Loading article…
飛行力学において、スピンは失速の特殊なカテゴリーであり、航空機の縦軸を中心とした自動回転（意図しないロール）と、垂直軸を中心とする浅く回転する下降経路を生じさせる。 [ 1 ]スピンは、失速点において航空機が十分なヨーを持っている場合、意図的または非意図的に、どの飛行姿勢からでも発生する可能性がある。 [ 2 ] 通常のスピンでは、旋回内側の翼が失速し、外側の翼は飛行を続ける。両方の翼が失速することもあるが、各翼の迎角、ひいてはその揚力と抗力は異なる。[ 3 ]
どちらの状況でも、機体は抗力が高く揚力が低下する失速翼に向かってオートローテーションします。スピンは、高い迎角、少なくとも片方の翼の対気速度が失速速度を下回っていること、そして緩やかな降下を特徴とします。回復して墜落を回避するには、特定の、直感に反する一連の操作が必要となる場合があります。
スピンは、両翼が失速せず、迎角が小さく対気速度が高いという特徴を持つスパイラルダイブとは異なります。スパイラルダイブは両翼が失速しないため、スピンの一種ではありません。スパイラルダイブでは、航空機は操縦士の操縦入力に通常通り反応し、スパイラルダイブからの回復には、スピンからの回復に必要な一連の操作とは異なる操作が必要です。[ 2 ]
飛行の初期の頃は、スピンはしばしば「テールスピン」と呼ばれていた。[ 4 ]
多くの種類の飛行機は、パイロットが（意図的または非意図的に）同時にヨーイングと失速を行った場合にのみスピンします。[ 5 ]このような状況では、片方の翼が失速するか、もう一方の翼よりも深く失速します。最初に失速した翼が下がり、迎角が増加して失速が深まります。[ 6 ]スピンが発生するには、少なくとも片方の翼が失速している必要があります。もう一方の翼が上がり、迎角が減少し、飛行機はより深く失速した翼に向かってヨーイングします。2つの翼の揚力の差により飛行機はロールし、抗力の差により飛行機はヨーイングを続けます。
このセクションに示されているスピン特性図[ 7 ]は、中程度または高いアスペクト比を持ち、後退角がほとんどまたは全くない航空機の典型的な例であり、主に中程度のヨーを伴うローリングのスピン運動につながります。比較的大きなヨーとピッチ慣性を持つ低アスペクト比の後退翼の場合、この図は異なり、ヨーが優勢であることを示しています。[ 7 ]
意図しないスピンにつながる一般的なシナリオの1つは、着陸シーケンス中に滑走路に向かって滑走しながら不規則な旋回を行うことです。最終進入の旋回でオーバーシュートしているパイロットは、旋回率を上げるためにラダーをさらに操作したくなるかもしれません。その結果、機首が水平線より下に下がり、ラダーロールによってバンク角が増加します。これらの意図しない変化に反応して、パイロットはエレベーターコントロールを後方に引き（これにより迎角と荷重係数が増加します）、同時にバンク角を減らすために反対のエルロンを操作し始めます。
極端な場合、これは協調性のない旋回となり、十分な迎角で航空機が失速する可能性があります。これはクロスコントロール失速と呼ばれ、パイロットが回復する時間がほとんどない低高度で発生すると非常に危険です。このシナリオを避けるために、パイロットは常に協調旋回を行うことの重要性を学びます。滑走路中心線のオーバーシュートを防ぎ、より大きな安全マージンを確保するために、最終旋回を早めに浅く行うことを選択する場合があります。認証を受けた軽量単発機は、失速およびスピン挙動に関する特定の基準を満たす必要があります。スピンは、訓練、飛行試験、または曲技飛行のために意図的に行われることがよくあります。
スピンから回復できる航空機では、スピンには4つの段階があります。[ 8 ]低高度では、地形に衝突する前にスピンからの回復が不可能な場合もあり、低速で低空飛行する航空機は特にスピン関連の事故に脆弱です。
スピンは、以下の記述子を用いて分類することができる。
米国航空宇宙局（NASA）は、翼に対する気流の迎角によって定義される4つの異なる回転モードを定義している。[ 11 ]
