Loading article…
航空機の機械構造は機体として知られています。[ 1 ]この構造は通常、胴体、降着装置、尾翼、翼を含み、推進システムは除外されます。[ 2 ]
機体設計は、航空宇宙工学の一分野であり、重量、強度、空気抵抗、信頼性、コストに重点を置きながら、空気力学、材料技術、製造方法を組み合わせます。
近代航空機の歴史は、ライトフライヤー号の初飛行によって米国で始まり、固定翼機の設計が持つ可能性を示した。
1912年、デペルデュッサン・モノコックは、円形のフレームの上に薄い合板の層を重ねた軽量で丈夫な流線型のモノコック胴体を採用し、時速210km （130mph ）を達成した。[ 3 ] [ 4 ]
第一次世界大戦中、多くの初期の航空機開発は軍事的ニーズによって促進された。この時代の有名な航空機としては、オランダ人設計者アンソニー・フォッカーがドイツ帝国空軍のために設計した戦闘機、アメリカのカーチス飛行艇、そしてドイツとオーストリアのタウベ社製の単葉機などが挙げられる。これらの航空機は、木材と金属を組み合わせた構造を採用していた。
1915/16年頃までに、ドイツのルフト・ファールツォイク・ゲゼルシャフト社は、合板の細片を最大4層に斜めに苦労して「巻き付け」、コンクリート製の雄型を「左」と「右」に分割して、完全なモノコック構造の木製機体を開発しました[ 5 ]。これは1916年のLFGローランドC.IIで初めて採用され、後にプファルツ・フルークツォイクヴェルケ社にライセンス供与され、同社のDシリーズ複葉戦闘機に使用されました。
1916年、ドイツのアルバトロス D.III複葉戦闘機は、縦通材と隔壁に接着された荷重支持合板スキンパネルを備えたセミモノコック胴体を採用していました。金属が木材に取って代わるにつれて、これは一般的な応力外皮構造構成に置き換えられました。[ 3 ]アルバトロス社のコンセプトと同様の方法は、ハノーバーシェ・ヴァッゴンファブリーク社が軽量2人乗りCL.IIからCL.V設計に、またシーメンス・シュッケルト社が後のシーメンス・シュッケルト D.IIIおよびより高性能なD.IV複葉戦闘機設計に使用しました。アルバトロス D.IIIの構造は、特許を取得したLFGヴィッケルルンプフの外装コンセプトよりもはるかに複雑ではありませんでした。
ドイツのエンジニア、フーゴ・ユンカースは、 1915年に鋼鉄製の全金属製、片持ち翼、応力外皮構造の単葉機、ユンカース J 1で初めて全金属製の機体を飛行させた。[ 3 ]この技術は、戦前にドイツのアルフレッド・ウィルムによって発明された軽量のジュラルミンでさらに発展し、1918 年のユンカース DIの機体で使用された。この技術は、戦後、アメリカのエンジニア、ウィリアム・ブッシュネル・スタウトとソ連の航空宇宙エンジニア、アンドレイ・ツポレフによってほぼそのまま採用され、1930 年代までに翼幅 60 メートルまでの航空機に有用であることが証明された。
1915年のJ 1と1918年のDI戦闘機に続き、1919年にはDIと同様にジュラルミン製の初の全金属製輸送機、ユンカースF.13が登場した。300機が製造され、初の4発エンジン搭載の全金属製旅客機、唯一のツェッペリン・シュターケンE-4/20も製造された。[ 3 ] [ 4 ] 1920年代と1930年代の商用航空機の開発は、星型エンジンを使用した単葉機設計に重点が置かれた。1927年にチャールズ・リンドバーグが大西洋を横断したスピリット・オブ・セントルイスのように、1機のみまたは少量生産されたものもあった。ウィリアム・スタウトは1926年に全金属製のフォード・トライモーターを設計した。 [ 6 ]
