編隊飛行

編隊飛行は、複数の物体が協調して飛行することです。編隊飛行は自然界では飛翔動物や滑空動物の間で行われ、また人間の航空でも行われ、軍用航空や航空ショーでもよく行われます。

航空機が編隊飛行することによる性能上の利点については、数多くの研究が行われてきました。^[1]

1914年にヴィーゼルスベルガーが提唱した空気力学理論により、鳥類は編隊飛行によってパフォーマンス上の利点を得ることが1世紀以上前から知られている。^{[1] [2]}

有人航空における編隊飛行は、第一次世界大戦で戦闘機が偵察機の護衛に割り当てられたときに始まりました。^[3] 2機の航空機は単独の航空機よりも戦闘効果が高いことが判明したため、軍用機は常に少なくとも2機の編隊で飛行しました。^[3]第二次世界大戦までに、パイロットは安定性の向上や最適な視界など、編隊飛行の他の戦略的利点を発見しました。^[要出典]

組織的飛行における抗力の減少と、ドラフティングにおける抗力の減少を関連付けるのはよくある誤解ですが、これらはメカニズム的にはまったく異なります。

ドラフティングで生じる抗力の減少は、先行車両の後流の流速の低下によるもので、流れが物体の周りを移動するために加速する必要のある量が減少し、後続車両の前方の圧力が減少する。これにより、物体の前面と後面の投影面間の圧力差が小さくなり、抗力が減少する。これは、物体の一般的な抗力方程式 によってある程度トートロジー的に理解することもできる。ここで、は実験的に得られた単位のない数、 は物体が移動する流体媒体の密度、 は平均流の方向に垂直な断面積、 は 平均流の速度である。検査によって、平均速度の低下がドラフティングの場合と同様に抗力が減少することがわかる。^[要出典]${\textstyle F_{\text{D}}={\frac {1}{2}}C_{\text{D}}A\rho v^{2}}$${\displaystyle C_{\text{D}}}$${\displaystyle \rho}$${\displaystyle A}$${\displaystyle v}$

対照的に、編隊飛行で後続機が感じる抗力の減少は、後続機が先行機の翼から発生する渦に「乗る」ことで、空中に留まるために必要な力の量を減らすと考えられる。^{[4]この力は揚力と呼ばれ、自由流の流れ方向と抗力に対して垂直に作用する。これらの渦は}翼端渦と呼ばれ、翼端の周囲を高圧領域である翼の下部から低圧領域である翼の上部へと流れる流体によって形成される。流れは翼型から分離され、渦の中心を形成する低圧の伴流の周りを回転する。この渦は後続機の流れの方向を変えるように作用し、翼の一部の揚力を増加させ、迎え角を下げることで誘導抗力の減少を可能にする。^[5]

これは、抗力と類似の揚力方程式 によっても示せます。ここでの違いは 、 と が 迎え角 に比例して変化するという点です。迎え角 は、航空機の中立軸と自由流によって形成される角度です。渦により局所的な流れがより高い迎え角で入ってくるため、揚力と抗力の両方が回転し、揚力ベクトルが前方への推力を生成し、抗力ベクトルが揚力の増加を生成します。この揚力の増加により、巡航中に高度を維持するために必要な目標揚力を維持するために迎え角が減少する可能性があります。これにより、抗力と揚力が係数とを通じて の関数となるため、誘導抗力が減少します。^[要出典]${\textstyle F_{\text{L}}={\frac {1}{2}}C_{\text{L}}A\rho v^{2}}$${\displaystyle C_{\text{D}}}$${\displaystyle C_{\text{L}}}$${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle C_{\text{D}}}$${\displaystyle C_{\text{L}}}$

鳥は典型的にはV字型編隊またはJ字型編隊で飛ぶのが観察されており、後者は一般にエシェロンとして知られている。大規模な鳥の群れのエネルギー節約を定量化しようとした最初の研究は、LissamanとSchollenberger ^[6]であり、25羽の鳥の群れについて、最初の、しかしかなり欠陥のある^[1]推定値を提供した。単独の鳥の飛行と比較して、最も印象的な71％の航続距離延長が報告された。これらの報告された延長は通常、固定翼近似を使用したことによる。Haffner（1977）は風洞で飛ぶ鳥の実験を行い、より保守的な値である22％の航続距離延長を計算した。^{[7] [1]}

羽ばたきの位相に関する研究が行われ、V字型の編隊で飛ぶ鳥は羽ばたきを調整しているのに対し、梯形飛行する鳥はそうではないことがわかった。ウィリスら（2007）は、羽ばたきの最適な位相が20％の電力節約につながることを発見し、接近する渦を完全に捉えることよりも位置決めが重要であることを示唆した。^{[8] [1]}

鳥類の研究では、V字編隊は抗力を減らして飛行距離を延ばすことで全体的な空気力学的効率を大幅に高めることができることが示されています。^[9]

昆虫の群れは動物の集団行動であり、ドローンの応用に向けて活発に研究されている分野です。昆虫の群れのユニークな特徴は、リーダーがいないにもかかわらず、組織化された飛行をすることです。Kelleyと Ouellette (2013) による 10 匹のユスリカの粒子画像速度測定研究では、群れ内の昆虫の飛行は事実上非同期であるにもかかわらず、群れの境界は統計的に一貫しています。また、クラスター化の兆候も見られ、何らかの自己組織化行動がある可能性を示唆しています。^[10]

