複葉機

複葉機は、上下に重なった2 つの主翼を持つ固定翼航空機です。飛行した最初の動力付き操縦飛行機であるライトフライヤー号は、航空黎明期の多くの航空機と同様に、複葉機の翼配置を採用していました。複葉機の翼構造は単葉機に比べて構造上の利点がありますが、単葉機の翼よりも抗力が大きくなります。構造技術の向上、材料の改善、速度の向上により、1930 年代後半までに複葉機の構成はほとんどの用途で時代遅れになりました。

複葉機は、従来の片持ち式単葉機設計に比べて、翼構造が軽量で、翼面荷重が低く、翼面積あたりの翼幅が小さいという利点がいくつかあります。しかし、各翼上の気流の干渉により抗力が大幅に増大し、複葉機では一般に広範囲にわたる補強が必要となり、抗力が増大します。

複葉機は、翼が上下ではなく前後に配置される タンデム翼配置とは区別されます。

この用語は生物学においても、飛行する動物の翼を説明するために時々使用されます。

複葉機では、2 つの翼が上下に重ねて配置されています。それぞれの翼が揚力の一部を提供しますが、上翼と下翼がほぼ同じ大気圏に作用し、互いの挙動を妨害するため、同様のサイズと形状の単翼に比べて 2 倍の揚力を生み出すことはできません。上翼から下翼にかけてスタッガーのない複葉機の構成では、同じ翼型とアスペクト比を使用した単葉機と比較して揚力係数が 10 ～ 15 パーセント減少します。^[1]

下翼は通常は胴体に取り付けられ、上翼はキャバネ ストラットの配置によって胴体より上に持ち上げられるが、他の配置も使用されている。主翼の一方または両方がエルロンを支えることができるが、フラップは下翼に配置されることが多い。翼自体が片持ち構造でない場合、上翼と下翼の間には、胴体の両側に対称的に配置されたインタープレーン ストラットと、構造が曲がらないようにするためのブレース ワイヤの形で、ほぼ常にブレースが追加される。

複葉機が単葉機よりも優れている主な点は、剛性が高く重量が軽いことです。剛性には構造の深さが必要で、初期の単葉機では外部の補強で剛性を確保する必要がありましたが、複葉機は構造が自然に深いため、軽量かつ強度の高い機体を作るのが容易です。片持ちでない単葉機の索具ワイヤーは、はるかに鋭角になっているため、外翼の剛性を確保するための張力が少なくなります。複葉機では、角度が反対の力と一直線になるという理想に近いため、全体の構造をより堅固にすることができます。剛性が低いため、ワイヤーで補強された単葉機には、飛行用ワイヤーと着陸用ワイヤーが複数セットあることが多かったのですが、複葉機であれば、1 つのベイと 1 セットの着陸用ワイヤーと飛行用ワイヤーで簡単に作ることができます。しかし、ワイヤーによる余分な抗力は、2 つの翼が互いに干渉することによる空力上の欠点を相殺するには不十分でした。支柱で支える単葉機も試されたが、支柱の数による抗力もあって、どれも成功しなかった。^[要出典]

複葉機の翼の桁に作用する構造力は、2本ではなく4本の桁に分割されるため低くなる傾向があり、同じ全体強度を得るために使用する材料が少なくて済み、したがって軽量になります。また、翼の所定面積が短くなる傾向があり、桁の曲げモーメントが減り、より軽量に構築できるようになります。^[2]ただし、複葉機は翼間の隙間を維持するために追加の支柱が必要になり、重量と抗力の両方が増加します。

航空初期のエンジンの出力が低かったため、飛行機の速度はかなり低速に制限されていました。このため失速速度をさらに低くする必要があり、そのためには翼面荷重を低く抑え、大きな翼面積と軽量化の両方を実現しなければなりませんでした。翼が長くならずに十分な翼面積を確保し、危険なほど柔軟になることは、複葉機でより容易に達成できました。^[要出典]