1929年に飛行したHall XFH海軍戦闘機の試作機は、リベット留めされた金属製胴体を持つ最初の航空機でした。アルミニウムの外板を 鋼管に被せた構造です。Hallはまた、同じく1929年に飛行したHall PH飛行艇で、外板パネル間のフラッシュリベットと突き合わせ接合を先駆的に採用しました。 [ 3 ]イタリアのSavoia-Marchetti S.56をベースにした1931年のBudd BB-1 Pioneer実験飛行艇は、耐腐食性ステンレス鋼で作られ、米国の鉄道車両メーカーであるBudd Companyが新たに開発したスポット溶接で組み立てられました。[ 3 ]
オリジナルのユンカースの波形ジュラルミン被覆機体設計思想は、1932年に誕生したユンカース Ju 52三発旅客機で頂点に達し、第二次世界大戦中、ナチス・ドイツ空軍によって輸送と空挺部隊のニーズに使用されました。ヨシフ・スターリンのソビエト連邦のアンドレイ・ツポレフの設計では、全金属製航空機が徐々に大型化し、1934年には当時最大の航空機である8発エンジンのツポレフ ANT-20 が誕生しました。また、ドナルド・ダグラスの会社は、1936年に象徴的なダグラス DC-3双発旅客機を開発しました。 [ 7 ]これらは、全金属製機体の使用により、その時代から生まれた最も成功した設計の一つでした。
1937年、ロッキードXC-35は、広範囲にわたる高高度飛行試験を受けるために特別に客室与圧装置を備えて製造され、与圧客室を備えた最初の商用航空機となるボーイング307ストラトライナーへの道を開いた。[ 4 ]
第二次世界大戦中、機体設計は再び軍事的ニーズに支配された。最もよく知られているのは、アメリカのC-47スカイトレイン、B-17フライングフォートレス、B-25ミッチェル、P-38ライトニング、ジオデシック構造を採用したイギリスのビッカース・ウェリントン、そしてアブロ・ランカスターであり、これらはすべて1930年代のオリジナル設計を改良したものである。最初のジェット機は戦争中に生産されたが、大量生産はされなかった。
戦時中のアルミニウム不足のため、デ・ハビランド モスキート戦闘爆撃機は木材で作られました。バルサ材の芯に合板の表面材を接着し、型を使ってモノコック構造を成形しました。これが、後にデ・ハビランド コメットやフォッカー F27、F28で使用される金属同士の接着技術の開発につながりました。[ 3 ]
戦後の民間航空機の設計は、旅客機、ターボプロップエンジン、そしてジェットエンジンに焦点を当てた。ターボプロップエンジンとジェットエンジンの一般的に高い速度と引張応力は大きな課題であった。[ 8 ]銅、マグネシウム、亜鉛を含む新開発のアルミニウム合金は、これらの設計にとって重要であった。[ 9 ]
1952年に初飛行し、表面摩擦による耐熱性を必要とするマッハ2での巡航用に設計されたダグラスX-3スティレットは、初のチタン製航空機でしたが、出力不足でかろうじて超音速でした。マッハ3.2のロッキードA-12とSR-71も主にチタン製で、開発中止となったマッハ2.7の超音速輸送機ボーイング2707も同様でした。[ 3 ]
耐熱チタンは溶接が難しく加工も困難なため、1964年に初飛行したマッハ2.8のミコヤン・グレビッチMiG-25戦闘機には溶接ニッケル鋼が使用され、マッハ3.1のノースアメリカンXB-70ヴァルキリーはろう付けステンレス鋼ハニカムパネルとチタンを使用していたが、1964年の初飛行時には開発中止となっていた。[ 3 ]
1969年にマクドネル・ダグラスF-15イーグル用にコンピュータ支援設計システムが開発され、1974年にグラマンF-14トムキャットと並んで初飛行し、両機とも尾部にホウ素繊維複合材が使用された。より安価な炭素繊維強化ポリマーは、マクドネル・ダグラスAV-8BハリアーII、F/A-18ホーネット、ノースロップ・グラマンB-2スピリットの翼外板に使用された。[ 3 ]
1985年に初飛行したエアバスA310-300の垂直尾翼は、商用航空機で使用された最初の炭素繊維製主要構造物でした。それ以来、エアバスの旅客機では複合材の使用が増加しており、 1987年にはA320の水平尾翼、1994年にはA330 / A340 、 2005年にはA380の中央翼ボックスと後部胴体に使用されています。[ 3 ]
