飛行制御面

航空機の飛行制御面は、パイロットが航空機の飛行姿勢を調整および制御できるようにする空力装置です。

効果的な飛行制御面の開発は、航空機開発における重要な進歩でした。固定翼航空機の設計における初期の取り組みでは、航空機を離陸させるのに十分な揚力を生成することに成功しましたが、いったん離陸すると、航空機は制御不能となり、悲惨な結果を招くことがよくありました。効果的な飛行制御の開発により、安定した飛行が可能になりました。

この記事では、従来設計の固定翼航空機で使用される操縦面について説明します。他の固定翼航空機の構成では異なる操縦面が使用される場合もありますが、基本原理は同じです。回転翼航空機 (ヘリコプターまたはオートジャイロ) の操縦装置 (スティックとラダー) は、 3 つの回転軸を中心に同じ動きを実現しますが、回転飛行制御 (メイン ローターディスクとテール ローターディスク) をまったく異なる方法で操作します。

飛行制御面は航空機の飛行制御システムによって操作されます。

特に舵は、一般化された流体制御面として考えられ、航空機と船舶で共有されています。

ライト兄弟は、最初の実用的な操縦翼面を開発したとされている。これは、飛行に関する彼らの特許の主要な部分である。^[1] 現代の操縦翼面とは異なり、彼らは翼の反りを利用していた。^[2]ライト兄弟の特許を 回避しようとして、グレン・カーティスは、約40年前に英国で最初に特許を取得したのと同じタイプのコンセプトであるヒンジ式操縦翼面を作った。ヒンジ式操縦翼面の利点は、翼の反りの問題である応力を引き起こさず、構造物に組み込みやすいことである。

航空機は、互いに垂直で重心(CG) で交差する 3 つの軸を中心に自由に回転します。位置と方向を制御するには、パイロットは各軸の周りの回転を制御できなければなりません。

横軸（横軸とも呼ばれる） ^[3]は、航空機の翼端から翼端までを通ります。この軸を中心とした回転はピッチと呼ばれます。ピッチは航空機の機首が向いている垂直方向を変更します。エレベーターはピッチを制御するための主な制御面です。

縦軸は機首から尾部までを通ります。この軸を中心とした回転はロールと呼ばれます。^[3] この軸を中心とした角度変位はバンクと呼ばれます。^[4]パイロットは片方の翼の揚力を増やし、もう一方の翼の揚力を減らすことでバンク角を変更します。この差動揚力により縦軸を中心とした回転が発生します。エルロンはバンクを制御する主な手段です。ラダーもバンクに二次的な影響を与えます。

垂直軸は航空機を上から下まで通過します。この軸を中心とした回転はヨーと呼ばれます。^[3] ヨーは航空機の機首が向いている方向を左または右に変えます。ヨーの主な制御はラダーで行います。エルロンもヨーに二次的な影響を与えます。

これらの軸は航空機とともに移動し、航空機が移動すると地球に対する相対的な位置も変化します。たとえば、左翼が真下を向いている航空機の場合、「垂直」軸は地面と平行ですが、「横」軸は地面に対して垂直です。

固定翼航空機の主操縦翼面は、ヒンジまたはトラックを介して機体に取り付けられているため、移動して、その上を通過する気流を方向転換することができます。この気流の方向転換により、関連する軸を中心に飛行機を回転させる不均衡な力が発生します。

エルロンは 各翼の後縁の翼端近くに取り付けられており、反対方向に動きます。パイロットがエルロン コントロールを左に動かすか、ハンドルを反時計回りに回すと、左のエルロンが上がり、右のエルロンが下がります。エルロンを上げるとその翼の揚力が減少し、下げると揚力が増加するため、このようにエルロン コントロールを動かすと、左翼が下がり、右翼が上がります。これにより、航空機は左にロールし、左に旋回し始めます。コントロールを中央に戻すと、エルロンは中立位置に戻り、バンク角が維持されます。航空機は、反対のエルロンの動きによってバンク角が 0 に戻り、直進するまで旋回を続けます。

エレベーターは水平安定板の可動部分で、水平尾翼の固定部分の後ろにヒンジで取り付けられています。エレベーターは一緒に上下に動きます。パイロットが操縦桿を後方に引くと、エレベーターは上がります。操縦桿を前方に押すと、エレベーターは下がります。上がったエレベーターは尾翼を押し下げ、機首を上に向けます。これにより、翼はより高い迎え角で飛行することになり、揚力と抗力がさらに増加し​​ます。操縦桿を中央に置くと、エレベーターは中立に戻り、ピッチの変化は止まります。MD -80などの一部の航空機では、エレベーター面内のサーボ タブを使用して、主面を空気力学的に所定の位置に移動します。したがって、操縦桿の移動方向は、主操縦面と反対方向になります。このため、MD-80 の尾翼は「分割」エレベーター システムを備えているように見えます。

