空気力学では、荷重係数は、航空機が航空機の総重量に耐えることができる最大荷重の比率です。 荷重係数は、静止状態での物体に重力が加わる力に等しい力の単位である GS (重力の加速度の単位) で測定され、加速時に物体が受ける力を示します。 航空機が直線から飛行を偏向させる力を加えると、その構造に応力が発生し、この力の量が荷重係数になります。 空気力学のコースは、パイロットのライセンスを取得するための前提条件ではありませんが、有能なパイロットは、航空機に作用する力、これらの力の有利な使用、および飛行する航空機の動作制限をしっかりと理解する必要があります。

たとえば、荷重係数 3 は、航空機の構造物の総荷重がその総重量の 3 倍であることを意味します。 荷重係数は GS で表されるため、3 の負荷係数は 3 GS、または 4 の負荷係数は 4 GS と言えます。

航空機がダイビングから引き上げられ、パイロットに 3 GS をかけた場合、その人は自分の体重の 3 倍に等しい力で座席に押し込まれます。 現代の航空機は、古い航空機よりもはるかに高速で動作し、荷重係数の大きさが増加するため、この効果はすべての航空機の構造設計において主な考慮事項となっています。

航空機の構造設計は、ある程度の過負荷にしか耐えられないように計画されているため、すべてのパイロットにとって負荷要因に関する知識が不可欠になっています。 荷重係数が重要な理由は 2 つあります。パイロットが航空機構造に危険な過負荷を課す可能性があります。 負荷率を上げると、失速速度が上がり、安全な飛行速度で失速が可能になります。

4.9.1 航空機設計における荷重係数 #

「航空機はどのくらいの強度があるべきですか?」という質問に対する答え。 航空機が対象とされる用途によって大きく決まります。 これは、効率的な設計で使用するには最大荷重が高すぎるため、困難な問題です。 どのパイロットでも、ダイビングから非常にハードな着陸や非常に鋭い引き上げが発生し、異常な負荷が発生する可能性があることは事実です。 ただし、このような非常に異常な負荷は、航空機が迅速に離陸し、ゆっくりと着陸し、価値のあるペイロードを運ぶ航空機を製造する場合、ある程度解消する必要があります。

航空機設計における荷重係数の問題は、さまざまな運用状況下で通常の運転で期待できる最高の荷重係数をどのように決定するかということです。 これらの荷重係数は「限界荷重係数」と呼ばれます。 安全上の理由から、航空機はこれらの荷重要因に構造的な損傷を与えることがないように設計する必要があります。 連邦規則 (CFR) の規範では、航空機の構造がこれらの荷重係数を 1.5 倍に制限することができる必要がありますが、航空機の一部がこれらの荷重の下で曲がったりねじれたりする可能性があり、構造上の損傷が発生する可能性があることが認められています。

この 1.5 の負荷制限係数は「安全係数」と呼ばれ、通常の合理的な操作で予想される荷重よりも高い荷重に対して、ある程度は提供します。 この強さの準備金は、パイロットが故意に乱用すべきものではありません。 むしろ、予期しない状況に遭遇した場合の保護のためです。

上記の考慮事項は、突風、操縦、または着陸によるものであるかどうかにかかわらず、すべての荷重条件に適用されます。 現在有効な突風荷重係数の要件は、何年も前から存在していたものと実質的に同じです。 何十万時間も稼働することで、安全性に十分であることが証明されています。 （荒れた空気に遭遇した場合の航空機の速度の低下を除く）、パイロットはガストの荷重係数をほとんど制御できないため、ほとんどの航空機の機動用途にかかわらず、ほとんどの航空機での突風負荷要件は実質的に同じです。 一般に、突風の荷重係数は、厳密に非アクロバティックな使用を意図した航空機の設計を制御します。

航空機の設計には、操縦の荷重係数を伴うまったく異なる状況が存在します。 次の点に関して、この問題について個別に議論する必要があります。 (2) 運用上のカテゴリーを提供しない要件に従って構築された古い設計。

