ピッチアップ

航空力学において、ピッチアップとは、航空機が意図せず機首を上に回転することである。これは望ましくない特性であり、主に亜音速マッハ数の高い速度または高い迎え角で実験的な後退翼航空機に観察されている。^[1]

ピッチアップの問題は、後退翼を備えた高速試験機で初めて確認されました。この問題は、この問題の試験に広く使用された ダグラス スカイロケットではよく見られる問題でした。

ピッチアップ現象が十分に理解される前は、初期の後退翼航空機のすべてにこの問題がつきまとっていた。F -100 スーパーセイバーでは、セイバーダンスという独自の名前まで付けられた。F -101 ブードゥーのように尾翼が高く取り付けられた航空機では、ピッチアップ中に尾翼が翼の後流に直接置かれるため、深刻な失速を引き起こすため、回復が特に困難だった（T字型尾翼はそもそもピッチアップが始まるのを防ぐためのものだったが）。ブレーキングパラシュートを展開し、地面からかなりの高さにいることが、回復のチャンスを得る上で不可欠だった。

翼は上面と下面に圧力分布を生成し、それが「圧力中心」または CoP と呼ばれる点に作用する単一の力を生み出します。圧力中心は通常、前縁から後方に 1/3 から 1/2 の間に位置しています。この上向きおよび後方への傾斜力は、揚力と抗力と呼ばれる同等の力のペアに置き換えられます。これらの力が作用する縦方向の位置と力の大きさは、迎え角によって変化します。さらに、CoP 以外の力の位置では、変化するピッチングモーメントが存在します。これらの変化により、速度や出力設定を変更するときに航空機をトリムする必要が生じます。 ^[2]

航空機の設計におけるもう 1 つの重要な考慮事項は、翼を含む航空機の部品のすべての重量項のベクトル加算です。これも、航空機の縦軸に沿ったある点、つまり「重心」、つまり CoG に作用する単一の重量項に縮小できます。翼の CoP が航空機の CoG の近くにあるように翼が配置されている場合、水平飛行では翼が航空機を真上に持ち上げます。これにより、航空機を上下に傾ける正味の力が軽減されますが、いくつかの理由により、通常、2 つのポイントはわずかに離れており、飛行制御面からのわずかな力を使用してこれをバランスさせます。^[2]

後退翼を持つ航空機にも、同じ基本レイアウトが望ましい。従来の長方形の翼では、CoP は翼根から直接伸びる弦上の点で航空機と出会う。同じ解析で後退翼の圧力中心点が明らかになるが、その位置は翼の根元で測定された前縁よりかなり後ろになる可能性がある。後退角の大きい平面形状では、CoP が翼根の後縁より後ろにある場合があり、翼は航空機と一見かなり前方の位置で出会う必要がある。^[3]

この後退翼の場合、迎え角によるCoPの変化が拡大される可能性がある。^[4]

後退翼の導入は、より高度にテーパーのきいた設計への移行の過程でもありました。楕円形の平面形状が誘導抗力の観点から「完璧」であることは以前から知られていましたが、翼の直線テーパーも軽量でありながら、ほぼ同じ効果が得られることが注目されました。戦時中の研究^[5]により、特に戦後、テーパーが広く使用されるようになりました。しかし、このような設計には不利な失速特性があることが早くから認識されていました。高迎え角で翼端に高い負荷がかかるため、失速点に近いところで動作していたのです。

この効果は従来の直線翼機では好ましくないものでしたが、後退翼設計では予期せぬ危険な結果をもたらしました。後退翼で翼端が失速すると、圧力の中心、つまり翼全体の平均揚力点が前方に移動します。これは、まだかなりの揚力を生成している部分がさらに前方にあるためです。これにより機首上げ力がさらに大きくなり、迎え角が増加して、翼端領域の失速がさらに大きくなります。これが連鎖反応を引き起こし、航空機の激しい機首上げピッチングを引き起こす可能性があります。

