航空機のダイナミックモード

航空機の動的安定性とは、安定した非振動飛行の後に航空機が乱れた後にどのように挙動するかを指します。^[1]

振動運動は、1 回の完全な振動に必要な時間と、振幅が半分に減衰するのに必要な時間、または動的に不安定な運動の振幅が 2 倍になる時間という 2 つのパラメータで説明できます。縦方向の運動は、フゴイドモードと呼ばれる長周期振動と短周期モードと呼ばれる短周期振動 の 2 つの異なる振動で構成されます。

より長い周期のモードは「フゴイド モード」と呼ばれ、対気速度、ピッチ角、高度の振幅が大きく変動しますが、迎え角はほとんど変動しません。フゴイド振動は、航空機が乱された平衡水平飛行状態を回復しようとするときに、ある平衡エネルギー レベル付近で運動エネルギー(速度) と位置エネルギー(高度) がゆっくりと交換される現象です。動きが非常に遅いため、慣性力と減衰力の影響はごくわずかです。しかし、減衰力が非常に弱いにもかかわらず、周期が非常に長いため、パイロットは通常、振動が存在することを意識することなく、この動きを自動的に修正します。通常、周期は 20 ～ 60 秒です。この振動は、通常、パイロットが制御できます。

短い周期モードは特別な名前がなく、単に「短周期モード」と呼ばれます。この動きは、航空機が重心を中心に急激にピッチングする動きで、基本的には迎え角の変化です。短周期モードは、わずか数秒の周期の振動で、通常は水平尾翼やカナードなど、航空機の重心から遠く離れた揚力面の存在によって大幅に減衰します。振幅をその値の半分に減衰するのにかかる時間は、通常 1 秒程度です。スティックが短時間移動したときにすぐに自己減衰する機能は、一般的な航空機の認証の多くの基準の 1 つです。

「横方向」モードには、ローリング運動とヨーイング運動が含まれます。これらの軸の 1 つの運動は、ほとんどの場合、他の軸と連動するため、これらのモードは一般に「横方向モード」として説明されます。^{[注 1]}

横方向の動的運動には、ロール沈下モード、スパイラルモード、ダッチロールモードの 3 種類があります。

ロール沈下モードは、単にロール運動を減衰させるものです。翼を水平に戻す傾向のある直接的な空力モーメントは生成されません。つまり、ロール角度に比例する「バネ力/モーメント」は戻りません。ただし、長い翼の回転によって減衰モーメント (ロール速度に比例) が生成されます。これにより、ロール制御入力が行われたときに大きなロール速度が蓄積されるのを防ぎ、ロール制御入力がないときに ロール速度(角度ではない) をゼロに減衰します。

ロール モードは、高翼、上反角、後退角などの設計特性から生じる 上反角効果によって改善される可能性があります。

2 つ目の横方向の動きは、ロールとヨーが組み合わさった振動的な動きで、オランダ ロールと呼ばれます。これは、オランダのスケーターによる同名のアイス スケートの動きに似ているためと思われますが、名前の由来は明らかではありません。ダッチ ロールは、右へのヨーとロール、続いて平衡状態への回復、この状態をオーバーシュートして左へのヨーとロール、そして平衡姿勢を過ぎる、というように説明できます。周期は通常 3 ～ 15 秒程度ですが、軽飛行機の場合は数秒、旅客機の場合は 1 分以上とさまざまです。減衰は、方向安定性が大きく上反角が小さいと増加し、方向安定性が小さく上反角が大きいと減少します。通常の航空機では安定していますが、動きがわずかに減衰するため、非常に不快で望ましくない効果が生じる場合があります。後退翼航空機では、ダッチロールはヨーダンパーを取り付けることで解決されます。これは事実上、方向舵の修正を適用してヨー振動を減衰させる特殊目的の自動操縦装置です。後退翼航空機の中には、不安定なダッチロールを起こすものもあります。ダッチロールの減衰が非常に弱いか不安定な場合、ヨーダンパーはパイロットと乗客の利便性のためではなく、安全上の要件となります。デュアルヨーダンパーが必要であり、ヨーダンパーが故障すると、飛行が低高度に制限され、マッハ数も低くなる可能性があり、ダッチロールの安定性が向上します。

