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飛行機のドラッグについて【航空機に働く4つの力】

ドラッグは、飛行機を後ろに引っ張ろうとする力です。

スラストに対抗する力で、「ドラッグ|Drag」や「抵抗」と呼ばれています。

そんなドラッグですが、大きく分けて2つカテゴリーに分類できるのをご存知ですか?

「パラサイトドラッグ|Parasite Drag」と「インデュースドドラッグ|Induced Drag」です。

そして、パラサイトドラッグはさらに3つに分けることができます。

今回はそれぞれのドラッグの特徴について見ていきましょう。

パラサイトドラッグ|Parasite Drag

まず初めに、パラサイトドラッグは一般的に空気抵抗として知られています。

なので、飛行速度が増すほどドラッグの影響も大きくなります。

飛行機が前に進むにあたって、空気と機体の摩擦によりスラストの一部が失われてしまいます。

飛行機が空を飛ぶときは、必ず空気が必要です。

その空気を翼型にあてることによりリフトを生じているからです。

しかし、この空気が飛行機の翼型やボディなどにあたると、リフトだけでなく抵抗も生み出してしまいます。

その抵抗の生じ方により、パラサイトドラッグは「フォームドラッグ|Form Drag」「インターフェレンスドラッグ|Interference Drag」「スキンフリクションドラッグ|Skin Friction Drag」の3つに分けることができます。

フォームドラッグ|Form Drag

フォームドラッグは、飛行機やその翼の形によって生み出されたドラッグです。

上図のように、どのような形をしているかによってその周りを通過する気流の乱れが変わります。

気流が乱れると、それだけドラッグの影響も大きくなります。

飛行機では、ノーズセクション、エンジンカウリング、アンテナなどに気流がぶつかります。

それぞれのエリアでぶつかった気流は一度分断され、機体後方でそそれぞれ再び合流します。

この分断と合流がスムーズにいくと、フォームドラッグの影響を小さくすることができます。

なので、飛行機や新幹線の先端が真っ平ではなく尖っているのは、フォームドラッグの影響を少しでも小さくするためです。

インターフェレンスドラッグ|Interference Drag

インターフェレンスドラッグは、気流が合流するところで発生します。

気流が合流すると、タービュランスなど気流の乱れを生じさせます。

飛行機では、翼の根元でインターフェレンスドラッグが発生しやすいです。

機体のエンジンカウリングに空気があたり、その空気は上下左右に分けられ後ろに流れていきます。

そして、翼のエリアでは、翼にあたった気流が上下に分けられます。

この分けられた気流が、翼の根元(上図の黄色で囲われたエリア)で合流します。

このときに、乱流になりやすくインターフェレンスドラッグが発生するメカニズムです。

インターフェレンスドラッグは、翼とボディのように「垂直に交わる表面」で発生しやすいです。

なので、なるべく機体表面が垂直で交わらないようにするために、「フェアリング|Fairings」と呼ばれるパーツを取り付けたり、2つの表面が交わる角度を小さくしてあげる工夫がされています。