複葉機の翼が小さいほど、機動性が向上します。第一次世界大戦後、このことが複葉機の時代を延長するのに役立ち、性能上の欠点にもかかわらず、1930 年代半ばまでほとんどの戦闘機は複葉機でした。専門的なスポーツ曲技飛行用の複葉機は、今でも少数製造されています。^[要出典]

複葉機は、上翼の下の高圧の空気と下翼の上方の低圧の空気が互いに打ち消し合うため、2 機の飛行機の間で空気力学的干渉が発生します。^{[疑わしい–議論]}つまり、複葉機は実際には同サイズの単葉機の 2 倍の揚力を得ることはできません。翼の間隔が広いほど干渉は少なくなりますが、干渉を大幅に減らすには間隔支柱を長くする必要があり、隙間を非常に大きくする必要があります。

第一次世界大戦後期にエンジン出力と速度が上昇するにつれ、本質的に抗力が低く翼面荷重が高い厚い片持ち翼が実用的となり、単葉機に関連する構造上の問題を解決するのに役立つため単葉機がより魅力的になったが、複葉機にはほとんど改善が見られなかった。^{[出典が必要]}

複葉機のデフォルトの設計では、主翼は上下に重なるように配置されています。上側の主翼を下側の主翼に対して前方に移動させることをポジティブ スタッガー、または単にスタッガーと呼ぶことが多いです。これにより、2 つの主翼間の空気力学的干渉の影響をわずかに軽減して揚力を増加させ、抗力を減らすことができますが、コックピットへのアクセスを改善するために使用されることの方が多いです。多くの複葉機はスタッガー主翼を備えています。一般的な例としては、デ ハビランド タイガー モス、ビュッカー Bü 131 ユングマン、トラベル エア 2000などがあります。

あるいは、下翼を上翼より前方に移動させてネガティブ・スタッガーと同様の利点を得ることもできる。これは通常、構造上の理由や視界を改善するために特定の設計で行われる。ネガティブ・スタッガーの例としては、ソッピース・ドルフィン、ブレゲ14、ビーチクラフト・スタッガーウィングなどがある。^{[3] [4]}しかし、ポジティブ（前方）スタッガーの方がはるかに一般的である。

一組の翼間支柱で囲まれた空間は（建築上の形式と同じように）ベイと呼ばれ、したがって、航空機の両側の翼を1組のそのような支柱でつなぐ複葉機または三葉機は、シングルベイ複葉機と呼ばれます。これにより、第一次世界大戦時代のフォッカーD.VII戦闘機や第二次世界大戦のデ・ハビランド・タイガーモス基礎練習機などの小型航空機に十分な強度がもたらされました。^[5]

大型の2人乗りカーチス JN-4ジェニーは2ベイ複葉機で、長すぎるベイはたわみやすく故障する可能性があるため、追加のベイが必要である。SPAD S.XIII戦闘機は2ベイ複葉機のように見えるが、ベイは1つしかなく、索具の中間点が追加の支柱で補強されている。しかし、これらは翼の上部から下部まで構造的に連続していない。^[6]ソッピース1½ ストラッターはW字型のキャバネを備えているが、翼を互いに接続していないため、ベイの数には影響しない。^[7]

大型の輸送機や爆撃機の複葉機は、十分な強度を確保するためにさらに多くのベイを必要とすることが多かった。これらはマルチベイ複葉機と呼ばれることが多い。ツェッペリン・リンダウDIのような少数の複葉機には翼間支柱がなく、支柱なし複葉機と呼ばれている。^[8]

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  ツェッペリン・リンダウ DIストラットレス複葉機
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  ニューポール 23シングルベイ セスキプラン
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  SPAD S.XIII補助支柱付き単座複葉機
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  カーチス JN-4 2ベイ複葉機
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  ハンドレページ V/1500 4ベイまたはマルチベイ複葉機

