翼端装置

翼端装置は、抗力を低減することで固定翼航空機の効率を向上させることを目的としています。^[1]翼端装置にはさまざまな種類があり、機能も異なりますが、その効果は常に航空機の抗力を低減することです。また、翼端装置は航空機の操縦性を向上させ、後続航空機の安全性を高めることもできます。このような装置は、翼幅を大幅に増やすことなく、翼の有効アスペクト比を高めます。翼幅を長くすると揚力による抗力は低下しますが、寄生抗力が増加し、翼の強度と重量を増やす必要があります。ある時点で、翼幅をさらに増やしても純粋な利点はなくなります。また、許容される翼幅を制限する運用上の考慮事項がある場合もあります（例：空港のゲートで利用可能な幅）。

翼端装置は、翼下の高圧の空気が翼端上部の低圧面に流れ込むことで、航空機の前進運動によって渦が発生するのを防ぐのに役立ちます。また、ウィングレットにより、翼端渦によって引き起こされる揚力誘導抗力が減少し、揚抗比が向上します。これにより、動力航空機の燃料効率が向上し、グライダーのクロスカントリー速度が向上し、どちらの場合も航続距離が長くなります。^[1] 米国空軍の研究によると、燃料効率の改善は、航空機の揚抗比の因果的な増加と直接相関しています。^[2]

最初のコンセプトは、1897年にイギリスのエンジニアであるフレデリック・W・ランチェスターが翼端渦を制御する方法として翼端板の特許を取得した時に遡ります。^[3]米国では、スコットランド生まれのエンジニアであるウィリアム・E・サマービルが1910年に最初の機能的なウィングレットの特許を取得しました。サマービルは、初期の複葉機と単葉機の設計にこの装置を搭載しました。^[4] ヴィンセント・バーネリは、 1930年8月26日に「翼制御手段」で米国特許番号1,774,474を取得しました。^[5]

単純な平らなエンドプレートでは、プロファイル抗力の増加が誘導抗力の減少よりも大きかったため、抗力の減少は起こりませんでした。^[6]

第二次世界大戦の終結後、シグハルト・F・ホーナー博士はこの分野の先駆的な研究者となり、1952年に発表した技術論文^[7]で、翼端渦を翼上部から遠ざけるために、翼端後端を垂下させることを提唱した。垂下翼端は、ホーナー博士に敬意を表して「ホーナー翼端」と呼ばれることが多い。グライダーや軽飛行機は長年ホーナー翼端を使用している。^{[8] [7]}

ジェット機にホーナー式の下向き角度の「翼端装置」を装備した最も古い例は、第二次世界大戦中である。これはいわゆる「リピッシュ・オーレン」（リピッシュの耳）と呼ばれ、メッサーシュミット Me 163の設計者アレクサンダー・リピッシュが考案したとされ、評価のためにハインケル He 162 Aスパッツジェット軽戦闘機の M3 および M4 の 3 番目と 4 番目の試作機に初めて追加された。この追加は、主翼に顕著な上反角があったことによる、元の He 162 の設計に存在したダッチロール特性を打ち消すために行われた。これは、完成した約 320 機の He 162A ジェット戦闘機の標準機能となり、さらに数百機の He 162A 機体がヨーロッパ戦勝記念日までに未完成のままとなった。^[9]

「ウイングレット」という用語は、以前は、固定された着陸装置の車輪間の短いセクションのような、航空機の追加の揚力面を説明するために使用されていました。1970年代のNASAでのリチャード・ウィットコムの研究で、ウィングレットが現代の意味で初めて使用され、翼端のほぼ垂直な延長を指しました。^[10]ウィングレットの上向きの角度（またはカント）、内側または外側の角度（またはトー）、およびそのサイズと形状は、正しいパフォーマンスのために重要であり、各アプリケーションで一意です。 翼の下から回転する翼端渦は、ウィングレットの反り表面に衝突し、内側にわずかに前方に傾く力を生成します。これは、クローズホールドで航行するヨットに似ています。 ウィングレットは、翼端渦で無駄になるはずだったエネルギーの一部を見かけの推力に変換します。この小さな貢献は、その利益がウィングレットの取り付けと維持にかかるコストを相殺するのであれば、航空機の寿命全体にわたって価値のあるものとなる可能性がある。^[要出典]

