下向きの垂直尾翼ってあり!?

物理学は物理学ですが、航空力学なのでだいぶマニアックな質問になってしまいますが・・・

RQ-1プレデターにおける尾翼の取り付け方法の意図がまるで理解できません。

飛行機の静安定はロール軸、ヨー軸、ピッチング軸に分解して行われていました。「いました」と書いたのは、YF-23のように水平尾翼と垂直尾翼の機能を斜めの翼一枚で行う機体も出てきているからです。RQ-1も尾翼を斜めに取り付けています。

さて、一般的な機体において、三軸の中でヨー軸、ロール軸周りの静安定を担うのが垂直尾翼です。機体の向きが、進行方向に対して、ヨー軸周りのズレを生じたとします。このとき垂直尾翼の左右で風の当たりが変わります。このためズレと逆の向きの力が垂直尾翼に働き、機体は機体の向きを元の通り進行方向と同じくする。

一方、ロール軸周りにズレを生じると、主翼が生んでいた揚力も向きがズレます。このため重力に抗う力は主翼の揚力のcosin成分だけとなり、これまで揚力は重力と均衡していたのですから、機体は揚力不足で高度を下げてしまいます。この時、揚力のsin成分も機体に働くので、機体は横滑りする形で高度を下げることになります。この横滑りによって機体には横風が当たるようになるのですが、この横風が垂直尾翼に当たることによって、機体のズレが補正される。

ヨー軸周りの静安定を得るためには、垂直尾翼が上向きに付いていようと下向きだろうと特に問題は無いのですが、ロール軸周りの静安定を得るためには、垂直尾翼は上向きに付いていなければなりません。ですから、殆どの機体で垂直尾翼は上向きに取り付けられています。YF-23は垂直尾翼が水平尾翼を兼ねて斜めに取り付けられていますが、それでも上向きという点では同じです。

Do335や震電は尻餅事故を防ぐために下向きの垂直尾翼を持っていますが、これも基本的には上向きの垂直尾翼が主であって、主翼の上反角による安定力と合わせて、下向きの垂直尾翼が持つ不の安定力を相殺しているはずです。

という風に私は飛行機の垂直尾翼の働きを理解しています。

ところがRQ-1の垂直尾翼の取り付けはどうなんでしょう。垂直尾翼は下向き、水平尾翼も斜め下を向いて、ロール軸周りには不の安定力を持ちます。下向きに取り付けた理由は尻餅事故を防ぐためでしょう。RQ-1もDo335や震電と同じく推進式のプロペラ機です。ただ、この両機と違って、RQ-1には上向きの垂直尾翼がありません。

主翼には上反角が取り付けられているのでしょう。あるいは動的制御も行われているでしょう。しかし、それだけでこのマイナスを相殺できるのでしょうか。一体全体、RQ-1のロール軸周りの静安定はどのようにして確保されているのでしょう。

どなたかご教授ください。

A 回答 (4件)

No.1・2です。

以下はNo.3の続きです。
垂直尾翼に関しては、横安定にも寄与することを記述した資料の方が少なく、あくまで方向安定
のためのものと捕えた方が良いでしょう。というのも、横安定と方向安定は互いにバランスしない
とダッチロールかスパイラルに入るかのどちらかになります。主翼で発生するロール復元に対し
て面積・形状・取り付け位置を考えるのが先で、垂直尾翼での横安定を優先しての決定は出来ま
せん。仮に垂直尾翼を高く上げて横安定を重視すると、必然的に垂直尾翼のアスペクトレシオ
が大きくなり、横滑り角が大きい場合垂直尾翼の失速が早く起こるのでそうも出来ない筈です。
機体形状により、主翼々幅が比較的短く、垂直尾翼の高さ(ロール軸からの距離)と差が少ない
場合等ではこの垂直尾翼での横安定を期待する設計もしているかもしれませんが、一般の
後退翼の旅客機では、後退翼の上反角効果もあって横安定は強すぎるくらいで、これに見合う
垂直尾翼をつけると大きくなりすぎて重量も抗力も増えるので操舵制御で補正しているのです。
また飛行機全てを同列で見るもの無理があり、安定重視なのか機動性重視なのか、でもどんな
設計になるかは違ってきます。従って限られた機種を見ただけで理解するのは困難です。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%A3%9B%E8%A1%8C% …

