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ピトー静圧システムは、航空機の対気速度、マッハ数、高度、高度傾向を測定するために航空分野で最もよく使用される圧力感知計器のシステムです。[ 1 ]ピトー静圧システムは一般的に、ピトー管、静圧ポート、およびピトー静圧計器で構成されています。[ 2 ]接続されている可能性のあるその他の計器には、エアデータコンピュータ、フライトデータレコーダー、高度エンコーダ、客室与圧コントローラ、および各種対気速度スイッチなどがあります。ピトー静圧システムの読み取り値の誤差は、高度など、ピトー静圧システムから得られる情報が安全上重要なものである可能性があるため、非常に危険です。いくつかの民間航空機の事故は、ピトー静圧システムの故障に起因していることが判明しています。[ 3 ]
連邦規則集（CFR）では、米国登録航空機に搭載されているピトー静圧システムは24暦月ごとにテストおよび検査を受ける必要があると規定されている。[ 4 ]
ピトー静圧計器システムは、気圧勾配の原理を利用しています。圧力または圧力差を測定し、これらの値を使用して速度と高度を評価します。[ 2 ]これらの圧力は、静圧ポート（静圧）またはピトー管（ピトー圧）のいずれかから測定できます。静圧はすべての測定で使用されますが、ピトー圧は対気速度を決定するためにのみ使用されます。
ピトー圧はピトー管から得られます。ピトー圧はラム圧（機体の動きや管に押し込まれる空気によって生じる空気圧）の尺度であり、理想的な条件下では全圧とも呼ばれるよどみ圧に等しくなります。ピトー管は、多くの場合、航空機の翼または前部セクションに前方を向いて配置され、その開口部が相対風にさらされます。[ 2 ] ピトー管をこのような場所に配置すると、航空機の構造による歪みが少なくなるため、ラム圧をより正確に測定できます。対気速度が増加するとラム圧も増加し、これは対気速度計で確認できます。[ 2 ]
静圧は静圧ポートを通して取得されます。静圧ポートは、多くの場合、航空機の胴体に埋め込まれた穴で、比較的乱れの少ない領域で気流にアクセスできる場所に配置されます。[ 2 ] 航空機によっては静圧ポートが1つしかない場合もあれば、複数ある場合もあります。航空機に静圧ポートが複数ある場合、通常は胴体の両側に1つずつ配置されます。この配置により、平均圧力を取得できるため、特定の飛行状況でより正確な測定値を得ることができます。[ 2 ] 外部静圧ポートが塞がれた場合のバックアップとして、代替の静圧ポートが航空機のキャビン内に配置される場合があります。ピトー静圧管は、静圧ポートをピトープローブに効果的に統合します。静圧を測定するために、プローブの側面、直接気流の外側に圧力サンプリング穴を備えた2番目の同軸管（または複数の管）が組み込まれています。航空機が上昇すると、静圧は低下します。
ピトー静圧システムの中には、空気圧、迎角、横滑り角のデータを検出できる複数の圧力伝達ポートを備えた単一のプローブを採用しているものがあります。設計によっては、このような空気データプローブは5穴式または7穴式空気データプローブと呼ばれることがあります。迎角と横滑り角の指示値を得るには、差圧検出技術を用いることができます。
ピトー静圧システムは、ピトー静圧計器による解釈のために圧力を取得します。以下の説明では従来の機械式計器について説明していますが、現代の多くの航空機は、対気速度、上昇率、高度、マッハ数を計算するためにエアデータコンピュータ（ADC）を使用しています。一部の航空機では、2つのADCが独立したピトー管と静圧ポートから全圧と静圧を受け取り、航空機のフライトデータコンピュータが両方のコンピュータからの情報を比較し、互いに照合します。また、主計器に問題が発生した場合に使用されるバックアップの空気圧計器である「スタンバイ計器」もあります。
対気速度計はピトー管と静圧の両方の圧力源に接続されています。ピトー管の圧力と静圧の差は動圧と呼ばれます。動圧が大きいほど、表示される対気速度は高くなります。従来の機械式対気速度計には、ピトー管に接続された圧力ダイヤフラムが含まれています。ダイヤフラムの周囲のケースは気密で、静圧ポートに通気されています。速度が高いほどラム圧が高くなり、ダイヤフラムにかかる圧力が大きくなり、機械的なリンク機構を介して針の動きが大きくなります。[ 5 ]
気圧高度計（気圧高度計とも呼ばれる）は、航空機の高度変化に伴って発生する気圧の変化を測定するために使用されます。[ 5 ] 気圧高度計は、飛行前に校正して、気圧を海抜高度として記録する必要があります。高度計の計器ケースは気密で、静圧ポートへの通気口があります。計器内部には、密閉されたアネロイド気圧計があります。ケース内の圧力が低下すると、内部の気圧計が膨張し、それが機械的に高度の測定に変換されます。高高度から低高度に降下する場合は、その逆になります。[ 5 ]
遷音速または超音速で飛行するように設計された航空機には、マッハ計が搭載されます。マッハ計は、音速に対する真対気速度の比率を示すために使用されます。ほとんどの超音速航空機は、飛行できる最大マッハ数に制限があり、これは「マッハ限界」として知られています。マッハ数は、マッハ計に小数で表示されます。[ 5 ]