カナード配置では、昇降舵は前部機の後部にヒンジで取り付けられ、反対方向に動きます。たとえば、パイロットが操縦桿を後ろに引くと、昇降舵が下がり、前部の揚力が増加して機首が上がります。

舵は通常、尾翼の一部である垂直安定板の後縁に取り付けられています。パイロットが左ペダルを踏むと、舵は左に曲がります。右ペダルを踏むと、舵は右に曲がります。舵を右に曲がると、尾部が左に押され、機首が右に偏向します。舵ペダルを中央に戻すと、舵はニュートラルに戻り、偏向が止まります。

ロールは主にエルロンによって発生します。揚力が増加すると、誘導抗力も増加するため、エルロン コントロールを動かして航空機を左にロールさせると、右エルロンが下げられ、右翼の揚力が増加し、したがって右翼の誘導抗力が増加します。エルロンを使用すると、逆ヨーが発生し、航空機の機首がエルロンの操作と逆方向にヨーイングします。エルロン コントロールを動かして翼を左に傾けると、逆ヨーによって航空機の機首が右に移動します。逆ヨーは、グライダーなどの長い翼を持つ低速の航空機で最も顕著になります。パイロットはラダー ペダルを使用してこれを中和します。差動エルロンは、下向きのエルロンのたわみが上向きのエルロンよりも小さくなるように調整されたエルロンであり、逆ヨーが小さくなります。

ラダーは、スティックではなくペダルで制御される基本的な操縦面です。これは、飛行機が垂直軸を中心に回転するヨーを制御する主な手段です。また、ロール操縦面によって生じる逆ヨーに対抗するためにラダーが使用されることもあります。

水平飛行中にラダーを継続的に使用すると、航空機は最初、ラダーを適用した方向にヨーイングします。これがラダーの主な効果です。数秒後、航空機はヨーイングの方向に傾く傾向があります。これは、ヨーイングの方向と反対の翼の速度が増加し、もう一方の翼の速度が低下することによって最初に発生します。より速い翼はより多くの揚力を発生するため上昇し、もう一方の翼は揚力の発生が少ないため下降する傾向があります。ラダーを継続的に使用すると、航空機が気流に対して斜めに飛行し、前方の翼に向かって横滑りするため、ロール傾向が持続します。上反角の航空機で右ラダーを使用すると、左側の翼の迎え角が増加し、右側の翼の迎え角が減少して、右へのロールが発生します。下反角の航空機では逆の効果が現れます。このラダーの効果は、翼の設計に十分な上反り角または多反り角が含まれている場合、エルロンなどの主要なロール制御を完全に省略できる模型飛行機でよく使用されます。

船の旋回とは異なり、航空機の方向転換は通常、舵ではなく補助翼で行わなければなりません。舵は航空機を旋回させますが (ヨー)、移動方向にはほとんど影響しません。航空機の場合、方向転換は、翼に作用する揚力の水平成分によって生じます。パイロットは、航空機を旋回させることで、翼に垂直な揚力を意図した旋回の方向に傾けます。バンク角が増加すると、揚力は 2 つの成分に分割されます。1 つは垂直に作用し、もう 1 つは水平に作用します。

総揚力が一定に保たれると、揚力の垂直成分は減少します。航空機の重量は変わらないため、対抗しなければ航空機は下降することになります。水平飛行を維持するには、正の（上向きの）エレベーターを増加させて迎え角を増やし、生成される総揚力を増やし、揚力の垂直成分を航空機の重量と等しくする必要があります。これを無期限に続けることはできません。水平飛行を維持するために必要な総荷重係数は、バンク角に直接関係しています。つまり、与えられた対気速度では、水平飛行は特定のバンク角までしか維持できません。このバンク角を超えると、パイロットが水平飛行を維持するのに十分な揚力を生成しようとすると、 航空機は加速失速に陥ります。

航空機の構成によっては、非標準の主要制御装置を備えているものもあります。たとえば、スタビライザーの後ろにある昇降舵の代わりに、尾翼全体の角度が変わることがあります。一部の航空機の尾翼はV 字型で、その後ろの可動部品は昇降舵と方向舵の機能を兼ねています。デルタ翼の航空機には、翼の後ろに「エレボン」があり、昇降舵と補助翼の機能を兼ねている場合があります。

グライダーなどの低抗力航空機では、スポイラーを使用して翼上の気流を乱し、揚力を大幅に減らします。これにより、グライダーのパイロットは、過度の対気速度を上げずに高度を下げることができます。スポイラーは「リフト ダンパー」と呼ばれることもあります。非対称に使用できるスポイラーはスポイロンと呼ばれ、航空機のロールに影響を与える可能性があります。

フラップは、各翼の内側部分（翼の付け根付近）の後縁に取り付けられています。フラップは下方に偏向して翼の有効曲率を増加させます。フラップは航空機の最大揚力係数を上げ、その結果、失速速度を低下させます。 ^[5] フラップは、離陸や着陸のための降下を含む低速、高迎え角飛行中に適用されます。一部の航空機には「フラッペロン」が装備されています。これは、より一般的には「インボード エルロン」と呼ばれます^[要出典]。これらの装置は主にエルロンとして機能しますが、一部の航空機では、フラップが展開されると「垂れ下がり」、フラップとロール制御インボード エルロンの両方の役割を果たします。

