す転がり傾向を生み出すことです。
復元力によって、ロー ウィングが上に移動しすぎて、反対側のウィングが下がる可能性があります。 そうである場合は、プロセスが繰り返され、翼レベルの飛行のバランスに達するまで、横方向の振動が減少します。
逆に、過剰な二面体は、横方向の操縦性に悪影響を及ぼします。 航空機は横方向に安定しているため、意図的なローリング動作に抵抗することがあります。 このため、高速ロールまたはバンキングの特性を必要とする航空機は、通常、操作性が低いように設計された航空機よりも、2 面体が小さくなります。
スイープバック スイープバックは、ウイングが水平位置から落ちたときに生じるリフトを増加させる二面体への追加です。 スイープバック ウィングとは、前縁が後方に傾斜するものです。 外乱により、スイープバックのある航空機がスリップまたは翼を落とすと、低い翼が相対気流に対して垂直な角度で前縁を示します。 その結果、低翼はより多くの揚力を獲得し、上昇し、航空機は元の飛行姿勢に戻ります。
スイープバックは、方向の安定性にも貢献します。 乱気流またはラダーの適用によって航空機が片側にヨーイングする場合、右翼は相対気流に対して垂直なより長い前縁を示します。 右翼の対気速度が上昇し、左翼よりも多くの抗力を獲得します。 右翼の追加のドラッグで引き戻され、航空機は元の経路に戻ります。
キール効果と重量分布 航空機は、常に航空機の縦軸を相対風に変える傾向があります。 この「気象用ベーン」の傾向は、船のキールに似ており、縦軸の周りで横方向に航空機に安定した影響を及ぼします。 航空機が乱れ、翼が 1 つ落ちると、胴体の重量が振り子が飛行機を元の姿勢に戻すように機能します。
横方向に安定した航空機は、キール領域の大部分が CG の上と後ろになるように構築されています。 [図 4-26] したがって、航空機が片側に滑り込むと、航空機の重量と気流の圧力がキール エリア (CG の周りに作用する) に対する気流の組み合わせにより、航空機が翼レベルの飛行に戻る傾向があります。
4.5.6 垂直安定性 (ヨーイング) #
航空機の垂直軸 (横方向のモーメント) に関する安定性は、ヨーイングまたは方向安定性と呼ばれます。 ヨーイングまたは方向安定性は、航空機の設計において最も簡単に達成できる安定性です。 垂直フィンの領域と CG の後方の胴体の側面は、機体がよく知られている気象ベーンまたは矢のように機能し、機首を相対的な風に向ける主要な要因です。
気象ベーンを調べると、ピボット ポイントの後ろとまったく同じ量の表面がピボット ポイントの前の風にさらされた場合、前後の力のバランスが取れており、方向の動きがほとんどまたはまったくないことがわかります。 したがって、ピボットポイントの前方よりも後方の面が大きくなる必要があります。
同様に、航空機設計者は、側面を CG より前方より大きくして、正の方向安定性を確保する必要があります。 [図 4-27] 胴体からの安定性をさらに高めるために、垂直フィンが追加されています。 フィンは、まっすぐな飛行を維持する上で、矢で羽のように機能します。 天候用ベーンや矢と同様、このフィンはより遠くに配置され、サイズが大きいほど、航空機の方向の安定性が高くなります。
航空機が直線で飛んでいて、横方向の突風によって航空機が垂直軸 (つまり右) を中心にわずかに回転している場合、機体が右に回転している間、空気がフィンの左側に衝突するため、動きは遅れてフィンによって停止されます。 角度。 これにより、フィンの左側に圧力がかかり、回転運動に抵抗し、航空機のヨーの速度が低下します。 そうすることで、それは
航空機を相対的な風に変えることで、天候用ベーンのように振る舞います。 航空機の飛行経路の方向の最初の変化は、通常、方向の変化にわずかに遅れをとっています。 したがって、航空機を右にわずかにヨーイングした後、航空機がまだ元の経路に沿って移動している瞬間がありますが、その縦軸は少し右に向けられています。
その後、航空機は一瞬横に横滑りし、その間 (ヨーイングの動きは停止したが、フィンの左側の余分な圧力は依然として持続すると想定されているため)、航空機が部分的に左に戻る傾向があります。 つまり、フィンによる一時的な復元傾向があります。
この回復傾向は、開発が比較的遅く、航空機が横滑りを停止すると停止します。 停止すると、航空機は元の方向とは少し異なる方向に飛んでいます。 言い換えれば、元の見出しにはそれ自体が戻ることはありません。 パイロットは最初の見出しを再確立する必要があります。