この効果は、1949年8月にダグラスD-558-2 スカイロケットで初めて確認された。0.6Gの旋回が突然制御不能の6Gに増加した時である。これは全く驚くべきことではなかった。この効果は以前から風洞シミュレーションで確認されていたからである。^[4]これらの効果はどの速度でも確認できる。スカイロケットでは主に遷音速（ワイル・グレイ基準）で発生したが、ノースアメリカンF-100 スーパーセイバーのようなより急な後退角と先細りの機体形状では、低速でも揚力を維持するために航空機がより高い迎え角で飛行する低速（ハロン・マクヒュー境界）でもこの効果はよく見られた。^[6]

さらに、後退翼は翼幅方向の境界層の流れを生じやすく、気流の一部が翼に沿って「横向き」に移動する。これは翼全体で起こるが、翼端に向かうにつれて横向きの流れが増加する。これは、その地点での翼の寄与と、根元に近い地点からの翼幅方向の流れの両方を含むためである。この効果は蓄積するのに時間がかかり、速度が速いと、翼幅方向の流れは深刻になる前に翼の後ろから吹き飛ばされる傾向がある。しかし、速度が低いと、翼端での境界層がかなり蓄積され、上記の問題がさらに悪化する可能性がある。^[7]

最後に、上記の効果とは直接関係ないが、ジェット機の初期の時代には、空力面をジェットエンジン領域から十分に離しておくために、 T字型尾翼設計が一般的だった。この場合、ピッチアップが発生すると、翼の後ろの乱気流が水平安定板を横切って流れ、ピッチアップを打ち消すために機首下げ圧力をかけることが困難または不可能になる可能性がある。尾翼が低く取り付けられた航空機はこの影響を受けず、むしろ、翼の後流が操縦面を通り抜けてその上を流れるため、操縦性が向上した。しかし、これで常に問題を修正できるとは限らず、F-86は尾翼からの機首下げ圧力が増加したにもかかわらず、ピッチアップに悩まされ続けた。^[8]

ピッチアップ問題の主な原因は翼幅方向の流れと翼端の負荷増加によるものであるため、これらの問題に対処する対策を講じることで、この問題を解消することができます。初期の設計では、これらは通常、従来の翼平面形状への「追加機能」でしたが、現代の設計では、これは全体的な翼設計の一部であり、通常は既存の高揚力装置によって制御されます。

これらの問題に対処する最初の試みは、最初に問題が発見されたプラットフォームであるダグラス スカイロケットで行われました。これは、境界層を分割する一連の渦発生器を翼の外側部分に追加するという形をとりました。しかし、これは実際にはほとんど効果がないことがわかりました。しかし、同様の解決策がボーイング B-47 ストラトジェットで試みられ、かなり効果的であることが証明されました。これは、垂直マウントが翼幅方向の流れの障壁として機能するポッド エンジンの存在によって助けられた可能性があります。

翼幅方向の流れの問題に対するより一般的な解決策は、翼のフェンスまたは翼の前縁にドッグトゥース ノッチを使用することです。これにより、流れが乱されて後方に方向転換され、同時に機内側に停滞した空気が蓄積されて失速点が下がります。これは翼全体の空気の流れに影響するため、スイープが緩やかな場合には一般的に使用されません。

翼幅方向の荷重の問題に対処するために、専用のスラットやフラップ、ウォッシュアウトの使用、エルロンの自動制御など、さまざまな技術が使用されてきた。XF -91 サンダーセプター試作戦闘機で試された珍しい解決策は、翼端の翼弦を翼根より 広くすることだった。そのアイデアは、翼端の効率を高め、翼根を先に失速させることだった。

航空機の迎え角センサーは、迎え角が機首上げにつながる姿勢に近づいたことを検出し、操縦士に警告するスティック シェイカーや、操縦士の力に勝って機首を安全な迎え角まで下げるスティック プッシャーなどの装置を作動させます。翼端に組み込まれたねじれやウォッシュアウトも、機首上げを緩和します。実際には、翼端の迎え角は翼の他の部分よりも小さくなり、翼の内側部分が最初に失速することを意味します。