編隊の最小単位はセクションまたはエレメントと呼ばれ、2機の航空機で構成されます。これらのパイロットはリーダーとウィングマンです。師団または飛行隊は2つのセクションまたはエレメントで構成されます。複数の師団または飛行隊が編隊に組み合わされます。^{[11] : 6}標準的な戦闘機編隊には、飛行隊長の航空機から横方向に1マイル（1.6 km）、垂直方向に100フィート（30 m）以内にウィングマンによって位置が維持される航空機が含まれます。^{[11] : 8}非標準編隊は、飛行隊長が要求し、航空交通管制が規定の境界に準拠しない寸法を承認した場合、許可された高度予約内で運航している場合、または合意書の規定に基づいて運航している場合、または特別に指定された空域で飛行操作が行われている場合に表示されます。^{[11] : 9}

フィンガーチップフォー（またはフィンガーフォー）は、手を伸ばしたときの指先の位置に似た基本的な4機編隊である。フライトリーダー（＃1）は最前線の航空機を操縦し（中指の先）、リードの僚機（＃2）は横と後ろにいます（人差し指の先）。セクションリーダー（＃3）はリードの僚機の反対側にいて（薬指の先）、セクションリーダーの僚機（＃4）はセクションリーダーと同じ側に向かって追従しています（小指の先）。フィンガーチップ編隊は、セクション（＃3と＃4）の航空機が飛行している側に応じて、ストロングライトまたはストロングレフトと呼ばれます。 ^{[11] ：17}たとえば、上空から見ると、フィンガーチップフォーストロングライト編隊は、左から右に、＃2（リードの僚機）、＃1（フライトリーダー）、＃3（セクションリーダー）、＃4（セクションリーダーの僚機）の航空機で構成されます。

飛行リーダーは、飛行操作の前に、基本編隊として指先を右にするか左にするかを決定し、伝達する必要がある。編隊は、手信号と飛行機信号の使用を容易にするために、基本編隊との間で移行する必要がある。^{[11] : 17}

軍用航空において、戦術編隊飛行とは、飛行隊長の指揮の下、2機以上の航空機が規律正しく飛行することである。^{[11] : 6}軍のパイロットは相互防衛と火力の集中のために戦術編隊を使用する。^{[12] : 第17条第1項}

無人航空機による安全な編隊飛行の実現という課題は、 21 世紀に航空機や宇宙船のシステムを用いて広範に研究されてきました。航空機の場合、編隊飛行を行う利点としては、燃料の節約、^[13]航空管制の効率向上、協力的なタスク割り当てなどが挙げられます。宇宙船の場合、編隊飛行の正確な制御により、将来的には大口径宇宙望遠鏡、可変ベースライン宇宙干渉計、自律ランデブーおよびドッキング、宇宙構造物のロボット組み立てなどが可能になります。^[要出典]使用される最も単純な編隊の 1 つは、自律航空機が、自律型の先導航空機と編隊を維持するというものです。^[14]

民間航空では、編隊飛行は航空ショーやレクリエーションで行われる。これは飛行技術の向上に使用され、また古い航空組織の名誉ある活動でもある。編隊飛行は、他の航空機の近くを飛行するというより挑戦的な技術である。編隊飛行は抗力を最小限に抑えることで燃料消費量を減らすことが提案されている。^[15]

2000年代初頭、NASAの自律編隊飛行プログラムは2機のF/A-18を使用しました。2013年には、空軍研究所のエネルギーのためのサーフィン航空機渦プロジェクトが2機のボーイングC-17グローブマスターIIIに搭載され、10〜15％の燃料節約を示しました。2017年には、NASAは2機のガルフストリームIII航空機によるウェイクサーフィンテスト飛行で8〜10％の燃料流量低下を測定しました。2018年には、フェデックスエクスプレスのボーイング777F貨物機であるエコデモンストレーターが、ADS-BとTCAS情報に基づいて自動操縦で4,000フィート（1.2 km）の間隔を維持することで、燃料消費量を5〜10％削減しました。^[16]

エアバスは、渡り鳥のように後流上昇気流を利用することで（バイオミミクリー）、前の航空機の1.5～2海里（2.8～3.7km）後ろを飛ぶことで、5～10％の燃料を節約できると考えている。エアバスA380のテストで12％の節約が示された後、同社は2019年11月に「fello'fly」プロジェクトを開始し、2020年に2機のA350でテスト飛行を行い、2021年には航空会社との大西洋横断飛行試験を行う予定である。より短い間隔の認証は洋上空域でのADS-Bによって可能になり、必要な変更は飛行制御システムのソフトウェアのみである。快適性には影響がなく、複雑さを軽減するために試験は2機に限定されているが、このコンセプトはさらに多くの航空機に拡大される可能性がある。航空会社のスケジュール調整により2025年に商業運航が開始され、他のメーカーの航空機も含まれる可能性がある。^[17]

2021年11月9日、エアバスはA350-900とA350-1000を3km（1.6海里）離して7 時間40分のトゥールーズ・モントリオール間デモンストレーションを実施し、6トン（13,000ポンド）以上の二酸化炭素を削減しました。これは5％以上の燃料節約の可能性です。 ^[18] EU SESAR航空交通管理研究によって部分的に資金提供されているエアバスのギースイニシアチブには、2025年から2026年の飛行試験にエールフランスとフレンチビーのA350が含まれ、相互運用性のためにボーイングも参加します。^[19] 

• 曲技飛行 – 通常の飛行では達成できない姿勢を伴う飛行操作
• フィンガーフォー – 戦闘機の飛行編隊
• フライパスト – 儀式または敬意を表す航空機の飛行
• 編隊灯 – 編隊飛行用の航空機照明リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• 衛星編隊飛行 - 複数の衛星を調整して、単一の大型衛星の目的を達成するフォールバックとしてウィキデータの説明を表示するページ
• 群ロボット - 複数のロボットをシステムとして連携させる
• ヴィック編隊 - 軍用機編隊

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