ウイングレットのもうひとつの潜在的な利点は、後流渦の強さを軽減することです。^[11]これらは飛行機の後ろに引きずり込まれ、他の航空機に危険をもたらします。^[12]空港での航空機の運航間隔の最小要件は、主にこれらの要因によって決まります。航空機は重量によって分類されます(「軽量」、「重量」など)。これは、渦の強さが航空機の揚力係数とともに大きくなるため、低速で重量が大きいときに関連する乱気流が最大になり、迎え角が大きくなります。^[要出典]

ウイングレットと翼端フェンスは、低圧（翼上）と高圧（翼下）の空気の合流点を翼の表面から遠ざけることで、翼端付近の層流への渦の干渉を減らすことで効率も向上させます。 ^[13]翼端渦は、翼端の前縁で発生し、後方と内側に伝播する乱流を作り出します。この乱流は、外側の翼の小さな三角形の部分で気流を「剥離」し、その領域の揚力を破壊します。フェンス/ウイングレットは、渦が形成される領域を翼面から上方に押し上げます。これは、結果として生じる渦の中心がウイングレットの先端にあるためです。^[要出典]

エアバスA340やボーイング747-400などの航空機はウィングレットを使用していますが、ボーイング777の後期型やボーイング747-8などの他の設計では傾斜した翼端を持っています。ウィングレットによる燃費改善は、ミッションの長さに応じて増加します。^[14] ブレンデッドウィングレットにより、より急な迎え角が可能になり、離陸距離が短縮されます。^[15]

NASAのラングレー研究センターのエンジニアであるリチャード・T・ウィットコムは、 1973年の石油危機後の燃料費の急激な上昇に対応して、ホーナーのコンセプトをさらに発展させました。彼は注意深い航空設計により、与えられた曲げモーメントに対して、ほぼ垂直のウィングレットは水平方向の翼幅の延長に比べてより大きな抗力低減を提供することを示しました。^{[16]ウィットコムの設計は、}ドライデン飛行研究センターに拠点を置くKC-135ストラトタンカーを使用して、1979年から1980年にかけてNASAと空軍の合同チームによって飛行テストされました。^[3]ロッキードL-1011とマクドネル・ダグラスDC-10もテストに使用され、後者の設計はマクドネル・ダグラスによって派生型のMD-11に直接実装され、1990年にロールアウトされました。^[3]

1983年5月、メリーランド州ボウイ高校の高校生が、ニューメキシコ州アルバカーキで開催された第34回国際科学技術フェアで、抗力を減らすための翼端装置の研究成果により大賞を受賞した。 ^{[17] [重要性? ]}同月、彼は「翼端翼型」に関する米国特許を申請し、1986年に公開された。^{[18] [重要性? ]}

NASAの翼端装置の最も注目すべき応用例は、ボーイング747 シャトル輸送機である。747の水平安定板に取り付けられたこの装置は、スペースシャトルの重量下で尾翼の効率を高めるが、^[10]これは抗力低減よりも方向安定性を高めるためのものである。^{[関連性あり? ]}

リアジェットは、1977 年の全米ビジネス航空協会の大会でリアジェット 28 のプロトタイプを公開しました。このモデルは、民間用、軍用を問わず、量産機に初めて採用されたウイングレットを採用しました。リアジェットは、NASA の支援なしにウイングレットの設計を開発しました。モデル 28 は、当初はプロトタイプの実験機として設計されていましたが、その性能が優れていたため、リアジェットは量産を決定しました。飛行試験では、ウイングレットによって航続距離が約 6.5 % 増加し、方向安定性が向上しました。リアジェットは、リアジェット 55、31、60、45、リアジェット 40 などの新しいモデルでもウイングレットを量産機に採用し続けました。

ガルフストリーム・エアロスペースは1970年代後半にウイングレットを研究し、ガルフストリームIII、ガルフストリームIV、ガルフストリームVにウイングレットを採用した。ガルフストリームVの航続距離は6,500海里（12,000キロメートル）で、ニューヨーク・東京などの直行便を運航できるほか、70を超える世界および国内飛行記録を保持している。^[3] ルタンのウイングレットと垂直安定板を組み合わせた機体は、 1986年に初飛行したビーチクラフト・スターシップビジネス航空機の設計に採用された。

