飛行機 、 とも呼ばれている 飛行機 または 飛行機 、空気よりも重く、スクリュープロペラまたは高速ジェットによって推進され、 動的 その翼に対する空気の反応。飛行機の開発と民間航空の出現の説明のために 見る 飛行の歴史。
ニュージーランド航空限定エアニュージーランドボーイング747-400。エイドリアン・ピンストーン
飛行機の重要なコンポーネントは、飛行中に飛行機を維持するための翼システム、翼を安定させるための尾翼、飛行中の飛行機の姿勢を制御するための可動面、および車両を通過させるために必要な推力を提供するための発電所です。空気。飛行機が地上で静止しているとき、および離陸と着陸の際に飛行機を支えるための準備をする必要があります。ほとんどの飛行機は、乗組員、乗客、および貨物を収容するための密閉された本体(胴体)を備えています。コックピットは、パイロットが飛行機を操縦するためのコントロールと計器を操作する領域です。
翼の構造と空気分子が飛行機を空中に保つのにどのように役立つかを学びます飛行機が上空にとどまる方法を学びます。 MinutePhysics(ブリタニカ出版パートナー) この記事のすべてのビデオを見る
まっすぐで水平な加速されていない飛行中の航空機には、4つの力が作用しています。 (旋回、潜水、または上昇飛行では、追加の力が作用します。)これらの力は揚力であり、上向きに作用する力です。抗力、持ち上げる抵抗と 摩擦 空中を移動する航空機の重量、重力が航空機に与える下向きの影響。推力、推進システムによって提供される前向きの力(または、動力のない航空機の場合は、重力を使用して高度を速度に変換することによって)。抗力と重量は要素です 固有 航空機を含むあらゆるオブジェクト。揚力と推力は、航空機が飛行できるように考案された人工的に作成された要素です。
揚力を理解するには、まず翼型を理解する必要があります。翼型は、移動する空気からその表面で反応を得るために設計された構造です。初期の翼型は、通常、わずかに湾曲した上面と平らな下面しかありませんでした。長年にわたり、翼型は変化するニーズを満たすように適合されてきました。 1920年代までに、翼型は通常、上面が丸くなり、翼弦の最初の3分の1(幅)で最大の高さに達しました。やがて、上面と下面の両方が多かれ少なかれ湾曲し、翼の最も厚い部分が徐々に後方に移動しました。対気速度が増加するにつれて、表面上を非常にスムーズに空気が通過する必要がありました。これは、層流翼で達成されました。この翼型では、キャンバーが現在の慣行よりもはるかに後方にあります。超音速航空機は、翼の形状をさらに大幅に変更する必要があり、以前は翼に関連していた丸みを失い、二重くさび形をしたものもありました。
空中で前進することにより、翼の翼は、その表面を通過する空気からの飛行に役立つ反応を取得します。 (飛行中、翼の翼型は通常最大量の揚力を生成しますが、プロペラ、尾翼、および胴体は翼型としても機能し、さまざまな量の揚力を生成します。)18世紀に、スイスの数学者ダニエル・ベルヌーイは、翼の特定のポイントで空気の速度が増加すると、空気の圧力が低下します。翼の翼の湾曲した上面を流れる空気は、下面を流れる空気よりも速く移動し、上部の圧力を低下させます。下からのより高い圧力は、翼をより低い圧力領域まで押し上げます(持ち上げます)。同時に、翼の下側に沿って流れる空気は下向きに偏向され、ニュートン式の等しく反対の反作用を提供し、総揚力に寄与します。
ベルが鳴る作者
翼が生成する揚力は、迎え角、つまり風に対する角度の影響も受けます。揚力と迎え角の両方は、大雑把に言えば、移動中の自動車の窓から手をかざすことで、すぐに実証できます。手を風に対して平らにすると、手の後ろに乱流領域があるため、抵抗が大きくなり、揚力がほとんど発生しません。揚力対抗力の比率は低いです。手を風と平行に保持すると、抗力がはるかに少なくなり、適度な揚力が発生し、乱気流が滑らかになり、揚力と抗力の比率が向上します。ただし、手を少し回して前縁を迎え角を大きくすると、揚力が大きくなります。揚力比のこの好ましい増加は、手が何度も飛び上がる傾向を生み出します。速度が速いほど、揚力と抗力が大きくなります。したがって、総揚力は、翼の形状、迎え角、および翼が空中を通過する速度に関連しています。
重量は、揚力と反対に作用する力です。したがって、設計者は航空機を可能な限り軽量化しようとします。すべての航空機の設計は開発プロセス中に重量が増加する傾向があるため、現代の航空宇宙工学スタッフには、設計の最初から重量を制御する分野の専門家がいます。さらに、パイロットは、航空機が運ぶことを許可されている総重量(乗客、燃料、および貨物)を量と場所の両方で制御する必要があります。重量の分布(つまり、 重心 航空機の)は、運ばれる重量と同じくらい空気力学的に重要です。