1970年代、NASAはラングレー研究センターの回転風洞を使用して、単発エンジンの一般航空機の設計の回転特性を調査した。1/11スケールのモデルが9種類の異なる尾翼設計で使用された。[ 12 ]
不適切なスピン特性を引き起こす尾部設計の中には、2 つの安定したスピン モードがあり、1 つは急または中程度に急で、もう 1 つは中程度に平坦または平坦でした。 2 つのモードのうち平坦な方からの回復は、通常信頼性が低く、または不可能でした。 重心がさらに後方にある場合、スピンはより平坦になり、回復の信頼性が低くなりました。[ 13 ]すべてのテストで、モデルの重心は平均空力コード(MAC) の 14.5% または MAC の 25.5% のいずれかでした。[ 14 ]
通常カテゴリーで認証された単発機は、少なくとも1回転のスピンから回復できることが実証されなければならないが、実用カテゴリーで認証された単発機は、パイロットの操作または空力特性により、スピン中に回復不能にならない6回転のスピンを実証しなければならない。[ 15 ] NASAは、2つのスピンモードのうちより平坦なモードを排除し、より急なモードからの回復をより確実にするために、さまざまな尾翼構成やその他の戦略を推奨している。 [ 16 ]
航空黎明期には、スピンはよく理解されておらず、しばしば致命的だった。適切な回復手順は知られておらず、操縦桿を引こうとするパイロットの本能は、スピンを悪化させるだけだった。そのため、スピンはいつパイロットの命を奪うかわからない予測不可能な危険であり、それに対する防御策はないという評判を得た。初期の航空では、個々のパイロットが（しばしば偶然に）アドホックな実験を行うことでスピンを探求し、空気力学者たちはその現象を研究した。ハリー・ブルーノの著書『アメリカ上空の翼』（1944年）によると、リンカーン・ビーチーは意のままにスピンから抜け出すことができたという。
1912年8月、ウィルフレッド・パーク海軍中尉は、ラークヒルのトラフィックパターンでアブロG型複葉機が地上700フィート（210m ）でスピンに陥った際、スピンから回復した最初の飛行士となった。パークはエンジン回転数を上げ、操縦桿を引き、スピンの方向に旋回することでスピンからの回復を試みたが、効果はなかった。機体は450フィート（140m ）降下し、恐れおののいた目撃者たちは致命的な墜落を予想した。遠心力によって操縦不能になったにもかかわらず、パークは脱出を試みた。操縦席の右側に押し付けられる力を中和しようと、彼は右ラダーをいっぱいに操作し、機体は地上50フィート（15m ）[ 17 ]で水平になった。機体の制御が回復したパークは上昇し、再度アプローチを行い、無事に着陸した。
「パークの技術」が発見されたにもかかわらず、スピンからの回復手順は第一次世界大戦中盤までパイロット訓練のルーチンには含まれていなかった。意図的にスピンして回復した最初の記録された事例はハリー・ホーカーである。[ 18 ] [ 19 ] 1914年の夏、ホーカーはイギリスのブルックランズ上空で意図的にスピンし、操縦桿を中央に戻すことで回復した。ロシアの飛行士コンスタンチン・アルツェウロフは、パークやホーカーとはやや異なる回復技術を前線で独自に発見し、 1916年9月24日にカチャ飛行学校の飛行場上空で劇的なデモンストレーションを行い、ニューポール21を意図的にスピンさせて2回回復した。[ 20 ]その後、当時同校の教官であったアルツェウロフは、この技術をすべての生徒に教え、ロシアの飛行士の間だけでなく、それ以外の地域にも急速に広めた。[ 21 ]
1917年、イギリスの物理学者フレデリック・リンデマンはBE2E [ 22 ]で一連の実験を行い、スピンの空気力学を初めて理解した。イギリスでは、1917年からゴスポート特殊飛行学校の飛行教官がスピン回復手順を日常的に教えていた一方、フランスでは、曲芸と戦闘の学校で、有名なラファイエット飛行隊に志願したアメリカ人が、1917年7月までに、フランス人が「ヴリル」と呼ぶ方法を学んでいた。[ 23 ]
1920年代から1930年代にかけて、小型機に夜間飛行計器が一般的に搭載されるようになる以前は、パイロットは突然雲に覆われて地上の視界を失った際に、より危険な「墓場スパイラル」を避けるために、意図的にスピンに入るよう指示されることがよくあった。ほとんどの場合、雲層は地上より上で終わるため、パイロットは墜落する前にスピンから回復する十分な機会を得られる。
