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エルロン（フランス語で「小さな翼」または「フィン」）は、通常、固定翼航空機の各翼の後縁の一部を形成する、ヒンジ付きの飛行制御面です。 [ 1 ]エルロンは、航空機のロール（航空機の縦軸を中心とした動き）を制御するためにペアで使用され、通常、揚力ベクトルの傾きによって飛行経路が変化します。この軸を中心とした動きは、ローリングまたはバンクと呼ばれます。
エルロンの発明の功績については、かなりの論争が存在する。ライト兄弟とグレン・カーチスは、横方向の制御を実現するために翼をねじる方法を記述した1906年のライトの特許をめぐって、長年にわたる法廷闘争を繰り広げた。兄弟は、カーチスのエルロンの使用がライトの特許を侵害しているという判決で、いくつかの裁判で勝訴した。最終的に、第一次世界大戦により、米国政府は法的な解決策を立法せざるを得なくなった。エルロンの概念は、それよりはるか以前の1868年に、英国の科学者マシュー・ピアーズ・ワット・ボルトンによって、1864年の論文「空中運動について」に基づいて特許が取得されている。
「aileron」という名称はフランス語で「小さな翼」を意味し、鳥の翼の先端で飛行を制御するために使われる部分を指す。[ 2 ] [ 3 ] 1877年のカッセルのフランス語-英語辞典第7版で初めて印刷物に登場し、その主要な意味は「小さな翼」であった。[ 4 ]動力飛行機の文脈では、1908年頃に印刷物に登場した。それ以前は、方向や機能の区別なく、より技術的に古い兄弟分であるラダーと呼ばれることが多かったか、あるいは水平ラダー（フランス語ではgouvernails horizontaltaux ）とより記述的に呼ばれていた。航空分野で「aileron」が印刷物で使用された最も初期の例の一つは、 1908年のフランスの航空雑誌「L'Aérophile 」である。 [ 5 ]
エルロンは、ラダーとエレベーターの飛行制御機能がほぼ標準化された後、1915 年頃までに、翼のねじりなどの他の横方向制御方法をほぼ完全に置き換えていました。エルロンとその機能、つまり横方向制御またはロール制御を最初に発明したのは誰かについては、以前は多くの相反する主張がありましたが、[ 5 ]飛行制御装置は、英国の科学者で形而上学者のマシュー・ピアーズ・ワット・ボルトンが1864 年の論文「空中運動について」で発明し、記述しました。彼は 1868 年にエルロン制御システムの特許を最初に取得した人物です。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
ボルトンの横方向飛行制御システムの説明は、「受動的な横方向安定性とは区別される能動的な横方向制御の必要性を認識した最初の記録である。ボルトンのこの発明により、現代の3トルク方式による空中制御が誕生した」とチャールズ・マンリーが称賛した。[ 9 ]これはCHギブス・スミスも支持した。[ 10 ] [ 11 ] ボルトンの英国特許第392号（1868年）は、フランスでエルロンが「再発明」される約35年前に発行されたもので、飛行制御装置が一般的に使用されるようになるまで忘れ去られ、人目に触れることはなかった。[ 12 ] [注1 ]ギブス・スミスは何度か、ライト兄弟が法的書類を提出した時点でボルトンの特許が明らかになっていたら、飛行機の横方向制御の発明の優先権を主張できなかったかもしれないと述べている。ライト兄弟が1906年に特許を取得できたという事実は、ボルトンの失われた忘れ去られた発明を無効にするものではなかった。[ 10 ]
エルロンは、1904年にロベール・エスノー・ペルテリーのグライダーに採用されるまで有人航空機には使用されていなかったが、 [ 5 ] [ 13 ] 1871年にはフランスの軍事技術者シャルル・ルナールが、ボルトン式の振り子制御単軸自動操縦装置によって作動するエルロン（彼はこれを「ウィングレット」と呼んだ）を両側に備えた無人グライダーを製作し、飛行させた。[ 14 ]
