スタビライザー（航空学）

航空機のスタビライザーは、通常、1つ以上の可動操縦面^[1]^[2]を含み、縦方向（ピッチ）および/または方向（ヨー）の安定性と制御を提供する空力面である。スタビライザーは、可動操縦面がヒンジで固定または調整可能な構造を特徴とする場合もあれば、スタビレーターのようにそれ自体が完全に可動面である場合もある。文脈によっては、「スタビライザー」が全体の表面の前部のみを指す場合もある。

従来の航空機の構成では、別々の垂直安定板（尾翼）と水平安定板（尾翼）が、航空機の尾部に位置する尾翼を形成します。V字尾翼構成などの他の尾翼配置では、縦方向と方向の安定性と制御の組み合わせに貢献する安定板が採用されています。

カナード翼、タンデム翼、無尾翼航空機などの他の翼構成では、縦方向の安定性と制御が得られる場合があります。

一部の種類の航空機は電子飛行制御によって安定化されており、この場合、航空機の任意の場所にある固定面と可動面が、アクティブモーションダンパーまたはスタビライザーとして機能することがあります。

水平安定板

水平安定板は、航空機の縦方向のバランス、つまりトリムを維持するために使用されます。^[3]水平安定板は、重心の周りのピッチモーメントの合計がゼロになるように、離れた場所に垂直方向の力を加えます。 ^{[4]安定板によって加えられる垂直方向の力は、飛行条件によって変化します。特に、}圧力中心の位置に影響を与える航空機の揚力係数と翼フラップのたわみ、および航空機の重心の位置（航空機の積載量と燃料消費量によって変化します）に応じて変化します。遷音速飛行では、水平安定板に特別な要求が課されます。翼上の空気の局所的な速度が音速に達すると、圧力中心が突然後方に移動します。

水平安定板のもう一つの役割は、縦方向の静的安定性を提供することです。安定性は、機体がトリム状態にある場合にのみ定義できます。 ^[5]これは、機体が乱れた場合にトリム状態に戻る傾向を指します。^{[6]これにより、パイロットからの積極的な入力がなくても、気流に対する}ピッチ角が変化しない一定の機体姿勢が維持されます。従来の翼を備えた航空機の静的安定性を確保するには、機体の重心が圧力中心よりも前方にある必要があるため、機体の後部に配置された安定板は下方向の揚力を生み出します。

エレベーターはピッチ軸を制御する役割を果たします。完全に可動式の尾翼の場合は、アセンブリ全体が制御面として機能します。

主翼とスタビライザーの相互作用

揚力の発生に伴う上昇気流と下降気流は、翼とスタビライザー間の空力相互作用の原因であり、各表面の有効迎え角の変化につながります。翼が尾翼に与える影響は、その逆の影響よりもはるかに大きく、プラントルの揚力線理論を使用してモデル化できます。ただし、複数の表面間の相互作用を正確に推定するには、コンピューターシミュレーションまたは風洞試験が必要です。^[7]

水平安定板の構成

従来の尾翼

従来の構成では、水平安定板は航空機の後方に位置する小さな水平尾翼または尾翼です。これが最も一般的な構成です。

多くの航空機では、尾翼アセンブリは固定面とヒンジ式の後方昇降舵面で構成されています。トリムタブを使用して、パイロットの入力力を軽減することができます。また、パイパーPA-24コマンチやパイパーPA-28チェロキーなどの一部の軽飛行機には、独立した昇降舵のないスタビライザーと呼ばれる全可動式スタビライザーが搭載されています。スタビライザーは、独立した昇降舵制御では許容できない抗力が発生する超音速航空機の多くにも使用されています。^[8]

ほとんどの旅客機や輸送機は、独立して動く昇降舵と組み合わされた、大きくてゆっくりと動くトリム可能な尾翼を備えている。昇降舵はパイロットまたは自動操縦装置によって制御され、主に航空機の姿勢を変える役割を果たし、アセンブリ全体はトリム（水平静的平衡の維持）とピッチ軸での航空機の安定化に使用される。ボーイング737では、調整可能なスタビライザートリムシステムは電動ジャックスクリューによって駆動される。^[9]