現在、米国では自家用操縦士免許の取得にスピン訓練は必須ではありません。さらに、ほとんどの訓練用航空機には「意図的なスピンは禁止」という表示がされています。セスナ172の一部の機種はスピン訓練が認定されていますが、実際にスピン状態にするのは難しい場合があります。一般的に、スピン訓練は「異常姿勢回復コース」または曲技飛行資格の一部として実施されます（ただし、すべての国で曲技飛行の訓練が義務付けられているわけではありません）。しかし、スピンを理解し、そこから回復できる能力は、固定翼機のパイロットが安全のために習得すべきスキルであることは間違いありません。グライダーは旋回時に失速状態に近いほど低速で飛行することが多いため、スピン訓練はグライダーの訓練の一部として日常的に行われています。そのため、米国ではグライダー教官の資格取得にスピンへの進入と回復の実演が依然として求められています。また、飛行機とグライダーの教官は、最初の認定を受ける前に、連邦航空規則61.183(i)に基づき、他の教官がスピン訓練の習熟度をログブックに証明する必要があります。[ 24 ] カナダでは、スピンは自家用操縦士免許と事業用操縦士免許を取得するための必須の訓練です。カナダのレクリエーション操縦士許可証の候補者（自家用操縦士免許の1つ下のレベル）は、訓練の一環として、失速と翼の落下（スピンへの進入のまさに始まり）を行い、失速と翼の落下から回復する必要があります。[ 25 ] [ 26 ]
航空機によっては、操縦翼面のみではスピン状態から回復できない場合があり、いかなる状況下でもスピン状態に陥らせてはなりません。スピンからの回復が認証されていない航空機は、スピン状態から回復できず、その航空機では危険であると考えるべきです。通常、量産機には搭載されていない失速/スピン回復用パラシュートなどの重要な安全装置は、スピンおよびスピンからの回復に関する航空機の試験および認証の際に使用されます。
スピン進入手順は、飛行する航空機の種類やモデルによって異なりますが、ほとんどの航空機に適用できる一般的な手順があります。これには、出力をアイドルまで下げ、同時に機首を上げて直立失速を誘発することが含まれます。次に、航空機が失速に近づくと、直立スピンのためにエレベーターを最大に押し込みながら、目的のスピン方向にラダーを最大に踏み込みます。場合によっては、ラダーとは反対方向にロール入力（つまり、クロスコントロール）を加えることもあります。
航空機メーカーがスピンからの回復手順を具体的に定めている場合は、その手順に従わなければなりません。そうでない場合は、直立スピンからの回復には、次の一般的な手順を使用できます。まず、エンジン出力をアイドルまで下げ、エルロンをニュートラルにします。次に、スピン回転を打ち消すために、ラダーを反対側（ヨー方向とは逆）にいっぱいまで踏み込み、そのまま保持します。また、エレベーターを素早く前方に動かして、迎角を臨界角以下に下げます。航空機とスピンの種類によっては、回転が止まる前にエレベーターの操作は最小限で済む場合もあれば、直立スピンからの回復を行うために、パイロットがエレベーターを前方にいっぱいまで動かす必要がある場合もあります。回転が止まったら、ラダーをニュートラルに戻し、航空機を水平飛行に戻さなければなりません。この手順は、Pパワー アイドル、Aエルロン ニュートラル、ラダー スピン方向とは逆、Eエレベーター ニュートラルの頭文字をとって、 PAREと呼ばれることもあります。
「PARE」という略語は、実績のあるNASA標準のスピン回復手順を単純に強調するものです。これは、1936年にNACAによって初めて規定され、1970年代から80年代にかけて10年間にわたる集中的なスピン試験プログラムでNASAによって検証され、FAAによって繰り返し推奨され、軽飛行機の認証スピン試験中に大多数のテストパイロットによって実施されている手順です。
