超臨界翼

超臨界翼型（アメリカ英語ではsupercritical airfoil）は、遷音速域での波抵抗の発生を遅らせることを主眼に設計された翼型です。

超臨界翼型は、NACA 6シリーズの層流翼型形状と比較して、平らな上面、大きく反った（「下向きに湾曲した」）後部、および前縁の半径が大きいという特徴があります。 ^[1]標準的な翼型は、翼の上部の圧力が低くなるように設計されます。翼の厚さ分布と反りの両方によって、翼の周りの空気の加速量が決まります。航空機の速度が音速に近づくと、翼の周りで加速する空気がマッハ1に達し、衝撃波が形成され始めます。これらの衝撃波の形成により、波の抵抗が発生します。超臨界翼型は、翼の上面を平らにすることでこの影響を最小限に抑えるように設計されています。

超臨界翼の起源は、第二次世界大戦中に数多くの翼を設計したドイツの航空力学者K. A. カワルキに遡ります。戦争の終結後、ドイツ、イギリス、アメリカを含む複数の国がこの分野の研究を続けました。特に、ホーカー・シドレー・アビエーションは、他のプログラムとともにエアバスA300に組み込まれた数多くの先進的な翼を設計しました。アメリカでは、航空力学者リチャード・ウィットコムがカワルキの初期の研究に似た超臨界翼を製作し、これらを使用して超臨界翼が考案され、それが今度は民間機と軍用機の両方に組み込まれました。したがって、元の超臨界翼断面の研究から得られた技術は、エアバス A310やボーイング 777旅客機からマクドネル ダグラス AV-8B ハリアー IIジャンプジェットに至るまで、いくつかの高速亜音速および遷音速航空機の翼の設計に使用されてきました。

超臨界翼型は、第二次世界大戦中にドイツの航空力学者によって初めて提案された。1940年、ベルリン・アドラースホーフのドイツ航空研究所のK. A. カヴァルキは、楕円形の前縁、下流の50%弦までの最大厚さ、および平坦な上面を特徴とするいくつかの翼型を設計した。これらの翼型のテストは、1944年にB. ゲーテルトとK. A. カヴァルキによって報告された。カヴァルキの翼型の形状は、その後アメリカの航空力学者リチャード・ウィットコムによって生み出されたものに似ていた。^[2]航空作家のエルンスト・ハインリヒ・ヒルシェル、ホルスト・プレム、ゲロ・マーデルングは、超臨界翼型は、空気力学の観点から、高速航空機への後退翼の革新と同等の重要性を持つと述べている。 ^[3]

1950年代から1960年代にかけて、従来の翼型を装備したさまざまな高速研究用航空機が、音速の壁を破ることはもちろん、マッハ0.9に到達することさえも困難に繰り返し遭遇しました。従来の翼型の上面を流れる超音速気流は、過度の波動抵抗と、マッハタックと呼ばれる一種の安定性損失を引き起こしました。空気力学者は、使用する翼型を適切に形作ることで、これらの問題の深刻さを大幅に軽減し、航空機がはるかに高い速度を達成できるようにできると判断しました。これが超臨界翼の基礎です。その設計により、翼は従来の翼よりもマッハ1に近い速度で高い性能レベルを維持できます。

1962年、超臨界翼特性を持つヴィッカースVC-10がロールアウトされた。VC-10は、標準形状ではなく、飛行機専用に設計された翼断面を持つ最初の旅客機であった。設計はヴィッカースと英国の研究機関によって進められた。^{[4] [5]} 1959年から1968年にかけて、イギリスのハットフィールドに拠点を置く英国の航空宇宙メーカー、ホーカー・シドレー・アビエーションは、ルーフトップ・リア・ロード・エアフォイルと呼ばれることもある独自の改良型翼型を設計した。ホーカー・シドレーの研究はその後、 1972年に初飛行した多国籍ワイドボディー航空機エアバスA300の超臨界翼の基礎となった。 ^{[6] [7]}並行して、戦後のドイツとオランダも、民間航空プログラムを支援することを意図して、遷音速翼の最適な設計に関する研究を独自に進めた。^[8] 1970年代まで、等エントロピー再圧縮、つまり衝撃なしで気流を亜音速に戻す翼の開発にかなりの焦点が当てられていた。^[9]

アメリカでは、1960年代に超臨界翼の研究が行われていた。この分野を牽引したアメリカ人の一人がリチャード・ウィットコムだった。特別に改造されたノースアメリカンT-2Cバックアイは、超臨界翼の初期の航空試験機として機能し、この期間中に研究活動を支援するために数多くの評価飛行を行った。^{[10]最初の飛行試験に続いて、新しい翼は別の改造された軍用機である}TF-8Aクルセイダーで、次第に高速化しながら試験された。^[11]

超臨界翼型は当初、米国の国家超音速輸送プログラムの一環としてNASAによって研究されていたが、それを利用するために開発されていた超音速旅客機ボーイング2707は、技術的な課題と比較的高いコストの組み合わせにより、最終的にキャンセルされた。^{[12] [13]}それにもかかわらず、この研究は、主な受益者のキャンセルにもかかわらず生き残ったプログラムの1つの側面であった。超臨界翼型の形状は、超臨界翼の設計に組み込まれた。

