Microsoft Flight Simulator – 基本的な空気力学ガイド

航空機を飛ばす空気力学と基本原理の紹介。

基本的な空気力学のガイド

このガイドについて

実際の飛行訓練では使用できません。シミュレーター専用。

飛行の 4 つの力

航空機に作用する 4 つの基本的な力があります。揚力、重量、推力、抗力。

推力とは、航空機を前進させる力であり、動力装置（エンジン）とプロペラによって生成されます。ドラッグに対抗します。

抗力は、航空機を遅らせ、推力に対抗する力です。これは、航空機の周囲の気流の乱れが原因です。

揚力は、航空機が高度を上げる原因となる力です。これは、エアフォイル (翼とプロペラブレード) に作用する空気の影響によって引き起こされ、航空機を効果的に「押し上げ」ます。重量に対抗します。

重量は、航空機自体、乗務員、燃料、荷物の負荷です。揚力に対抗し、航空機を地球の中心に向かって効果的に引き下げます。

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フォースの詳細

すべての力が平衡状態にあるとき、航空機は加速されていない直線水平飛行にあると言われます。

縦軸:

推力が抗力よりも大きい場合:航空機は加速します。
抗力が推力よりも大きい場合:機体は減速します。

縦軸:

揚力が重量よりも大きい場合:航空機は上昇します。
重量が揚力より大きい場合:機体は下降します。

上り、下り、またはターンのタイミングによって力が変化するため、力についてはさらに多くの議論が必要であることに注意することが重要です。ただし、わかりやすくするために、この情報はこのガイドには含まれていません。詳細については、Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge の第 5 章を参照してください。

翼とは?

最も一般的に言及される翼は、翼とプロペラブレードです。翼は、通過する空気からその表面の 1 つに力を発生させるように設計された構造です。基本的に、翼は揚力を生み出す航空機の構造です。そのような表面は翼とプロペラブレードです。

揚力の生成を説明しようとする多くの現代的な理論があり、確固たる説明についての正確なコンセンサスがないことを知っておくことは重要です。 1 つの理論の組み合わせで揚力を説明しようとしても、ある仮説では失敗する可能性があり、他の人がその仮説で成功しても、別の仮説では失敗する可能性があります。

翼

翼は垂直揚力を生み出します。空気が翼の上側と下側を通って移動するため、航空機が十分に速く移動すると、機首を上げて航空機の迎角 (およびその後の翼の AOA) を大きくすると、次の理論にいくつかの重要な原則が導入されます。リフトの生産。

プロペラブレード

プロペラは翼と同じ形で作られていますが、わずかにねじれています。ブレードは推力として揚力を生み出すため、機体は前進します。

スラスト vs パワー

どちらの用語も同じ意味で使用されていますが、同じではありません。

ピストンエンジンは動力を生成し、プロペラブレードが空気を切り裂くときに推力に変換されます。力を加えると推力が生まれます。

迎え角と揚力係数

簡単に言えば、翼の翼弦線は、前縁 (対向する相対的な風が上部気流と下部気流に分離される場所) から後縁 (以前に分離された気流が再び合流する場所) まで延びる翼を分割する線です。 .

翼の翼弦線と対向する相対的な風との間の角度は、迎角として知られています。

正の AOA は上昇につながります。

負の AOA は降下を引き起こします (非常に小さな負の AOA でいくらかの揚力が生成されるように一部の翼は反り返っていることに注意してください)。

揚力係数

迎え角 (AOA) を大きくするには、パワーを加えるか、機首を上げます。 AOA が増加すると、揚力係数として知られる数値が増加します。 AOA が大きいほど、高度のゲインが大きくなります。ただし、AOA を大きくすると速度 (したがってパワー) が犠牲になります。

揚力係数は、生成される揚力の量を決定するので重要です。これは、重要な AOA を決定する上でも重要な数値です。

ベルヌーイの原理とニュートンの第三法則

ニュートンの第三法則

すべての力に対して、等しく反対の反作用があります。これは、航空機がピッチアップし、翼の AOA が増加すると、翼の下側が空気を下方に偏向させることを意味します。その結果、反対方向 (上向き) の力が発生し、上昇します。

