空力弾性

空力弾性学とは、弾性体が流体の流れにさらされた際に発生する慣性力、弾性力、および空力力の相互作用を研究する物理学および工学の一分野です。空力弾性学の研究は、大きく2つの分野に分類できます。1つは、弾性体が流体の流れに対して示す静的または定常状態の応答を扱う静的空力弾性学、もう1つは、弾性体の動的（典型的には振動）応答を扱う動的空力弾性学です。

航空機は、軽量でありながら大きな空力荷重に耐える必要があるため、空力弾性の影響を受けやすい。航空機は、以下のような空力弾性の問題を回避するように設計されている。

1. 空気力が翼のねじれを増加させ、それによって力がさらに増加する発散。
2. 制御反転とは、制御作動によって逆方向の空力モーメントが発生し、制御効果が低下、あるいは極端な場合には反転する現象を指します。
3. フラッターとは、制御不能な振動のことで、航空機の破壊につながる可能性がある。

空力弾性問題は、構造物の質量、剛性、または空力特性を調整することで防止できます。これらの調整は、計算、地上振動試験、および飛行フラッター試験を用いて決定および検証できます。操縦翼面のフラッターは、通常、質量バランスを慎重に配置することで解消されます。

空力弾性と熱力学の統合は空力熱弾性と呼ばれ、制御理論との統合は空力サーボ弾性と呼ばれます。

サミュエル・ラングレーの試作機がポトマック川で2度目に失敗した原因は、空力弾性効果（特にねじり発散）によるものとされた。^{[ 1 ]}この主題に関する初期の科学的研究としては、1906年に出版されたジョージ・ブライアンの「剛体飛行機の安定性理論」がある。 ^{[ 2 ]}ねじり発散の問題は第一次世界大戦中の航空機を悩ませ、試行錯誤と翼の臨時の補強によって大部分が解決された。航空機におけるフラッターの最初の記録された事例は、 1916年の飛行中にハンドレー・ページO/400爆撃機で発生したもので、激しい尾部振動により後部胴体が極度に歪み、昇降舵が非対称に動いた。航空機は無事に着陸したが、その後の調査でFWランチェスターに相談した。彼の提言の一つは、左右のエレベーターを頑丈なシャフトでしっかりと接続することであり、これは後に設計要件となった。さらに、国立物理研究所（NPL）にこの現象を理論的に調査するよう依頼し、その後、レナード・ベアストウとアーサー・フェイジによって調査が行われた。^{[ 2 ]}

1926年、ハンス・ライスナーは翼の発散に関する理論を発表し、この主題に関するさらなる理論的研究につながった。^{[ 1 ]}空力弾性という用語自体は、1930年代初頭にファーンバラの王立航空研究所（RAE）のハロルド・ロクスビー・コックスとアルフレッド・パグスリーによって造語された。 ^{[ 2 ]}

カリフォルニア工科大学における航空工学の発展において、セオドア・フォン・カルマンは「航空学に適用される弾性」というコースを開始した。^{[ 3 ]}カルマンは1学期にわたってこのコースを教えた後、アーネスト・エドウィン・セヒラーに引き継ぎ、セヒラーはこのコースとこの主題に関する教科書の出版を通じて航空弾性学を発展させた。^{[ 4 ] [ 5 ]}

1947年、アーサー・ロデリック・カラーは、空力弾性を「気流にさらされた構造部材に作用する慣性力、弾性力、および空力力の三角形内で起こる相互作用の研究、およびこの研究が設計に及ぼす影響」と定義した。^{[ 6 ]}

航空機では、2つの重要な静的空力弾性効果が発生する可能性があります。発散とは、翼の弾性ねじれが理論上突然無限大になる現象で、通常は翼の破損を引き起こします。制御反転とは、補助翼やその他の操縦翼面を備えた翼でのみ発生する現象で、これらの操縦翼面が通常の機能を反転させます（例えば、特定の補助翼モーメントに関連するローリング方向が反転します）。