このようにして、この技術はその後、いくつかの高亜音速航空機にうまく適用され、燃料効率が著しく向上しました。^[14]初期の例としては、1970年代に開発されたボーイング757とボーイング767の旅客機があります。 ^[15]ヒルシェル、プレム、マデルングによると、超臨界翼は現代のジェット旅客機に不可欠な要素であると考えられており、エアバスの製品ラインで使用されていることを示しています。^[9]

1984年、カワルキの研究は、超臨界翼型に対して発行された米国特許明細書に対する正式な異議の根拠として引用された。 ^[16]この頃、カワルキの研究は、エアバスA310などの新しい旅客機の設計で積極的な役割を果たしていたと伝えられている。^[9]さらに、一部の航空機は超臨界翼を組み込むように再設計された。例えば、ハリアージャンプジェットとして広く知られているホーカーシドレーハリアーは、抗力の上昇を遅らせ、揚抗比を高めることで巡航性能を向上させるために、新しい一体型超臨界翼を採用した第2世代のAV-8BハリアーIIモデルを持っていた。^[17]

現代のジェット機に超臨界翼型が採用されたことで、波抵抗を減らす他の方法の使用は減少した。耐衝撃体もそうした方法の1つで、リチャード・ホイットコムの研究やドイツの空気力学者ディートリッヒ・キュッヘマンの研究から派生したものである。^[18]「ホイットコム体」や「キュッヘマンキャロット」とも呼ばれるこの方法は、断面積が航空機の長さに沿って滑らかに変化することで波抵抗を最小限に抑えるという、この時代の最近のイノベーションである面積則と密接に関連している。^{[19] [20]}

超臨界翼型には、主に4つの利点がある。抗力発散マッハ数が高い、^[21]従来の翼型よりも後方で衝撃波が発生する、 ^[22]衝撃による境界層の剥離が大幅に減少する、その形状によりより効率的な翼設計が可能になる（たとえば、翼を厚くしたり、翼の後退角を小さくしたりすると、それぞれにより軽量の翼が可能になる）。特定の翼断面の特定の速度（臨界マッハ数）では、翼型の上面上の流れは局所的に超音速になることがあるが、衝撃なしで下面の後縁の圧力に一致するまで速度が低下する。しかし、特定のより高い速度（抗力発散マッハ数）では、後縁の圧力に一致するのに十分な圧力を回復するために衝撃が必要になる。この衝撃により遷音速波の抗力が発生し、その後ろで流れの剥離を引き起こす可能性があり、どちらも翼の性能に悪影響を及ぼす。

翼に沿った特定のポイントで衝撃が発生し、圧力係数が臨界値C _p-critまで増加します。この臨界値では、局所的な流速はマッハ 1 になります。この衝撃波の位置は、翼の形状によって決まります。超臨界翼は、衝撃波が最小限に抑えられ、可能な限り後方で生成されるため、抗力が減少するため、より効率的です。一般的な翼断面と比較すると、超臨界翼は、上面の圧力分布がより均一であるため、後端でより多くの揚力を生成します。

超臨界翼は遷音速性能が向上するだけでなく、前縁が拡大されているため、優れた高揚力特性が得られる。その結果、超臨界翼を採用した航空機は離着陸性能に優れている。このため、超臨界翼は貨物輸送機の設計者に好まれている。超臨界翼を採用した大型航空機の代表的な例としては、ボーイングC-17グローブマスターIIIが挙げられる。^[23]

超臨界プロファイルの失速挙動は、低速翼のそれとは異なります。超臨界翼の前縁に沿った境界層は、巡航角度では薄く層流状態になります。迎え角 (AOA) が増加すると、この層流層は狭い領域で剥離し、短いバブルを形成します。乱流状態になった気流は、バブルの後方の表面に再び付着します。この状態では、抗力の増加は極端ではありません。ただし、AOA が失速点まで増加すると、逆圧力勾配が形成され、比較的低速であっても、バブルの前方の薄い境界層内に衝撃波が形成される可能性があります。臨界角では、バブルが急速に膨張 (「破裂」) し、気流が突然表面全体 (前縁から後縁まで) から剥離します。揚力の急激な喪失は、低速輪郭が提供する従来の失速「警告」またはバフェットがないため、さらに悪化します。 ^[24]

このバフェット警告の欠如のため、超臨界翼を使用する航空機には、認証要件を満たすために、スティックシェイカー警告システムとスティックプッシャー回復システムが通常装備されています。ウィングフェンスは「翼全体が一度に失速するのを防ぐ」ため、この点で回復を提供するための代替手段にもなります。^[25]

• ウィットコム領域の法則
• NACA 翼型
• ヴォート F-8 クルセイダー (TF-8A)

• Aerospaceweb の超臨界翼
• 米国飛行100周年記念委員会の超臨界翼
• NASA ドライデン飛行研究センターの超臨界翼