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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、それぞれ異なる方法で機能しますが、その目的は常に航空機の抗力を低減することです。このような装置は、翼幅を大きく増やすことなく、揚力システムの高さを上げることで抗力を低減します。翼幅を伸ばすと揚力による抗力は減少しますが、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。ある時点を超えると、翼幅をさらに増やしても正味のメリットはなくなります。また、許容翼幅を制限する運用上の考慮事項（例：空港ゲートの利用可能な幅）がある場合もあります。
従来の翼が揚力を発生させる際、揚力誘導抗力も発生します。翼の下側の高圧空気は、翼端の翼上側の低圧面に流れ込み、その結果、航空機の前進運動によって渦が発生します。トレフツ平面理論によれば、揚力システムの高さを上げると誘導抗力は減少します。垂直尾翼やウィングレットは、航空機の中心から外れた翼のどこに配置しても誘導抗力を低減しますが、翼端に配置すると最も効果的です。[ 2 ]
翼端装置は抗力を低減することで、燃料効率と航空機の航続距離を向上させます。航空機の性能が向上し、上昇性能の向上により離陸滑走路長が短縮され、巡航高度と巡航速度が上昇します。離陸時の騒音も低減されます。[ 2 ]グライダーでは、誘導抗力の低減によりクロスカントリー速度が向上し、航続距離が再び増加します。[ 1 ]翼端装置は、翼端渦の強度を低減することで、後続機の安全性を高めることもできます。
米空軍の研究によると、燃料効率の改善は、航空機の揚抗比の増加と直接的に相関していることが示されている。[ 3 ]
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費が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二酸化炭素排出量は、機体、ルート、飛行条件によって大きく異なります。[ 4 ]
当初のコンセプトは1897年に遡り、イギリスのエンジニア、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。[ 5 ]米国では、スコットランド生まれのエンジニア、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取り付けた。[ 6 ]ヴィンセント・バーネリは1930年8月26日に「翼型制御手段」で米国特許第1,774,474号を取得した。[ 7 ]
単純な平らな端板では抗力の減少は起こらなかった。なぜなら、形状抗力の増加が誘導抗力の減少よりも大きかったからである。[ 2 ]
第二次世界大戦終結後、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であり、1952年に発表された技術論文[ 8 ]の中で、翼端を下げ、その先端を尖らせることで、翼端渦を上翼面から遠ざけることを提唱した。翼端を下げることは、彼の功績を称えて「ホーナー・チップ」と呼ばれることが多い。グライダーや軽飛行機は、長年にわたりホーナー・チップを利用してきた。[ 9 ] [ 8 ]
ジェット機にホーナー式の下向きに傾斜した「翼端装置」が最初に実装されたのは第二次世界大戦中である。これは、メッサーシュミット Me 163の設計者アレクサンダー・リッピッシュに帰属するとされる、いわゆるリッピッシュ耳であり、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、翼に顕著な上反角があることに起因する、オリジナルの He 162 設計に存在する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VE デーまでに未完成のまま残された。[ 10 ]
「ウィングレット」という用語は、以前は固定式着陸装置の車輪間の短い部分など、航空機の追加の揚力面を表すために使用されていました。1970年代にNASAのリチャード・ウィットコムが行った研究で、翼端のほぼ垂直方向の延長を指す現代的な意味で初めてウィングレットが使用されました。[ 11 ]
ウィングレットのもう 1 つの潜在的な利点は、後流渦の強度を低減することです。[ 12 ]後流渦は飛行機の後ろに発生し、大型機の後に離陸 (または着陸) する小型機など、後続の航空機に危険をもたらします。[ 13 ]空港での航空機の運航間の最小間隔要件は、主にこれらの要因によって決定されます。航空機は重量(「軽量」、「重量」など) によって分類されます。これは、渦の強度が航空機の揚力係数とともに増加し、それに伴い乱流が低速かつ高重量で最大となり、迎角が大きくなるためです。