ウイングレットは他のビジネス機にも採用されており、離陸距離を短縮して小規模な空港から運航したり、巡航高度を上げたりできる。新設計のウイングレットに加え、アフターマーケットベンダーは改造品も開発している。カンザス州ウィチタのWinglet Technology, LLCは、高温高高度離陸時の積載量範囲を増大させる楕円形のウイングレットをCitation Xに改造してテストすべきだった。^[19]

1986年に燃料補給なしで世界一周飛行を行った最初の航空機であるルータンのルタン・ボイジャーには、従来のウイングレットが取り付けられていました。しかし、離陸時に滑走路を引きずって翼端が損傷し、翼端がそれぞれ約1フィート（30cm）切断されたため、飛行はウイングレットの恩恵を受けずに行われました。^[20]

平均的な商用ジェット機では、ウィングレットの使用により燃料効率が4～6％向上し、飛行中の騒音が最大6％減少します。実際の燃料節約量とそれに伴う炭素排出量は、飛行機、ルート、飛行条件によって大きく異なります。^[21]

ウィングチップフェンスとは、ウィットコムの初期の研究で説明されているように、翼端の上下に広がる表面を含むウィングレットのことを指す。^[10]どちらの表面も、同様の空力上の利点を持つウィングレットと同等かそれよりも短い。エアバス A310-300 は、1985年にウィングチップフェンスを備えた最初の旅客機となった。 ^{[22]他のエアバス機種では、} A300-600、A320ceo、A380が続いた。エアバス A320 Enhanced、A320neo、A350、A330neoなどの他のエアバス機種では、ウィングチップフェンスではなくブレンデッドウィングレットを備えている。アントノフ An-148 はウィングチップフェンスを使用している。

ボーイングは1985 年に747の新しいバージョンである 747-400 を発表した。これは航続距離と積載量を拡大したもので、ウィングレットと翼幅の拡大を組み合わせて追加荷重を支えるものであった。ウィングレットにより 747-400 の航続距離は 747-300 より 3.5% 増加した。747-300 は空気力学的には同一だがウィングレットがない。^[1]既存のプラットフォームに基づくボーイングの派生設計では、ウィングレットが好まれる。これは既存のコンポーネントを最大限に再利用できるためである。新しい設計では、可能な限り翼幅の拡大、他の翼端装置、またはその両方の組み合わせが好まれるようになっている。^[要出典]

イリューシンIl-96 は、 1988 年にロシアで初めてウィングレットを搭載した最新ジェット機でした。ボンバルディア CRJ-100 /200 は、1992 年にウィングレットを搭載した最初の地域型航空機でした。A340 / A330は、1993/1994 年に傾斜ウィングレットを搭載しました。ツポレフ Tu-204 は、 1994 年にウィングレットを搭載した最初のナローボディ機でした。エアバス A220 (旧称 C シリーズ) は、2016 年から傾斜ウィングレットを搭載しています。

ブレンデッド ウィングレットは、鋭角ではなく滑らかな曲線で翼に取り付けられ、翼とウィングレットの接合部での干渉抵抗を減らすことを目的としています。この領域での鋭い内角は境界層の流れと相互作用して抗力を引き起こす渦を引き起こし、ウィングレットの利点の一部を打ち消す可能性があります。シアトルを拠点とするAviation Partners は、Gulfstream II、Hawker 800、Falcon 2000の改造としてブレンデッド ウィングレットを開発しています。

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  ボーイング 747-400傾斜ウィングレット
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  エアバス A320シャークレット (ブレンドウィングレット)
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  傾斜翼端を持つボーイング 767-400ER
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  エアバス A310-300翼端フェンス

