高揚力装置

航空機設計および航空宇宙工学において、高揚力装置とは、航空機の翼に取り付けられ、翼によって生成される揚力の量を増加させる部品または機構のことです。この装置は固定部品の場合もあれば、必要に応じて展開される可動機構の場合もあります。一般的な可動式高揚力装置には、翼フラップやスラットがあります。固定式装置には、前縁スロット、前縁根元延長部、境界層制御システムなどがあります。

固定翼のサイズと揚力は、さまざまな要件の妥協点として選択されます。たとえば、翼が大きいほど揚力は大きくなり、離着陸に必要な距離と速度は減少しますが、抗力が増加し、飛行の巡航部分のパフォーマンスが低下します。現代の旅客機の翼の設計は、航空機が飛行時間の大部分を費やす巡航部分での速度と効率に最適化されています。高揚力装置は、離着陸時に揚力を追加し、航空機を安全に着陸させるために必要な速度と距離を減らし、飛行中により効率的な翼を使用できるようにすることで、この設計上のトレードオフを補います。たとえば、ボーイング747-400の高揚力装置は、翼面積を21％増加させ、生成される揚力を90％増加させます。^[1]

最も一般的な高揚力装置はフラップです。これは翼の可動部分で、下げることで揚力を増加させることができます。フラップを下げると、翼部分が変形してキャンバー角が大きくなります。フラップは通常、翼の後縁に配置されますが、前縁フラップが使用されることもあります。後縁フラップには多くの種類があります。

シンプルなヒンジ付きフラップは、古い複葉機よりも離着陸速度が速い現代の高速単葉機の登場とともに、1930 年代に一般的に使用されるようになりました。

スプリットフラップでは、下面が下向きにヒンジで開き、上面は翼に固定されたままか、独立して動きます。

トラベリング フラップは後方に伸び、展開時に翼弦長が長くなり、翼面積が拡大して揚力をさらに高めます。トラベリング フラップは、1920 年代から 30 年代にかけて、さまざまな個人や組織の努力により、第二次世界大戦の直前に登場し始めました。

スロットフラップは、展開時に分離したり、ヒンジで開閉したり、さらには互いにスライドして通過する複数の独立した小さな翼で構成されています。このような複雑なフラップの配置は、多くの現代の航空機に見られます。^[2]現代の大型旅客機は、離陸時に必要な巨大な揚力を生成するために、 トリプルスロットフラップを使用しています。

もう一つの一般的な高揚力装置はスラットで、これは翼前縁のすぐ前に取り付けられた小さな翼型装置である。スラットは翼前部の気流の向きを変え、高迎え角のときに上面上をよりスムーズに流れるようにする。これにより、翼はより高い角度で効果的に操作され、より大きな揚力を生み出すことができる。スロットはスラットと翼の間の隙間である。^[3]スラットは固定されていて、その後ろにスロットが恒久的に配置されている場合もあれば、格納式で不要なときにはスロットが閉じられている場合もある。固定されている場合、スロットはすぐ後ろの翼面に埋め込まれており、翼前縁の通常の一部のように見えることがある。

スラットまたはスロットは、低速制御を良好にするために揚力特性をどのように変更する必要があるかに応じて、翼幅全体にわたって配置することも、翼の一部のみ（通常は外側）に配置することもできます。スロットとスラットは、エルロンの前のセクションにのみ使用されることもあり、これにより、翼の残りの部分が失速してもエルロンが使用可能になります。

最初のスラットは1918 年にグスタフ ラハマンによって開発され、同時にハンドレ ページによって1919 年に特許を取得しました。1930 年代までには、飛行状況に応じて必要に応じて開閉する自動スラットが開発されました。通常、スラットを閉じるにはスラットに対する気流圧力によって操作され、速度が低下したり、気流が翼の所定の迎え角に達したりして動圧が減少すると、小さなバネによって低速で開きます。

現代のフラップのような現代のシステムはより複雑であり、通常は油圧またはサーボで展開されます。^{[4] [5] [6]}

動力式高揚力システムは、一般にエンジンからの気流を利用して翼上の空気の流れを形成し、フラップの動作を置き換えたり変更したりする。ブロウンフラップは、ジェットエンジンのコンプレッサーまたはエンジン排気口から「ブリードエア」を取り出し、それを翼とフラップの後部上面に吹き付けることで境界層を再活性化し、より高い迎え角でも気流が付着したままになるようにする。ブロウンフラップのより高度なバージョンは循環制御翼であり、特別に設計された翼型上で後方に空気を排出してコアンダ効果によって揚力を生成する機構である。ブラックバーン バッカニアは、高度な境界層制御 (BLC) システムを備えており、コンプレッサーの空気を翼と尾翼に吹き付けて失速速度を下げ、小型航空母艦からの運用を容易にしていた。

もう 1 つの方法は、排気経路に展開するようにフラップを配置して、エンジンからの気流を直接利用することです。このようなフラップは、現代のエンジンのパワーのためにより大きな強度と、高温の排気に対するより大きな耐熱性を必要としますが、揚力への影響は大きくなります。例としては、C-17 グローブマスター IIIがあります。

現代の戦闘機ではより一般的ですが、一部の民間機にも見られるのが、前縁根元延長部(LERX) です。これは単に前縁延長部 (LEX) と呼ばれることもあります。LERX は通常、主翼前縁根元と胴体に取り付けられた小さな三角形のフィレットで構成されます。通常の飛行では、LERX はほとんど揚力を生み出しません。しかし、迎え角が大きい場合、主翼の上面に位置する渦が発生します。渦の旋回作用により、翼上の気流速度が上昇し、圧力が低減して揚力が大きくなります。LERX システムは、潜在的に大きな角度で効果を発揮する点が注目に値します。

コフロージェット（CFJ）翼は、揚力を増加させ、失速マージンを増やし、抗力を減らすために、前縁の後に噴射スロット、後縁の前に吸引スロットを備えた上面を備えています。CFJは、マイアミ大学の機械および航空宇宙工学部によって推進されています。同じ翼面積、サイズ、重量のATR 72をベースにしたハイブリッド電気地域航空機の場合、CFJは巡航揚力係数を改善して翼面荷重を高め、より多くの燃料とバッテリーを搭載して航続距離を延ばすことができます。^[7]

• 境界層制御
• 循環制御翼
• 中国（航空機）