カテゴリー システムの下で設計された航空機は、航空機が認証される運用カテゴリー (またはカテゴリー) を示すフライト デッキのプラカードによって容易に識別されます。 さまざまなカテゴリーで航空機に指定された最大安全荷重係数 (限界荷重係数) は次のとおりです。 –3.00。 総重量が 4,000 ポンドを超える航空機の場合、制限荷重係数が減少します。 上記の制限負荷に、50% の安全係数が追加されます。

操作の重症度が高まるにつれて、負荷率が上向きになります。 カテゴリー システムは、航空機の最大限の有用性を提供します。 通常の操作だけが意図されている場合、必要な荷重係数 (したがって航空機の重量) は、航空機を訓練またはアクロバティックな操作で使用する場合よりも低く、機動負荷が高くなります。

カテゴリ プラカードを持たない航空機は、以前のエンジニアリング要件の下で設計された設計であり、パイロットに特に運用上の制限はありませんでした。 このタイプの航空機 (重量が約 4,000 ポンドまで) の場合、必要な強度は現在のユーティリティ カテゴリーの航空機に匹敵し、同じタイプの操作が許容されます。 4,000 ポンドを超えるこのタイプの航空機の場合、荷重係数は重量とともに減少します。 これらの航空機は、カテゴリー システムの下で設計された通常のカテゴリーの航空機に匹敵すると見なし、それに応じて運用する必要があります。

4.9.2 急なターンの荷重係数 #

任意の航空機で一定の高度で協調方向に回転すると、荷重係数は遠心力と重力の 2 つの力の結果になります。 [図 4-44] 任意のバンク角の場合、腐敗は対気速度によって変化します。速度が高いほど、腐敗が遅くなります。 これにより、追加の遠心力が補正され、荷重係数が同じままになります。

図 4-45 は、ターンに関する重要な事実を明らかにしています。荷重係数は、銀行が 45° または 50° に達した後、すばらしい速度で増加します。 60° バンク内の航空機の負荷率は 2 GS です。 80° バンクの負荷率は 5.76 gs です。 高度を維持する場合、翼はこれらの荷重係数に等しい揚力を生成する必要があります。

負荷率を示す線が 90° のバンク ラインに近づくと、どれだけ急速に上昇するかに注意する必要があります。これは、90° バンクされた一定の高度の回転は数学的には不可能であるため、完全には到達しません。 航空機は 90° までバンクすることができますが、調整されたターンではありません。 90° のバンク スリッピング ターンで保持できる航空機は、まっすぐな刃先飛行が可能です。 80° をわずかに超えると、負荷率がアクロバティック航空機の限界負荷率である 6 GS の限界を超えています。

調整された高度の回転の場合、平均的な一般航空機のおおよその最大バンクは 60° です。 この銀行とその結果として必要な電力設定は、このタイプの航空機の限界に達します。 追加の 10° バンクにより、負荷率が約 1 g 増加し、これらの航空機で確立された降伏点に近づきます。 [図 4-46]

4.9.3 負荷率と失速速度 #

航空機は、その構造の範囲内で、あらゆる対気速度で失速する可能性があります。 十分に高い AoA が課せられると、翼を横切るスムーズな空気の流れが分裂して分離し、飛行特性が急激に変化し、急激に揚力が失われ、失速します。

この効果の調査により、航空機の失速速度が荷重係数の平方根に比例して増加することが明らかになりました。 これは、通常の加速されないストール速度が 50 ノットの航空機は、4 gs の負荷率を誘導することで 100 ノットで失速できることを意味します。 この航空機が 9 の負荷率に耐えることができれば、150 ノットの速度で失速する可能性があります。 パイロットは次のことに注意する必要があります。

• 急なターンやスパイラルのように、荷重係数を増やすことによって、うっかりして航空機を失速させる危険性。
• 航空機を設計操作速度より上に故意に失速させると、途方もない負荷率が課せられます。

図 4-45 と 4-46 は、急なターンで航空機を 72 度以上バンキングすると、負荷係数 3 になり、失速速度が大幅に増加することを示しています。 通常の加速されていない失速速度が 45 ノットの航空機でこのターンを行った場合、失速を防ぐために対気速度を 75 ノット以上に保つ必要があります。 同様の効果が、すばやく引き上げられたり、1 g を超える荷重係数を生成する操作でも同様の効果が見られます。この突然の予期せぬ制御の喪失、特に急なターンまたは地面近くのエレベーター制御の急激な適用で、多くの事故が発生しました。