ウィングレットとウィングチップフェンスは、低圧（翼上）と高圧（翼下）の空気の合流点を翼の表面から「移動」させることで、翼端付近の層流に対する渦の干渉を低減し、効率を向上させます。 [ 14 ]翼端渦は、翼端の前縁で発生し、後方および内側に伝播する乱流を生成します。この乱流は、外側翼の小さな三角形のセクション上の気流を「剥離」させ、その領域の揚力を破壊します。フェンス/ウィングレットは、結果として生じる渦の中心がウィングレットの先端にあるため、渦が形成される領域を翼の表面から上方に押し上げます。
ウィングレットによる燃費向上は、ミッションの長さに応じて増加する。[ 15 ] ブレンデッドウィングレットはより急な迎角を可能にし、離陸距離を短縮する。[ 16 ]
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価格の急激な上昇に対応して、ホーナーの概念をさらに発展させた。彼は綿密な航空設計により、一定の曲げモーメントに対して、ほぼ垂直なウィングレットは水平スパン延長よりも大きな抗力低減効果をもたらすことを示した。[ 17 ]ウィットコムは、プロファイル抗力を最小限に抑えるための綿密な設計によって、抗力低減の正味のメリットを実現した最初の人物である。[ 2 ]
ウィットコムの設計は、1979年から1980年にかけて、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、NASAと空軍の合同チームによって飛行試験が行われた。[ 5 ]ロッキードL-1011とマクドネル・ダグラスDC-10も試験に使用され、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た。[ 5 ]
1983年5月、メリーランド州の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、抗力低減のための翼端装置に関する研究成果によりグランプリを受賞した。 [ 18 ]同月、彼は「翼端翼型」に関する米国特許を出願し、1986年に公開された。[ 19 ]
リアジェットは、1977年の全米ビジネス航空協会大会で、リアジェット28の試作機を展示した。この機体は、民間機、軍用機を問わず、量産機に初めてウィングレットを採用した。リアジェットは、NASAの支援なしにウィングレットの設計を開発した。モデル28は試作実験機として開発されたが、その性能が優れていたため、リアジェットは量産化を決定した。飛行試験の結果、ウィングレットによって航続距離が約6.5%増加し、方向安定性も向上することが示された。リアジェットは、リアジェット55、31、60、45、リアジェット40などの新型機にもウィングレットを量産機に採用し続けた。
ガルフストリーム・エアロスペースは1970年代後半にウィ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にウィ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（12,000km ）で、ニューヨーク-東京などのノンストップ路線が可能であり、70以上の世界および国内飛行記録を保持している。[ 5 ]バート・ルータンはウィングレットと垂直尾翼を組み合わせ、1986年に初飛行した彼のビーチクラフト・スターシップ・ビジネス機の設計 に採用した。
ウィングレットは他のビジネス航空機にも適用され、離陸距離を短縮して小型空港からの運用を可能にし、より高い巡航高度を可能にします。新しい設計のウィングレットに加えて、アフターマーケットのベンダーはレトロフィットを開発しました。カンザス州ウィチタのウィングレットテクノロジー社は、高温高地からの離陸時のペイロード航続距離を伸ばすように設計された楕円形のウィングレットをテストし、サイテーションXにレトロフィットしたはずです。[ 20 ]
1986年に給油なしで世界一周飛行を成し遂げた最初の航空機であるルータンのルータン・ボイジャーには、従来型のウィングレットが装着されていた。しかし、離陸時に滑走路に引きずられた際に翼端が損傷し、各翼端から約30cmが 失われたため、ウィングレットの恩恵を受けずに飛行することになった。[ 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、ウィングチップの上と下に伸びる表面を含むウィングレットを指します。[ 11 ]両方の表面は、同様の空力上の利点を持つウィングレットよりも短いか、同等です。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でした。[ 22 ]他のエアバスモデルは、A300-600、A320ceo、およびA380で続きました。エアバスA320 Enhanced、A320neo、A350 、およびA330neoを含む他のエアバスモデルは、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ます。アントノフAn-158はウィングチップフェンスを使用しています。
