スパー（航空学）

固定翼航空機では、スパーが主翼の構造部材となることが多く、胴体に対して直角（翼の後退角に応じてその程度）に翼幅方向に伸びている。スパーは飛行荷重と地上での翼の重量を支える。リブなどの他の構造部材や成形部材がスパーに取り付けられる場合があり、応力外皮構造も使用されている場所で荷重を分担する。翼には複数のスパーがある場合もあれば、スパーがまったくない場合もある。1 本のスパーがほとんどの力を支えている場合、そのスパーは主スパーと呼ばれる。^[1]

スパーは、尾翼や垂直尾翼などの他の航空機の翼面にも使用され、同様の機能を果たしますが、伝達される荷重は翼スパーの荷重とは異なる場合があります。

片持ち式 単葉機の主翼桁は、重量支持と動的荷重の整合性の大部分を担っており、主翼の「D」ボックス自体の強度と相まって機能します。これら 2 つの構造部品が一体となって、航空機が安全に飛行するために必要な翼の剛性を提供します。フライング ワイヤを採用した複葉機では、飛行荷重のほとんどがワイヤと翼間支柱を通じて伝達されるため、抗力が増加するという代償を払って、より小さな断面とより軽い桁を使用できます。

翼桁に作用する力には次のようなものがある: ^[2]

• 飛行中に胴体を支える翼の揚力によって生じる上向きの曲げ荷重。これらの力は、翼に燃料を搭載するか、翼端に燃料タンクを取り付けることで相殺されることが多く、セスナ 310 は、この設計上の特徴の一例です。
• 地上で静止しているときに、構造物の重量、翼に搭載された燃料、および翼に取り付けられたエンジン（使用されている場合）により、下向きの曲げ荷重が発生します。
• 抗力荷重は対気速度と慣性に依存します。
• 転がり慣性荷重。
• 高速飛行時の空力効果による弦方向のねじれ荷重は、ウォッシュアウトやエルロンの使用による操縦反転につながることが多い。翼下に搭載されたエンジンの推力設定の変更によっても、さらにねじれ荷重が誘発される。 ^[3]「D」ボックス構造は、翼のねじれを軽減するのに効果的である。

エクストラ 300などの航空機では、極端な曲技飛行を行う際に、これらの荷重の多くが飛行中に突然反転しますが、これらの航空機の桁は大きな荷重係数に安全に耐えられるように設計されています。

初期の航空機では、多くの場合、無垢のトウヒやアッシュから削り出された桁が使用されていました。箱形断面の桁や、治具に積み重ねられ、圧縮接着されて翼の上反り角を保持する積層桁など、いくつかの異なるタイプの木製桁が使用され、実験されました。木製桁は、ロビンDR400やその関連機などの軽飛行機で現在でも使用されています。木製桁の欠点は、乾燥や湿潤の大気条件や、木材を食い荒らす昆虫の蔓延や菌類の攻撃などの生物学的脅威が部品に及ぼす劣化効果です。そのため、耐空性を維持するために定期的な検査が義務付けられることがよくあります。^[4]

複数部品構造の木製翼桁は、通常、スパー キャップと呼ばれる上部および下部の部材と、スパー キャップ間の距離にまたがる、 せん断ウェブまたは単にウェブと呼ばれる垂直の板状木材部材で構成されます。

現代でも、レプリカ スピットファイアなどの「自家製レプリカ航空機」は積層木材の桁を使用しています。これらの桁は通常、トウヒまたはダグラスファーを積層して (クランプと接着によって) 作られています。多くの愛好家が、航空機のサイズに応じてさまざまなエンジンを使用して実際に飛行する「レプリカ」スピットファイアを製作しています。^[5]

一般航空機の典型的な金属桁は、通常、アルミニウム板の桁ウェブで構成され、L字型またはT字型の桁キャップが板の上部と下部に溶接またはリベット留めされ、荷重がかかったときに座屈するのを防ぎます。この桁構造方法を使用する大型航空機では、一体型燃料タンクを提供するために桁キャップが密閉されている場合があります。金属翼桁の疲労は、特にチョークのオーシャン航空101便のように古い航空機で航空事故の原因要因として特定されています。^[6]