失速速度が 2 倍になるにつれて荷重係数が 2 乗されるため、比較的高い対気速度で航空機を失速させることにより、構造物に大きな負荷がかかる可能性があります。

航空機が安全に失速する可能性のある最高速度は、すべての新しい設計で決定されます。 この速度は「設計操作速度」 (VA) と呼ばれ、最近設計されたすべての航空機の FAA 承認の飛行機フライト マニュアル/パイロットの操作ハンドブック (AFM/POH) に入力する必要があります。 古い一般航空機の場合、この速度は通常の失速速度の約 1.7 倍です。 したがって、通常 60 ノットで失速する古い航空機は、102 ノット (60 ノット x 1.7 = 102 ノット) 以上で失速してはなりません。 102 ノットで失速した通常の失速速度が 60 ノットの航空機は、速度の増加の 2 倍、つまり 2.89 gs (1.7 x 1.7 = 2.89 gs) に等しい負荷係数を受けます。 (上記の図は、ガイドと見なされる概算値であり、いかなる一連の問題に対する正確な答えでもありません。設計操作速度は、メーカーが提供する特定の航空機の運転制限から決定する必要があります。)

制御システムのレバレッジは航空機によって異なるため (「バランスの取れた」コントロール サーフェスを使用するタイプもあれば、コントロール サーフェスを使用しないタイプもあります)、コントロールにかかる圧力は、異なる航空機で生成される荷重係数の指標として受け入れられません。 ほとんどの場合、荷重係数は経験豊富なパイロットがシート圧の感触から判断できます。 荷重係数は、「加速度計」と呼ばれる計器でも測定できますが、この計器は一般的な航空訓練機では一般的ではありません。 身体への影響の感触から荷重係数を判断する能力の開発は重要です。 これらの原則の知識は、負荷係数を推定する能力を開発するために不可欠です。

バンクと VA のさまざまな程度によって引き起こされる負荷要因の完全な知識は、最も深刻な 2 つのタイプの事故を防ぐのに役立ちます。 アクロバットまたはその他の暴力的な操作中の構造上の障害。制御の喪失に起因します。

4.9.4 荷重係数と飛行操作 #

1 g の荷重係数が常に存在する、加速されていない直進飛行を除いて、すべての飛行操作に重大な荷重係数が適用されます。 このセクションで考慮される特定の操作には、比較的高い負荷係数が含まれることが知られています。

4.9.5 ターン #

負荷係数の増加は、すべてのバンク ターンの特徴です。 急なターンの荷重係数のセクションで述べたように、荷重係数は、バンクが約 45° を超えて増加するにつれて、飛行性能と翼構造への荷重の両方にとって重要になります。

平均光面の降伏係数は約 70° から 75° のバンクで到達し、ストール速度は約 70° のバンクで約 2 分の 1 増加します。

4.9.6 屋台 #

通常の屋台は、まっすぐで水平な飛行、または加速されていないまっすぐ登りから入っても、1 g の直線上飛行を超えて追加の荷重係数を生成しません。 ただし、失速が発生すると、この荷重係数はゼロに向かって減少する可能性があります。これは、何も重みがないように見える係数です。 パイロットは、「宇宙で自由に浮かぶ」という感覚を経験します。 エレベーター コントロールを前方にスナップすることによって回復が行われると、負の荷重係数 (または翼に荷重を課してパイロットをシートから引き上げるもの) が生成される可能性があります。

失速回復後のプルアップ中に、重大な負荷要因が発生することがあります。 これらは、過度のダイビング (およびその結果、対気速度が速い) 中に不注意に増加し、水平飛行までの突然のプルアップをさらに増加させる可能性があります。 通常、一方が他方につながるため、負荷率が増加します。 急激なダイビング速度での急激な引き上げは、航空機構造に重大な負荷を課す可能性があり、AOA を失速にすることにより、再発性または二次失速が発生する可能性があります。

一般化として、飛行速度が巡航または操縦にのみダイビングするだけで失速から回復し、対気速度が安全に失速を超えるとすぐに段階的に引き上げられ、2 または 2.5 gs を超えないように負荷率で行うことができます。 航空機の機首が垂直姿勢の近くまたはそれを超えて、地面に飛び込むのを避けるために極端に低い高度で回復が行われていない限り、より高い負荷係数は必要ありません。