2000年2月18日、ブレンデッド・ウィングレットがボーイング737-800のオプションとして発表されました。最初の船体セットは2001年2月14日に設置され、2001年5月8日にハパックロイド・フラッグで有償運航を開始しました。 ^[23]アビエーション・パートナーズ/ボーイングの8フィート（2.4メートル）延長部は、長距離飛行での燃料消費を4％削減し、737-800またはその派生型のボーイング・ビジネスジェットの標準装備として、航続距離を130または200海里（240または370キロメートル）延長します。^[1] 737クラシックにも提供されており、多くの運航者が燃料節約のために自社の航空機にこれを後付けしています。^{[要出典]アビエーション・パートナーズ・ボーイングは、} 757および767-300ER向けのブレンデッド・ウィングレットも提供しています。^[24] 2006年にエアバスは、ウィングレットテクノロジーとエアバスがエアバスA320ファミリー向けに設計した2つの候補ブレンデッドウィングレットをテストしました。^{[25] 2009年にエアバスは、} A320ファミリーの積載範囲を拡大し、長距離飛行で燃料消費を最大4％削減するように設計された「シャークレット」ブレンデッドウィングレットを発表しました。 ^[26]これは、航空機1機あたり年間700トンのCO2削減に相当します。_[ ^27]シャークレットを装備したA320は、2012年から納入されました。 ^{[28] [29]シャークレットは、} A320neo、A330neo、A350で使用されています。また、後付けオプションとしても提供されています。^{[29] [30]}

傾斜翼端は翼端が翼の残りの部分よりも大きい翼端スイープを持つもので、ボーイングの民間航空機の一部に搭載され、燃費、離陸性能、上昇性能を向上させている。ウイングレットと同様に、傾斜翼端は有効翼アスペクト比を高め、翼端渦を減らして揚力誘導抗力を減らす。ボーイングとNASAのテストでは、従来のウイングレットの3.5%から4.5%と比較して、傾斜翼端は抗力を最大5.5%削減した。^[1] 翼幅を長くする方が同長のウイングレットよりも効果的だが、曲げモーメントは大きくなる。3フィート（91 cm）のウイングレットは、翼幅2フィート（61 cm）増加分の性能向上をもたらすが、曲げ力は翼幅1フィート（30 cm）増加分となる。^[31]

傾斜翼端は、従来の主翼幅を単純に延長する場合に比べて、いくつかの軽量化の利点がある。高荷重係数の構造設計条件では、翼端のより小さな翼弦にかかる荷重が少なくなり、外側の主翼にかかる誘導荷重が少なくなる。さらに、前縁スイープにより、圧力中心は従来の主翼の翼幅を単純に延長した場合よりも後方に位置する。高荷重係数では、圧力中心のこの相対的な後方位置により、傾斜翼端は前縁が下向きにねじれ、内側の翼にかかる曲げモーメントが減少する。しかし、圧力中心の相対的な後方移動によりフラッターが強調される。^[32]

短距離用ボーイング787-3は、ICAO飛行場参照コードDに適合するために、翼幅が170フィート（51.7メートル）になるはずでした。 ^[33]翼幅は、傾斜した翼端の代わりにブレンデッド・ウィングレットを使用することで短縮されました。

傾斜翼端は、ボーイング 767 -400ER (初飛行 1999 年 10 月 9 日)、ボーイング 777 -200LR/300ER/貨物機 (2003 年 2 月 24 日)、737 派生型のボーイング P-8 ポセイドン(2009 年 4 月 25 日)、ボーイング 787 (2009 年 12 月 15 日)、ボーイング 747-8 (2010 年 2 月 8 日)、およびボーイング 777Xに装備されています。エンブラエルE-jet E2およびC-390 ミレニアムの翼には傾斜翼端があります。

マクドネル・ダグラス MD-11 は、 1990 年にスプリットチップ・ウィングレットを搭載した最初の航空機でした。

737 Next Generationでは、サードパーティベンダーのAviation Partnersが、 737 MAXの翼端装置に似た設計であるスプリットシミターウィングレットを導入しており、^[34]ユナイテッド航空がローンチカスタマーとなっている。[ ^35]

ボーイング737MAXは新しいタイプの翼端装置を採用している。^[36] ウィングレット、翼端フェンス、傾斜翼端の3方向ハイブリッドに似たこの新しい設計により、737MAXですでに期待されている10～12%の燃費向上に加えて、さらに1.5%の燃費向上が実現できるとボーイングは主張している。

