フライトエンベロープ

航空力学では、航空機や宇宙船の飛行エンベロープ、サービスエンベロープ、または性能エンベロープは、対気速度と荷重係数または大気の密度の観点から見た設計能力を指し、高度に簡略化されることが多い。^{[1] [2]}

この用語はやや曖昧に使われており、操縦性などの他の測定にも適用されます。たとえば、飛行機が高速で急降下するなどして押されると、「エンベロープ外」で飛行すると言われ、かなり危険だと見なされます。機体テスト プログラムでは、飛行エンベロープとは、航空機または宇宙船の設計機能のうち、すでに正常にテストされ、理論上または設計された機能から実証/認定された機能に移行した部分を意味します。

飛行エンベロープは、同様の方法で使用されている関連用語の 1 つです。これは最も古い用語であり、テスト飛行の初期に初めて使用されたため、おそらく最も一般的な用語です。これは、航空機の飛行エンベロープを説明する別の方法である、エクストラ パワーやドッグハウス プロットと呼ばれるより現代的な用語と密接に関連しています。さらに、この用語は、エンジニアリングの分野以外でも範囲が拡大され、イベントが発生する厳格な制限、またはより一般的には特定の現象または状況の予測可能な動作、つまり「飛行エンベロープ」を指すようになりました。

追加出力、または特定の過剰出力^[3]は、航空機の飛行範囲を決定する非常に基本的な方法です。これは簡単に計算できますが、欠点として、さまざまな高度での航空機の実際の性能についてはあまりわかりません。

特定のパラメータ セットを選択すると、その条件で特定の航空機に必要なパワーが生成されます。たとえば、セスナ 150 が高度 2,500 フィート (760 m)、速度 90 マイル/時 (140 km/h) でまっすぐ水平に飛行するには、約 60 馬力 (45 kW) が必要です。C150 には通常 100 馬力 (75 kW) のエンジンが搭載されているため、この特定のケースでは、飛行機には 40 馬力 (30 kW) の追加パワーがあります。全体的に見ると、これは非常に小さな追加パワーであり、飛行機を空中に維持するだけでエンジン出力の 60% がすでに使用されています。残りの 40 馬力は、飛行機が操縦するために必要なすべてであり、つまり、上昇、旋回、またはほんの少しの加速しかできないことを意味します。これを比較すると、C150 は 2 g (20 m/s²) の旋回を維持できず、同じ条件下では最低でも 120 馬力 (89 kW) が必要になります。

同じ条件でも、戦闘機は翼が高速、高機敏性、またはその両方向けに設計されているため、かなり大きなパワーが必要になる場合があります。同様のパフォーマンスを達成するには、10,000 馬力 (7.5 MW) が必要になる場合があります。ただし、現代のジェット エンジンはかなりのパワーを提供でき、50,000 馬力 (37 MW) 相当のパワーも珍しくありません。この量の追加パワーにより、航空機は非常に高い最大上昇率を達成でき、まっすぐに上昇したり、強力な連続操縦を行ったり、非常に高速で飛行したりすることもできます。

ドッグハウス プロットは、通常、水平飛行時の速度と高度の関係を示しますが、他の変数も考えられます。追加のパワー計算よりも作成に手間がかかりますが、その代わりに、理想的な飛行高度など、より多くの情報が得られます。プロットは通常、逆 U 字型に見え、犬小屋 (アメリカ英語では「ドッグハウス」と呼ばれることもあります) に似ていることから、ドッグハウス プロットと呼ばれることがよくあります。右の図は、プロットの一般的な形状を説明するために使用される非常に簡略化されたプロットを示しています。

図の外側の縁、つまりエンベロープは、航空機が直線水平飛行で到達できる可能性のある条件を示しています。たとえば、右側の黒い高度エンベロープで表された航空機は、約 52,000 フィート (16,000 メートル) の高度まで飛行できますが、その高度を超えると空気が薄くなるため、それ以上上昇できなくなります。この航空機は、海面でマッハ 1.1 まで飛行できますが、それ以上の速度では飛行できません。この曲線の外側の表面は、余分な出力がゼロの状態を表しています。曲線の下の領域はすべて、航空機が余裕を持って飛行できる条件を表しています。たとえば、この航空機は、フルパワー未満で、30,000 フィート (9,100 メートル) をマッハ 0.5 で飛行できます。