バリオメーターは、垂直速度計（VSI）または垂直速度計（VVI）とも呼ばれ、航空機が水平飛行しているかどうかを判断するために使用されるピトー静圧計器です。[ 6 ] 垂直速度は、上昇率または下降率を示し、フィート/分またはメートル/秒で測定されます。[ 6 ] 垂直速度は、計器内部にあるダイヤフラムへの機械的リンクを介して測定されます。ダイヤフラムの周囲の領域は、校正されたリーク（「制限ディフューザー」とも呼ばれる）を介して静圧ポートに通気されます。[ 5 ] 航空機が高度を上げ始めると、ダイヤフラムは校正されたリークよりも速い速度で収縮し始め、針が正の垂直速度を示します。航空機が降下している場合は、この状況の逆になります。[ 5 ] 校正されたリークはモデルによって異なりますが、ダイヤフラムが圧力を均等にする平均時間は6～9秒です。[ 5 ]
ピトー静圧計の精度に影響を与える可能性のある状況はいくつかあります。これらの中には、ピトー静圧システム自体の故障（「システム誤動作」に分類される場合がある）や、計器の設置場所の不備やその他の環境要因によるもの（「固有誤差」に分類される場合がある）などがあります。[ 7 ]
ピトー管の詰まりは、対気速度計にのみ影響するピトー静圧の問題です。[ 7 ] ピトー管が詰まると、実際の対気速度が一定であっても、航空機が上昇しているときに対気速度計が対気速度の増加を示します。（排水口も詰まっている限り、そうでなければ空気圧が大気に漏れてしまいます。）これは、大気圧（および静圧）が低下しているときにピトーシステム内の圧力が一定のままになることが原因です。逆に、航空機が降下しているときは、対気速度計は対気速度の低下を示します。ピトー管は、氷、水、昆虫、またはその他の障害物によって詰まる可能性があります。[ 7 ] このため、米国連邦航空局（FAA）などの航空規制機関は、飛行前にピトー管に障害物がないか確認することを推奨しています。[ 6 ] 着氷を防ぐために、多くのピトー管には加熱エレメントが装備されています。計器飛行の認証を受けた航空機には加熱式ピトー管が必要であるが、実験用アマチュア製作機として認証を受けた航空機は例外である。[ 7 ]
静圧ポートの閉塞は、すべてのピトー静圧計器に影響するため、より深刻な状況です。[ 7 ]静圧ポートが閉塞する最も一般的な原因の 1 つは、機体の着氷です。静圧ポートが閉塞すると、高度計は、静圧ポートが閉塞した高度で一定の値で固定されます。垂直速度計はゼロを表示し、垂直速度が増減してもまったく変化しません。対気速度計は、ピトー管が詰まったときに発生するエラーを逆転させ、航空機が上昇しているときに実際の対気速度よりも低い値を表示します。航空機が降下しているときは、対気速度が過大に表示されます。非与圧キャビンを備えたほとんどの航空機では、代替の静圧源が利用可能であり、コックピット内から選択できます。[ 7 ]
固有誤差はいくつかのカテゴリに分類され、それぞれ異なる計器に影響を与えます。 密度誤差は、対気速度と高度を測定する計器に影響を与えます。このタイプの誤差は、大気中の圧力と温度の変化によって発生します。圧縮誤差は、衝撃圧力によってピトー管内の空気が圧縮されるために発生する可能性があります。標準海面気圧高度では、校正式（校正済み対気速度を参照）が圧縮を正しく考慮しているため、海面では圧縮誤差はありません。より高い高度では、圧縮が正しく考慮されないため、計器は等価対気速度よりも大きな値を表示します。補正はチャートから得ることができます。圧縮誤差は、高度が10,000フィート（3,000メートル）以上、対気速度が200ノット（370 km/h）を超えると顕著になります。ヒステリシスは、計器内部にあるアネロイドカプセルの機械的特性によって発生する誤差です。圧力差を測定するために使用されるこれらのカプセルは、外部の力が変化しても、特定の形状を維持することで変化に抵抗する物理的特性を備えています。反転誤差は、誤った静圧測定値によって発生します。この誤った測定値は、航空機のピッチの異常に大きな変化によって発生する可能性があります。ピッチの大きな変化は、反対方向への瞬間的な動きの表示を引き起こします。反転誤差は主に高度計と垂直速度計に影響を与えます。[ 7 ]
固有誤差のもう 1 つの種類は位置誤差です。位置誤差は、航空機の静圧が航空機から離れた場所の気圧と異なることによって生じます。この誤差は、静圧ポートを通過する空気の速度が航空機の真の対気速度と異なることによって発生します。位置誤差は、いくつかの要因に応じて、正または負の誤差をもたらす可能性があります。これらの要因には、対気速度、迎角、航空機の重量、加速度、航空機の構成、およびヘリコプターの場合はローターダウンウォッシュが含まれます。[ 7 ] 位置誤差には、「固定誤差」と「可変誤差」の 2 つのカテゴリがあります。固定誤差は、特定の航空機モデルに固有の誤差として定義されます。可変誤差は、空気の流れを妨げる変形したパネルや、航空機に過度のストレスを与える可能性のある特定の状況などの外部要因によって引き起こされます。[ 7 ]
遅延誤差は、航空機外部の静圧または動圧の変化がチューブを通ってゲージに伝わるまでに一定の時間を要するという事実によって発生します。この種の誤差は、チューブの長さと直径、およびゲージ内部の容積に依存します。[ 8 ]遅延誤差は、対気速度または高度が変化する付近でのみ重要になります。安定した水平飛行では問題になりません。