スイープバックにより、方向性の安定性を少し改善することができます。 スイープバックは、主に高速飛行中の圧縮性の開始を遅らせるために、翼の設計に組み込まれています。 より軽量で低速の航空機では、スイープバックは、圧力の中心を CG との正しい関係で位置決めするのに役立ちます。 縦方向に安定した航空機は、CG の後方の圧力中心で作られています。
構造上の理由から、航空機の設計者は、正確な目的の時点で翼を胴体に取り付けることができない場合があります。 翼を前方に配置し、胴体に対して直角に取り付ける必要があった場合、圧力の中心が後方に十分に遠くまで移動せず、所望の量の縦方向の安定性が得られます。 ただし、スイープバックを翼に組み込むことで、設計者は圧力の中心を後方に移動させることができます。 スイープバックの量と翼の位置により、圧力の中心が正しい位置に配置されます。
翼の静的方向安定性への寄与は、通常小さいです。 スイープ ウィングは、スイープバックの量に応じて安定した貢献を提供しますが、他のコンポーネントと比較して寄与は比較的小さいです。
4.5.7 自由な方向振動 (オランダのロール) #
ダッチ ロールは、通常動的に安定していますが、振動の性質のため、航空機では安全ではありません。 振動モードの減衰は、特定の航空機の特性に応じて、弱いか強い場合があります。
航空機が右翼を押し下げている場合、正の横滑り角度により、機首が相対的な風に合わせて再調整される前に、翼が横方向に補正されます。 翼が位置を修正すると、横方向の振動が発生し、航空機の機首が 2 つの振動 (ロールとヨー) の結果として水平線上で 8 体の図を作ります。
ほとんどの現代の航空機では、高速スイープ ウィングの設計を除いて、これらの自由な方向振動は、空気が突風または乱気流でない限り、ほとんどのサイクルで自動的に消滅します。 ダッチロールの傾向が続いている航空機には、通常、ジャイロで安定化されたヨー ダンパーが装備されています。 メーカーは、方向性の安定性が多すぎたり少なすぎたりする中間点に到達しようとしています。 航空機は、オランダのロールの傾向よりも「らせん状の不安定性」が望ましいため、ほとんどの航空機はその特性を備えて設計されています。
4.5.8 スパイラルの不安定性 #
航空機の静的な方向安定性が、横方向の平衡を維持する上で二面体の影響と比較して非常に強い場合、らせん不安定性が存在します。 航空機の横方向の平衡が気流によって乱れ、横滑りが導入されると、強い方向安定性が、結果として生じる相対風に機首をヨーイングする傾向があり、比較的弱い二面体は、横方向のバランスを回復する際に遅れます。 このヨーにより、回転モーメントの外側の翼が内側の翼よりも速く前方に移動し、その結果、その揚力が大きくなります。 これにより、オーバーバンクの傾向が生じ、パイロットが修正しないと、バンクの角度がより急勾配になる。 同時に、航空機を相対的な風に向かってヨールする強い方向の安定性により、実際には機首がより低いピッチ姿勢になります。 ゆっくりと下向きのスパイラルが始まり、パイロットによって打ち消されない場合、徐々に急激なスパイラル ダイビングに移行します。 通常、らせん運動の発散速度は非常に緩やかで、パイロットは問題なくその傾向を制御できます。
すべての航空機は、この特性によってある程度影響を受けますが、他のすべての通常のパラメータでは本質的に安定している可能性があります。 この傾向は、航空機が無期限に「手を離す」ことができない理由を説明しています。
この不安定性を修正または解消するための制御装置 (ウィング レベラー) の開発については、多くの研究が行われています。 パイロットは、このスパイラル状態の進行段階での回復制御の適用に注意する必要があります。そうしないと、構造に過度の負荷がかかる場合があります。 飛行中の構造的障害につながるらせん状の不安定性からの不適切な回復は、他のどの要因よりも一般的な航空機の死亡事故の一因となっている可能性があります。 スパイラル状態での対気速度が急速に上昇するため、後方エレベーター力をこの速度を下げ、ノーズを引き上げるために「ターンを締める」だけで、荷重係数が増加します。 長引く制御されていないスパイラルの結果は、飛行中の構造的故障または地面への衝突、またはその両方です。 この状況に陥るパイロットの最も一般的な原因は、地平線参照の喪失、計器を参照して航空機を制御できない、またはその両方の組み合わせです。
