大型航空機

大型航空機は、長距離にわたって大型または重量のある積荷を輸送できます。航空機の設計を大きくすると、特定の積荷を輸送するための全体的な燃料効率と工数も改善され、軽量貨物を輸送したり、乗客が動き回れるスペースを確保したりするためのスペースも広くなります。ただし、航空機が大型化すると、小型タイプにはない重大な設計上の問題が生じます。これには、構造上の効率、飛行制御の応答性、信頼性が高くコスト効率の高い設置における十分な電力などが含まれます。

大型航空機には特殊な地上施設も必要であり、一部の国では大型航空機に対して特別な規制環境が設けられています。

1930 年代の巨大飛行船は、2016 年現在でも史上最大の航空機であり、1947 年のヒューズ H-4 「スプルース グース」は固定翼型の中で最大の翼幅を誇りました。ハイブリッド エア ビークルズのエアランダー 10 ハイブリッド飛行船は、現在飛行している最大の航空機です。

航空機の揚力は、翼のサイズと「荷重」、つまり翼が支えられる単位面積あたりの重量によって決まります。荷重は、特定の技術レベルではほぼ一定です。したがって、航空機のサイズが大きくなると、揚力は表面積とともに増加します。特定の空力形状の場合、面積は翼幅の 2 乗に比例して増加します。構造効率を維持できる場合、機体の構造重量も表面積と翼幅の 2 乗に比例して増加します。ただし、内部容積は翼幅の 3 乗に比例して増加します。

たとえば、寸法がすべて 2 倍になると、面積と揚力は 2 × 2 = 4 倍に増加し、容積は 2 × 2 × 2 = 8 倍に増加します。

旅客機の場合、サイズが 2 倍になると、乗客 1 人あたりの客室スペースが最大 2 倍になります。また、輸送機の場合は、かさばるが軽量の貨物を積載するスペースが最大 2 倍になります。したがって、大型航空機は、小型航空機よりも快適で運用上の柔軟性も高くなります。

翼が大きいほど、より大きな力がかかりますが、翼も厚くなります。主翼の桁はI 型鋼に近く、その深さは翼の厚さに等しくなります。受けるべき総荷重が一定であれば、梁にかかる力はその深さの 2 乗に比例して減少します。翼幅が 2 倍になると、厚さも 2 倍になります。これにより桁にかかる力が 2 x 2 = 4 分の 1 に減少し、総荷重が 4 倍になります。これは、翼面積が大きいほど得られる揚力の増加と正確に一致します。

これは、大型航空機の金属部品が小型航空機の金属部品より厚くも重くもないことを意味します。ただし、これらの部品は 4 倍の面積をカバーする必要があるため、航空機は 4 倍重くなります。これもまた、積載重量の増加と正確に一致するため、航空機をどれだけ大きく (または小さく) 作れるかという構造上の制限はありません。

大型航空機は、依然として設計上の課題を抱えています。構造部材は厚くはないかもしれませんが、長さが 2 倍になったため、剛性が問題となり、十分な全体剛性を確保するために設計アプローチを調整する必要があります。これは通常、構造部材をセル状にすることで実現されます。たとえば、小型航空機の翼桁は、実際にはソリッド断面を持つ単純な I ビームですが、大型の設計では、ビームの垂直部分または「ウェブ」は、三角形構造のトラスのオープン ラティスとして構築されます。

エルロンなどの飛行制御装置の有効性は、主にその面積と航空機の中心（レバーアーム）からの距離によって決まります。翼幅が 2 倍になると、面積は 4 倍、レバーアームは 2 倍になり、エルロンの有効性は 8 倍になります。

航空機の重量も 4 倍になり、重量も平均して 2 倍遠くまで届くため、翼端の同じ加速を達成するには 8 倍の労力が必要になります。

これらはバランスが取れているため、大型航空機では同等のエルロンが小型航空機と同じ速度で翼端を上下に加速します。しかし、翼幅が 2 倍の翼では、航空機の姿勢を同じ変化にするには、翼端が 2 倍の距離を移動する必要があります。これには時間がかかるため、大型航空機は同等の小型航空機よりもゆっくりと操縦します。