先駆的なアメリカの航空技術者オクターヴ・シャヌートは、 1903年に当時の主要な航空雑誌『L'Aérophile 』にライト兄弟の1902年のグライダーの説明と図面を掲載した。これがきっかけとなり、フランスの軍事技術者エスノー＝ペルテリーは、翼のねじりの代わりに補助翼を使用したライト式グライダーを1904年に製作した。[ 5 ]その後、フランスの雑誌『L'Aérophile』は、1905年6月の記事にエスノー＝ペルテリーのグライダーの補助翼の写真を掲載し、その補助翼はその後広く模倣された。[ 8 ] [ 15 ] [ 16 ]
ライト兄弟は1902年にグライダーのロール制御にエルロンの代わりに翼のねじりを使用し、1904年頃には彼らのフライヤーIIは当時唯一協調バンクターンが可能な航空機でした。動力飛行の初期の頃、ライト兄弟の設計は可動翼面を使用する飛行機よりもロール制御が優れていました。1908年以降、エルロンの設計が改良されるにつれて、エルロンは翼のねじりよりもはるかに効果的で実用的であることが明らかになりました。エルロンには、翼のねじり技術のように飛行機の翼構造を弱めないという利点もあり[ 5 ]、これがエスノー・ペルテリーがエルロンに切り替えることを決めた理由の1つでした[ 16 ] 。
1911 年までに、ほとんどの複葉機は翼のねじりではなく補助翼を使用するようになり、1915 年までには単葉機でも補助翼がほぼ普遍的になった。第一次世界大戦までの数年間、自国の航空技術の進歩が遅れていることに苛立った米国政府は、特許プールを施行し、ライト兄弟の特許戦争を事実上終結させた。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]ライト社もその頃、航空機の飛行制御を翼のねじりから補助翼の使用にひっそりと変更した。
これまで補助翼を最初に導入したと考えられていた人物には、以下のような人物が含まれる。
ライト兄弟のオハイオ州の特許弁護士ヘンリー・トゥールミンは広範な特許出願を行い、1906年5月22日、兄弟は米国特許第821393号を取得しました。[ 25 ]この特許の重要性は、飛行機を制御する新しい有用な方法のクレームにありました。特許出願には、翼のねじりに限定されず、「飛行機[翼]の側縁の角度関係が反対方向に変化する」あらゆる操作による航空機の飛行の横方向制御のクレームが含まれていました。したがって、この特許は、横ロール制御を実現するために、飛行機の翼の外側部分を左右で異なる角度に調整するために、翼のねじり以外の方法も使用できることを明示的に述べていました。ジョン・J・モンゴメリーは、翼のねじりの方法について、ほぼ同時期に米国特許第831173号を取得しました。 [ 26 ]ライト兄弟の特許とモンゴメリーの特許はどちらも、米国特許庁の同じ特許審査官であるウィリアム・タウンゼントによって審査され、承認された。[ 27 ]当時、タウンゼントは、翼のねじり方の両方が独立して発明され、それぞれが独自の特許を付与されるに値するほど十分に異なっていると指摘した。
複数の米国裁判所の判決は、ライト兄弟が飛行機1機あたり1,000ドルから始まるライセンス料で執行しようとした広範なライト特許を支持しており[ 5 ] [ 28 ]、1日あたり最大1,000ドルに達すると言われている[ 29 ] 。ワシントンDCのスミソニアン航空宇宙博物館の元学芸員であるルイス・S・ケーシーや他の研究者によると、ライト兄弟は取得した特許のために、世界中のどこであれ、横ロール制御を使用した飛行はすべて、彼らのライセンスの下でのみ行われるという立場を固く守っていた[ 29 ] 。
