飛行の原理のはなし(噺）Intelligible Introduction toAerodynamics(独)国立高等専門学校機構
沖縄工業高等専門学校
校長 安藤 安則

講演の内容１．講演の狙い２．自己紹介
３．飛行に魅せられた人達の歴史
４．飛行の原理を解明し、航空機を創った巨人達
５．航空機の黎明期から現在、未来へ
６．結び

航空機とジェットエンジンの例
Aircraft & Jet Engine
Boeing777-300er
Length 73.9m
Width 64.8m
Max Seats 550
Takeoff weight 351 Ton
Maximum Fuel 181kL
Maximum Range 14,500km
Engine GE90-115B
Photo( JAL)

GE90-115B
Length 7.3m
Diameter 3.429m
Thrust 512.9kN(52.3Ton)
Photo( GE Aviation)

Development of aircraft
after the world war Ⅱ
2.5

旅客機の巡航速度

2

マッハ数Tu144
1.5Concorde1
0.5
0

年度
DH106

零戦

B747
B777

1950年

1970年

1990年

A380
2010年

飛行機を飛ばせるには何が必要か？
Main factors for flying an airplane
空力Aerodynamics
運航システムOperating system

推進力
Propulsion

Photo( NASA)

開発・設計・製造
R&D,
Manufacture

材料強度
Materials
機体制御
Airframe Control

What is Aerodynamics?
○Flying in the air like a bird had been theunfullfilled dream for human being before 1903
since ancient time.
古代から鳥のように空を飛ぶことは、1903年まで人類にとって見果てぬ夢であった。

飛行機と科学の歴史年表科学分野
1486年 ダビンチのオニソプター
1687年 ニュートン「プリンキピア」

技術分野
1783年 モンゴルフィエ兄弟「熱気球」
1867年 明治維新

1845年 ナビエ・ストークス方程式
1864年 マックスエル「電磁場方程式」
1902年 クッタ「翼理論」
1904年 プラントル「境界層理論」
1905年 アインシュタイン「特殊相対性理論」
1911年 プラントル「揚力線理論」
1911年 ラザーフォード「原子模型」
1925年 ハイゼンベルグ「量子力学」

1883年 ダイムラー「ガソリンエンジン」
1891年 二宮忠八「からす型飛行器」
1896年 リリエンタール「グライダー墜落」
1900年 ツッツペリン硬式飛行船
1904年 日露戦争
1903年 ライト兄弟初飛行
1911年 ジュラルミン発明

1927年 リンドバーク「ニューヨーク・パリ単独飛行」
1939年 ジェット機He178初飛行
1940年 ゼロ戦正式採用

自己紹介 Self Intro
生年月日 1951年8月13日 大分県
1974年3月 九州大学工学部航空工学科卒業
1976年3月 九州大学大学院工学研究科応用力学専攻修士課程修了
1987年3月 九州大学工学博士号修得
1976年4月 石川島播磨重工業㈱（現㈱IHI）技術開発本部 研究員
1991年7月 石川島播磨重工業㈱ 流体グループ課長
2000年7月 石川島播磨重工業㈱ 国家プロジェクトグループ部長
2007年4月 島根大学 国際交流ンセンター教授・副センター長
2013年4月 島根大学 国際交流センター教授・センター長
2015年4月 沖縄工業高等専門学校 校長

Aerodynamic researches
before the Era of FlightAeronautical Pioneer before Wright
brothers
Sir George Cayley( 1804)

Otto Lilienthal ‘s glider flight( 1897)

Photo( Air & Space Magazine)

Wright Brother’s Flight in 1903

Orville Wright(1871~1948)
Photo( whio.com）

Photo( space.com)

Wilber Wright(1867~1912)

Why can we fly the plane ？

Photo( space.com)

Experimentally succeed
to fly the plane

Why can we
fly the plane

Together with
Emergence of Engine,
Aircraft Control,
Materials for plane

Before 1900, we
don’t have the clearcut explanation
about flight.