1917 年のドイツのユンカース JI装甲胴体地上攻撃セスキプレーンは、ヒューゴ・ユンカースが設計した複数の管状翼桁からなる多重管ネットワークを使用していました。このネットワークは波形ジュラルミンの主翼カバーの真下に配置され、各管状桁は、三角形のジュラルミンストリップのスペースフレーム (通常はウォーレントラスレイアウトの形式) で隣接する桁に接続され、桁にリベット留めされていました。その結果、他のほとんどの航空機設計がほぼ完全に木製構造の翼で構築されていた当時、構造強度が大幅に向上しました。ユンカースの全金属製の波形翼/多重管状翼桁設計フォーマットは、第一次世界大戦後、アメリカの航空設計者ウィリアム・スタウトが1920年代のフォード・トライモーター旅客機シリーズで模倣し、またロシアの航空宇宙設計者アンドレイ・ツポレフが1922年のツポレフANT-2などの航空機で模倣し、さらにサイズを拡大して1934年の当時巨大だったマクシム・ゴーリキにまで至った。

スーパーマリン・スピットファイアの主翼の設計面でその成功に大きく貢献したのは、互いにフィットする5本の四角い同心円状のチューブで構成された革新的なスパーブームの設計であった。これらのブームのうち2本は合金ウェブで連結されており、軽量で非常に強い主桁を形成していた。^[7]

この桁構築方法のバージョンは、 1970年代初頭にジム・ビードによって設計および構築されたBD-5でも使用されています。BD-5とその後のBDプロジェクトで使用された桁は、主に直径約2インチ（5.1 cm）のアルミニウム管で、翼の根元で内径がはるかに大きいアルミニウム管と結合され、翼の構造的完全性を実現しました。

ヴィッカース ウェリントンなどの航空機では、軽量で、強度が部分的にしか失われずに激しい戦闘による損傷に耐えられるという利点がある測地線翼桁構造が採用されていました。

現代の航空機の多くは、大型旅客機から小型の自家製航空機まで、その構造にカーボンファイバーとケブラーを使用しています。スケールド・コンポジッツ社とドイツのグライダー製造会社シェンプ・ヒルト社およびシュライヒャー社による開発は注目に値します。^[8]これらの会社は当初、設計に固体のグラスファイバーの桁を使用していましたが、現在ではASG 29などの高性能グライダーにカーボンファイバーを使用することが多いです。以前のグラスファイバーの桁を使用した航空機と比較して強度が向上し、重量が軽減されたため、より多くの水バラストを運ぶことができます。^[9]

3本以上の桁を使用する航空機は、多桁航空機と見なされます。複数の桁を使用すると、翼全体の強度は同等になりますが、桁の数が多くなり、桁の数が少なくなるため、翼や尾翼の構造を薄くすることができます (ただし、燃料タンク、銃、エルロンジャックなどの追加機器の実装が複雑になり、困難になります)。多桁翼は少なくとも1930年代から使用されていますが (たとえば、第二次世界大戦時代のカーチス P-40 は翼ごとに3本の桁がありました)、ジェット戦闘機の速度が上昇し、高速時の抗力を減らすために翼を薄くする必要が生じたときに、多桁翼がさらに普及しました。マッハ2の F-104 スターファイターは、異常に薄い断面の翼を可能にするために、多数の細い桁を使用しました。F -16 ファイティング ファルコンも同様の構造を使用しています。F-4ファントム、F-15イーグルなどの他の航空機では、比較的薄い翼に十分な強度を持たせるために3本以上の桁を使用しており、そのため多桁航空機として分類されます。^[10]

擬似桁は主桁と同様に、機体の幅方向に走る荷重を支える構造部材であるが、胴体には結合されていない。擬似桁の最も一般的な目的は、主にエルロンなどの可動面を支えることである。^[11]

• 1913年のフライト誌のスパーテストに関する記事