戦闘機を含む高性能航空機の場合、直線水平飛行を示すこの「1-g」ラインに加えて、さまざまな g 負荷での最大パフォーマンスを示す追加のラインが追加されます。右の図では、緑のラインは 2-g、青のラインは 3-g などを表します。F -16 ファイティング ファルコンには、マッハ 1 よりわずかに低く、海面に近い非常に狭い領域があり、そこで 9-g 旋回を維持できます。

エンベロープは直線かつ水平な状態のみを表すため、エンベロープの外側を飛行することも可能です。たとえば、航空機を急降下させると、重力を追加の動力源として使用して、より高速で飛行できます。同様に、最初に速度を上げて、次に弾道飛行することで、より高い高度に到達できます。この操作は、ズーム クライムとして知られています。

すべての固定翼航空機には、水平飛行を維持できる最低速度、つまり失速速度(図の左の限界線) があります。航空機が高度を上げると、失速速度が増加します。翼はそれ以上大きくならないため、少ない空気で航空機の重量を支える唯一の方法は速度を上げることです。正確な数値は航空機ごとに大きく異なりますが、この関係の性質は通常同じです。速度 (x 軸) と高度 (y 軸) のグラフにプロットすると、対角線を形成します。

翼の非効率性により、この線は高度が上昇するにつれて「傾き」、水平になり、速度を上げても高度が上がらなくなります。この最大高度は実用限界高度(図の上限線) と呼ばれ、航空機の性能についてよく引用されます。水平飛行で所定の速度で高度を上げることができなくなる領域は上昇率ゼロと呼ばれ、航空機の揚力が高度が上がるにつれて小さくなり、重力を超えなくなることで発生します。

グラフの右側は、航空機の最高速度を表します。これは通常、高度が上がるにつれて空気抵抗が小さくなるため失速線と同じ傾斜をしており、高度が上がるとエンジンに供給する酸素が不足して最高速度が上がらなくなるまで続きます。

必要なパワーは高度に伴ってほぼ直線的に変化しますが、抗力の性質上、パワーは速度の二乗に比例して変化します。言い換えれば、エンジンの酸素不足が大きな役割を果たし始める高度までは、通常、より速く飛ぶよりも高く飛ぶ方が簡単です。

速度対荷重係数のグラフ（またはVn図）は、航空機の性能限界を示すもう1つの方法です。これは、さまざまな対気速度で安全に達成できる荷重係数を示します。^[3]

気温が高いと空気の密度が低くなり、飛行機は同じ揚力を得るためにより速く飛行しなければなりません。高熱により飛行機が運べる貨物の量が減り、飛行機が離陸するために必要な滑走路の長さが長くなり、山などの障害物を避けるのが難しくなります。異常気象の場合には飛行が安全でなくなったり不経済になったりする可能性があり、時には商業飛行がキャンセルされることもあります。^{[4] [5]}

航空機を最高速度や実用上昇限度などの単純な数字で比較するのは簡単ですが、飛行エンベロープを調べると、はるかに多くの情報が明らかになります。一般的に、曲線の下の面積が大きい設計の方が、総合的なパフォーマンスが優れています。これは、飛行機がエンベロープの端を飛行していないときに、その余分なパワーが大きくなり、上昇や操縦などにより多くのパワーを使えるようになるためです。一般航空機の飛行エンベロープは非常に小さく、速度はおそらく時速 50 マイルから 200 マイルの範囲ですが、現代の戦闘機で利用できる余分なパワーにより、飛行エンベロープは面積の何倍にもなる巨大なものになります。ただし、トレードオフとして、軍用機は失速速度が速いことがよくあります。この結果、着陸速度も速くなります。

このフレーズは、航空機が指定された高度と速度の制限に達するか、それを超えることを指すために使用されます。^{[6]拡大解釈すると、このフレーズは、航空宇宙内または他の分野（例：} Plus ultra（モットー））でのその他の限界のテストを意味するために使用される場合があります。^[7]

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• 棺の角（航空）
• ヘリコプターの高度と速度の関係図
• キュスナー効果
• 操縦速度
• コーナーケース