その後、ライト兄弟は横方向の操縦装置を使用する航空機製造業者に対して起こした多数の訴訟に巻き込まれ、その結果、「第一次世界大戦前および大戦中に、ドイツなどの他国と比較して、米国の航空産業の成長と競争の欠如に大きな役割を果たした」として非難された。[ 28 ]米国が第一次世界大戦に参戦するまで、他の多くの航空機製造業者との間で長年にわたる法廷闘争が続き、参戦時に政府は関係者間で法律上の合意を強制し、その結果、ライト兄弟に1%のロイヤリティが支払われることになった。[ 29 ]
エルロンを最初に発明したのは誰かについては、今日でも意見が分かれている。シャルル・ルナール、アルフォンス・ペノー、ルイ・ムイヤールなど、19世紀の他の技術者や科学者も、同様の飛行制御面について記述していた。横方向の飛行制御のための別の技術である翼のねじりも、ジャン＝マリー・ル・ブリス、ジョン・モンゴメリー、クレメント・アデール、エドソン・ガローデ、DD・ウェルズ、ヒューゴ・マトゥラートなど数名によって記述または実験された。 [ 5 ] [ 30 ]航空史家のCH・ギブス＝スミスは、エルロンは「航空史における最も注目すべき発明の1つでありながら、すぐに忘れ去られてしまった」と書いている。[ 5 ]
1906年、ライト兄弟は飛行機の発明（グライダーという形で数十年間存在していた）ではなく、飛行機械の表面を操作する空力制御システムの発明で特許を取得しました[ 31 ]。ただし、方向舵、昇降舵、補助翼はそれ以前に発明されていました。
エルロンのペアは通常相互に連動しており、一方が下方に動くと他方が上方に動きます。下方に動くエルロンは翼の揚力を増加させ、上方に動くエルロンは翼の揚力を減少させ、航空機の縦軸（機首から尾部まで伸びる軸）を中心としたローリング、または「バンク」モーメントを生み出します。[ 32 ]エルロンは通常翼端付近に配置されますが、翼根付近に配置される場合もあります。現代の旅客機には、翼にもう1組のエルロンが装備されている場合もあり、2つの位置は「外側エルロン」と「内側エルロン」という用語で区別されます。
エルロン操作の望ましくない副作用の一つに、ロールとは逆方向のヨーイングモーメントである逆ヨーがあります。エルロンを使って航空機を右にロールさせると、左方向へのヨーイング運動が発生します。航空機がロールすると、逆ヨーは左右の翼の抗力の変化によって部分的に引き起こされます。上昇する翼は揚力を増加させ、誘導抗力を増加させます。下降する翼は揚力を減少させ、誘導抗力を減少させます。偏向したエルロンによって生じるプロファイル抗力は、片方の翼が後方に回転し、もう片方が前方に回転することによる揚力ベクトルの変化とともに、この差をさらに大きくする可能性があります。
協調旋回では、逆ヨーはラダーの使用によって効果的に補償されます。ラダーは垂直尾翼に横方向の力を発生させ、それが好ましいヨーモーメントを生み出すことで逆ヨーに対抗します。補償方法のもう1つは「差動エルロン」です。これは、下向きのエルロンの偏向角が上向きのエルロンの偏向角よりも小さくなるように調整されています。この場合、反対方向のヨーモーメントは、左右の翼端間のプロファイル抗力の差によって発生します。フリーズエルロンは、上向きに偏向したエルロンの翼の下側に突き出すことで、このプロファイル抗力の不均衡を強調します。多くの場合、エルロンは前縁の少し後ろ、翼面の下端付近でヒンジで固定されており、エルロンが上向きに偏向すると、エルロン表面の前縁の下部が翼下面よりわずかに突き出し、その側のプロファイル抗力が大幅に増加します。エルロンは、これらの方法を組み合わせて設計することもできます。[ 32 ]
エルロンが中立位置にある場合、翼幅全体にわたる対気速度の変化により、旋回外側の翼は反対側の翼よりも大きな揚力を発生させ、その結果、機体はロールし続ける傾向があります。目的のバンク角（縦軸を中心とした回転角度）が得られたら、パイロットは反対側のエルロンを使用して、翼幅全体にわたる揚力の変化によってバンク角が増加するのを防ぎます。このわずかな逆方向の操縦は、旋回中ずっと維持する必要があります。パイロットはまた、逆ヨーを打ち消し、胴体が飛行経路と平行になる「協調旋回」を実現するために、旋回と同じ方向にわずかなラダーを使用します。計器盤にあるスリップインジケーターと呼ばれる単純なゲージ（「ボール」とも呼ばれる）は、この協調が達成されたことを示します。[ 32 ]
