三面航空機

三面航空機、または三揚力面航空機と呼ばれるものは、前翼、中央翼、尾翼を備えています。中央翼面は常に揚力を生み、通常は最も大きい面ですが、前翼と尾翼の機能はタイプによって異なり、揚力、制御、安定性などが含まれる場合があります。

民間航空機では、三面構成は安全な失速特性と短距離離着陸 (STOL) 性能を実現するために使用できます。また、翼の総表面積を最小限に抑え、それに伴う外皮抵抗を減らすことができると言われています。戦闘機では、この構成は、多くの場合、ベクトル推力と組み合わせて、失速前と失速後の両方の操縦性を向上させるためにも使用できます。

1911年に使用された初期の呼称は「3面システム」でした。^[1] 1920年代のフェルニックの設計は「タンデム」と呼ばれていました。確かに2つの揚力翼面がタンデムになっていますが、尾翼が3番目の水平面を形成します。

航空の草創期には、多くの航空機が前後の補助翼をつけて飛行していた。操縦性と安定性の問題は十分に理解されておらず、典型的にはピッチ制御は前面で行われ、後面も揚力を受けるため、ピッチが不安定になった。1901年のクレス・ドラッヘンフライガーと1908年のデュフォー三葉機は離陸するためのパワーが不十分だった。より成功したタイプには、ヴォワザン・ファルマンI（1907年）とカーティスNo.1（1909年）がある。ライト兄弟も、操縦性と安定性の両方を得るための努力の一環として、フライヤーの基本設計の実験を行い、最初はカナード翼、次に三面翼、そして最後に従来の構成で何度も飛行した。^{[2] [3] 1914年の}第一次世界大戦の勃発までに、より小さな後尾翼を持つ主翼が従来の構成となり、三面翼タイプが飛行するのは長年に渡って少なかった。 1917 年のフォッカーV.8と1921 年のカプロニ Ca.60ノビプラノはどちらも失敗作でした。

1920年代、ジョージ・ファーニックは、従来の尾翼と合わせて2つの揚力面を並列にするというアイデアを考案した。小型の前翼は大きな荷重がかかり、迎え角が増すと最初に失速するように設計されており、機首が下がり、主翼が失速することなく航空機が安全に回復できる。この「ソフト」失速により、従来の設計では通常見られない失速時の安全性が確保される。3面単葉機のファーニックT-9は1929年に飛行した。ファーニックはその後継機であるFT-10 クルーゼアの飛行中に事故で死亡した。^[4]

純粋なカナード設計でもこのようなソフト ストールは実現可能ですが、ピッチングの制御が難しくなり、前翼が機首を上げ、失速し、回復を繰り返すため、振動が発生する可能性があります。また、失速した前翼からの乱流後流自体が主翼上の気流を乱して揚力の大幅な損失を引き起こし、機首下げピッチング モーメントを打ち消すことのないように設計上の注意が必要です。3 面設計では、3 番目の尾翼が失速せず、より優れた制御性が得られます。^[要出典]

1950年代に、ジェームズ・ロバートソンは実験的なスカイシャークを開発した。これは、広く従来型の設計であったが、安全な失速だけでなく良好な短距離離着陸（STOL）性能も提供することを目的とした小さなカナード前翼を含む様々な特徴を有していた。前翼により、従来のSTOL設計に必要な高い迎え角とそれに伴う失速の危険なしにSTOL性能を達成できた。この航空機は米国陸軍によって評価された。^{[5]ロバートソンのシステムは、改造されたセスナ軽飛行機である}レン460として商品化された。これはその後、1980年代にピーターソン260SEとしてライセンス供与され、生産され、前翼の改造のみで230SEとなった。2006年には、耐久性を高めた派生型であるピーターソンカトマイが生産に入った。1988年のイーグル-XTS ^[6]とその派生型であるイーグル150シリーズでも、ほぼ同様のアプローチが採用されている。