Michael Paetzold – ニュートンの第 3 法則を描いた翼の翼の断面

ベルヌーイの原理

揚力を生成する翼型には、圧力の不均衡が存在する必要があります。

ベルヌーイの原理では、流体の速度が増加すると (空気は流体であることを思い出してください)、それに伴って圧力が減少すると述べています。逆もまた然り。速度が遅いと、圧力が高くなります。

翼の形状は、下よりも上がわずかに湾曲しているため (翼のキャンバー)、翼の後縁に到達するには、翼の上面の空気がさらに移動する必要があります。より遠くまで移動する必要があるため、より速く移動する必要があります。したがって、ベルヌーイの原理に従って、翼の上面の空気の圧力が低下します。その結果、下側の空気が移動する距離が短くなるため、上に比べて短い距離を移動する時間が長くなり、翼の下側の空気の圧力が高くなります.

基本的な流体力学では、流体に浸された物体は圧力勾配の圧力の低い領域に向かって移動し、圧力の高い領域から離れると述べています。翼の下側の空気は圧力が高く、翼の上側の空気は圧力が低いため、航空機は上に移動し、揚力が生成されます。

翼の湾曲した性質により、流れの回転が発生することに注意することも重要です.

アラスカ大学フェアバンクス校

左折傾向

離陸すると、航空機が出力を追加する以外に何も入力せずに左に移動しようとしていることに気付くでしょう。プロペラの回転方法により、ラダーと補助翼を適切に使用して修正しない限り、いくつかの要因が相互に作用して、航空機が左にヨーイングします。

トルク効果

ここまでで、ニュートンの第 3 法則に精通しているはずです。プロペラが時計回りに回転すると、ニュートンの第 3 法則により左のギアに下向きの力がかかり、左のギアの摩擦が右のギアより大きくなります。その結果、航空機は左に曲がりたいと思うでしょう。空中では、これにより左ローリングモーションが発生します。

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P-Factor (非対称プロペラ荷重)

このような効果が発生するのは、下向きに動くブレード (右側のもの) が上向きに動くブレード (左側のもの) よりも大きな部分の空気を切り裂くからです。これは、ブレードの角度が原因で発生します。ブレードが垂直面だけにあるのではなく、わずかに 90 度の角度でオフセットされていることに注意することが重要です。

P-Factor は、離陸時や低速飛行中など、機体が高迎え角にあるときはいつでも最大の効果を発揮します。

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ジャイロ歳差運動

本質的に、プロペラは基本的に回転ディスクです。これにより、ジャイロスコープの特性が得られます。これらの特性の 1 つがジャイロ歳差運動です。これは、ジャイロスコープ (この場合はプロペラ) に力が加えられるたびに、その力がディスクの回転方向の 90 度前方に感じられることを意味します。つまり、右に 90 度です。

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スパイラルスリップストリーム

これが最終的な左折傾向です。プロペラが回転すると、機体を包み込む空気の流れが生まれます。このストリームはテールの左側に当たり、左にヨーイング運動を引き起こします.

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ストールとクリティカル AOA

失速は、空気が翼の上面をスムーズに流れなくなり、気流が翼から離れ始めると発生します。これが起こると、翼はもはや十分な揚力を生み出すことができず、失速と言われます.

失速が差し迫っていることは、気流が最初に翼の後部から分離する際の航空機のバフェッティングによって感じられます。また、翼の 1 つが他の翼よりも先に失速する可能性があることにも気付くでしょう。ほとんどの航空機は翼の内側から外側に向かって失速するように設計されており、補助翼に回復手順の権限を最大限に与えることに注意することが重要です。

CL-MAX

臨界迎え角は、航空機が失速する AOA であり、特定のタイプの航空機では常に同じです。通常、この数値は AOA で約 15 度です。これは揚力係数の最大値でもあり、この後、揚力係数は減少し始めます。

すべてではありませんが、ほとんどの航空機には失速警告ホーンが装備されており、失速している場合、または失速しようとしていることをパイロットに知らせます.

NASA

失速からの回復

ストールが発生したら、すぐに AOA を減らし、翼を水平にロールし、フルパワーを追加します。飛行速度が戻ったらすぐに、機首を水平にし、パワーとピッチを適切に管理します。