特に大型機や高速機では、操縦に必要な力が非常に重くなることがあります。操縦翼面の面積をヒンジより前方に伸ばすと必要な力が軽くなるというボートの発見を応用したこの方法は、第一次世界大戦中にエルロンに初めて採用されました。エルロンは翼端より前方に伸ばされ、ヒンジより前方にホーンが設けられました。オーバーハングエルロンとして知られるこのエルロンの最も有名な例は、ハンドレー・ページ タイプO（初飛行1915年12月17日）、ソッピース・スナイプ、フォッカー Dr.I、フォッカー D.VIIです。後期の例では、操縦性を向上させ抗力を低減するために、カウンターバランスを翼と一直線上に配置しました。現在では、同じ利点を提供するフリーズ型エルロンの登場により、この方式はあまり見られなくなりました。
トリムタブは、エルロンの後縁付近に位置する、小型の可動式エルロンです。プロペラ機では、プロペラの回転によって、ニュートンの第三法則（すべての作用には等しく反対の反作用がある）により、反作用的なロール運動が発生します。パイロットがスティックに常に一方向に圧力をかけ続けることが疲労の原因となるため、トリムタブは不要な動きを抑制するために必要な圧力を調整またはトリムアウトするために使用されます。トリムタブ自体はエルロンに対して偏向され、エルロンを反対方向に動かします。トリムタブには、調整式と固定式の2種類があります。固定式トリムタブは手動で必要な偏向量まで曲げますが、調整式トリムタブはコックピット内から制御できるため、さまざまな出力設定や飛行姿勢を補正できます。 1950年代の大型航空機（カナディア・アーガスを含む）の中には、パイロットがトリムタブの偏向のみによって操縦する、自由浮動式の操縦翼面を採用しているものがあり、その場合、水平直線飛行を実現するために操縦を微調整するための追加のタブも備えられていた。
スペードは平らな金属板で、通常はレバーアームによってエルロンヒンジの前方、エルロン下面に取り付けられます。スペードはエルロンを偏向させるのに必要なパイロットの力を軽減し、曲技飛行機によく見られます。エルロンが上方に偏向されると、スペードは下向きの空力力を発生させ、アセンブリ全体を回転させてエルロンをさらに上方に偏向させる傾向があります。スペード（およびそのレバーアーム）のサイズによって、エルロンを偏向させるのに必要なパイロットの力が決まります。スペードはホーンと同じように機能しますが、モーメントアームが長いため、より効果的です。
操縦翼面のフラッター（空力弾性フラッター）が発生する速度を上げるために、操縦翼面の重心をその翼面のヒンジラインに向かって移動させます。これを実現するために、エルロンの前部に鉛のおもりを追加することがあります。一部の航空機では、エルロンの構造が重すぎて、エルロンの重量が過度に増加することなくこのシステムを機能させることができない場合があります。この場合、おもりをレバーアームに追加して、おもりをエルロン本体の前方に大きく移動させます。これらのバランスウェイトは（抗力を減らすために）涙滴型をしており、どちらもエルロンの前方下方に突き出ているものの、スペード型とはかなり異なって見えます。質量バランスは、フラッターのリスクを低減するだけでなく、操縦時に操縦翼面を動かすのに必要なスティックの力も低減します。
特に後退翼に取り付けられた補助翼の中には、翼の内側平面と面一になるように翼フェンスのようなフェンスが設けられているものがある。これは、翼上面を流れる気流の翼幅方向の成分の一部を抑制するためである。この気流は、補助翼が下方に偏向した際に、補助翼上部の層流を乱す傾向がある。