スラットは、前縁装置とも呼ばれ、揚力増強のために翼の前部に取り付けられたもので、翼上の気流を変えることで失速速度を下げることを目的としています。スラットは固定式または格納式です。固定式スラット (例:フィーゼラー Fi 156 シュトルヒ) は、低速およびSTOL能力に優れていますが、高速性能は低下します。格納式スラットは、ほとんどの旅客機に見られ、離着陸時の失速速度を低下させますが、巡航時には格納されます。

エアブレーキは抗力を高めるために使用されます。スポイラーはエアブレーキとして機能する場合もありますが、純粋なエアブレーキではなく、揚力ダンパーや、場合によってはロール制御面としても機能します。エアブレーキは通常、形状抗力を高めるために、胴体から気流に向かって外側に（ほとんどの場合、反対側で対称的に）偏向する面です。ほとんどの場合、エアブレーキは航空機の他の場所に配置されているため、翼によって生成される揚力に直接影響することはありません。エアブレーキの目的は、航空機を減速させることです。エアブレーキは、高い降下率が必要な場合に特に役立ちます。エアブレーキは、高性能の軍用機だけでなく民間機、特に逆推力機能のない航空機でも一般的です。

トリム制御により、パイロットは広範囲の荷重と対気速度にわたって、翼と操縦翼面によって生成される揚力と抗力のバランスをとることができます。これにより、望ましい飛行姿勢を調整または維持するために必要な労力が軽減されます。

エレベーター トリムは、航空機のバランスをとるために尾部に適切な空気力を維持するために必要な制御力のバランスをとります。特定の飛行訓練中に、目的の迎え角を維持するために多くのトリムが必要になる場合があります。これは主に低速飛行に当てはまり、機首上げ姿勢が必要なため、多くのトリムが必要になり、尾翼に強いダウンフォースが発生します。エレベーター トリムは尾部上の気流の速度と相関関係にあるため、航空機の対気速度が変化すると、再トリムが必要になります。航空機の重要な設計パラメータは、水平飛行のためにトリムされたときの航空機の安定性です。突風や乱気流などの外乱は短時間で減衰し、航空機は水平飛行のトリムされた対気速度に戻ります。

非常に軽量な航空機を除き、昇降舵のトリム タブでは、必要な力と動作範囲を提供できません。適切なトリム力を提供するために、水平尾翼全体のピッチを調整できます。これにより、パイロットは尾翼からの正または負の揚力を正確に選択し、昇降舵からの抗力を減らすことができます。

コントロールホーンは、ピボットポイントより前方に突き出た操縦面の一部です。コントロールホーンは、操縦面のたわみを増大させる力を発生させ、パイロットが感じる操縦圧力を軽減します。コントロールホーンには、操縦のバランスを保ち、気流の中でのバタつきを防ぐカウンターウェイトが組み込まれている場合もあります。設計によっては、別個のバタつき防止ウェイトが備えられているものもあります。

（ラジオコントロール模型飛行機では、「コントロールホーン」という用語は異なる意味を持つ）^{[6] [7]}

最も単純な構成では、トリムは機械的なスプリング（またはバンジー）によって行われ、パイロットの制御入力を増強するために適切な力を加えます。スプリングは通常、エレベーターのトリム レバーに接続されており、パイロットがスプリングの力を設定できます。

ほとんどの固定翼航空機にはエレベーターにトリム制御面がありますが、大型の航空機にはラダー用とエルロン用のトリム制御面もあります。ラダー トリムは、エンジンからの非対称な推力に対抗するためのものです。エルロン トリムは、航空機の中心線から重心がずれることによる影響に対抗するためのものです。これは、燃料タンクの燃料が他よりも多くなるなど、航空機の片側に燃料または積載物が他側よりも多く積まれていることが原因である可能性があります。

• 航空機エンジン制御
• 航空機の飛行制御システム
• 航空機の飛行力学
• 制御が無効になった状態での飛行
• 船の動き
• 6つの自由度
• V字型テール
• 翼の反り

• プライベートパイロットマニュアル; ジェッペセン・サンダーソン; ISBN 0-88487-238-6 (ハードカバー、1999) 
• 飛行機飛行ハンドブック；米国運輸省、連邦航空局、FAA-8083-3A。（2004）
• クランシー、LJ (1975)エアロダイナミクスピットマン出版、ロンドンISBN 0-273-01120-0 

ウィキメディア・コモンズには、飛行制御面に関連するメディアがあります。

• BMFA による模型飛行機の飛行制御のわかりやすい説明 2017-02-08 にWayback Machineでアーカイブ
• John S. Denker 著「See How It Flies」。飛行の認識、手順、原理に関する新しい視点。