従来の構成のバリエーションには、T 字型尾翼、十字型尾翼、ツイン尾翼、ツインブーム搭載尾翼などがあります。

三面航空機

ピアッジオ P.180 アヴァンティやスケールド・コンポジッツのトライアンフやキャットバードなどの三面航空機では、尾翼は従来の航空機と同様に安定装置の役割を果たし、前翼またはカナードと呼ばれる前部翼は揚力を生み出し、バランスをとる面として機能します。

カーチスAEA ジューン・バグやヴォワザン 1907 複葉機など、初期の三面翼航空機には、従来型のレイアウトに加えて前部のピッチ制御面が追加されており、これは「エレベーター」または「スタビリゼーター」と呼ばれることもあった。^[10]エレベーターがなかったため、これらの航空機の尾翼は、現在で言うところの従来型のスタビライザーではなかった。例えば、ヴォワザンはタンデム揚力レイアウト（主翼と後翼）で、前部の翼は安定させるわけでも主に揚力を与えるわけでもなく、「エキリブルール」（「バランサー」）と呼ばれ、^[11]ピッチ制御とトリム面として使用されていた。

カナード航空機

カナード構成では、小さな翼、つまり前翼が主翼の前にあります。一部の研究者はこれをスタビライザーと呼び ^[12] ^[13] ^[14]^[15] 、または前翼のみに安定化の役割を与えています ^{[16]。ただし、}ピッチ安定性に関する限り、前翼は一般的に不安定面として説明され ^[17] 、主翼がピッチの安定モーメントを提供します。 ^[18] ^[19] ^[20]

本来的に不安定な航空機では、カナード面は人工安定装置の能動部分として使用され、水平安定装置と呼ばれることもあります。^[21]

無尾翼航空機

無尾翼航空機には独立した水平安定板がありません。無尾翼航空機では、水平安定面は主翼の一部です。^[22]^[23] 無尾翼航空機の縦方向の安定性は、航空機の空力中心が重心の後ろになるように設計することで実現されます。これは通常、翼の設計を変更することで行われ、たとえば、翼幅方向の迎え角（翼のウォッシュアウトまたはねじれ）を変えたり、反射キャンバー翼型を使用したりします。

垂直安定板

垂直安定板は方向（またはヨー）の安定性を提供し、通常は固定されたフィンとその後端にヒンジで取り付けられた可動式の操縦舵で構成されています。 ^[24]あまり一般的ではありませんが、ヒンジがなく、安定性と操縦性の両方のためにフィンの表面全体が回転することもあります。^[25]

航空機が水平方向の突風に遭遇すると、ヨー安定性により、航空機は同じ方向に旋回するのではなく、風に向かって旋回します。^[26]

胴体の形状、エンジンナセル、回転プロペラはすべて横方向の静的安定性に影響し、スタビライザーの必要なサイズに影響します。^[27]

すべての航空機に垂直安定装置があるわけではありません。代わりに、翼のスイープと上反角によって同程度の方向安定性が得られますが、方向制御は、スポイラーまたは分割エルロンの形で、航空機が向きを変える側に抗力を追加することによって行われることがよくあります。

テールレス方向安定化と制御

垂直安定板の使用が最も一般的ですが、個別の垂直安定板がなくても方向安定性を得ることができます。これは、翼が後退しているときに発生し、ハンググライダーでよく使用されるロガロ翼などの一部のケースでは、フィンは不要であることを意味します。

安定化。後退翼がヨー方向に回転すると、外側の翼の後退角が小さくなり、抗力が増大します。一方、内側の翼の後退角が大きくなると抗力が低減します。この抗力分布の変化により、復元モーメントが発生します。
制御。ヨー制御を実現する方法の1つは、差動空気ブレーキを使用して抗力に直接影響を与えることです。この技術は、ノースロップグラマンB-2全翼機などの電子飛行制御に適しています。 ^[28]