スパイラルダイブは生まれつきの現象です。水平直線飛行用にトリムされた航空機のほとんどは、操縦桿を固定して飛行すると、最終的にはスパイラルダイブに陥ります。^[2]スパイラルダイブが意図せず発生した場合、致命的な結果を招く可能性があります。

スパイラル ダイブはスピンではありません。失速やトルクからではなく、ランダムな摂動によって始まり、ロールと対気速度が増加します。パイロットがすぐに介入しないと、過剰な空力負荷または地形への飛行の結果として、機体の構造的破損につながる可能性があります。航空機は最初、何かが変化したという兆候をほとんど示しません。パイロットの「下降」感覚は、実際には航空機が真の垂直からますますロールオフしているにもかかわらず、飛行機の底部に対して引き続きあります。VFR 条件下では、パイロットは真の水​​平線を使用して自動的に水平からの小さな偏差を修正しますが、IMC または暗い状況では、偏差に気付かない場合があります。ロールが増加し、垂直ではなくなった揚力は飛行機を支えるのに不十分です。機首が下がり、速度が増加し、スパイラル ダイブが開始されます。

ロールが右方向だとします。横滑りが発生し、右から左へのスリップフローが発生します。次に、結果として生じる力を 1 つずつ調べ、右方向の影響をヨーイン、左ヨーアウト、またはロールインまたはロールアウトと呼びます。スリップフローは次のようになります。

• 飛行機の重心の後ろにあるフィン、ラダー、その他の側面部分を左に押し、右ヨーインを引き起こします。
• 重心の前方のサイドエリアを左に押し、左ヨーアウトを引き起こします。
• 右翼端を上に押し上げ、左翼端を下に押し下げ、上反角により左にロールアウトする。
• 左翼を速く、右翼を遅くする、ロールイン、
• 機体の重心より上の側面を左に押し出すと、ロールアウトが起こり、
• 機体の重心より下の側部を左に押し、ロールインし、

また、胴体と翼の相対的な垂直位置によって空気力学的な力が加わり、低翼構成のように胴体が翼の上にある場合はロールインのてこ作用が生じ、高翼構成のように胴体が翼の下にある場合はロールアウトのてこ作用が生じます。

動力を受けて回転するプロペラは、プロペラを通過する気流に影響を与えます。その影響は、スロットル設定（高回転時には高く、低回転時には低く）と航空機の姿勢によって異なります。

したがって、スパイラル ダイブは、航空機の設計、姿勢、スロットル設定など、さまざまな力が相乗して発生する結果です (影響を受けやすい設計では、エンジン出力時にスパイラル ダイブが発生しますが、滑空時には発生しない可能性があります)。

急降下中の航空機は、水平飛行時よりも運動エネルギーが大きくなります (速度の 2 乗に比例して変化します)。水平飛行に戻るには、回復によってこの余分なエネルギーを安全に除去する必要があります。手順は次のとおりです。

• 電源をすべてオフにする
• 水平線に向かって翼を水平にし、水平線が見えない場合には計器に向かって水平に
• 希望の速度に達するまで、コントロールを軽く押し下げて速度を落とします。
• 機体が水平になるまでロールし、機首が上がる傾向に注意しながら水平にし、パワーを回復する。

燃料の揺れによって縦方向または横方向に振動が生じることがあります。この現象は、ダグラス A4D、ロッキード P-80、ボーイング KC-135、セスナ T-37、ノースアメリカン YF-100などの航空機で発生していることが知られています。燃料タンクが満タンまたはほぼ空のときは、その影響は最小限です。満タンのタンクは質量は大きいですが動きは小さく、ほぼ空のタンクは動きは大きいですが質量は小さくなります。燃料タンクにバッフルを取り付けると燃料の揺れを軽減できますが、これにより質量が増加し、燃料容量が減少します。^{[3] : 419}

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