細かさ比

造船学と航空宇宙工学において、細長比とは機体の長さと最大幅の比です。短くて幅の広い形状は細長比が低く、長くて狭い形状は細長比が高くなります。コンコルドなど超音速で飛行する航空機は、一般的に細長比が高くなります。

臨界マッハ以下の速度では、抗力の主な形態の 1 つが表面摩擦です。名前が示すように、これは気流と航空機の表面との相互作用によって生じる抗力です。この抗力を最小限に抑えるには、航空機は露出した表面領域、つまり「濡れた表面」を最小限に抑えるように設計する必要があります。この問題の解決策の 1 つは、自家製のQuestair Ventureで使用されているような「卵形」の胴体を構築することです。

亜音速航空機の胴体における理論上の理想的な細かさの比率は、通常約6:1ですが、座席や貨物のサイズ要件などの他の設計上の考慮事項によって妥協される可能性があります。細かさの高い胴体では尾翼面積が小さくなるため、この理想的な比率は実際には8:1まで増加できます。^[1]

ただし、ほとんどの航空機の繊度比はこれより大幅に高くなっています。これは多くの場合、尾部操縦翼面をより長いモーメントアームの端に配置して効率を高める必要があるためです。胴体の長さを短くするには、より大きな制御装置が必要になり、理想的な繊度比を使用することで節約できる抗力分が相殺されます。不完全な繊度比を持つ高性能設計の例としては、Lancairがあります。その他のケースでは、座席の配置や貨物パレットのサイズなどの外部要因により、設計者は理想的でない設計を使用せざるを得ません。現代の旅客機は、強度を考慮して円筒形の断面を選択し、座席レイアウトと航空貨物の取り扱いを簡素化するために単一の幅を提供することから、繊度比が理想よりはるかに高いことがよくあります。

航空機が音速に近づくと、曲率の大きい部分に衝撃波が形成されます。これらの衝撃波は、エンジンが供給しなければならないエネルギーを放射しますが、このエネルギーは航空機の速度を上げることには使われません。これは新しい形の抗力であると思われます。これは波抗力と呼ばれ、臨界マッハをわずかに下回る速度でも抗力の約 3 倍に達します。波抗力を最小化するには、航空機の曲率を最小限に抑える必要がありますが、これは細かさの比率を大幅に高めることを意味します。高速航空機の先端と尾部が長く尖っていて、コックピットのキャノピーが胴体のラインと面一になっているのはそのためです。

より技術的に言えば、超音速設計の最高の性能は、両端が尖ったシアーズ・ハック体と、鈍い尾部を持つフォン・カルマン・オジーブという2つの「完璧な形状」によって特徴づけられる。後者の設計の例には、コンコルド、F-104 スターファイター、XB-70 ヴァルキリーなどがあるが、第二次世界大戦後のほぼすべての迎撃機は、ある程度、このような設計を採用していた。後者は主にロケットとミサイルに見られ、鈍い端はロケットノズルである。ミサイル設計者は低速性能にさらに関心がなく、ミサイルは一般にほとんどの航空機よりも細かさの比率が高い。

より高い機体比を持つ航空機の導入により、慣性結合という新たな不安定性も生じました。高い機体比によって機体が長くなり、エンジンとコックピットが航空機の質量の中心から遠ざかるにつれて、これらの質量のロール慣性が空気力学的表面の力を圧倒するほどに大きくなりました。この影響に対処するために、大型の制御装置や安定性増強システムなど、さまざまな方法が使用されています。

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