垂直尾翼を胴体下に設ける場合で考えられるのは、機体に対しプロペラとその動力が大きい
場合、プロペラ後流の影響で垂直尾翼に当たる気流の向きが異なることです。上に付けた場合
はプロペラトルクの反作用で機体が回される方向と垂直尾翼が受ける力によって機首を振る
方向が一致してしまい、一般には左へ左へ向かおうとします。下に付けるとこれをキャンセル
する方向になります。また回収用デサマライザー装備の場合は水平尾翼より上だと邪魔です。
フリーフライトの模型飛行機では普通大きな上反角(時に二段上反角)を有し、横安定に関して
はこれでほぼ全て担っていて、垂直尾翼が上か下かでの差異は横安定ではなく、スキッドの代用
といった目的も含め、こうした別な理由によるものと思います。特殊な例ではラジコン水上機で、
大きく下に張り出した垂直尾翼のラダーが「水中舵」としても機能するものもあります。
折り紙飛行機で主翼に相当する平面より上に垂直面が無いものは、機体形状として「高翼機」
か「パラソル翼機」に相当しており、それだけで十分な横安定があります。特に飛行性能を犠牲
にしている訳でもなく、上に垂直面を出す必要がもともと無いと考えます。

一般に垂直尾翼が何故上か、ということに断定した答えは出来ませんが、逆にRQ-1プレデターを
見ると比較的長いランディングギアを持ち、明らかに離着陸時にはほぼ水平を保ったままでないと
ならない形状です。一般の飛行機でも速度さえ出せば(無限に滑走路が長ければ)少しの迎え角
で離陸もできますが、現実はそうではありません。通常、下手をすると機体後部を接地する角度
まで引き起こして離着陸しています。またランディングギアは飛行自体には不必要であり、余分な
構造重量ですのでやたらと長くはしたくありません。他に優先すべき理由があれば別であって、
有人実機ではこうした実用上の複合的な理由で「上」に設けるのが普通になっていると思います。
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この回答へのお礼

『折り紙飛行機で主翼に相当する平面より上に垂直面が無いものは、機体形状として「高翼機」か「パラソル翼機」に相当しており、それだけで十分な横安定があります。』

言われて見ればそうですね。折り紙飛行機の場合、下向きの垂直尾翼というより、平らな胴体に主翼が高翼式に取り付けられていると考える方が正しいですね。

『無尾翼(全翼)機のRQ-3とRQ-170』『B-2』

そう言えばB-2、RQ-170なども垂直尾翼は付いていませんね。三角翼機は水平尾翼が付いていないことをもって無尾翼機と言いますから、なんとなくそれと同じく捉えていましたが、これら両機は垂直尾翼も付いていないのですね。

さらにRQ-3に至っては直線翼。ピッチ軸周りの安定には、平たい胴体形状が何か寄与しているのでしょうが、それにしても・・・

これまで私は動的制御はあくまで従で、機体の安定問題はあくまで静安定が主であると思い込んでいましたが、やろうと思えば、動的制御でここまで可能なのですね。

こういう機体が存在しているときに、RQ-1に不自然を感じるのは、それ自体が私の無知蒙昧を晒しているように思います。

色々とご教授いただき、勉強になりました。

長らく、どうもありがとうございます。

お礼日時:2010/10/27 08:02

No.1・2です。

補足を受けましたので。(長くなってしまったので2つに分割して回答致します。)
RQ-1プレデターに関する疑問から発生したご質問ですが、もともとこのような軍用の無人航空機
の外観から、空力の安定を考え始めるのは若干無理がある気がします。前回も記述したように、
空力上の動安定が収束しない(中立である)または発散する(負である)設計であっても、ここに
アクティブな制御を加えて飛行可能に出来ますし、軍事上の運用目的からこれを前提に機体設計
が行われている可能性も大です。 このRQを冠する無人航空機シリーズには色々あるようで、
常識的なラジコン飛行機として見て普通に飛びそうなRQ-2、入門用ラジコン飛行機みたいな
RQ-11、RQ-1の大型版で垂直尾翼も上になったRQ-4などありますが、しかしながら
無尾翼(全翼)機のRQ-3とRQ-170
http://ja.wikipedia.org/wiki/RQ-3_%E3%83%80%E3%8 …
http://ja.wikipedia.org/wiki/RQ-170_(%E8%88%AA%E7%A9%BA%E6%A9%9F)
この全翼機に至っては、恐らく制御無しの空力的自律安定に頼った飛行は難しいと思われます。
有人の爆撃機B-2も全翼機ですが、これも常時フライバイワイヤ操縦に安定制御が介入して飛行
可能になっているそうです。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%A8%E7%BF%BC% …
アクティブ制御が入っている飛行機の安定に関しては外見からでは判断出来ません。生物の
「鳥」も垂直尾翼らしきものはついておりませんが、これもアクティブ制御の典型です。