縦方向と方向のスタビライザーを組み合わせたもの

一部の航空機では、水平安定板と垂直安定板が一対の面に結合され、V字尾翼と呼ばれる。この配置では、2つの安定板（フィンとラダー）が互いに90～120°の角度で取り付けられ、 ^{[注 1]}従来の尾翼の大部分と同様に、垂直方向の投影面積よりも大きな水平投影面積が得られる。可動制御面はラダーベーターと呼ばれる。^[29]^{[注 2]}したがって、V字尾翼はヨー安定板とピッチ安定板の両方の役割を果たす。

V字尾翼の構成は尾翼の濡れ面積を大幅に減らすことができるように思えるかもしれないが、制御作動の複雑さが増すという問題もある。 ^[29]また、2つの表面間の複雑で有害な空力相互作用も生じる。^[30]この結果、総面積が大きくなり、本来の利点が減少または打ち消されることが多い。^[29]ビーチクラフト・ボナンザ軽飛行機はもともとV字尾翼で設計されていた。

他にも組み合わせたレイアウトが存在します。ゼネラルアトミックス社の MQ-1 プレデター無人機は、逆 V 字型の尾翼を備えています。ロッキード XFVの尾翼面は、胴体から反対側まで面が伸びた V 字型の尾翼と言えます。リアアビアリアファンはY 字型の尾翼を備えています。尾翼の上反角を持つすべての双尾翼配置は、縦方向と方向の安定性の組み合わせを提供します。