ほとんどの複葉機は片持ち構造ではないため、剛性を維持するために索具ワイヤーが必要である。初期の航空機では単純なワイヤー（編組またはプレーン）が使用されていたが、第一次世界大戦中に英国王立航空機工場は強度の向上と抗力の低減の両方を目的として、RAFwire と呼ばれる翼断面ワイヤーを開発した。複葉機の翼構造には 4 種類のワイヤーが使用されている。翼内部の抗力ワイヤーは、翼が胴体に対して折り返されるのを防ぐもので、翼区画内を前方内側コーナーから後方外側コーナーまで走っている。^[9]抗力防止ワイヤーは、航空機が停止したときに翼が前方に動かないようにするもので、抗力ワイヤーとは反対方向に走っている。^[10]これらは通常、翼内部に隠されており、構造が十分に硬い場合は、一部の設計で省略されることがある。実際、初期の航空機の多くは、この剛性を提供するために翼の布張りに依存していたが、速度と力が増大するとこれでは不十分になった。外側では、揚力ワイヤーが翼が折りたたまれるのを防ぎ、外翼の下側から下翼の付け根まで伸びています。^[11]逆に、着陸ワイヤーは翼がたわむのを防ぎ、航空機が着陸するときに力に抵抗し、上翼中央部から下翼の外側まで伸びています。^[12]胴体と翼を連結するキャバン支柱と、上翼と下翼を連結するインタープレーン支柱を支えるために、追加の抗力ワイヤーと抗力ワイヤーが使用されることがあります。

セスキプレーンは複葉機の一種で、片方の翼（通常は下側の翼）がもう片方の翼よりも大幅に小さい。^{[13] [14]}ラテン語で「片翼半」を意味する。この配置により、複葉機の構造上の利点を維持しながら抗力と重量を減らすことができる。下側の翼は翼幅がかなり短くなるか、翼弦が短くなることがある。^[13]

例としては、ニューポール10からニューポール27までの一連のニューポール軍用機があり、これらは1915年から1917年にかけて連合国空軍の主力となった。^[15]ニューポールのセスキプレーンの性能は非常に優れていたため、イドフリーク（ドイツ空軍監察局）は航空機メーカーにコピーの製造を依頼した。この作業は、数機の鹵獲した航空機と詳細な図面によって助けられた。最も有名なコピーの1つは、シーメンス・シュッケルトDIである。^[16]アルバトロスD.IIIとDVもニューポールから全体的なレイアウトをコピーしたもので、同様に第一次世界大戦中にドイツ軍の主力となった。^[17]アルバトロスのセスキプレーンは、その機動性と上昇率の高さで乗組員から広く称賛された。^[18]

戦間期にはセスキプラン構成が引き続き人気を博し、ニューポール・ドラージュ NiD 42 / 52 / 62シリーズ、フォッカー C.Vd & e、ポテズ 25など多数のタイプが多数の空軍で運用された。一般航空部門では、ワコ・カスタムキャビンシリーズなどの航空機が比較的人気があった。^[19]サロ・ウィンドホバーは上翼が下翼より小さいセスキプランで、その逆よりもはるかに珍しい構成だった。^[20]ファルツD.IIIもやや珍しいセスキプラン構成を特徴としており、2本の桁を持つより頑丈な下翼を持ち、単桁のセスキプランで発生するフラッターの問題を解消した。^[17]

翼を積み重ねる方法は、1843年にジョージ・ケイリー卿によって提案された。 ^[21] ハイラム・マキシムは、 1894年に蒸気動力の試験装置にこのアイデアを採用した。この装置は離陸はできたが安全レールで固定されていた。^[22] オットー・リリエンタールは1895年に2種類の複葉ハンググライダーを設計し飛行させたが、^[23]彼は単葉機でよく知られている。^{[24] 1896年までに、}オクターブ・シャヌート率いる米国の若者のグループが複葉機を含むハンググライダーを飛ばし、外部支柱付きの複葉機は単葉機よりも動力飛行の見込みが高いという結論に達した。1903年、ライトフライヤー号の複葉機が初の成功した動力飛行機となった。^[25]