ボーイングは1985年に、航続距離と積載量を拡大した747の新バージョン、747-400を発表した。これは、ウィングレットと翼幅の拡大を組み合わせて追加の積載量を支えることで実現した。ウィングレットにより、747-400の航続距離は、それ以外は空力的に同一だがウィングレットのない747-300よりも3.5%増加した。747-400D型には、他の747-400に搭載されている翼端延長部とウィングレットがない。これは、ウィングレットは短距離路線では最小限のメリットしかなく、重量とコストが増加するためである。ただし、必要に応じて-400Dを長距離バージョンに改造することも可能。[ 1 ]ウィングレットは、既存のプラットフォームに基づくボーイング派生設計で好まれる。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。
イリューシンIl-96 は、 1988 年にウイングレットを装備した最初のロシア製近代ジェット機でした。ボンバルディア CRJ-100 /200 は、1992 年にウイングレットを装備した最初のリージョナルジェット機でした。A340 / A330は、1993 年/1994 年に傾斜ウイングレットを装備して続きました。ツポレフTu-204 は、 1994 年にウイングレットを装備した最初のナローボディ機でした。エアバス A220 (旧 C シリーズ) は、2016 年以降、傾斜ウイングレットを装備しています。
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における干渉抗力を低減することを目的としています。この部分の鋭角な内角は、境界層の流れと相互作用して抗力を発生させる渦を生じさせ、ウィングレットの利点の一部を打ち消してしまう可能性があります。シアトルを拠点とするアビエーション・パートナーズ社は、ガルフストリームII、ホーカー800、ファルコン2000の改修用としてブレンデッドウィングレットを開発しています。
2000年2月18日、ブレン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。最初の機体は2001年2月14日に取り付けられ、2001年5月8日にハパックロイド・フルークで商業運航を開始しました。 [ 23 ] Aviation Partners/Boeingの8フィート（2.4m ）延長により、737-800またはその派生型ボーイング・ビジネス・ジェットの長距離飛行時の燃料消費量が4%削減され、航続距離が130または200海里（240または370km ）増加します。[ 1 ]また、737クラシックにも提供されており、多くの運航会社が燃料節約のために自社の機材にこれらを後付けしています。Aviation Partners Boeingは、757と767-300ERにもブレンドウィングレットを提供しています。[ 24 ] 2006年、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た。[ 25 ] 2009年、エアバスはA320ファミリーのペイロード航続距離を向上させ、長距離区間での燃料消費量を最大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削減に相当する。[ 27 ]シャークレットを装備したA320は2012年から納入が開始された。[ 28 ] [ 29 ]これらはA320neo、A330neo、A350で使用されている。また、後付けオプションとしても提供されている。[ 29 ] [ 30 ]
翼端が翼の他の部分よりも後退角が大きいレーキドウィングチップは、燃料効率、離陸および上昇性能を向上させるために、ボーイング商用航空機およびエンブラエル航空機の一部に採用されています。ウィングレットと同様に、有効翼アスペクト比を増加させ、翼端渦を減少させ、揚力誘起抗力を低減します。ボーイングとNASAによるテストでは、従来のウィングレットの3.5%から4.5%と比較して、最大5.5%の抗力低減が実現しました。[ 1 ] スパンの増加は同じ長さのウィングレットよりも効果的ですが、曲げモーメントは大きくなります。3フィート（91cm ）のウィングレットは、 2フィート（61cm ）のスパン増加と同等の性能向上をもたらしますが、 1フィート（30cm）のスパン増加と同等の曲げ力が発生します。[ 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ります。高荷重係数構造設計条件では、翼端の短い翼弦にかかる荷重が少なくなり、その結果、外側主翼にかかる誘導荷重が減少します。さらに、前縁後退角により、圧力中心は従来の主翼幅を単純に延長した場合よりも後方に位置します。高荷重係数では、この圧力中心の相対的な後方位置により、傾斜翼端は前縁がより下方にねじれ、内側翼の曲げモーメントが減少します。ただし、圧力中心の相対的な後方移動はフラッターを強調します。[ 32 ]