注記

^ F-117 ナイトホーク、90° –フォウガ・マジスター、105° –ブナ・ボナンザ、116°
^ ラダーとエレベーターを組み合わせた造語

参考文献

^ 尾翼 - D. Stinton飛行機の設計、縦方向の安定性 - Hoerner流体力学的揚力- Ilan Kroo、航空機設計。安定性の検討（尾部のサイズ、尾部面積、安定装置容積係数）では、著者は常に昇降舵を含むユニット全体を扱います。「水平尾翼」または「尾部」という用語は、通常、「安定装置」の代わりに使用されます。
^ ロスカム、ヤン(2002)。飛行機設計：パート3。ローレンス：DARcorporation。p. 287。ISBN 1-884885-56-X. 2015年7月30日閲覧。
^ Daroll Stinton、「飛行機の設計」、「縦方向のバランス（トリム）」。
^ Phillips, Warren F. (2010). 「4.1 静的平衡と安定性の基礎」。飛行力学（第 2 版）。ニュージャージー州ホーボーケン：Wiley & Sons。p. 377。ISBN 978-0-470-53975-0制御が重心周りの合力とモーメントがすべてゼロになるように設定されているとき、航空機はトリム状態にあると言われ、これは単に静的平衡を意味します。
^ WH Phillips、NASA ラングレー研究センターでのキャリア、第 4 章、飛行の資質
^ Phillips, Warren F. (2010). 「4.2 キャンバー翼のピッチ安定性」。飛行力学（第 2 版）。ニュージャージー州ホーボーケン：Wiley & Sons。p. 381。ISBN 978-0-470-53975-0飛行機が回転中に静的に安定するには、ロール、ピッチ、ヨーの乱れによって、飛行機を元の平衡状態に戻す復元モーメントが生成される必要があります。
^ Phillips, Warren F. (2010)。「4.3 主翼尾翼の組み合わせの簡易ピッチ安定性解析」。飛行力学(第 2 版)。ニュージャージー州ホーボーケン: Wiley & Sons。p. 391。ISBN 978-0-470-53975-0。
^ Abzug, Malcolm J.; Larrabee, E. Eugene (2002 年 9 月 23 日)。飛行機の安定性と制御: 航空を可能にした技術の歴史。ケンブリッジ大学出版局。p. 78。ISBN 978-1-107-32019-2. 2022年10月17日閲覧。全可動尾翼が興味深いものになったのは、高マッハ数理論と遷音速風洞試験により、通常のフラップ型制御の性能が低いことが明らかになったときです。
^ 連邦官報。連邦官報局、国立公文書記録サービス、一般調達局。1978年7月。32404ページ。 2022年10月18日閲覧。
^ Gérard Hartmann (2003 年 5 月 12 日)、「Les Hydros Farman」(PDF)、Dossiers historiques et Technique aéronautique française、lestabilisateur avant sera supprimé en cours d'année (「フロントスタビライザーは年内に取り外される予定」)
^ Gabriel Voisin、Mes 10,000 cerfs-volants (私の 10,000 個の凧)、166 ページ: 「et je m'apprêtais à Tirer sur mon équilibreur... puis il braquason équilibreur vers la montée」。
^ Garrison, P; 「Three's Company」; Flying 129 (12)、2002 年 12 月、pp.85-86: 「前部のスタビライザー」... 「これがスタビライザーの機能です。スタビライザーが後ろにある場合は通常下方に押し下げ、前部にある場合は上方に持ち上げます。」
^ Benson, T (編): 「飛行機の部品と機能」、航空学初心者ガイド、NASA グレン研究センター、ライト兄弟の最初の飛行機では、水平安定板が翼の前に配置されていました。
^ 米国特許 US 6064923 A、翼構造の負荷を軽減した航空機：「...フロントスタビライザー、一般にカナードスタビライザーとして知られている」
^ 「飛行機の部品」、航空学初心者ガイド、NASA グレン研究センター
^ 水平安定板 - エレベーター、NASA、一部の航空機では、ピッチの安定性と制御は重心の前方に配置された水平面によって提供されます。
^ 例えば、AIR International 1999年5月号、311ページ、HoernerとBorst、「流体力学的揚力」、11-29ページ、および11-33ページ、デルタカナード、NASA TM 88354、「カナード構成の操縦性について」、14ページ、およびKundu、「航空機設計」、92ページ、
^ Phillips, Warren F. (2010)。「4.6 翼とカナードの組み合わせの簡易ピッチ安定性解析」。飛行力学(第 2 版)。ニュージャージー州ホーボーケン: Wiley & Sons。p. 425。ISBN 978-0-470-53975-0…主翼カナード構成の安定性を提供するのはカナードではなく主翼です。
^ AIAA/AHS/ASEE 航空機設計、システムおよび運用会議: ... - 第 2 巻 - 309 ページ、「ピッチングモーメントの結果は、翼の安定化効果とカナードの不安定化効果を示しています。」
^ FH Nichols、「主翼の垂直位置と垂直尾翼の配置がカナード型飛行機構成の安定性特性に与える影響」、9 ページ、「機体もかなりの不安定化要素を生み出しますが、これは主翼の大きな安定効果によって十分にバランスが取れています。」
^ X-29は、ピッチを制御するための水平安定板であるカナードが尾翼ではなく翼の前にあった」[1]
^ 飛行翼、アポジーコンポーネントの使用理論と実践
^ 無尾翼飛行機の安定性と制御に関するノート、ジョーンズ、ロバート、naca-tn-837、1941
^ ダロール・スティントン、飛行機の設計、横方向と方向の安定性とスピン
^ Barnard, RH; Philpott, DR (2010). 「10. 航空機の制御」。Aircraft Flight (第4版)。イギリス、ハーロー： Prentice Hall。 p. 271。ISBN 978-0-273-73098-9。
^ バーバー、ホレイショ、「第 2 章安定性と制御」、The Aeroplane Speaks、電子テキストセンター、バージニア大学図書館
^ Phillips, Warren F. (2010). 「 5横方向の静的安定性とトリム」。飛行力学(第 2 版)。ニュージャージー州ホーボーケン: Wiley & Sons。ISBN 978-0-470-53975-0。
^ スウィートマン、ビル (2005)。ロッキードステルス。ミネソタ州ノースブランチ: ゼニスインプリント。p. 73。ISBN 0-7603-1940-5。
^ abc Raymer, Daniel P. (1999). 「4.5 尾翼の形状と配置」。航空機設計: 概念的アプローチ(第 3 版)。バージニア州レストン: アメリカ航空宇宙学会。p. 78。ISBN 1-56347-281-3。
^ Phillips, Warren F. (2010). 「5.5 尾部上反り角がヨー安定性に与える影響」。飛行力学(第 2 版)。ニュージャージー州ホーボーケン: Wiley & Sons。p. 533。ISBN 978-0-470-53975-0。