航空の戦前の「開拓時代」から第一次世界大戦初期にかけて使用されたこれらの補助翼は、それぞれ1本のケーブルで制御され、ケーブルが補助翼を引き上げました。航空機が静止しているときは、補助翼は垂直に下向きに垂れ下がっていました。このタイプの補助翼は、ファーマン III複葉機 1909 とショート 166で使用されました。翼のねじりを利用したこの「逆」バージョンは、翼端を「下向き」にのみねじるサントス・デュモンドゥモワゼルの後期バージョンに存在しました。 [ 33 ]この構成の欠点の 1 つは、基本的な相互接続補助翼よりもヨーイング傾向が大きかったことです。[ 34 ] 1930 年代には、多くの軽飛行機が単動制御を使用しましたが、スティックを放すと補助翼を中立位置に戻すためにスプリングを使用しました。
現代の飛行制御システムに直接つながる「ジョイスティック/ラダーバー」制御の組み合わせを初めて採用した機体である1908年のブレリオVIIIで使用された[ 35 ]初期の航空機の設計の中には、「翼端」エルロンを使用したものがあり、翼端全体を回転させて独立した旋回ロール制御面としてロール制御を実現していた。AEAジューンバグはこの形式を採用しており、1916年のドイツの実験機フォッカーV.1と、全ジュラルミン製単葉機ユンカースJ7の初期バージョンもこれを使用していた。J7は、従来型のヒンジ式エルロンを備えた1918年のドイツの全ジュラルミン製戦闘機ユンカースDIの設計に直接つながった。このタイプのエルロンの主な問題は、特に航空機がすでに失速の危険にさらされている場合、積極的に使用すると危険な失速傾向があり、そのため主に試作機で使用され、量産機ではより従来型のエルロンに置き換えられた。
ブリストル飛行機会社のエンジニア、レスリー・ジョージ・フリーズ（1897～1979） [ 37 ]は、翼弦長の約25～30%の位置で、かつ下面付近で回転軸となるエルロン形状を開発した。1930年代に航空機の速度が上がるにつれて、操縦桿にかかる力を減らすために、フリーズ式エルロンが開発されました。エルロンを上方に偏向させると（翼を下げるため）、エルロンの前縁が翼の下面から突き出て、翼の下の気流に入ります。気流中の前縁のモーメントが後縁を上方に動かすのを助け、操縦桿にかかる力を減少させます。下方に動くエルロンは境界層にもエネルギーを与えます。エルロンの縁は、翼の下面からエルロンの上面に気流を導き、翼の揚力に加えて揚力を生み出します。これにより、エルロンの必要な偏向が減少するのです。1930年のカナダ海軍のモデル2複葉機と、1938年に人気を博したアメリカのパイパーJ-3カブ単葉機は、いずれも設計どおりフリーズ式エルロンを備えており、このエルロンを広く普及させるのに貢献しました。
フリーズエルロンの利点として挙げられるのは、逆ヨーを打ち消す能力です。そのためには、エルロンの前縁を鋭利にするか鈍く丸くする必要があります。これにより、上向きのエルロンに大きな抗力が生じ、下向きのもう一方のエルロンによって発生するヨー力とのバランスを取るのに役立ちます。これにより、不快な非線形効果や、潜在的に危険な空力振動（フラッター）が発生する可能性があります。[ 38 ]逆ヨーモーメントは基本的に、航空機のヨー安定性と、エルロンの差動動作の使用によって打ち消されます。[ 39 ]
フリーズ型エルロンはスロットも形成するため、下げたエルロンの上を空気がスムーズに流れ、高迎角でより効果的になります。フリーズ型エルロンは、差動的に動作するように設計することもできます。差動エルロンと同様に、フリーズ型エルロンは逆ヨーを完全に除去するわけではありません。エルロンを操作する際には、依然としてラダーの操作を協調させる必要があります。[ 36 ]