1987年、機械技術者の ピーター・マサックは、ペンシルベニア州立大学の航空宇宙工学准教授で空気力学者のマーク・D・モーマーに、翼幅15メートル（49フィート）のレース用グライダーの性能を向上させるウイングレットの設計について相談した。以前にもホイットコムのウイングレットをグライダーに適用しようとした研究者がおり、確かに上昇性能は向上したが、高速巡航時の寄生抗力のペナルティは相殺されなかった。マサックはこのハードルを克服できると確信していた。^[37]試行錯誤の末、彼らは最終的に、モーマーがウイングレットの用途に特化して設計した新しいPSU-90-125翼型を使用して、グライダー競技用の成功したウイングレット設計を開発した。 1991年にテキサス州ユバルデで開催された世界グライダー選手権では、最高速度のトロフィーは、翼幅無制限のオープンクラスの最高速度を上回る、ウィングレットを装備した15メートルクラスの翼幅制限付きグライダーに贈られ、例外的な結果となった。^{[38]マサックは、プロトタイプの}マサックシミターにウィングレットを使用して、1993年の全米15メートルグライダー競技会で優勝した。^[39]

マサックのウイングレットはもともと量産グライダーに後付けされたが、導入から10年以内に、ほとんどの高性能グライダーに工場でウイングレットまたはその他の翼端装置が装備されるようになった。^[40]ウイングレットが量産型旅客機に初めて搭載されるまでに10年以上かかり、NASAの開発の焦点となった最初の用途となった。しかし、競技でウイングレットの利点が証明されると、グライダーへの採用は急速に進んだ。ソアリング競技の優勝者と次点者のポイント差は1%未満であることが多いため、効率が少しでも向上すれば競争上の大きな優位性となる。競技に参加しないパイロットの多くは、ロールレートやロールオーソリティの向上、翼端失速の傾向の減少など操縦性の向上を求めてウイングレットを装着した。グライダーをトレーラーに収納できるようにするためにグライダーのウイングレットは取り外し可能でなければならないため、その利点は注目に値する。そのため、通常はパイロットの好みに応じてのみ装着される。^[要出典]

グライダーの派生型である初期の設計であるグレイザー・ダークス DG-303 は、工場標準装備としてウイングレットを組み込んでいます。

アビエーション・パートナーズは2010年にファルコン50に閉表面のスピロイド・ウィングレットを開発し、飛行試験を行った。^[41]

非平面翼端は通常、多面体翼構成で上向きに角度が付けられ、翼端近くの局所的な上反り角が大きくなり、多面体翼設計自体は何十年もの間、自由飛行模型飛行機の設計で人気がありました。非平面翼端は、慎重に設計すれば、寄生抗力のペナルティが少なく、ウイングレットの伴流制御の利点を提供します。非平面翼端は、傾斜翼端のように後退していることが多く、ウイングレットと組み合わせることもできます。ウイングレットも非平面翼端の特殊なケースです。^[要出典]

航空機設計者は、第二次世界大戦後、ウイングレットが導入される前は、主に単純な上反角を持つ平面翼設計を採用していました。1990 年代に新しいグライダー設計でウイングレットが広く受け入れられると、設計者は翼端設計の空力性能をさらに最適化しようとしました。グライダーのウイングレットは、もともと平面翼に直接後付けされ、ほぼ直角の小さな遷移領域のみがありました。ウイングレット自体の性能が最適化されると、翼とウイングレットの間の遷移に注意が向けられました。一般的な適用方法は、翼端弦からウイングレット弦までの遷移領域を先細りにし、遷移領域を後方に傾斜させて、ウイングレットを最適な位置に配置することでした。先細り部分を上方に傾斜させれば、ウイングレットの高さも低くできました。最終的に、設計者は複数の非平面セクションを採用し、それぞれがより大きな角度で上方に傾斜し、ウイングレットを完全に廃止しました。^[要出典]