外部リンク

航空機関連用語
Talay, Theodore A. (2005 年 1 月 27 日)。「飛行の空気力学入門 - 安定性と制御」NASA 歴史部門。ラングレー研究センター。2013年4 月 21 日閲覧。
「動的縦方向、方向、横方向の安定性」、飛行100周年記念、米国飛行100周年記念委員会

[29] F-117 ナイトホーク、90° –フォウガ・マジスター、105° –ブナ・ボナンザ、116°

[31] ラダーとエレベーターを組み合わせた造語

[1] 尾翼 - D. Stinton飛行機の設計、縦方向の安定性 - Hoerner流体力学的揚力- Ilan Kroo、航空機設計。安定性の検討（尾部のサイズ、尾部面積、安定装置容積係数）では、著者は常に昇降舵を含むユニット全体を扱います。「水平尾翼」または「尾部」という用語は、通常、「安定装置」の代わりに使用されます。

[2] ロスカム、ヤン(2002)。飛行機設計：パート3。ローレンス：DARcorporation。p. 287。ISBN 1-884885-56-X. 2015年7月30日閲覧。

[3] Daroll Stinton、「飛行機の設計」、「縦方向のバランス（トリム）」。

[4] Phillips, Warren F. (2010). 「4.1 静的平衡と安定性の基礎」。飛行力学（第 2 版）。ニュージャージー州ホーボーケン：Wiley & Sons。p. 377。ISBN 978-0-470-53975-0制御が重心周りの合力とモーメントがすべてゼロになるように設定されているとき、航空機はトリム状態にあると言われ、これは単に静的平衡を意味します。

[5] WH Phillips、NASA ラングレー研究センターでのキャリア、第 4 章、飛行の資質

[6] Phillips, Warren F. (2010). 「4.2 キャンバー翼のピッチ安定性」。飛行力学（第 2 版）。ニュージャージー州ホーボーケン：Wiley & Sons。p. 381。ISBN 978-0-470-53975-0飛行機が回転中に静的に安定するには、ロール、ピッチ、ヨーの乱れによって、飛行機を元の平衡状態に戻す復元モーメントが生成される必要があります。

[7] Phillips, Warren F. (2010)。「4.3 主翼尾翼の組み合わせの簡易ピッチ安定性解析」。飛行力学(第 2 版)。ニュージャージー州ホーボーケン: Wiley & Sons。p. 391。ISBN 978-0-470-53975-0。

[Abzug-8] Abzug, Malcolm J.; Larrabee, E. Eugene (2002 年 9 月 23 日)。飛行機の安定性と制御: 航空を可能にした技術の歴史。ケンブリッジ大学出版局。p. 78。ISBN 978-1-107-32019-2. 2022年10月17日閲覧。全可動尾翼が興味深いものになったのは、高マッハ数理論と遷音速風洞試験により、通常のフラップ型制御の性能が低いことが明らかになったときです。

[9] 連邦官報。連邦官報局、国立公文書記録サービス、一般調達局。1978年7月。32404ページ。 2022年10月18日閲覧。

[10] Gérard Hartmann (2003 年 5 月 12 日)、「Les Hydros Farman」(PDF)、Dossiers historiques et Technique aéronautique française、lestabilisateur avant sera supprimé en cours d'année (「フロントスタビライザーは年内に取り外される予定」)

[11] Gabriel Voisin、Mes 10,000 cerfs-volants (私の 10,000 個の凧)、166 ページ: 「et je m'apprêtais à Tirer sur mon équilibreur... puis il braquason équilibreur vers la montée」。