動的空力弾性学は、空力力、弾性力、慣性力の相互作用を研究する学問である。動的空力弾性現象の例としては、以下のようなものがある。

風の吹き付け

バフェッティングとは、気流の剥離や物体同士の衝突による衝撃波の振動によって引き起こされる高周波の不安定現象です。これは、急激な荷重増加によって発生するランダムな強制振動です。一般的に、翼の下流側の気流の影響で、航空機の尾翼部分に影響を及ぼします。

ビュッフェ検出方法は以下のとおりです。

1. 圧力係数図^{[ 17 ]}
2. 後縁における圧力発散
3. マッハ数に基づいて後縁からの分離を計算する
4. 法線力変動発散

1950年から1970年の間に、AGARDは空力弾性問題の解決と検証に使用されるプロセスを詳細に説明した「空力弾性マニュアル」を開発し、数値解をテストするために使用できる標準的な例も掲載した。^{[ 18 ]}

空力弾性学は、外部の空力荷重とその変化だけでなく、航空機の構造特性、減衰特性、質量特性も考慮に入れています。予測には、航空機をばねとダンパーで接続された一連の質量として数学的にモデル化し、航空機構造の動的特性を表現するように調整することが含まれます。このモデルには、作用する空力力とその変化に関する詳細も含まれます。

このモデルは、フラッターマージンを予測したり、必要に応じて潜在的な問題に対する修正策をテストしたりするために使用できます。質量分布や局所的な構造剛性を慎重に選択してわずかに変更するだけで、空力弾性問題を解決するのに非常に効果的です。

線形構造におけるフラッターを予測する方法には、p法、k法、pk法などがある。^{[ 7 ]}

非線形システムの場合、フラッターは通常、リミットサイクル振動（LCO）として解釈され、動的システムの研究からの手法を使用して、フラッターが発生する速度を決定できます。^{[ 19 ]}

これらのビデオでは、NASAと空軍が共同で実施しているアクティブ・エアロエラスティック・ウィングの2段階飛行研究プログラムについて詳しく説明しています。このプログラムは、柔軟な翼を空力的にねじることで、遷音速および超音速における高性能航空機の操縦性を向上させる可能性を調査するもので、ねじれを誘発するために、エルロンや前縁フラップなどの従来の操縦翼面が使用されます。

• アクティブ空力弾性翼（AAW）の翼荷重試験のタイムラプス映像（2002年12月）
• F/A-18A（現X-53）のアクティブ空力弾性翼（AAW）飛行試験、2002年12月

• 元のタコマナローズ橋は、空力弾性フラッターの結果として破壊されました。^{[ 11 ]}
• ブラニフ航空542便のロッキードL-188エレクトラのプロペラの回転と羽ばたき。
• 1931年、トランスコンチネンタル・アンド・ウェスタン航空のフォッカーF-10型機の墜落事故。
• GAF Jindivikドローンの機体自由フラッター。^{[ 20 ]}

• Bisplinghoff, RL、Ashley, H.、Halfman, H.、『Aeroelasticity』、Dover Science、1996年、ISBN 0-486-69189-6880ページ
• モーリス・ビオとL・アーノルド（1948）「低速フラッターとその物理的解釈」航空科学ジャーナル15：232-6
• Dowell, EH、『空力弾性論の現代的コース』。ISBN 90-286-0057-4。
• Fung, YC、『空力弾性理論入門』、ドーバー出版、1994年、ISBN 978-0-486-67871-9。
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• パトリック・R・ヴェイエット（2018年8月23日）「低速バフェット：高高度遷音速訓練の弱点は依然として残る」ビジネス＆商業航空。アビエーション・ウィーク・ネットワーク。

• 航空弾性部門 – NASAラングレー研究センター
• DLR航空弾性研究所
• 国立航空宇宙研究所
• テキサスA&M大学 空力弾性グループ
• NACA技術報告書 – NASAラングレー研究センター
• NASA空力弾性ハンドブック