開拓時代を通じて、複葉機と単葉機の両方が一般的であったが、単葉機の構造的欠陥がいくつか発生し、 RFCの「単葉機禁止令」により軍用機の全単葉機が地上に留められた後、第一次世界大戦の勃発までに複葉機が好まれるようになった。 ^[26]一方、フランスもほとんどの単葉機を戦闘任務から撤退させ、訓練用とした。航空作家のブルースなどの人物は、ブリストルM.1などの新しく設計された単葉機に対しても明らかな偏見があり、比較的高性能な特性を持つものでさえ「正統派」複葉機のために見過ごされ、当時は単葉機は戦闘中は本質的に安全ではないという信念が広く信じられていたと指摘している。^{[27] [28]}

1914年から1925年にかけて、導入された新型航空機の大多数は明らかに複葉機であった。しかし、第一次世界大戦後期には、ドイツはフォッカーD.VIIIなどの新世代の単葉機の実験を行っており、戦争がその時点で終結していなければ、複葉機の優位性はもっと早く終焉していたかもしれない。^[29]フランスもモラーヌ・ソルニエAIという支柱で支えられたパラソル単葉機を導入していたが、この機種は構造上の問題が解決されるとすぐに上級練習機の役割に格下げされた。^{[30]フランスの} ニューポール17やドイツのアルバトロスD.IIIなどの短縮下翼を持つ複葉機であるセスキプラン型は、単葉機よりも強度が高く、従来の複葉機よりも抗力が低い。

戦間期には、数多くの複葉航空機が導入された。イギリスのデ・ハビランド・ドラゴンは特に成功した航空機であり、ロンドン・パリ便のような混雑した路線で6人の乗客を運ぶことができるよう単純な設計を採用していた。^[31] 1934年8月初旬、トレイル・オブ・ザ・カリブーと名付けられたそのような航空機の1つは、カナダ本土とイギリスの間を30時間55分で初の無着陸飛行を行ったが、この長距離飛行の当初の目的地はイラクのバグダッドであった。^{[32] [33]}比較的成功したにもかかわらず、イギリスでのドラゴンの生産は、より強力で優雅なデ・ハビランド・ドラゴン・ラピードに取って代わられ、すぐに終了した。ドラゴンの後継機としてより高速でより快適な機体として特別に設計された。^[34]

利用可能なエンジン出力と速度が増加するにつれて、外部支柱の抗力ペナルティが航空機の性能をますます制限するようになった。より速く飛行するためには、外部支柱を減らして空気力学的にきれいな設計にする必要があったが、初期の片持ち設計は弱すぎたり重すぎたりした。1917年のユンカースJIセスキプレーンは、最小限の支柱ですべての飛行面に波形アルミニウムを使用していたが、薄い金属外皮は比較的簡単に損傷し、地上要員による慎重な取り扱いが必要だった。^[35] 1918年のツェッペリン・リンダウDI戦闘機は、全金属製の応力外皮モノコック完全片持ち複葉機であったが、戦争での戦闘使用には登場が遅すぎた。^[8]

1930年代までに複葉機は性能限界に達し、単葉機がますます主流となり、特に第一次世界大戦の終結以来単葉機が普及していた大陸ヨーロッパでは顕著であった。第二次世界大戦の初めには、いくつかの空軍が依然として複葉機を最前線で運用していたが、もはや競争力はなく、ほとんどが終戦直後まで訓練や艦上作戦などのニッチな役割で使用されていた。イギリスのグロスター グラディエーター複葉機、イタリアのフィアット CR.42 ファルコ、ソ連のI-153セスキプラン戦闘機は、1939年以降もすべて運用可能であった。 ^{[36] [37]}航空作家のジャンニ カッタネオによると、CR.42 は北イタリア全域の産業目標を攻撃していたイギリス空軍の爆撃機に対する防御夜間戦闘機として成功を収めることができた。^{[38] [39]}

イギリス海軍航空隊はフェアリー・ソードフィッシュ 雷撃機を航空母艦から運用し、護衛空母の比較的コンパクトな甲板から運用できるという能力を生かして、戦争の終わりまで対潜水艦戦の任務にこの機種を使用した。その低い失速速度と本質的に頑丈な設計は、しばしば厳しい中部大西洋の気象条件でも作戦に理想的であった。^{[40]戦争の終わりまでに、ソードフィッシュは他のどの連合国航空機よりも多くのトン数の}枢軸国船舶を破壊したという名誉を持っていた。^[41]