1979年頃、軍用ジェット機の設計者は、特に離陸時や戦闘時などの低速および高迎え角での操縦性と制御性を向上させる方法として、3面構成の研究を開始しました。^[7]米国では、実験的なグラマンX-29が1984年に飛行し、マクドネル・ダグラスF-15の改造版であるF -15 STOL/MTDが1988年に飛行しましたが、これらの設計は後継されませんでした。ソ連では、カナード前翼を備えた改造されたスホーイSu-27が1985年に飛行し、^[8]この設計の派生型が、量産に入った唯一の軍用3面型となりました。

1979年、ピアッジオ社はリアジェット社と共同で、三面構造の民間用双発ターボプロップ機の設計研究を開始し、ピアッジオP.180アヴァンティとして世に送り出されました。この機種は1986年に初飛行し、1990年に就航し、現在も生産が続けられています。アヴァンティでは、三面構造により、従来の同等機に比べて翼の大きさ、重量、抗力が大幅に低減されるとされています。^[9]

その後、この構成を採用した2機の実験機がバート・ルータンの指揮の下、スケールド・コンポジッツ社によって製造され、1988年に飛行した。トライアンフはビーチクラフト向けに設計された双発ターボファンの超軽量ジェット機である。飛行試験により目標性能範囲が検証された。^{[10] [11]}キャットバードはルータンがビーチクラフト・ボナンザの代替として構想した単発プロペラ機である。2014年にペイロードなしで5,000 km（3,100マイル）のクローズドサーキットを飛行した際の速度世界記録334.44 km/h（207.81 mph）を保持しています。^[12]

先進的なジェット機の中には、推力偏向と組み合わせた三面構成を持つものもある。これは通常、特に主翼の失速点を超える非常に高い迎え角での操縦性と機動性を向上させることを意図している。プガチェフのコブラやクルビットなどの先進的な戦闘機動は、スホーイの三面機で初めて実行された。

実験機グラマンX-29は、基本的な「尾部優先」カナード構成で、珍しい前進翼と主翼の付け根から後方に伸びるストレークを備えていた。ストレークの端にある可動フラップにより、実質的に3面設計となった。^[13] X-29は、並外れた高迎え角操縦性を実証した。^[14]

より単純な三面翼設計は、従来型のスホーイ Su-27のいくつかの派生型に見られる。開発中の航空機にカナード翼を追加することに成功した後、海軍のSu-33 (Su-27K)、一部の Su-30、Su-35、Su-37 など、その後の多くの量産型にこれが組み込まれた。中国の瀋陽 J-15も Su-33 の構成を継承している。

マクドネル・ダグラス F-15 STOL/MTD は、カナード前翼と推力偏向装置を装備した F-15 の機体改造版で、STOL 性能と高い機動性の両方を実現するこれらの技術を実証するために設計されました。

3面構成は、従来の構成やカナード構成と比較して総空力表面積を減らすと主張されており、^{[9] [15]}それにより抗力と重量の削減が可能になります。

ほとんどの航空機では、翼の圧力中心は飛行状況に応じて前後に移動します。それが重心と一致しない場合は、航空機のピッチングを防ぎ、平衡を維持するために、修正力またはトリム力を適用する必要があります。^[16]

従来の航空機では、このピッチトリム力は尾翼によって加えられます。多くの現代の設計では、翼の圧力中心は通常、重心よりも後方にあるため、尾翼は下向きの力を加えなければなりません。^[17]尾翼によって生成されるこのような負の揚力は、主翼からの追加揚力によって補わなければならないため、翼面積、抗力、重量要件が増加します。

3 面航空機では、飛行中に必要に応じて、ピッチ トリム力を前部翼と尾部翼の間で共有できます。尾部翼からのダウンフォースではなく、前部翼からの揚力で平衡を達成できます。ダウンフォースの減少と追加の揚力の両方の効果により、主翼の負荷が軽減されます。

ピアッジオP.180アヴァンティは前翼と主翼の両方にフラップを備えています。両方のフラップは同時に展開し、離着陸時にピッチニュートラルを維持します。^[9]