機械的なリンク機構を慎重に設計することで、上エルロンを下エルロンよりも大きく偏向させることができます（例えば、米国特許第1,565,097号）。[ 40 ]これは、エルロンを高迎角で偏向させたときに翼端失速の可能性を低減するのに役立ちます。さらに、結果として生じる抗力の差は、逆ヨーを低減します[ 41 ]（上記でも説明したとおり）。このアイデアは、上エルロンに関連する揚力の損失はペナルティを伴わず、下エルロンに関連する揚力の増加は最小限に抑えられるというものです。航空機のローリングカップルは常に、2つの翼間の揚力の差です。デ・ハビランドの設計者がシンプルで実用的なリンク機構を発明し、同社のデ・ハビランド タイガーモスクラシック ブリティッシュ複葉機は、差動エルロンを使用した最も有名な航空機の1つであり、最も初期の航空機の1つとなりました。[ 42 ]
ライトフライヤーや、後に1909年に開発されたブレリオXIやエトリッヒ・タウベなどの初期のパイオニア時代の航空機では、横方向の制御は翼の外側部分をねじって迎角を変え、揚力を増減させることで行われていました。 [ 43 ]この方式には、構造にストレスがかかり、操縦が重くなり、操縦中に迎角が大きくなった側が失速する危険性があるという欠点がありました。 1916年までに、ほとんどの設計者は翼のねじりを放棄し、エルロンを採用しました。NASAなどの研究者は、新しい名前で翼のねじりを再び検討しています。 NASAのバージョンはX-53アクティブ空力弾性翼で、米国空軍は適応型コンプライアント翼をテストしました。[ 44 ] [ 45 ]
スポイラーとは、翼上の気流に突き出すことで気流を乱し、発生する揚力を減少させる装置である。現代の航空機、特にジェット機では、スポイラーは補助翼の代わり、あるいは補助翼を補完するものとして用いられることが多く、例えばF4ファントムIIやノースロップP-61ブラックウィドウは、ほぼ全幅のフラップを備えていた（翼端には非常に小さな従来型の補助翼もあった）。
上反角を持つすべての航空機は、安定性を高めるために何らかのヨー・ロール連動機構を備えています。セスナ152/172シリーズのような一般的な練習機は、ラダーだけでロール制御が可能です。ボーイング737のラダーは、高迎角ではエルロンよりも機体のロール制御能力が高くなります。このため、ラダーが完全に偏向した位置で固着し、横転事故が2件発生しました（ボーイング737のラダーの問題を参照）。
フォッカー・スピンや模型グライダーなど、一部の航空機には横方向の制御機構がありません。これらの航空機は、従来の航空機よりも大きな上反角を使用します。方向舵を操作するとヨーが発生し、翼の揚力差が大きくなり、ヨーによるロールモーメントが生じます。このタイプの制御システムは、フライング・フリー・ファミリーの小型航空機や、よりシンプルな2機能（ピッチとヨーの制御）のグライダー模型、あるいは3機能（ピッチ、ヨー、スロットルの制御）の模型動力航空機、例えば「オールドタイマー」と呼ばれる自由飛行型エンジン搭載模型航空機の無線操縦版などでよく見られます。
1917年、海軍次官補（フランクリン・D・ルーズベルト閣下）が組織した委員会の勧告により、米国のほぼすべての航空機メーカーを網羅する航空機特許プールが私的に設立された。製造航空機協会の設立は米国政府にとって極めて重要であった。なぜなら、2大特許保有者であるライト社とカーチス社が、米国が第一次世界大戦に参戦するにあたり切実に必要とされていた新型航空機の製造を事実上阻止していたからである。
この異例の取り決めは独占禁止法違反と解釈される可能性があったが、幸いにもそうではなかった。これは明確な経済的目的を果たした。重要な部品に関する単一の特許の保有者が、航空機全体の製造を遅らせることを防ぐためである。実際には、このプールは市場構造にも技術進歩にも影響を与えなかった。米国製の航空機の速度、安全性、信頼性は、このプールが存在していた年月（1975年まで）にわたって着実に向上した。その間、ダグラス、ボーイング、ロッキード、コンベア、マーティンなど、いくつかの企業が商用航空機市場で大きなシェアを占めていたが、そのいずれもが長期間市場を支配したわけではなかった。
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