1998年に型式証明を取得したCirrus SR20は、全複合材構造で製造された最初の大量生産された一般航空機であり、2000年代には他のいくつかの軽飛行機がそれに続いた。[ 10 ]
2009年に初飛行したボーイング787は、構造重量の50%が炭素繊維複合材でできており、20%がアルミニウム、15%がチタンでできている最初の商用航空機です。この素材により、抗力が低く、翼のアスペクト比が高く、客室の与圧が高くなっています。競合機である2013年初飛行のエアバスA350は、構造重量の53%が炭素繊維です。[ 3 ]一体型の炭素繊維製胴体を採用しており、「1,200枚のアルミニウム板と40,000個のリベット」を置き換えると言われています。[ 11 ]
2013年のボンバルディアCシリーズは、耐損傷性と修理性を高めるために、軽量アルミニウムリチウム合金胴体と乾式繊維樹脂注入翼を採用しており、この組み合わせは将来のナローボディ機にも使用できる可能性がある。[ 3 ] 2016年には、Cirrus Vision SF50が、完全に炭素繊維複合材で作られた初の認証済み軽ジェット機となった。
2017年2月、エアバスはSciaky, Inc.の電子ビーム積層造形技術を用いたチタン製航空機構造部品用の3Dプリンティングマシンを設置した[ 12 ]。
機体製造は厳格なプロセスとなっている。製造業者は厳格な品質管理と政府の規制の下で操業している。確立された基準からの逸脱は重大な懸念事項となる。[ 14 ]
航空設計における画期的な出来事である世界初のジェット旅客機、デ・ハビランド・コメットは1949年に初飛行しました。初期モデルは機体金属疲労による深刻な損傷を受け、広く報道された一連の事故を引き起こしました。ファーンバラ空港で行われた王立航空研究所の調査により、航空機の墜落事故再現という科学が確立されました。特別に設計された圧力チャンバー内で3000回の加圧サイクルを行った結果、機体の破損は四角い窓の形状に起因する応力集中によるものであることが判明しました。窓は接着剤とリベットで固定するように設計されていましたが、実際にはパンチリベットのみで固定されていました。ドリルリベットとは異なり、パンチリベットで作られた穴の不完全さが、リベット周辺に疲労亀裂の発生を引き起こす可能性があります。
1957年に初飛行したロッキードL-188エレクトラ・ターボプロップ機は、振動制御と金属疲労対策に関する貴重な教訓となった。1959年のブラニフ航空542便墜落事故は、機体製造業界とその航空会社顧客が新技術導入時に直面する困難を浮き彫りにした。
この事故は、2001年にアメリカン航空587便が離陸時に垂直尾翼が胴体から分離した後にエアバスA300が墜落した事故と比較されるべきであり、最近の多くの機体に使用されている複合材料に関連する運用、保守、設計上の問題に注意を喚起した。 [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] A300は他の構造上の問題も経験していたが、これほどの規模のものはなかった。
20世紀が進むにつれて、アルミニウムは航空機に不可欠な金属となった。1903年にキティホークでライト兄弟の飛行機に搭載されたエンジンのシリンダーブロックは、8%の銅を含むアルミニウム合金の一体鋳造品であった。アルミニウム製のプロペラブレードは1907年には既に登場しており、アルミニウム製のカバー、シート、カウリング、鋳造ブラケット、その他同様の部品は第一次世界大戦が始まる頃には一般的になっていた。1916年、L.ブレケは偵察爆撃機を設計し、これが航空機の作動構造にアルミニウムが初めて使用された事例となった。戦争終結までに、連合国とドイツは胴体と翼の構造フレームワークにアルミニウム合金を採用した。[ 18 ]
