【ジャイロ効果】プロペラ機のパイロットが抑えておきたい空間剛性と歳差運動について

「セスナで訓練しているけどジャイロ効果を押さえておきたい！」
「ジャイロ効果を知らないとどんな危険があるの？」

プロペラ機で訓練を始めた人なら、一度は聞いたことがあるジャイロ効果。実際には、どのような効果なのか詳しく知らない方も多いのではないでしょうか。

そこで、この記事ではジャイロ効果について、パイロットとして押さえておきたい事を解説していきます。ジャイロ効果は計器にも応用されているので、プロペラ機以外のパイロットも避けては通れないトピックでしょう。

目次

ジャイロ効果とは

プロペラのジャイロ効果を理解する前に、ジャイロスコープ（回転儀）の基本原理を理解する必要があります。ジャイロスコープの基本原理は、「空間剛性（rigidity in space）」と「歳差運動（precession）」です。

空間剛性（rigidity in space）

ジャイロは回転しているとき、その場に留まろうとする性質があります。外から力が加えられない限り、ジャイロの軸は傾いたり移動したりしません。

この性質は、「自転車」や「コマ」で見ることが出来ます。自転車は、こぎ始めはふらふらしますが、スピードが出てくると、安定するでしょう。また、お正月に回すコマは、軸を中心に安定して回ります。地面や空気との摩擦により回転力が落ちてくると、空間剛性の力は弱まり軸がぶれていずれ倒れてしまいます。

このような性質を利用して、姿勢指示器（Attitude Indicator）などは動作しています。

飛行機は上下左右と3次元に動きます。この時に問題となるのが、「歳差運動」です。パイロットは歳差運動をしっかりと理解して、適切なコントロールをしてあげる必要があります。

歳差運動（precession）

歳差運動は、回転するローターに偏向力が加わったときの結果的な動作または偏向です。

ジャイロ効果
図1. ジャイロ効果

図1. に示されているように、ジャイロスコープに外から力（Effective force）が加わると、その結果として、回転面から見て回転方向側 90° 先（Resultant force 90°）に力が加わります。

飛行機の回転するプロペラはまさしくジャイロスコープであり、上記と同様の特性を持っていると言えます。図1.のように回転するプロペラに外から力が加わる度に、結果として力は90°先の方向に加わり「ピッチングモーメント」「ヨーイングモーメント」または「それらの組み合わせ」を生じさせます。

▶ピッチングモーメント：機首を上下させる動き
▶ヨーイングモーメント：機首を左右させる動き

この効果は、テールホイール型の航空機（尾輪式航空機）で顕著に表れ、離陸時に尾翼（尾輪）が持ち上がるときに最も頻繁に発生します。

尾輪式航空機の歳差運動の図
図2. 尾輪式航空機の歳差運動

離陸時という事でエンジンはフルスロットル状態に近く、ジャイロスコープの力は最大と言えます。この時に、尾翼を持ち上げるという事は、プロペラ回転面の上部に力を加えたのと同じ効果を持ちます（図2.参照）。

その結果として、90°先に力が加わるので機体は垂直軸を中心に左にヨーイングモーメントを引き起こします。何もしないと機体は左に進もうとして滑走路から飛び出してしまうので、パイロットは右のラダーを適量踏んであげ、滑走路をまっすぐ離陸滑走するように努める必要があります。

このモーメントの大きさは、いくつかの要素により変化しますが、その１つの要素として尾翼がどれだけ急激に持ち上げられたか（加えられる力の量）です。尾翼を急激に持ち上げる操作は、より強いヨーイングをもたらすため危険です。

歳差運動は、プロペラ回転面のどこの点に力が加えられた場合でも発生し、結果としての力は回転方向90°先に働きます。なので、力が加わる場所によって、飛行機は「左右にヨーイング」「上下にピッチング」「ピッチングとヨーイングの組み合わせ」を引き起こすことを忘れないようにしましょう。

この現象を言い換えると、ジャイロ反作用の効果として、垂直軸を中心にヨーイングが生じるとピッチングモーメントが発生し、横軸を中心にピッチングが生じるとヨーイングモーメントが発生すると言えます。

ジャイロ反作用の効果を修正するには、パイロットは「エレベーター（昇降舵）」と「ラダー（方向舵）」を適切に使用して、ピッチングとヨーイングを制御する必要があります。

パイロットが学科試験で問われる「ジャイロ効果」の知識

【過去問】令和4年11月期/自家用操縦士/学科試験問題5

操縦席から見て時計回りにプロペラが回っているので、左旋回する際にプロペラ回転面の右側に力が加えられたときは、その90°先に力の影響が出るので、プロペラ面の下面が押されたと同じことになります。なので、機体は機首を上げようとするので、正解は（４）と言えるでしょう。

【一覧】操縦士学科試験出題履歴

参考文献