ここは軍用無人機は置いといて、ここは模型航空機の、それも一切制御のないフリーフライト機
(FAIスポーティングコード上の「F1」)から理解されていく方がいいと思います。前回、模型飛行機
書籍の例を挙げたのはこのためです。この場合、純粋に空力的な自律安定が求められ、それに
基づいた設計が必要な飛行機です。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%A8%A1%E5%9E%8B% …
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No.1です。

誤記がありました。
誤変換されているのに気づかず、「上反角」をことごとく「上半角」と記してしまっていました。
訂正いたします。
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>さて、一般的な機体において、三軸の中でヨー軸、ロール軸周りの静安定を担うのが垂直尾翼です。


この表現は少々疑問です。垂直尾翼の役割として、方向安定(yaw軸回り)を担うのが主目的であって、
横安定(roll軸)に関しては前後の軸から高さがある場合は副次的にロール減衰モーメントを発生
しますが、横安定の大半を担っているのは主翼です。軸回りに考えれば、軸から突き出た距離は
どちらが大きいでしょうか。この主翼の発生するロール減衰モーメントと、主には上半角によりますが、
高翼機で上半角ゼロの場合はその重心からの取り付け位置と胴体との干渉によって、また後退翼
では上半角効果によって発生するロール復元モーメントもこれになります。

>ロール軸周りの静安定を得るためには、垂直尾翼は上向きに付いていなければなりません。
そんなことはありません。ゴム動力機で完全に垂直尾翼が胴体下に付いたものもありました。
また、無尾翼機で垂直面が無いものもあります。折り紙飛行機で一般的なものでは主翼の下
にしか垂直面が無い形が多いと思いますが、ちゃんと飛びます。

>RQ-1には上向きの垂直尾翼がありません。
>主翼には上反角が取り付けられているのでしょう。あるいは動的制御も行われているでしょう。
RQ-1 プレデターに詳しくはありませんが、
http://ja.wikipedia.org/wiki/RQ-1_%E3%83%97%E3%8 …
見た限りでは上半角は無いに等しいようです。しかし飛行中、柔軟性を持つ主翼が上に反っている
様には見えます。おっしゃる通り、遠隔操縦機ですので自律安定性は十二分に持っていなくては
なりませんが、なにしろ軍用ですので高度な安定制御を備えた上で実現していると思います。
基本的に横安定と方向安定は互いに関係し、個々の主翼形状や尾翼位置だけでその機体の
安定性がどうかを論じることは出来ません。また特殊な尾翼取り付け位置には地上ハンドリング
やレーダー反射の考慮など別な理由があるのかもしれません。

民間ジェット旅客機の大半も常時動作する安定装置を備えています。一般に後退翼の飛行機は
横安定が方向安定に対し強すぎて、そのままだとダッチロールに入ってしまいますのでヨーダンパー
というラダーに介入する制御をします。つまり現行の実機でも、全ての静安定・動安定に対して
自律安定が機体の空力設計そのものだけで「正」ではない例があるのです。

実機と模型の両方の話が混ざってしまいましたが、基本理論は同じです。興味がお有りでしたら、
以下のような書籍を御一読されることをお勧めします。実機の航空力学書よりは平易です。
・模型飛行機(理論と実際) 木村秀政 校閲/森 照茂 著
・ラジコン機の飛行を科学する 長谷川克 著 
どちらも電波実験社発行です。
http://www.rc-tech.co.jp/book_video/book/book.html
トップページはこちら
http://www.rc-tech.co.jp/

この回答への補足

なるほど、確かに折り紙飛行機の垂直尾翼は下向きですね。RQ-1なんてマニアックな機体を持ち出さなくても、とても身近に、下向きの垂直尾翼を持つ機体がありました。

>横安定の大半を担っているのは主翼です。

なるほど。ここに私の勘違いがあったわけですね。垂直尾翼が持つロール軸周りの安定力が主で、主翼のそれは従だと思っていました。

RQ-1の場合、静止状態で上反角は殆ど無いようですが、飛行状態では多分にあるでしょう。そちらの方が垂直尾翼による負の静安定に勝るということなのでしょう。

ところで模型飛行機では下向きの垂直尾翼が散見されるようですが、実用機では殆ど全てといって良いほど垂直尾翼は上向きです。これはどうしてなのでしょう。

私が思うに、従的役目とはいえ、一応垂直尾翼にもロール軸周りの安定力はあります。だから事情が無い限り、垂直尾翼は上向きに取り付けるべきなのに対して、折り紙飛行機などは手で放り出す際の持ちやすいという取り扱いの良さが優先されて、垂直尾翼が下向きになるように持つのが普通になった。一般的な折り紙飛行機の工作は気軽な遊びですから、遊びやすいことが飛行性能に優先するかと。

如何なものでしょう。

補足日時:2010/10/26 02:16
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