反転スピンと正立スピンは、動的に非常に似ており、基本的に同じ回復プロセスが必要ですが、エレベーターの制御は逆になります。正立スピンでは、ロールとヨーは両方とも同じ方向ですが、反転スピンは反対方向のロールとヨーで構成されます。回復するには、ヨーを打ち消すことが不可欠です。典型的なスピン（フラットスピンとは対照的に）の視覚フィールドは、ヨーよりもロールの知覚に大きく支配されるため、特定の反転スピンが実際には逆ヨー方向の正立スピンであるという誤った危険な結論につながる可能性があります（その結果、プロスピンラダーを誤って適用する回復試行が行われ、さらに誤ったエレベーター入力を保持することで状況が悪化します）。
ピッツやクリステン・イーグルといった高性能曲技飛行機のように、直立と逆さまの両方で容易にスピンする一部の航空機では、代替のスピン回復テクニックも回復に効果がある場合があります。それは、エンジンを停止し、操縦桿から手を離し、スピンとは反対方向にラダーをいっぱいに踏み込み（またはもっと簡単に言えば「最も押しにくいラダーペダルを押す」）、そのまま保持する（別名ミューラー/ベッグス法）というものです。ミューラー/ベッグス法の利点は、非常にストレスがかかり、方向感覚を失う可能性がある状況で、スピンが直立か逆さまかを知る必要がないことです。この方法は、スピンが承認されている特定の航空機では有効ですが、NASA標準/PARE手順も効果的です。ただし、スピンが単に正から負（またはその逆）に切り替わらないことを確認し、エレベーター制御を急激に適用すると、ラダーの空力ブランケットが発生して制御が無効になり、スピンが加速するだけになる可能性があるため、注意が必要です。しかし、その逆は必ずしも当てはまらない。ベッグス/ミューラー方式ではスピンからの回復に失敗するものの、NASAスタンダード/PARE方式ではスピンを解消できるケースが数多く存在する。航空機をスピンさせる前に、パイロットは飛行マニュアルを参照し、その機種に標準的な手順とは異なる特別なスピン回復技術があるかどうかを確認する必要がある。
パイロットは、スピンが確立された後、回転方向とは反対方向にエルロンを最大限まで操作することで、フラットスピンを誘発できます。そのため、通常のスピン回復テクニックではエルロンをニュートラルにする必要があります。エルロンの操作により、誘導抗力の差が生じ、機首が水平ピッチ姿勢に向かって上昇します。機首が上がると、尾部が回転中心からさらに外側に移動し、尾翼上の横方向の気流が増加します。垂直尾翼/方向舵を通過する横方向の気流の増加により、機体は臨界迎角に達し、失速します。通常の回復操作である反対方向の方向舵の操作により迎角がさらに増加し、尾部失速が深刻化するため、方向舵の操作は回転を減速/停止させるのに効果がありません。回復は、プロスピンエレベーターと方向舵を維持し、エルロンをスピン方向に最大限まで操作することによって開始されます。このとき、誘導抗力の差により機首が下がり、機体は通常のスピン状態に戻り、そこからPAREテクニックを使用して操縦を終了します。
進入方法は似ているものの、現代の軍用戦闘機では、スピンからの回復方法にさらに別のバリエーションが必要となる場合が多い。通常、推力はアイドル状態まで下げられ、ピッチ制御は中立となるが、逆方向舵はほとんど使用されない。このような航空機のローリング面（エルロン、差動水平尾翼など）によって生じる逆ヨーは、戦闘機の幾何学的配置により翼や胴体によって遮られてしまうことが多い方向舵よりも、スピン回転を止めるのに効果的な場合が多い。そのため、好ましい回復方法は、パイロットが回転方向（例えば、右スピンの場合は右スティック）にフルロール制御を行うことであり、これは一般的に「スピン方向へスティックを倒す」として記憶されている。同様に、逆スピンの場合は、この制御操作が逆になる。
航空機のスピン特性は、重心の位置によって大きく左右されます。一般的に、重心が前方にあるほど、航空機はスピンしにくくなり、スピンからの回復も容易になります。逆に、重心が後方にあるほど、航空機はスピンしやすくなり、スピンからの回復は困難になります。どの航空機においても、重心の前方および後方の限界は厳密に定められています。意図的なスピンが認められている航空機の中には、スピンを試みることができる後方限界が、通常の飛行における後方限界ほど後方ではないものもあります。