[garrison-12] Garrison, P; 「Three's Company」; Flying 129 (12)、2002 年 12 月、pp.85-86: 「前部のスタビライザー」... 「これがスタビライザーの機能です。スタビライザーが後ろにある場合は通常下方に押し下げ、前部にある場合は上方に持ち上げます。」

[benson-apf-13] Benson, T (編): 「飛行機の部品と機能」、航空学初心者ガイド、NASA グレン研究センター、ライト兄弟の最初の飛行機では、水平安定板が翼の前に配置されていました。

[US6064923A-14] 米国特許 US 6064923 A、翼構造の負荷を軽減した航空機：「...フロントスタビライザー、一般にカナードスタビライザーとして知られている」

[NASA-15] 「飛行機の部品」、航空学初心者ガイド、NASA グレン研究センター

[16] 水平安定板 - エレベーター、NASA、一部の航空機では、ピッチの安定性と制御は重心の前方に配置された水平面によって提供されます。

[17] 例えば、AIR International 1999年5月号、311ページ、HoernerとBorst、「流体力学的揚力」、11-29ページ、および11-33ページ、デルタカナード、NASA TM 88354、「カナード構成の操縦性について」、14ページ、およびKundu、「航空機設計」、92ページ、

[18] Phillips, Warren F. (2010)。「4.6 翼とカナードの組み合わせの簡易ピッチ安定性解析」。飛行力学(第 2 版)。ニュージャージー州ホーボーケン: Wiley & Sons。p. 425。ISBN 978-0-470-53975-0…主翼カナード構成の安定性を提供するのはカナードではなく主翼です。

[19] AIAA/AHS/ASEE 航空機設計、システムおよび運用会議: ... - 第 2 巻 - 309 ページ、「ピッチングモーメントの結果は、翼の安定化効果とカナードの不安定化効果を示しています。」

[20] FH Nichols、「主翼の垂直位置と垂直尾翼の配置がカナード型飛行機構成の安定性特性に与える影響」、9 ページ、「機体もかなりの不安定化要素を生み出しますが、これは主翼の大きな安定効果によって十分にバランスが取れています。」

[21] X-29は、ピッチを制御するための水平安定板であるカナードが尾翼ではなく翼の前にあった」[1]

[apogee-22] 飛行翼、アポジーコンポーネントの使用理論と実践

[jones-23] 無尾翼飛行機の安定性と制御に関するノート、ジョーンズ、ロバート、naca-tn-837、1941

[24] ダロール・スティントン、飛行機の設計、横方向と方向の安定性とスピン

[25] Barnard, RH; Philpott, DR (2010). 「10. 航空機の制御」。Aircraft Flight (第4版)。イギリス、ハーロー： Prentice Hall。 p. 271。ISBN 978-0-273-73098-9。

[26] バーバー、ホレイショ、「第 2 章安定性と制御」、The Aeroplane Speaks、電子テキストセンター、バージニア大学図書館

[27] ^ Phillips, Warren F. (2010). 「 5横方向の静的安定性とトリム」。飛行力学(第 2 版)。ニュージャージー州ホーボーケン: Wiley & Sons。ISBN 978-0-470-53975-0。

[28] スウィートマン、ビル (2005)。ロッキードステルス。ミネソタ州ノースブランチ: ゼニスインプリント。p. 73。ISBN 0-7603-1940-5。

[Raymer4.5-30] Raymer, Daniel P. (1999). 「4.5 尾翼の形状と配置」。航空機設計: 概念的アプローチ(第 3 版)。バージニア州レストン: アメリカ航空宇宙学会。p. 78。ISBN 1-56347-281-3。

[32] Phillips, Warren F. (2010). 「5.5 尾部上反り角がヨー安定性に与える影響」。飛行力学(第 2 版)。ニュージャージー州ホーボーケン: Wiley & Sons。p. 533。ISBN 978-0-470-53975-0。