出典:Jerry Gunner

この写真のように戦闘機では、ミサイルや燃料タンクが翼下側に垂直に取り付けられています。

これらミサイルだなど片側2〜4本のトータルのドラッグは、1本ずつの合計のドラッグの値よりも大きくなります。

これは、ミサイルやタンクに気流があたり発生するフォームドラッグに加え、インターフェレンスドラッグの影響が大きくなるからです。

フェアリングを取り付けたり、インターフェレンスドラッグを発生するもの同士の距離を遠ざけたりする事で、ドラッグの影響を小さくすることができます。

スキンフリクションドラッグ|Skin Friction Drag

スキンフリクションドラッグは、いかに気流が機体表面を滑らかに流れるかによりその強さが左右します。

どんなにツルツルしたように見える機体表面でも、顕微鏡レベルで見ると凹凸があります。

このくぼみに、空気の分子が入り込み、その分子はやがて動きを止めてしまいます。

流れが遅くなった空気が、機体の表面に膜を作るように取り囲みます。

空気の膜の厚さは、大体トランプカード1枚分ほどです。

この膜のエリアを、「バウンダリーレイヤー|Boundary Layer」と呼びます。

この範囲より外にある空気は、機体の表面の凹凸の影響を受けにくく、速度低下することなく機体後方まで駆け抜けます。

この気流のことを「フリーストリーム|Free-stream」と呼びます。

バウンダリーレイヤーの中でも、フリーストリームに隣接する場所にある空気の分子は、フリーストリームの速度まで加速しようとします。

実際にどの程度まで加速するかは、翼の形や空気分子の粘度、空気が機体に押し付けられる圧力が関係してきます。

気流がある機体表面は、バウンダリーレイヤーで覆われます。

リーディングエッジのようなところもバウンダリーレイヤーで覆われ、フリーストリームの移動をスムーズにしてくれます。

しかし、このバウンダリーレイヤーが乱されたりすると、機体表面から剥がれ落ちたりし、リフトの減少やドラッグを生み出す原因になります。

なので、航空機デザイナーは翼の上面に使われるリベットの表面を平らに加工したり、機体表面をガラスコーティングされたようにスムーズに作る努力をします。

ちょっとした泥はねのあとがあるだけでも、バウンダリーレイヤーは乱されてしまうので、いつも綺麗にしてワックスがけをしておくと、スキンフリクションドラッグの影響を小さくすることができます。

インデュースドドラッグ|Induced Drag

Induced Dragはリフトの副作用として生まれるものです。

世の中のもので100%効率的に動くものはありません。

そのシステムのどこかしらで、パワーロスを引き起こしています。

このロスの大きさで、どれだけ効率の良いエネルギーの運用ができるか決まります。

翼でリフトを発生するときに必ず副作用として発生するのが、Induced Dragです。

この事実は、いかに優れたデザインをしたとしてもリフトを生み出している限り、避けて通ることができないペナルティのようなものです。

翼がリフトを生み出すメカニズムは、ベルヌーイの定理を使っています。

翼の上面と下面の気流を比べたとき、翼上面の気流が比較的速く動くので、気圧が低くなり上向きのリフトが生み出されます。

翼を上下に分けると、翼の上面は低気圧、下面は高気圧であるといえるでしょう。

この写真のように、空気は高圧から低圧へ逃げようとします。

翼の先端では、翼という境界線がなくなるので、下から上に渦を巻くように空気が流れ込んでしまいます。

これを、「翼端渦流|Wing Tip Vortex」と呼びます。

機体後方から見て、右の翼の先端では反時計回りに空気が渦を描き、左側の翼の先端では時計回りに空気が渦を描きます。

下から上がってきた空気が、渦を描いて今度はした方向に動き出します。

この気流の流れにより、周りの空気も下に続こうとします。

この気流のことを、「ダウンウォッシュ|Downwash」とよびます。

高度によって、この渦の大きさが変わります。

地面から離れた高度のダウンウォッシュと、グラウンドエフェクトの影響を受ける高度で飛行している機体のダウンウォッシュを比べると、後者の方が渦が小さくなります。

渦が小さくなるということは、ダウンウォッシュも小さくなるということです。

上図は、上の段がダウンウォッシュが強い時で、したが地面近くでダウンウォッシュの影響が小さいときを表しています。

これからわかるように、ダウンウォッシュが大きくなると、リフトのベクターがより後ろに傾いてしまいます。

後ろに傾くということは、リフトがドラッグ側に傾いていると言い換えられるでしょう。

ドラッグ側に傾いた分のエネルギーが、Induced Dragです

Induced Dragは避けることはできませんがその強さは、ダウンウォッシュの強さに影響を受けるのです。

この現象のサイクルをまとめると、「レベルフライト中に速度が落ちてくる→AOAを大きくしリフトを補う→リフトのベクターがより後ろに傾く→Induced Dragがより発生する」となります。

なので、速度が落ちればInduced Dragが増えるのです。

Parasite DragとInduced Dragの関係性

この図のように、Parasite Dragは速度が増加するほど影響が大きくなります。

例えば、低速で動いているときよりも高速道路などで走行しているとき、車の窓から手を出したら、より抵抗を感じると同じ現象です。

一方、Induced Dragは速度が遅い方がその影響が大きいです。

AOAが大きくなり、リフトのベクターがより後ろに傾くためです。

よって導き出せるのは、飛行機が飛ぶ速度が速すぎても遅すぎてもどちらかのドラッグの影響で、エネルギーをロスしてしまうということです。

なので、この2つのドラッグのトータルが一番小さい値の速度で飛行すると、一番効率よく飛行機を飛ばすことができるのです。

まとめ

今回は、ドラッグについて見てきました。

ドラッグは大きく2つに分けられることをご存知でしたか?

避けては通れないドラッグですが、それぞれの特徴を理解することにより、先回りしてスラストや速度調整などでコントロールすることができるようになるでしょう。

 

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【参考文献】

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