ドイツのハインケルHe50とソ連のポリカルポフPo-2は、どちらも第二次世界大戦中、夜間地上攻撃任務で比較的成功を収めて使用された。Po-2の場合、航空機の生産は戦争終了後も継続され、1952年頃まで終了しなかった。^[42]朝鮮戦争中、かなりの数のPo-2が朝鮮人民空軍によって配備され、国連基地への夜間襲撃で深刻な被害を与えた。 ^[43] Po-2は、ジェット機の撃墜が記録されている唯一の複葉機で、低空飛行するPo-2と交戦するために迎撃中に失速速度以下の161 km/h (100 mph) まで減速したロッキードF -94スターファイア1機が失われた。 ^[44]

その後の複葉練習機には、イギリス空軍(RAF)、カナダ空軍(RCAF) などのデ・ハビランド タイガーモスや、戦後にフランス空軍とベルギー空軍で使用されたスタンペ SV.4などがある。ステアマン PT-13 はアメリカ陸軍航空隊(USAAF)で広く使用され、アメリカ海軍は海軍航空機工場 N3N を運用した。その後のアメリカでの民間利用では、ステアマンは特に翼歩行などのスタント飛行や、障害物をよけなければならない低空での農薬散布に 関連付けられるようになった。

現代の複葉機の設計は、アクロバット飛行や農業用航空機などの専門的な役割で今も存在しており、競技用アクロバット飛行の役割とそのような複葉機の形式は、1930 年代半ばまでにUdet U 12 FlamingoとWaco Taperwingによって明確に定義されました。Pitts Special は、第二次世界大戦後、長年アクロバット飛行を支配し、現在も生産されています。

複葉機の設計の大部分は、レシプロエンジンを搭載している。例外として、アントノフ An-3とWSK-ミエレツ M-15 ベルフェゴールがあり、それぞれターボプロップエンジンとターボファンエンジンを搭載している。グラマン Ag Catなどの一部の古い複葉機の設計には、ターボプロップエンジンを搭載したアップグレード版が用意されている。

最も多く生産された複葉機は、1913 年にイギリスで製造されたアブロ 504 ( 11,303 機が製造) と、1928 年にソ連で製造されたポリカルポフ Po-2 (20,000 機以上が製造) の 2 種類で、Po-2 はソ連のアブロ 504 のコピーの直接的な代替機でした。どちらも練習機として広く使用されました。アントノフ An-2も非常に成功し、18,000 機以上が製造されました。

ほとんどの超軽量機は単葉機だが、その低速性とシンプルな構造から、ラリー・マウロのイージーライザー（1975年 - ）など複葉機もいくつか開発されている。マウロは太陽電池で電気モーターを駆動するバージョンも開発しており、ソーラーライザーと呼ばれている。マウロのイージーライザーは「ファザー・グース」ことビル・リシュマンが使用した。^[45]

その他の複葉超軽量機としては、ベルギー設計のアビアスッド・ミストラル、ドイツのFK12コメット（1997年～）、ライトフライヤー・バイプレーン、^{[46] [47]}シャーウッド・レンジャー、マーフィー・レネゲードなどがある。

羽毛恐竜 ミクロラプトル・グイは、4枚の翼で滑空し、おそらくは飛行もしていた。翼は互い違いのセスキプレーン配置になっていた可能性がある。これは、前肢と後肢の両方に風切羽があり、前肢の羽毛がより大きく開いていたために可能になった。後肢は横に開くことはできず、飛行中は前肢の下やや後ろに垂れ下がっていたと推測されている。^[48]

• 航空の歴史
• 多面体（航空学）
• 翼構成

ウィキメディア・コモンズには、複葉機に関連するメディアがあります。

• 複葉機の写真の歴史的コレクション
• ジャッキー・ヘイズ: 鳥の翼は複葉恐竜から進化した 2007-01-27ウェイバックマシンにアーカイブ、コスモス
• Spicerweb.org、オクターブ シャヌート複葉機ハング グライダー