Schempp -Hirth Discus-2およびSchempp-Hirth Duo Discus は、非平面の翼端を使用します。

航空宇宙構造エンジニアのニコラス・グイダが2010年に設立したタマラック・エアロスペース・グループは、翼端装置の改良版であるアクティブ技術荷重軽減システム（ATLAS）の特許を取得している。^[42]このシステムは、タマラック・アクティブ・キャンバー・サーフェス（TACS）を使用して、航空機が大きな突風や激しい急上昇などの高Gイベントを経験しているときに、翼端装置の効果を空気力学的に「オフ」にする。TACSは、フラップやエルロンに似た可動パネルで、翼延長部の後縁にある。^{[42] [43]}このシステムは、航空機の電気システムと、航空機が迫り来るストレスイベントを感知すると作動する高速サーボによって制御され、基本的に作動翼端をシミュレートする。ただし、翼端自体は固定されており、TACSが翼端システムで唯一の可動部分である。タマラックは、セスナ・サイテーションファミリーの航空機に初めてATLASを導入し、^{[42] [43]}連邦航空局と欧州連合航空安全局によって使用が認定されています。^{[44] [45]}

翼端装置の作動に関する研究は特許出願を含むが^[46] 、現在この機能を使用している航空機はない。XB -70ヴァルキリーの翼端は飛行中に下方に垂れ下がることが可能で、波乗りを利用したマッハ3飛行を可能にした。

翼端装置は回転プロペラ、ヘリコプターのローター、風力タービンのブレードにも使用され、抗力の低減、直径の縮小、騒音の低減、効率の向上を図る。これらの装置は、地上走行、離陸、ホバリング中に航空機のブレード先端の渦が地表と相互作用するのを軽減し、渦に巻き込まれた土や小石による損傷を軽減することができる。^[47]

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  特徴的なブレード先端形状を持つBERP ローターを備えたAgustaWestland AW101 Merlin
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  C-130J スーパー ハーキュリーズ、先端が傾斜したシミター プロペラを装備
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  風力タービンのローターブレードの翼端装置の詳細図
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  ウィングチップデバイス付き天井ファン

アグスタウェストランドAW101（旧EH101）のメインローターブレードは特徴的な先端形状をしており、パイロットはこのローター設計によりダウンウォッシュフィールドが変化し、ほこりの多い地域での視界を制限し事故につながるブラウンアウトが減少することを発見しました。^[48]

ハーツェル・プロペラ社は、パイパーPA-42シャイアンやその他数種類の固定翼航空機に使用されている「Qチップ」プロペラを開発しました。これは、ブレードの先端を90度の角度で折り曲げることで、小径のプロペラディスクから同じ推力を得るもので、製造元によれば、プロペラの先端速度が遅くなると騒音が減少するそうです。^[47]現代のシミタープロペラは、先端の後退角が大きくなっており、航空機の翼の傾斜した先端に似ています。

一部の天井ファンには翼端装置が付いています。ファン製造業者のビッグ・アス・ファンは、翼端装置を装備した自社のアイシス・ファンは優れた効率性があると主張しています。^[49]しかし、特定の高容量、低速設計では、翼端装置では効率が向上しない場合があります。^{[50]同じ原理の別の応用は}、ベン・レクセンが設計し、1982年に 「アメリカズカップ」で優勝したオーストラリアのヨット、オーストラリア IIのキールに導入されました。

ウィキメディア・コモンズには、翼端装置 (航空機の翼)に関連するメディアがあります。

• Peter Masak (1991)。「グライダーのウィングレット設計」
• Martin Hepperle (1993 年 5 月)。「ウィングレットの詳細」。オスナブリュック MFC 国際ニュルフリューゲル会議。
• 「ウィングレットの利点」 。Flight International。1996年 5 月 1 日。ウィングレットは、ボーイング 747-200F に運用上の利点をもたらす可能性があります。
• 「新しいボーイング 777-300ER はテクノロジーを満載」(プレス リリース)。ボーイング。2003 年 10 月 16 日。
• Joe Yoon (2003 年 11 月 2 日)。「Boeing 767 の傾斜した翼端」。Aerospaceweb.org。
• 「ウィングレット: 存在感を増す」(PDF)。Aircraft Technology Engineering & Maintenance。2004 年 4 月～5 月。
• Doug McLean (2005)。「翼端装置: その機能と仕組み」(PDF)。パフォーマンスおよびフライトオペレーションエンジニアリングカンファレンス。ボーイング。
• 「ウィングレットと性能向上キットの利点」(PDF)。Aircraft Commerce。第 109 号。2016 年 12 月 – 2017 年 1 月。