4.9.7 スピン #

安定化されたスピンは、回転以外の要素でストールと変わらず、ストール リカバリに適用されるスピン リカバリにも同じ負荷率の考慮事項が適用されます。 スピンの回復は通常、失速回復で一般的なものよりもはるかに低い状態で行われるため、対気速度が高くなり、結果としてより高い負荷係数が予想されます。 適切なスピン回復における負荷率は、通常、約 2.5 g であることがわかります。

スピン中の負荷率は、各航空機のスピン特性によって異なりますが、通常、レベル フライトの 1 g をわずかに上回ることがわかります。 これには 2 つの理由があります。スピンでの対気速度は非常に低く、通常、加速されていない失速速度の 2 ノット以内です。 機体は回転している間は回転するのではなく、旋回します。

4.9.8 高速ストール #

平均的なライト プレーンは、高速失速に共通する負荷係数の繰り返しの適用に耐えるように構築されていません。 これらの操作に必要な負荷率は、翼と尾部構造にストレスを与え、ほとんどの軽航空機では妥当な安全域を残しません。

この失速を通常の失速よりも高い対気速度で誘導できる唯一の方法は、追加の荷重係数を課すことです。これは、エレベーター コントロールを大幅に引くことによって達成できます。 失速速度の 1.7 倍の速度 (軽飛行機では約 102 ノットで、失速速度 60 ノット) では、3 G の負荷係数が生成されます。 軽飛行機のアクロバットでは、非常に狭い誤差しか許されません。 対気速度に応じて荷重係数がどの程度速く増加するかを説明するために、同じ航空機で 112 ノットの高速失速すると、4 GS の荷重係数が生成されます。

4.9.9 シャンデルとレイジー エイト #

シャンデルとは、ほぼ直線と水平な飛行から始まり、最大の高性能クライミング ターンであり、最小制御可能な対気速度で、翼のレベルのノーズ ハイの姿勢で 180 度の正確なターンが完了した時点で終了します。 この飛行操作では、航空機は急な登りのターンにあり、方向を変えながら高度を上げるために失速寸前です。 怠惰な 8 は、航空機の延長された縦軸を横に横たわる図形「8」の形で飛行パターンをなぞるようにする方法に由来しています。 これらの操縦の荷重係数に関しては、どちらも滑らかで浅いダイビングとプルアップを伴うため、明確な記述は難しいでしょう。 発生する負荷要因は、ダイビングの速度と、これらの操作中のプルアップの急激性に直接依存します。

一般に、操作がうまく実行されればされるほど、誘発される負荷率が極端に低くなります。 プルアップが 2 GS を超える負荷率を生成するシャンデルまたはレイジー エイトは、高度の大幅な向上にはつながりません。また、低電力の航空機では、高度の正味損失につながる可能性があります。

適度な負荷率で可能な限りスムーズなプルアップにより、シャンデルで高度が最大に向上し、シャンデルとレイジー エイトの両方で全体的なパフォーマンスが向上します。 これらの操作に推奨される侵入速度は、通常、製造業者の設計操縦速度に近づき、荷重制限を超えずに荷重係数を最大限に展開できるようにします。

4.9.10 荒れた空気 #

すべての標準認証航空機は、かなりの強度の突風による荷重に耐えるように設計されています。 突風の荷重係数は対気速度の増加とともに増加し、通常、設計目的で使用される強度は最高レベルの飛行速度に対応します。 雷雨や正面条件のように、非常に荒れた空気では、設計操作速度まで速度を落とすのが賢明です。 保持速度に関係なく、荷重制限を超える荷重が発生する可能性があります。

特定の航空機は、構造的な損傷を引き起こすことなく航空機に課すことができる特定の G 負荷で設計されています。 航空機の設計には、荷重と極限荷重の 2 つのタイプがあります。 限界荷重とは、航空機構造の曲がりが元の形状に戻らない航空機にかかる力です。 極限荷重とは、限界荷重を超えて航空機に適用される荷重係数であり、航空機の材料が構造上の破損 (破損) を受ける時点で発生します。 航空機構造の完全性を損なうことなく、限界荷重よりも低い負荷係数を維持できます。

