亜音速航空機

亜音速航空機は、最高速度が音速(マッハ1)未満の航空機です。この用語は、技術的には、臨界マッハ数(通常はマッハ 0.8 程度) 未満で飛行する航空機を指します。現在の民間航空機はすべて、旅客機、ヘリコプター、将来の旅客ドローン、個人用航空機、飛行船、および多くの軍用タイプを含め、亜音速です。

航空機では高速飛行が望ましいとされていますが、超音速飛行には亜音速飛行よりも大きなエンジン、高い燃料消費量、より高度な材料が必要です。そのため亜音速タイプは同等の超音速設計よりもコストがはるかに安く、航続距離が長く、環境への害も少なくなります。

それほど厳しくない亜音速環境では、気球、飛行船、回転翼航空機など、より幅広い種類の航空機の使用が可能になり、より幅広い役割を果たすことができます。

亜音速飛行は、空気力学的には非圧縮性の流れによって特徴付けられ、空気中の動きによる動圧の変化により、空気は動圧の高い領域から動圧の低い領域へと流れ、周囲の空気の静圧と密度は一定のままになります。亜音速の速度が高いと、圧縮性の影響が現れ始めます。^[1]

プロペラは最も効率的な推力源の 1 つであり、亜音速の飛行機や飛行船では一般的です。ダクト ファンの形で密閉されている場合もあります。ほとんどの旅客機が達成するような、より高い亜音速および高高度では、ターボジェットまたはターボファンが必要になります。ターボジェットやラムジェットなどの純粋なジェットは亜音速では効率が悪く、あまり使用されません。

翼幅と翼面積は、どちらも揚力特性にとって重要です。これらはアスペクト比によって関連しており、アスペクト比は翼端から翼端まで測定された翼幅と、前縁から後縁まで測定された平均翼弦長の比です。

翼の空力効率は揚力/抗力比で表され、抗力が小さく揚力が大きい翼が最も効率的です。アスペクト比が高いほど揚力/抗力比が高くなり、より効率的です。^[2]

翼の抗力は、揚力の生成に関連する誘導抗力と、翼全体の面積によって生じる表面摩擦に大きく依存するプロファイル抗力の2つの要素から構成されます。[ 3 ]そのため、翼^は、望ましい揚力特性と両立する最小の面積を持つことが望ましいです。これは高アスペクト比で最もよく達成され、高性能タイプではこの種類の翼が採用されることが多いです。

しかし、軽量、構造的剛性、操縦性、地上での操縦性など他の考慮事項は、翼幅が短いほど、つまり効率の低い翼のほうが有利になることが多い。小型の低高度一般航空機のアスペクト比は通常 6 または 7、旅客機は 12 以上、高性能グライダーは 30 以上である。

臨界マッハ数を超える速度では、気流は遷音速になり始め、いくつかの場所では局所的な気流により小さな音速衝撃波が形成されます。これはすぐに衝撃波失速につながり、抗力が急激に増加します。^[4]ジェット旅客機などの高速亜音速機の翼は、これらの衝撃波の発生を遅らせるために 後退翼になる傾向があります。

理論上、誘導抗力は、翼幅方向の揚力分布が楕円形のときに最小になります。ただし、誘導抗力にはさまざまな要因が影響し、実際問題として、第二次世界大戦のスーパーマリン スピットファイア戦闘機のような楕円形の翼が必ずしも最も効率的であるとは限りません。効率性に非常に最適化されたジェット旅客機の翼は、楕円形からはほど遠い形状です。

翼端弦長と翼根弦長の比率はテーパー比と呼ばれます。テーパーには揚力を内側に移動させることで翼根の曲げ応力を軽減するという望ましい効果がありますが、ジョン・ソープやカール・バーギーなどの著名な設計者の中には、総重量 6,000 ポンド未満の航空機にはテーパーのない長方形の平面形状が最適であると主張する人もいます。

• 防音壁
• 超音速航空機

• LJ Clancy (1975)空気力学、ピットマン。