エアバスA380のような非常に大型の機種では、従来のエルロンだけでは不十分で、下向きの翼の揚力を減らし、ロールレートを実用的かつ安全なレベルまで高めるために、追加のリフトスポイラーが使用されます。

同様の問題は、エレベーターとピッチ制御でも発生します。適切な制御応答を確保するための追加の設計対策がなければ、飛行経路を土壇場で修正しようとしても手遅れになる可能性が高く、土壇場での着陸中止や旋回飛行が困難で危険なものになります。

航空機のエンジンの数は、信頼性と安全性に影響します。エンジンの数が多いほど、1 つのエンジンが故障しても安全です。しかし、その一方で、エンジンの数が多いほど、1 つ以上のエンジンが故障する可能性が高くなり、航空機関士の作業負荷も大きくなります。今日では、実際には 2 つのエンジンが好まれ、かなり大型のワイドボディ航空機でもエンジンは 2 つしかありません。安全性とコストの両方の理由から、4 つが限度と一般に認められています。

いくつかの軍用タイプを除いて、実用的な大型航空機に 4 つ以上のエンジンが搭載されたことは一度もありません。航空機が大型化するにつれて、より大きなエンジンを設計する必要が生じます。

ファンブレードの空気速度は、損傷や騒音の原因となる衝撃波を避けるために、音速以下に抑える必要があります。先端の最高速度によって、回転速度が制限されます。一定の回転速度では、ファンの先端が大きいほど、回転速度が速くなります。そのため、大型エンジンの最高速度を抑えるには、ファンの回転速度を遅くする必要があります。ファンは同じシャフトのタービンによって駆動されるため、タービンブレードも回転速度が遅くなります。

実際には、より少ない航空機を飛ばすことで得られる運用コストの削減により、その規模を維持できる路線では、より大型の航空機の方が経済的になります。

しかし、これに対応するには、滑走路、取扱施設、格納庫などの地上施設を拡張する必要があり、その費用は運用コストの削減で相殺されなければなりません。一部の空港では利用できる幅が限られているため、実際の航空機で実現可能な翼幅が制限されます。

航空活動の規制では、当局は一定の大きさ以上の機種に対して追加の規則や制限を課しています。

アメリカ連邦航空局は、最大認定離陸重量が12,500ポンド（5.7トン）を超える航空機を大型航空機と定義しています。^[1]

欧州航空安全機関（EASA）は、大型航空機を「最大離陸質量が5,700キログラム（12,600ポンド）を超える飛行機、多発エンジンのヘリコプター、または容積が15,000立方メートルを超えるガス飛行船」と定義しています。^[2]

最初の実用的な航空機は気球で、スポーツや軍事観測に使用されました。1901年、容積8,400立方メートル（300,000立方フィート）の巨大気球プロイセン（プロイセン）が高度9,155メートル（30,036フィート）まで上昇しました。初期の飛行船は、細長い気球の下にエンジンを吊り下げただけのものでした。これらの航空機は、機体が非剛性であまり長くできなかったため、サイズが制限されていました。ドイツのフェルディナント・フォン・ツェッペリン伯爵は、剛性のあるフレームではるかに大きな容積を支えることができることに気付き、1900年に容積11,300立方メートル（400,000立方フィート）、長さ128メートル（420フィート）のルフトシフ・ツェッペリン1号が短期間飛行しました。^[3]

初期の固定翼飛行機は、ほとんどが単発エンジンでした。ロシアのイゴール・シコルスキーが 1913 年にイリヤ・ムーロメツを設計し飛行させたとき、それは最初の 4 発エンジンの飛行機になっただけでなく、翼幅 29.8 メートル (98 フィート)、積載重量 4,600 キログラム (10,100 ポンド) で、当時としては断然最大かつ最重量の飛行機となりました。比較すると、同年に飛行したLZ 18飛行船は、全長 158 メートル (518 フィート) (エンベロープ容量 270,000 m ³ (9,500,000 立方フィート))、自重 20 トンでした。

1928年のベアードモア・インフレキシブルは、翼幅が157フィート6インチ（48.01メートル）、総重量が37,000ポンドであった。しかし、この機体は重量級の航空機にしては出力が低かった。当時としては構造的に先進的で、全金属の応力外皮構造であった。^[4]ドルニエDo Xは、1929年に飛行した当時、世界最大、最重量、最強の飛行艇であり、翼幅は48メートル（157フィート6インチ）、最大離陸重量は56,000キログラム（123,459ポンド）であった。

