トットさんの航空力学教室

1.地面効果 ( Ground Effect )

 (1)地面に極めて近い高度を飛行する場合は通常の飛行高度を飛ぶときと違った特性を示す 

   これを地面効果グラウンド・イフェクト(Ground Effect)といい、具体的には下記の三つがある

    (ア)操縦桿を引いて姿勢を保とうとすると、なかなか接地しない現象  

       → バルーニング(Ballooning)・・・風船がふわふわと漂うのと同じ現象

    (イ)離陸時に浮揚はしたものの、なかなか高度をとれない現象

    (ウ)着陸時に地面に近づくにつれ、次第に機首が重くなる現象
                                

 (2)地面効果が生ずる理由

    (ア)地表に近くなると吹き下ろし角が急に小さくなり、主翼の縦横比が大きく
       なったことと同じ効果が表れる(図2-12参照) そのため・・・に

      (@)誘導抗力が減少する

      (A)揚力係数が増大(図3-3参照)

 

              

  


     
  → 直感的には〔エアクッション効果〕として捉えることが出来る

         2枚の主翼の間に挟まれた空気により、翼端渦が小さくなり誘導抵抗が減少
         すると共に、圧力が高くなって揚力が増加する!

           

                     

 


    (イ)吹き下ろし角の減少による尾翼の下向きの空気力の減少による機首下げモーメント増大

           

       このため・・・着陸時に地面に近づくにつれ、昇降舵の効きが低下するために次第に機首が重くなる

      

  (3)地面効果は機体の形状や飛行状態によって変わる

    (@)翼の縦横比が小さいときほど吹き下ろし角が大きいので地面の影響を受けやすい

     ( トットさんが聞くところによると・・・F-86F F-15なんかでは、勝手に沈みが止るので
                    軽飛行機的な 『引き起こし操作』をあまり意識しなくても良い・・・らしい)

                            

    (A) 高翼機よりも低翼機の方が強い影響を受ける

       ・トットさんの経験ではセスナ172よりもパイパーPA28のほうがエア・クッション的な感覚が強い

         ← チェロキーだと、あと1〜2フィートで接地すると思うときに沈みが止り、ツツーと着地が延びて、
            なかなか接地しない感覚がある     セスナだとこのあたりはコントローラブル

         

 

    (B) 低速時ほど吹き下ろし角が大きく、特に、フラップを着陸位置に下げたときは最もその影響が大きくなる

    (C) 昇降舵の効きの低下については『T型尾翼機』では『通常型尾翼機』よりも、この影響は小

     ↓尾翼面積を小さくしても引き起こしできるように高い位置に移したしたのがチェロキー・アローの新型T型尾翼 

 

  
  
  ↑新明和の飛行艇もT尾翼・・・これも地面効果を利用し、超短距離離水を実現させた一種の地面効果機ですね



2.そもそも揚力(Lift)って何?


(1)空を飛ぶには

 ・そもそも、空を飛ぶには三つの要素が要ります。

 (@)まずは空気に浮かなければならない。このために必要な力が『揚力』であり、これが『重力』と釣り合う。
      
 (A)思った方向に素早く動き、そこで安全に停止できること。このために必要な力が『推(進)力』であり、
    『抗力』と釣り合う。

               

 以上2つが『力のつり合い』というものですが、判りにくいものに『モーメントのつり合い』というのがあります。
 つまり回転運動関連ですな。具体的には・・・・

 (B)浮いても、風船のように風まかせにふらふらしているのでは駄目。
   姿勢が思ったようにとれ、かつ安定してくれないと困るわけで・・・・・・この性質を専門用語では『操縦性・安定性』
   と言ってます。


 
・・・で、まず揚力 Lift について考えましょう。浮かなければ話が始まりませんからね。
                                

(2)揚力が生ずる理由

 (ア)空気は水と比べて軽い(おおよそ1リットル1.3gだから
水の1/800)けれども、軽いなりにもこれを『押し下げる』
    ことで反力が生じます。団扇(うちわ)を強くあおって風を起こした時の、あの時の手応えを思い出してください。

    凧揚げを思い出してもらっても良いです。 ←『作用・反作用の法則』として皆様よくご存知の現象ですね。

 (イ)この反力は一見小さいが、台風時ともなると風の力が無視できないことは幼児でも知っているとおりです。
    ここで、ちょっと簡単な計算をしてみましょう。

   この
反力は空気の速度Vの二乗に比例するので、もし速度が水の場合の30倍だったら
   30×30=900倍≧800・・・だから、空気は水のように反力を作りだすことになりますね。
    
    (ちなみに・・・速度の二乗以外に、もうひとつ〔正〕比例するのが面積Sです)


   小川の流れの中に平手を入れて、これを傾けると、流れに直角方向に力を受けることは容易に想像できるでしょう
   が、上記から小川の流れが4Kt=2m/sの場合と、120kt=60m/sでの空気の流れが掌に作り出す力はほぼ
   同じです。

   風速60mということは伊勢湾台風なみの威力です。

  ごく簡単に言うと、風速4m/sで1m四方の板に1kg
の力がかかると思ってください。

   60÷4=15倍の速度ですから、その二乗;
15×15=225kgの力が1m四方の板にかかる・・・という
   訳です。

   1m四方ではなくて2m×50cmでもいいのですが、もしこんな翼があったら200kgの重さを持ち上げることが(スカ
   スカの空気でも)出来る・・・ということです。どうです・・・空を飛べるような気がしてきましたか?

   実は・・・たかが2m/sとはいえ、水の中では、ヒトは簡単に流されてしまいます。
   ちなみに・・・200m自由形の世界記録がおおよそ2m/s(200m÷1分40秒)ですから、オリンピックチャンピオン
   でもぎりぎりおぼれないスピード・・・考えてみると軽飛行機の巡航速度並の圧力を受けて水泳選手は泳いでいるん
   ですねぇ!! 凄いパワーですね!



    もちろん、スーパーマンのように(翼を持たずに)空を飛ぶにはもっと速度が必要でありまして・・・・
   水面を滑走する水上スキーの場合でも時速10kmくらいは浮くのに要るから5ノット=2.5m/s・・・30倍して
   150ノット=250km/h(75m/s)位でスキー2本サイズの翼を有している『空飛ぶ人間』が実現することに
   なります。

                 

    もっとスピードを上げると、水上スキーのスキーを外して、踵(かかと)だけで水面を滑走することすら可能です。
    でも、空気相手でこれが出来るのは、多分超音速機だけですね。60km/hの30倍=1800km/hですから。

                 

     参考文献   (1)日本航空技術協会 航空力学    (2)航空情報別冊 軽飛行機の操縦 入門編

 

                       - 3.プロペラ効果 に続く -

 

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