意図的なスピンは安易に試みるべきではなく、飛行前の最も重要な注意事項は、航空機の重心が意図的なスピンが認められている範囲内にあることを確認することです。そのため、パイロットはまず、失速する前に航空機がどのような傾向を示すかを判断する必要があります。失速時に機首が下がる（機首が重い）傾向がある場合は、航空機は自力で回復する可能性が高いです。しかし、失速時に機首が上がる（尾部が重い）傾向がある場合は、航空機はフラットスピンに移行する可能性が高く、その場合、失速からの回復が遅れるか、あるいは全く回復できない可能性があります。
スピンの練習をする前に、推奨される方法の一つは、ピッチテストを行って機体の失速傾向を判断することです。これを行うには、出力をゆっくりとアイドルまで下げ、機首がどちらの方向に傾くかを確認します。機首が下向きに傾けば、失速からの回復が可能です。機首が上向きに傾けば、失速からの回復は困難、あるいは全く不可能です。ピッチテストは、スピン操作を行う直前に行うべきです。
飛行機の重心がスピンが認められている後方限界より後ろにある場合、スピンは、飛行機の尾部に特別に設置されたスピン回復パラシュートなどの特別なスピン回復装置を使用するか、飛行機の尾部に特別に設置されたバラストを投棄しない限り、回復不可能となる可能性があります。[ 27 ]
第二次世界大戦中の航空機の中には、積載方法が間違っているとスピンを起こしやすいものがあった。例えば、ベルP-39エアラコブラがそうだ。P-39は、操縦席の後ろにエンジン、機首に大型機関砲という独特な設計だった。ソ連のパイロットたちはP-39の数々の試験を行い、その危険なスピン特性を実証することに成功した。
現代の戦闘機も、回復不能なスピン現象とは無縁ではない。回復不能なスピンのもう一つの例は、1963年にチャック・イェーガーが操縦していたNF-104Aロケットジェットハイブリッド機で発生した。高度記録樹立に4度目の挑戦をしていたイェーガーは、操縦不能に陥ってスピン状態に陥ったが、脱出して生還した。一方、コーンフィールド・ボンバーの場合は、パイロットの脱出によって重心が十分に移動し、無人となった機体がスピンから自力で回復して着陸できた。
専用に設計された曲技飛行機では、通常のスピン中にパワーとエルロンを適用することで、意図的にスピンをフラット化することができます。回転速度は劇的で、毎秒 400 度を超えることもあり、機首が水平線より上に出ている場合もあります。このような操縦は、重心が通常の範囲内にある状態で適切な訓練を受けて行う必要があり、プロペラによって発生しクランクシャフトに作用する極端なジャイロ効果を考慮する必要があります。ギネス世界記録には、連続して反転フラットスピンを行った最多回数が 98 回と記載されており、これは 2016 年 3 月 20 日にスペンサー・スーダーマンが、サンバード S-1x と呼ばれるピッツ S-1 の実験的な派生型を操縦して達成したものです。[ 28 ]スーダーマンは高度24,500フィート (7,500 m)から開始し、 2,000フィート (610 m)で回復しました。[ 29 ]
安全のため、認証を受けた単発固定翼航空機（認証を受けたグライダーを含む）はすべて、失速およびスピン挙動に関する規定基準を満たさなければなりません。基準を満たす設計では、通常、翼根部で翼端よりも迎角が大きい翼が採用されているため、翼根部が先に失速し、失速時の翼の落下が軽減され、場合によっては、失速が翼端に向かって外側に移動するまで補助翼が多少有効に機能し続けることができます。このような失速挙動を調整する方法の1つは、ウォッシュアウトとして知られています。レクリエーション用航空機の設計者の中には、協調失速でもスピンしない航空機を開発しようとする人もいます。
一部の航空機は、固定式の前縁スロットを備えて設計されている。スロットが補助翼の前方に位置する場合、失速に対する強い抵抗力を発揮し、場合によっては航空機がスピンするのを防ぐことさえできる。