航空機の機体は、アルミニウム合金にとって最も要求の厳しい用途であり、高強度合金の開発を記録することは、機体の開発を記録することにもなります。最初の高強度熱処理可能なアルミニウム合金であるジュラルミンは、第一次世界大戦中にドイツと連合国によって硬式飛行船の骨組みに最初に採用されました。ジュラルミンはアルミニウム・銅・マグネシウム合金で、ドイツで誕生し、米国で合金17S-T（2017-T4）として開発されました。主にシートやプレートとして使用されました。
アルミニウム・亜鉛・マグネシウム・銅合金である7075-T6合金（降伏強度70,000psi）は1943年に導入されました。それ以来、ほとんどの航空機構造はこのタイプの合金で設計されています。7075-T6合金で設計された最初の航空機は、海軍のP2V哨戒爆撃機でした。同じシリーズのより高強度の合金である7178-T6（降伏強度78,000psi）は1951年に開発されましたが、破壊靭性に優れた7075-T6合金に取って代わることはありませんでした。
合金7178-T6は、主に圧縮荷重下での性能が重要な構造部材に使用されます。
合金7079-T6は1954年に米国で導入されました。厚さ3インチを超える鍛造品では、7075-T6よりも高い強度と優れた横方向延性を発揮します。現在では、シート、プレート、押出材、鍛造品として入手可能です。
7079-T6よりも応力腐食耐性に優れた合金X7080-T7は、厚肉部品向けに開発が進められている。焼入れ速度に対する感受性が比較的低いため、厚肉部でも低い焼入れ応力で高い強度が得られる。
アルミニウム合金のクラッド処理は、当初、2017-T4鋼板の耐食性を向上させ、アルミニウム製航空機のメンテナンス要件を軽減するために開発されました。2017鋼板（後に2024-T3鋼板にも適用）のコーティングは、鋼板の片面または両面に冶金的に接合された市販の純アルミニウムで構成されていました。
湿潤状態または多湿状態において発揮される電解防食は、T3またはT4調質の合金2017または2024と比較して、市販の純アルミニウムの電極電位が著しく高いことに基づいています。7075-T6やその他のAl-Zn-Mg-Cu合金が登場した際、新しい高強度合金を保護するのに十分な相対電極電位を提供するために、アルミニウム-亜鉛クラッド合金7072が開発されました。
しかしながら、1945年以降に設計された高性能航空機は、厚板や押出成形品から機械加工された外板構造を多用しており、アルクラッド外装材の使用は不可能であった。その結果、メンテナンス要件が増加し、これがクラッド材を使用せずに耐食性を向上させた高強度合金を求める研究開発プログラムを促進するきっかけとなった。
アルミニウム合金鋳造品は、従来、滑車ブラケット、クワドラント、ダブラー、クリップ、ダクトなどの航空機の非構造部品に使用されてきました。また、油圧制御システムの複雑なバルブ本体にも広く用いられています。一部の航空機メーカーは、部品の故障が航空機の損失につながらない箇所にのみ鋳造品を指定するという方針を今も堅持しています。ケーブルおよび油圧制御システムにおける冗長性により、鋳造品の使用が可能となっています。
鋳造技術は過去10年間で目覚ましい進歩を遂げました。355や356といった従来から用いられてきた合金は、強度と延性を向上させるために改良されました。また、354、A356、A357、359、Tens 50といった新合金は、高強度鋳造品向けに開発されました。これらの高強度化に伴い、構造的完全性と性能信頼性も向上しています。
電気抵抗スポット溶接およびシーム溶接は、フェアリング、エンジンカウル、補強板などの二次構造を隔壁や外板に接合するために使用される。しかし、品質管理の難しさから、主要構造への電気抵抗溶接の利用率は低い。
超音波溶接は、特に薄板の接合において、経済性と品質管理の面でいくつかの利点がある。しかし、この方法は航空宇宙産業ではまだ広く普及していない。