カナード航空機では、通常の飛行中に自然な静的ピッチ安定性を実現するために、前翼が揚力を提供する必要があります。また、航空機が安全な失速特性を持つためには、前翼が主翼より先に失速し、航空機をピッチダウンさせて回復できるようにする必要があります。これは、主翼領域に安全マージンを使用して、最大揚力係数と翼面荷重が実際には決して達成されないようにする必要があることを意味します。これは、主翼のサイズを大きくする必要があることを意味します。

3 面航空機では、尾翼は従来の水平安定装置として機能します。失速状態では、主翼が失速しても尾翼がピッチダウンモーメントを提供し、回復を可能にします。したがって、主翼は最大揚力係数まで使用することができ、その利点は主翼面積と重量の削減につながる可能性があります。

揚力のある前翼は重心より前方に配置されているため、揚力モーメントはピッチの動きと同じ方向に作用します。航空機が自然に安定するには、前翼のサイズ、揚力傾斜、モーメント アームが主翼と尾翼によって提供される安定化モーメントを上回らないように選択する必要があります。したがって、安定性の制約により前翼の容積比 (トリムと安定性の面での有効性の尺度) が制限され、その結果、前述のようにピッチ トリム力を共有する能力が制限される可能性があります。

航空機の揚力翼の最小サイズは、航空機の重量、水平安定板によって生成される負の揚力に対抗するために必要な力、目標とする離着陸速度、および翼の揚力係数によって決まります。

現代の航空機のほとんどは、離着陸時の翼の揚力係数を高めるために主翼の後縁フラップを使用しています。これにより、翼を通常よりも小さくすることができます。これにより、翼の重量が軽減され、翼の表面積が常に減少します。表面積が減少すると、すべての速度でスキンの抵抗が比例して減少します。

後縁フラップの使用の欠点は、使用時に大きな負のピッチング モーメントが発生することです。このピッチング モーメントのバランスをとるために、水平安定板を通常よりもいくらか大きくして、後縁フラップによって発生する負のピッチング モーメントのバランスをとるのに十分な力を生成できるようにする必要があります。つまり、より大きな水平安定板によって発生するより大きな負の揚力をバランスさせるために、主翼を通常よりもいくらか大きくする必要があります。

カナード航空機では、前翼が離陸時に正の揚力を提供し、後部安定装置が作り出さなければならないダウンフォースの一部を軽減します。ただし、主翼は離陸時に航空機の残りの重量を持ち上げられるだけでなく、失速を防ぐための十分な安全マージンを提供できるほど大きくなければなりません。3 面航空機では、これらのハンディキャップはどちらも存在せず、主翼のサイズを小さくできるため、重量と抗力も軽減されます。3 面航空機のすべての翼面の総面積は、同等の 2 面航空機よりも小さくできるため、重量と抗力の両方が軽減されると言われています。

巡航時の最小面積は、フラップなどの従来の高揚力装置の使用によってさらに削減することができ、3面設計により飛行範囲のあらゆる点で表面積を最小にすることができます。^[9]

面積を縮小した三面航空機の例としては、ピアッジオ P.180 アバンティやスケールド・コンポジッツのトライアンフとキャットバードなどがある。これらの航空機は、スリップストリームにさらされる総表面積を最小限に抑えるように設計されており、^{[出典が必要]}速度と燃料効率のために表面抵抗が低減されている。いくつかのレビューでは、アバンティの最高速度と実用限界をローエンドのジェット機と比較しており、巡航速度での燃料効率が大幅に優れていると報告されている。^{[18] [19]}ピアッジオは、この性能は航空機のレイアウトによるものとし、従来のレイアウトと比較して総翼面積が 34% 削減されていると主張している。^{[9] [15]}

• カナード（航空学）
• 尾翼
• タンデムウィング
• 翼構成

• ギャリソン、P ; テクニカル：スリーズ・カンパニー;フライング、2002年12月、pp85-86