一部のグライダーやレクリエーション用航空機の飛行制御システムは、低速飛行時や高迎角飛行時など、パイロットが昇降舵をほぼ最後尾の位置まで動かすと、両翼の外側部分の迎角が減少するように、両翼の補助翼の後縁が自動的にわずかに持ち上がるように設計されています。これにより、翼の内側（中央）部分の迎角が増加する必要があり、翼端よりもかなり前に内側部分が失速しやすくなります。
最大離陸重量12,500ポンド (5,700 kg)までの民間航空機に対する米国の認証基準は、連邦航空規則のパート 23 であり、通常、ユーティリティ、および曲技飛行のカテゴリーの航空機に適用されます。パート 23、§23.221 では、単発機は、意図的なスピンが禁止されている場合は 1 回転スピンから、意図的なスピンが許可されている場合は 6 回転スピンから回復できることを実証しなければならないと規定しています。セスナ キャラバンなどの大型の旅客用単発機でさえ、テスト パイロットによる 1 回転スピンを受け、さらに 1 回転以内で回復できることを繰り返し実証する必要があります。少数の航空機タイプについては、FAA は同等の安全レベル (ELOS) の認定を行っているため、1 回転スピンの実証は不要です。たとえば、セスナ コルバリスとシーラス SR20/22ではこれが実施されています。 1回転スピンのデモンストレーションが成功したとしても、意図的なスピン試験の承認は得られません。意図的なスピン試験の承認を得るには、試験パイロットが繰り返し6回転スピンを行い、その後さらに1.5回転以内に回復できることを実証する必要があります。スピン試験は潜在的に危険な作業であるため、試験機には尾部パラシュート、投棄可能なバラスト、または重心を素早く前方に移動させる方法など、何らかのスピン回復装置を装備する必要があります。
農業用航空機は通常、中程度の重量で通常カテゴリーの型式証明を取得します。単発機の場合、1回転スピンの成功が求められます。しかし、農業用ホッパーが満載された状態では、これらの航空機はスピンすることを想定されておらず、回復は困難です。そのため、通常カテゴリーの最大重量を超える場合、これらの航空機はスピン試験を受けず、結果として制限カテゴリーでのみ型式証明を取得できます。農業用航空機の例として、セスナAGシリーズを参照してください。
訓練やデモンストレーションのためにグライダーを簡単に回転させるには、メーカーからスピンキットが販売されている。
多くの練習機は、スピンに入るのに抵抗があるように見えるかもしれないが、中には意図的にスピン用に設計され、認証されているものもある。容易にスピンするように設計された航空機の有名な例は、スピン用に認証されているパイパー・トマホークだが、パイパー・トマホークのスピン特性については議論の余地がある。[ 30 ]スピン用に認証されていない航空機は、スピンが1回転の認証基準を超えると、回復が困難または不可能になる可能性がある。
スピンはほとんどの飛行訓練コースから削除されていますが、一部の国では依然としてスピンからの回復に関する飛行訓練が義務付けられています。米国では、民間飛行教官候補生と軍用パイロットにスピン訓練が義務付けられています。[ 31 ]スピンは失速の後にのみ発生するため、FAAは意図しない失速やスピンによる事故を減らす手段として、パイロットに失速の認識、防止、回復の訓練を行うことを重視しています。[ 32 ]
スピンは経験のない人にとってはしばしば恐ろしいものですが、スピンへの進入と回復の訓練を受けた多くのパイロットは、その経験が意識と自信を高めることを実感しています。スピン中、飛行機の乗員は進入段階でのみ重力が軽減されたと感じ、その後は通常の重力を感じますが、機首が極端に下がる姿勢によって乗員は拘束ハーネスに押し付けられます。急速な回転と機首が下がる姿勢が相まって、方向感覚を失わせる可能性のある「地面の流れ」と呼ばれる視覚効果が生じます。
スピンからの回復手順では、ラダーを使って回転を止め、エレベーターを使って迎角を下げて失速を防ぎ、最大許容対気速度（VNE）または最大G荷重を超えないように急降下から引き起こす必要があります。通常カテゴリーの軽飛行機の最大G荷重は通常3.8Gです 。曲技飛行カテゴリーの軽飛行機の場合は、通常少なくとも6Gです 。