接着接合は、主構造と二次構造の両方において一般的な接合方法です。その選択は、航空機メーカーの設計思想によって異なります。接着接合は、ハットセクションなどの補強材をシートに、また表面シートをハニカムコアに接着する際に、十分な性能を発揮することが実証されています。さらに、接着接合は、海水浸漬や大気汚染などの過酷な環境にも耐えることができます。
航空機の主要構造部材に溶融溶接されたアルミニウム材は、事実上存在しない。これは、使用される高強度合金の溶接性および溶接継手効率が低いためである。また、2024-T4などの一部の合金は、溶接されたままの状態では、熱影響部における耐食性が低下する。
過去10年間に開発された溶接プロセスの改良と高強度溶接合金は、溶接による主要構造に新たな可能性をもたらしている。例えば、合金2219および7039の溶接性と強度、そしてX7005のろう付け性と強度は、航空機構造の設計と製造に新たな道を開くものである。
軽飛行機の機体は主に全アルミニウム製のセミモノコック構造ですが、一部の軽飛行機は、布地またはアルミニウムの外皮、あるいはその両方を使用した管状トラス構造の耐荷重構造を採用しています。アルミニウムの外皮は通常、実用的な最小厚さである0.015～0.025インチです。設計強度要件は比較的低いものの、石、破片、整備工具、および一般的な取り扱いによる地上での損傷を最小限に抑えるため、外皮には適度に高い降伏強度と硬度が必要です。この用途に適した合金を選択する際の主な要素は、耐食性、コスト、および外観です。合金6061-T6とアルクラッド2024-T3が主な選択肢となります。
近年の設計・製造による軽飛行機の外板は、一般的にアルクラッド2024-T3である。内部構造は、ストリンガー、スパー、バルクヘッド、コード部材、および各種取り付け金具で構成され、これらはアルミニウム押出材、成形板材、鍛造品、鋳造品でできている。
押出成形部材に最もよく使用される合金は、厚さが 0.125 インチ未満の断面および一般的な用途には 2024-T4、より厚く応力の大きい断面には 2014-T6 です。合金 6061-T6 は、薄肉で優れた耐食性を必要とする押出成形に広く使用されています。合金 2014-T6 は、特に着陸装置や油圧シリンダーの主要な鍛造合金です。合金 6061-T6 とその鍛造版である 6151-T6 は、部品に高い応力がかからない場合、経済性と耐食性の向上という理由から、さまざまな継手によく使用されます。
合金356-T6およびA356-T6は、ブラケット、ベルクランク、プーリー、および各種継手に使用される主要な鋳造合金です。ホイールは、これらの合金を用いて永久鋳型鋳造または砂型鋳造で製造されます。合金A380のダイカストも、軽飛行機用ホイールに適しています。
軽飛行機の低応力構造には、合金3003-H12、H14、H16、5052-O、H32、H34、H36、および6061-T4、T6が使用されることがあります。これらの合金は、特に溶接が必要な場合、燃料、潤滑油、作動油タンク、配管、計器用チューブおよびブラケットの主要な選択肢でもあります。合金3003、6061、および6951は、ろう付け式熱交換器および油圧アクセサリーに広く使用されています。最近開発された合金、例えば5086、5454、5456、6070、および新しい溶接可能なアルミニウム・マグネシウム・亜鉛合金は、前述の合金よりも強度面で優れています。
軽飛行機の板金組立は、主に合金2017-T4、2117-T4、または2024-T4のリベットで行われます。セルフタッピング板金ねじはアルミニウム合金で入手可能ですが、より高いせん断強度と駆動性を得るために、カドミウムメッキ鋼ねじがより一般的に使用されています。陽極酸化処理を施した合金2024-T4は、軍事仕様で製造されるアルミニウムねじ、ボルト、ナットの標準です。ただし、合金6262-T9は、応力腐食割れに対する耐性がほぼないため、ナットには優れています。[ 19 ]
{{cite book}}:|work=無視されました (ヘルプ)