Aircraft Performance（１）LDαTα; Climbing angle
W; Weight of aircraft
L; Lift
D; DragT; ThrustW揚力Boeing 747400 ;W=400Ton,
S=500m２

L=800kg/m2

離陸速度約３００ｋｍ/Hrとする

Photo( JAL)

Velocity on upper surface
40% up (47/120)

Direct application of Newton’s
principle can not explain the real Lift
ニュートン力学の直接の応用では揚力を十分説明できなかった
Then F = change of Momentum= ρU2Ssin2α
Lift = F cos α = ρU2Ssin2α cos α
Drag=F sin α = ρU2Ssin3α
If Lift is proportional to sin2α , the huge wingarea is needed.

揚力がSinαの２乗に比例するとしたら、現実離れした巨大な翼が必要になる。

Photo(ja.wikipedia.org)

Theory of Lift by Magnus EffectPrinciple of the airplane
was first announced
by Cayley
Sir Geroge Cayley(17731857) probably defined forthe first time the componentof Lift and Drag.
Cayley obtained the profile
shown in the drawing bymeasuring the girths ofvarious cross section of
Trout .
The shape of this profile
exactly coincides withcertain modern low-dragairfoil sections.

揚力が発生しない流れ場

Airfoil揚力が発生する流れ場

AirfoilTheory of Flight (1)a. Frederick Lanchester made two ideas,
namely the idea of circulation as the cause oflift, and of tip vortices as cause of induced
drag in 1884, but these were qualitativeideas.

Photo(en.wikipedia.org)

Synthesis of an inviscid, incompressible flow
over an airfoil

Theory of Flight (2)Kutta and Joukowski
developed theQuantitative
Circulation theory ofLift about 1906,
Namely L= ρU ГPhoto(greatbustardsflight.blogspot.com)

Vortex sheet and Lift of airfoil（2）Comparison of Theory andExperiment for Lift
1. Kutta and Joukowski’scondition has the asalient feature that
determine the magnitudeof circulation.
2. By knowing the circulation
magnitude, we cancalculate the lift shown in
the latter section.

Theory of Flight (3)Ludwig Prandtl developed
the Boundary Layer
Theory for calculation of
precise Drag of Airfoil.

Prandtl was the father ofmodern aerodynamics
and a monumental figure
in fluid dynamics.
Photo(en.wikipedia.org)

Prof. Ludwich Prandtl

Schematic display of 3-D vortexes
around airplaneVortex system around a commercial
airplanePhoto(reddit.com)

Drag & Shock wave(抵抗と衝撃波）

Thin Boundary Layer of an airfoil

Comparison of Drag between thin wireand airfoil

same drag超音速飛行の衝撃波

Photo(ja.wikipedia.org)

Example of Shock wave
Visualization ofshock around anaircraft

Photo(wiki.metropolia.fi)

Japanese Aircrafts before World War 2• Aircraft Carrier Akagi

Photo(ja.wikipedia.org)• Zero Fighter• Bomber IsshikiRikko

Photo(guns.com)

Photo(ja.wikipedia.org)

戦後初の国産航空機YS-11• YS-11
Photo(ja.wikipedia.org)
https://www.youtube.com/watch?v=cwOeNygSt
3E

Japanese New R & D Projects
Development of MRJ,
Aiming at delivering at2020
Photo(ja.wikipedia.com)
Increasing
Demands ofregional Jet
LinersDNA of ZeroFighter，
Accumulated bysub contract works

National prestigeof Economic
Great Power• Co-operation Project among
MHI , other corporation andGovernment, Max. 70～90
Seats• Honda Jet
Business Jet for Europe and US

Honda Jet, Honda Group,
Unique Design, Certified
by FAA at 2010, No.1 ofworld Sales in 2017
Photo(hondajet.com)

Jet Engine の概略

Photo(GE Aviation)

Development of world top level
Jet Engine

Photo(IHI)Future aircraft
Civil
Transport

FighterSpace
plane

Airship

Photo(NASA)
FlyingCar
Terafugla結びにご清聴、有難うございました。