現代の戦闘機でピッチアップを解決するために一般的に使用されているのは、操縦用カナードを使用することです。^[9]ピッチアップに対するもう1つの現代的な解決策は、スラットの使用です。スラットが伸びると、翼のキャンバーが増加し、最大揚力係数が増加します。^[10]

ピッチアップは、グラマン X-29で使用されている前進翼を備えた航空機でも発生する可能性があります。前進翼では、翼幅方向の流れが内側に向かい、翼の付け根が翼端よりも先に失速します。一見すると、ピッチダウンの問題が発生するように見えますが、翼が極端に後方に取り付けられているため、付け根が失速すると、揚力が先端に向かって前方に移動します。

後退翼が失速し始めると、最も外側の部分が最初に失速する傾向があります。これらの部分は圧力中心の後ろにあるため、全体的な揚力は前方に移動し、機首が上向きに傾きます。これにより迎え角が大きくなり、翼の失速部分が増え、問題が悪化します。パイロットはしばしば制御を失い、低高度では地面に衝突する前に制御を取り戻すか脱出する時間がないため、致命的な結果をもたらします。着陸中にこの現象により多数の航空機が失われ、航空機は滑走路に転がり落ち、多くの場合は炎上しました。

最も悪名高い事故の一つは、1956年1月10日、カリフォルニア州エドワーズ空軍基地で緊急着陸を試みた際に、 F-100C-20-NAスーパーセイバー54-1907 とそのパイロットが失われたことである。偶然にも、この特定の事故は、無関係のテストを撮影するために設置されたカメラによって16ミリフィルムに詳細に記録された。パイロットは、着陸技術の欠陥により制御を取り戻すために必死に努力したが、^[11]最終的に右にロールしてヨーイングし、機体が飛行ラインに対して約90度回転して地面に衝突した。アンダーソン、1993 ^[12]は、F-100 は当時としては明らかに出力不足であり、対気速度が過度に低下すると非常に顕著な「バックサイド」傾向があったと述べている。

新品のF-100Cを操縦したのは、オクラホマ州マーサ出身でテキサスA&M大学卒のバーティ・R・ブルックス中尉で、テキサス州ケリー空軍基地の第1708輸送航空団第12分遣隊に所属していた。この機体はノースアメリカン社のパームデール工場からカリフォルニア州ジョージ空軍基地に納入された3機のうちの1機であったが、機首のピボットピンが緩んで車輪がランダムに回転するようになったため、より長い滑走路を持つエドワーズに迂回した。^[13]接近時に高迎え角で戦闘機は飛行範囲を超え、失速状態に陥りすぎたため方向制御を失い致命的な結果を招いた。これらのシーンは、ロバート・ミッチャムとロバート・ワグナー主演の映画『ハンターズ』、俳優チャールズ・ブロンソンがパイロットを演じた映画『X-15』 、テレビ映画『レッド・フラッグ：究極のゲーム』に挿入されたが、『ハンターズ』と『レッド・フラッグ：究極のゲーム』で表現された航空機はそれぞれF-86とF-5Eであったとされている。^[14]この事件は、戦闘機パイロットの歌「Give Me Operations」（カリフォルニア・ゴールドラッシュの歌「アメリカでの名前は？」の曲調）でも記念されている。^[15]

「ワン・ダブル・オーはやめて

味方または敵と戦う

あの古いサーベルダンス

パンツの中にウンコしちゃった

ワン・ダブル・オーはやめてよ。」^{[13] [16] [17]}

• 航空記事の索引
• マッハタック
• ウィングツイスト

• Loftin, LK Jr. 「性能の探求: 現代航空機の進化。NASA SP-468」。2006 年 4 月 22 日閲覧。
• デッドリー・サーベル・ダンス 2011-11-24 取得