速度を上回るが、それを超えない速度では、航空機の限界負荷を超える負荷率の増加を経験する前に、航空機が失速することができます。

現在、ほとんどの AFM/POH は、今日のパイロットが広範囲の速度と高度に対応できる航空機を安全に飛ばすのに役立つ乱気流侵入情報を含んでいます。 パイロットは、「決して上回らない」プラカード ダイビング速度が滑らかな空気に対してのみ決定されることを覚えておくことが重要です。 既知の操縦速度を超える速度を伴う高速ダイビングまたはアクロバットは、荒れた空気や乱流で行わないでください。

4.9.11 VG ダイアグラム #

航空機の飛行運転強度は、荷重係数に基づく垂直スケールのグラフで表示されます。 [図 4-47] この図は VG ダイアグラムと呼ばれます。速度対 G 荷重または荷重係数です。 各航空機には、特定の重量と高度で有効な独自の VG ダイアグラムがあります。

VG ダイアグラムで最初に重要なのは、最大リフト能力のライン (曲線) です。 図 4-47 の航空機は、航空機の翼レベルの失速速度である時速 62 マイルで +1 g を超えることはありません。 最大荷重係数は対気速度の 2 乗によって変化するため、この航空機の最大正の揚力能力は、時速 92 マイルで 2 g、時速 112 マイルで 3 g、時速 137 マイルで 4.4 g などです。 このラインを超える荷重係数は、空力的には利用できません (つまり、航空機は失速するため、最大揚力線より上に飛行することはできません)。 負の荷重係数を生成するのに必要な速度が同じ正の荷重係数を生成するよりも高いことを除いて、ネガティブ リフト フライトについても同じ状況が存在します。

航空機が 4.4 の正極限界荷重係数よりも大きい正の荷重係数で飛行すると、構造上の損傷が発生する可能性があります。 航空機がこの地域で運転されている場合、一次構造の好ましくない永久変形が発生する可能性があり、高い疲労損傷が発生する可能性があります。 通常の動作では、限界負荷率を超える操作は避ける必要があります。

VG ダイアグラムには、他に 2 つの重要な点があります。 1 点は、正極限界荷重係数と最大正の揚力能力の線の交点です。 この時点での対気速度は、極限荷重が空力的に発生できる最小対気速度です。 これ以上の対気速度は、航空機を損傷するのに十分な正の揚力能力を提供します。 逆に、これよりも低い対気速度は、過度の飛行負荷による損傷を引き起こすのに十分な揚力能力を提供しません。 この速度に与えられる通常の用語は、サブソニックを考慮して「操作速度」です。

空気力学は、この条件で発生する最小の使用可能な回転半径または操作性を予測します。 この点を下回る航空機は、有害な飛行負荷を発生させることができないため、操縦速度は貴重な基準点です。 機体が操縦速度を下回っている場合、操縦と突風の組み合わせを組み合わせると、空気負荷が大きいため損傷を引き起こすことはありません。

VG ダイアグラムで重要なもう 1 つのポイントは、負の限界荷重係数と最大負の揚力能力の線の交点です。 これ以上の対気速度は、航空機を損傷するのに十分な負の揚力能力を提供します。 これより低い対気速度は、過度の飛行負荷から航空機を損傷するのに十分な負の揚力能力を提供しません。

制限対気速度 (またはレッドライン速度) は、航空機の設計基準点です。この航空機は時速 225 マイルに制限されています。 飛行が限界対気速度を超えようとすると、さまざまな現象が原因で、構造上の損傷や構造上の破損が生じる可能性があります。

飛行中の航空機は、制限速度 (またはレッドライン) を超えず、制限荷重係数を超えず、最大揚力能力を超えることができない対気速度と GS の領域に制限されています。 航空機は、構造的損傷を防ぎ、航空機の予想されるサービス リフトが確実に得られるように、この「封筒」内で操作する必要があります。 パイロットは、安全な操作のための対気速度と荷重係数の許容可能な組み合わせを説明する VG ダイアグラムを評価する必要があります。 構造エンベロープの外にある操縦、突風、または突風に加えて操縦すると、構造上の損傷を引き起こし、航空機の寿命を効果的に短縮する可能性があります。