レーキドウィングチップは、ボーイング767-400ER（1999年10月9日初飛行）、ボーイング777の-200LR/-300ER/F型（1994年6月12日）（次期777Xを含む） 、737をベースとしたボーイングP-8ポセイドン（2009年4月25日）、ボーイング787の全型（2009年12月15日）（キャンセルされたボーイング787-3は、レーキドウィングチップ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翼幅が縮小され、 ICAO飛行場参照コードDに適合する170フィート（51.7メートル）の翼幅になっていた[ 33 ]）、およびボーイング747-8（2010年2月8日）に搭載されています。エンブラエルE-ジェットE2とC-390ミレニアムの翼も、傾斜した翼端を備えている。
マクドネル・ダグラスMD-11は、 1990年に初めて分割式ウィングレットを採用した航空機だった。
737 Next Generation向けに、サードパーティベンダーのAviation Partnersは、737 MAXの翼端デバイスと同様の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[ 34 ] 、ユナイテッド航空がローンチカスタマーとなった[ 35 ] 。
ボーイング737 MAXは、先進技術ウィングレットと呼ばれる新しいタイプのウィングチップ装置を採用しています。[ 36 ] ウィングレット、ウィングチップフェンス、レーキドウィングチップの3つのハイブリッドに似たこの新しい設計により、ボーイングは、737 MAX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％の燃費向上を実現できると主張しています。
1987年、機械技師のピーター・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ためのウィ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ィングレットをグライダーに適用しようとした人がおり、上昇性能は向上したが、高速巡航時の抗力増加によるペナルティを相殺することはできなかった。マサックはこの障害を克服できると確信していた。[ 37 ]試行錯誤の結果、モーマーがウィングレット用途のために特別に設計した新しいPSU-90-125翼型を使用して、グライダー競技用のウィングレット設計を最終的に開発した。 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、翼幅制限のある15メートルクラスのウィングレット付きグライダーに贈られ、無制限翼幅のオープンクラスの最高速度を上回り、並外れた結果となった。[ 38 ]マサックはその後、試作機のMasak Scimitar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選手権で優勝した。[ 39 ]
マサックのウィングレットは元々量産グライダーに後付けされたものだったが、導入から10年以内に、ほとんどの高性能グライダーは工場出荷時からウィングレットやその他の翼端装置を装備するようになった。[ 40 ]ウィングレットが初めて量産旅客機に搭載されるまでには10年以上かかったが、これはNASAの開発の焦点となった最初の用途だった。しかし、ウィングレットの利点が競技で証明されると、グライダーへの採用は急速に進んだ。滑空競技の優勝者と準優勝者のポイント差は1パーセント未満であることが多いため、効率のわずかな改善でも大きな競争上の優位性となる。多くの非競技パイロットは、ロールレートとロール制御の向上、翼端失速傾向の低減などの操縦性向上のためにウィングレットを取り付けた。グライダーをトレーラーに保管できるようにグライダーのウィングレットは取り外し可能でなければならないため、通常はパイロットの好みでのみ取り付けられることから、その利点は注目に値する。
グレイザー・ダークスDG-303は、初期のグライダー派生型設計であり、工場出荷時の標準装備としてウィングレットが採用されている。
Aviation Partnersは2010年にファルコン50に閉じた表面のスパイ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ており、翼端付近の局所的な上反角が大きくなっています。多面体翼設計自体は、数十年にわたりフリーフライト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、ウィングレットと同様のウェイクコントロール効果を、より少ない抗力で実現します。非平面翼端は、レーキ翼端のように後退角が付けられていることが多く、ウィングレットと組み合わせることもできます。ウィングレットもまた、非平面翼端の特殊なケースです。