揚力が重量に対抗するので、推力、前向きの力は抗力に対抗します。推力は、周囲の空気の塊を航空機の速度よりも速い速度に加速することによって得られます。等しく反対の反応は、航空機が前進することです。に レシプロ またはターボプロップエンジンを搭載した航空機の場合、推力はプロペラの回転によって引き起こされる推進力に由来し、残留推力は排気ガスによって提供されます。ジェットエンジンでは、推力はタービンの回転ブレードの推進力から生じ、空気を圧縮します。推進力は、導入された燃料の燃焼によって膨張し、エンジンから排出されます。ロケット推進航空機では、推力はロケット推進剤の燃焼に対する等しく反対の反応から得られます。グライダーでは、機械的、地形的、または熱的手法によって達成される高さは、重力によって速度に変換されます。
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推力に絶えず反対して行動するのは抗力であり、これには2つの要素があります。有害抗力とは、形状抵抗(形状による)、皮膚の摩擦、干渉、および揚力に寄与しない他のすべての要素によって引き起こされる抗力です。誘導抗力は、揚力の生成の結果として作成されたものです。
対気速度が増加すると、有害抗力が増加します。ほとんどのフライトでは、すべての抗力を最小限に抑えることが望ましいため、抗力を誘発する構造を可能な限り排除することで航空機の形状を合理化することにかなりの注意が払われています(たとえば、コックピットをキャノピーで囲む、着陸装置を引っ込め、フラッシュリベットを使用し、表面を塗装および研磨します)。ドラッグのあまり目立たない要素には、相対的なものが含まれます 配置 胴体と翼、エンジン、尾翼の表面の面積。翼と尾の表面の交差点。構造物からの意図しない空気の漏れ。冷却のための過剰な空気の使用;局所的な気流の分離を引き起こす個々の形状の使用。
誘導抗力は、飛行経路に対して垂直ではなく、飛行経路からわずかに後方に傾いている空気の要素が下向きに偏向することによって引き起こされます。迎え角が大きくなると、抗力も大きくなります。臨界点では、迎え角が非常に大きくなり、翼の上面で気流が遮断され、抗力が増加する間、揚力が失われる可能性があります。この重大な状態はストールと呼ばれます。
揚力、抗力、失速はすべて、翼の平面形状の形状によってさまざまな影響を受けます。のスーパーマリンスピットファイア戦闘機で使用されているような楕円翼 第二次世界大戦 たとえば、亜音速航空機では空力的に理想的ですが、単純な長方形の翼よりも望ましくない失速パターンがあります。
スーパーマリンスピットファイアスーパーマリンスピットファイアは、1938年から第二次世界大戦までの英国の最高の戦闘機です。象限/フライト
超音速飛行の空気力学は複雑です。空気は圧縮可能であり、速度と高度が上がると、航空機の上を流れる空気の速度が航空機の空気中の速度を超え始めます。この圧縮率が航空機に影響を与える速度は、オーストリアの物理学者エルンストマッハに敬意を表して、マッハ数と呼ばれる音速に対する航空機の速度の比率として表されます。航空機の臨界マッハ数は、航空機のある時点で気流が音速に達したマッハ数として定義されています。
臨界マッハ数を超えるマッハ数(つまり、気流が機体のローカルポイントで音速を超える速度)では、翼と胴体に作用する力、圧力、モーメントに大きな変化が生じます。衝撃波の形成によって。最も重要な効果の1つは、抗力の非常に大きな増加と揚力の減少です。当初、設計者は、翼と水平面の翼型セクションが非常に薄い航空機を設計し、胴体の細かさの比率(長さ対直径)をできるだけ高くすることによって、より高い臨界マッハ数に到達しようとしました。翼の厚さの比率(翼の厚さをその幅で割ったもの)は、1940年から45年の期間の典型的な航空機では約14から18パーセントでした。後のジェットでは、比率は5パーセント未満に減少しました。これらの技術は、局所的な気流がマッハ1.0に達するのを遅らせ、航空機の臨界マッハ数をわずかに高くすることを可能にしました。ドイツと米国での独立した研究は、翼を後ろに掃くことによって、臨界マッハに到達するのをさらに遅らせることができることを示しました。後退翼は、最初の運用可能なジェット戦闘機であるドイツの第二次世界大戦メッサーシュミットMe 262の開発、および北米のF-86セイバーやソビエトのMiG-15などの戦後の戦闘機にとって非常に重要でした。これらの戦闘機は高い亜音速で動作しましたが、開発の競争圧力により、遷音速および超音速で動作できる航空機が必要でした。アフターバーナーを備えたジェットエンジンのパワーにより、これらの速度は技術的に可能になりましたが、設計者は遷音速領域での抗力の大幅な増加に依然として障害がありました。解決策は、翼の前後の胴体に体積を追加し、翼と尾の近くでそれを減らして、遷音速抗力を制限するための理想的な領域にほぼ近い断面積を作成することでした。この規則の初期の適用は、コンベヤーF-102のようなハチ腰の外観をもたらしました。後のジェット機では、この規則の適用は航空機の平面図ではそれほど明白ではありません。
F-86ノースアメリカン航空F-86ジェット戦闘機。1949年に運用を開始しました。朝鮮戦争中、F-86は、歴史上初の大規模ジェット戦闘機戦闘でソビエト製のMiG-15と対戦しました。アメリカ合衆国空軍博物館
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