2つの世界大戦の間の期間では、1934年のソ連のツポレフ ANT-20 マキシム・ゴーリキー陸上機のみが、翼幅63.00メートル（206フィート9インチ）でこれより大きかったが、最大離陸重量は53トンで、Do Xの56トンほど重くはなかった。

史上最大の飛行船は、ツェッペリン LZ 129 「ヒンデンブルク」です。1936 年に初飛行したヒンデンブルクは、容積 200,000 立方メートル (7,100,000 立方フィート)、長さ 245 メートル (804 フィート) でした。乗客と貨物を合わせた最大積載量は 19,000 キログラム (42,000 ポンド) でした。ヒンデンブルクの悲惨な終焉以降、この規模の飛行船は建造されていません。

当時、大型の航空機、特に長距離飛行艇は、イリヤ・ムーロメツの規模を超えていました。その後、第二次世界大戦中、アメリカは、滑走路が用意されていない基地から運用できる、太平洋を横断する大型貨物輸送機の必要性を予見しました。巨大なヒューズ H-4 ハーキュリーズ飛行艇は木材で建造されたため、「スプルース・グース」という名前が付けられました。1947 年にようやく短期間飛行したとき、その 97.82 メートル (320 フィート 11 インチ) の翼幅は、 2019 年 4 月 13 日に 117 メートル (385 フィート) のストラトローンチが初飛行するまで、史上最大の飛行機でした。この飛行機を空中に飛ばすには、 8 基のプラット & ホイットニー R-4360ワスプ メジャー星型エンジンが必要でした。その時までには、陸上機が長距離飛行を引き継いでおり、H-4 は水面から 100 フィート未満の 1 マイル以上の飛行を行っただけで、二度と飛行することはありませんでした。現在は博物館の展示品として保存されています。

第二次世界大戦の初めに、バーンズ・ウォリスは10トン爆弾を搭載する50トンの「ビクトリー爆撃機」を提案したが、航空省は用途が限られているとしてこれを却下した。戦争が進むにつれて、イギリスは超大型爆撃機の設計（爆弾積載量25トン、エンジン6基以上で重量75～100トン）を検討したが、実用化に要する時間、爆弾積載量、防御兵器、航続距離のバランスを取る難しさ、既存の設計（アブロ・ランカスターなど）の成功が利点を上回ると判断した。大型航空機の研究の一部は、戦後のブリストル・ブラバゾン（翼幅70メートル、重量130トンの旅客機）に活かされ、100人の乗客に船並みの広さと快適さを提供した。^[5]

ジェット機時代の到来とともに、旅客機は大型化を続けました。ワイドボディタイプが導入され、1970 年にはボーイング 747「ジャンボジェット」が就航しました。この機は、乗客の居住性を高めるために、短い第 2 上部デッキを備えています。747 の派生型は、全長の上部デッキを備えたエアバス A380シリーズが 2007 年に登場したまで、30 年以上にわたって飛行する最大の旅客機であり続け、一部には「延長された」上部デッキがありました。両方のラインは開発が続けられ、さらに大きな派生型が導入されています。現在 (2014 年) 最大のものは A380-800 で、最大 853 人を収容できます。

ソ連は、1988年にブランスペースシャトルを空輸するために、唯一のアントノフ An-225 ムリーヤ（夢）を導入した。最大離陸重量が640トン（1,410,000ポンド）を超え、翼幅が88.4メートル（290フィート）で、世界最大の運用可能な航空機であった。ブラン飛行の終了以来、ムリーヤは2022年のロシアのウクライナ侵攻中のアントノフ空港の戦いで破壊されるまで、大型輸送機として運用され続けた。

現在（2014年）飛行している最大の航空機は、ハイブリッド航空機のエアランダー10 ハイブリッド飛行船で、内部容積は38,000立方メートル、長さは91メートルです。^{[6] [7]}

これらのリストは、気球、飛行船、飛行機、回転翼航空機といった各主要航空機クラスのサイズの歴史的変遷を示しています。ハイブリッドは、エンベロープ長、翼幅、回転翼直径など、最大のコンポーネントの下にリストされています。 -->

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