第二次世界大戦後、ウィングレットが導入されるまでは、航空機設計者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ィングレットが広く受け入れられるようになるにつれ、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。グライダーのウィングレットは当初、平面翼に直接後付けされ、遷移領域は小さく、ほぼ直角でした。ウィングレット自体の性能が最適化されると、翼とウィングレットの間の遷移部に注目が集まりました。一般的な方法は、翼端弦からウィングレット弦までの遷移領域をテーパー状にし、遷移領域を後方に傾斜させて、ウィングレットを最適な位置に配置することでした。テーパー部分を上方に傾けると、ウィングレットの高さも低くすることができました。最終的に、設計者は複数の非平面セクションを採用し、それぞれをより大きな角度で上方に傾けることで、ウィングレットを完全に廃止しました。
Schempp -Hirth Discus-2およびSchempp-Hirth Duo Discus は、非平面の翼端を使用します。
2010年に航空宇宙構造エンジニアのニコラス・グイダによって設立されたタマラック・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・テクノロジー・ロード・アリービエーション・システム（ATLAS）の特許を取得しました。[ 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引き上げなどの高Gイベントを経験しているときに、翼端装置の効果を空力的に「オフ」にします。TACSは、翼延長部の後縁にある、フラップやエルロンに似た可動パネルです。 [ 42 ] [ 43 ]このシステムは、航空機の電気システムと高速サーボによって制御され、航空機が迫りくる応力イベントを感知すると作動し、実質的に作動翼端をシミュレートします。ただし、翼端自体は固定されており、TACSが翼端システムの唯一の可動部分です。タマラックは最初にセスナ・サイテーション・ファミリー航空機向けにATLASを導入し、[ 42 ] [ 43 ]連邦航空局と欧州連合航空安全機関によって使用が認証されました。[ 44 ] [ 45 ]
翼端装置の作動に関する研究は行われており、特許出願も提出されているが[ 46 ] 、現在、説明されているような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、ウェイブライディングを使用してマッハ3飛行を容易にするために、飛行中に下方に垂れ下がることができた。
翼端装置は、回転するプロペラ、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、および/または効率の向上に役立ちます。これらの装置は、地上走行、離陸、ホバリング中に地面と相互作用する航空機のブレード先端渦を低減することで、渦に巻き込まれた土や小石による損傷を軽減できます。[ 47 ]
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、砂塵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の固定翼航空機で使用されている「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度の角度で後ろに曲げることで、直径の小さいプロペラディスクから同じ推力を得るようにしたものです。メーカーによると、プロペラ先端の回転速度が遅くなることで騒音も低減されるとのことです。[ 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。
天井扇風機の中には、羽根の先端に装置が付いているものもあります。扇風機メーカーのBig Ass Fansは、羽根の先端装置を装備したIsis扇風機は効率が優れていると主張しています。[ 49 ]しかし、特定の大風量・低速設計の場合、羽根の先端装置によって効率が向上しない可能性があります。[ 50 ]
{{cite magazine}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク){{cite book}}:|work=無視されました (ヘルプ){{citation}}: CS1 maint: bot: 元の URL の状態が不明です (リンク){{cite web}}: CS1 maint: bot: 元の URL の状態が不明です (リンク){{cite web}}: CS1 maint: bot: 元の URL の状態が不明です (リンク)的な改善には、直径の縮小と先端速度の低下が含まれます。これにより、動作が静かになり、先端渦が減少します。 90° の曲がりにより、従来のブレードでブレードに接触して切り傷、えぐれ、擦り傷の原因となるゴミを拾い上げる渦が減少します。
{{cite web}}: CS1 maint: bot: 元の URL の状態が不明です (リンク)これに対抗するため、EH101 の「翼端」ローター ブレードは、パイロットが「ドーナツ効果」と呼ぶものを作り出します。これは、砂嵐の中に円形の澄んだ空気の窓を作り、着陸時に地面を見ることができるようにします。