4.9.12 ターン率 #

回転率 (ROT) は、航空機が行う方向転換の度数 (1 秒あたりの度数で表される) です。 ROT は、1,091 の定数を取り、任意のバンク角の接線を掛けて、その積を特定の対気速度で図 4-48 に示すようにして、1,091 の定数をとることによって決定できます。 対気速度を上げ、目的の腐敗を一定にする場合は、バンクの角度を大きくする必要があります。そうしないと、腐敗が減少します。 同様に、対気速度が一定に保たれている場合、バンクの角度が大きくなると、航空機の腐敗が増加します。 図 4-48 から 4-50 の式は、腐敗に影響を与えるバンク角と対気速度の関係を示しています。

注: このセクションで説明するすべての対気速度は真の対気速度 (TAS) です。

対気速度は航空機の腐敗に大きな影響を与えます。 対気速度を上げると、低速で同じバンク角度を使用すると、ROT が減少します。 したがって、図 4-49 に示すように対気速度を上げると、図 4-50 で達成したのと同じ腐敗を達成するには、バンクの角度を大きくする必要があると推測できます。

これは、実行可能な側で何を意味するのでしょうか。 特定の対気速度とバンク角が特定の腐敗を引き起こす場合、さらに結論を出すことができます。 ROT が 1 秒あたりの変化度の与えられた角度であることが分かっている場合、360° (円) を移動するのにかかる秒数は、単純な除算で決定できます。 たとえば、30° のバンク角で 120 ノットで移動すると、腐敗は 5.25° で、完全な円を作るのに 68.6 秒 (360° で 5.25 = 68.6 秒で割る) が必要です。 同様に、240 ノット TAS で飛行し、30° のバンク角を使用して飛行した場合、腐敗は 1 秒あたり約 2.63° にすぎず、360° の円を完成させるのに約 137 秒かかります。 式を見ると、対気速度の増加は、航空機が弧を描くのにかかる時間に正比例します。

では、なぜこれを理解することが重要なのでしょうか? 腐敗が理解されると、パイロットは、回転半径で説明される特定のターンを行うのに必要な距離を決定できます。

4.9.13 ターンの半径 #

回転半径は、前述の説明で、バンク角と対気速度の両方の関数である腐敗に直結しています。 バンクの角度を一定に保ち、対気速度を上げると、回転半径が変化します (増加します)。 対気速度が高いほど、速度が速くなるため、航空機はより長い弧を描いて移動します。 120 ノットで移動する航空機は、240 ノットで移動する航空機よりも半径が狭い 360° の円を回すことができます。 対気速度の増加を補正するには、バンク角を大きくする必要があります。

ターンの半径 (R) は、単純な式を使用して計算できます。 ターンの半径は、速度の 2 乗 (V²) をバンク角の接線の 11.26 倍で割った値に等しくなります。 R = V² / (バンク角の接線 11.26 x)。

図 4-48 から 4-50 に示す例を使用して、2 つの速度のそれぞれの回転半径を計算できます。 速度が 2 倍になると、半径が 2 乗されることに注意してください。 [図 4-51 および 4-52]

ターンの半径を決定するもう 1 つの方法は、1 秒あたりのフィート (fps)、π (3.1415)、および腐敗を使用する速度です。 右上の列の 4-34 ページの例を使用すると、1 秒あたり 5.25 度の腐敗を持つ航空機が完全な円を作るのに 68.6 秒かかると判断されました。 航空機の速度 (ノット単位) は、1.69 の定数を掛けることで FPS に変換できます。 したがって、120 ノット (TAS) で移動する航空機は 202.8 fps で移動します。 FPS の速度 (202.8) に航空機が円を完成させるのにかかる時間 (68.6 秒) を乗じた値を把握すると、円のサイズを決定できます。 202.8 倍 68.6 は 13,912 フィートに相当します。 π で割ると、直径 4,428 フィートになります。2 で割ると、半径 2,214 フィート [図 4-53] になります。

図 4-54 では、パイロットは峡谷に入り、180 度曲がって出ることにしました。 パイロットは自分の順番で 30° のバンク角を使用します。