改訂第３版
飛行機の※カMechanism of the Airplane公益社団法人日本航空技術協会
水中を優雅に泳ぐ魚は、水の力をうまく利用しています。鳥も同じように空気の力を巧みに利用して大空を自由に飛んでいます。飛行機も空気がなければ空中に支える力は生まれませんし、プロペラやジェット・エンジンも前に進む力を発生させることはできません。そのため飛行機は、空気との力関係を常に知っている必要があります。鳥は自分自身を支えられなくなることや翼が折れてしまう恐れがあることなどは身体で直感的に知ることができますが、飛行機の場合は計器に頼るしかありません。その計器の中で最も重要なのが対気速度計です。対気速度計は、自動車のように1時間に進む距離を指示するものではなく、空気との力関係を知るための計器です。地上付近から空気が薄くなる成層圏まで、飛行機を支え続けるためや強度上の問題から空気の力を知る必要があるからです。本書は・空気の力とは何か・飛行機はなぜ空を飛べるのが•飛行機の速度とは・ジェット・エンジンはなぜ力を出せるのか・夜や雲の中をどうやって決められた通路を飛べるのかといったような素朴な疑問に対して、難しい専門用語はできるだけ使用しないようにし、厳密さを犠牲にしても直感的あるいは感覚的に理解できること、なぜそうなっているのかということに主眼を置いて1993年に初版が出版されました。それ以来、たくさんの方々から貴重なご意見やご指摘を頂きました。その貴重なご意見やご指摘をもとに改善を重ね、第３版を迎えることができましに本書が、飛行機に興味を持っている方々、すでに航空関係に従事されている方々に少しでもお役に立てることを願っております。末筆になりましたが、今改訂に際しても日本航空技術協会の渡津賢治氏に大変お世話になりました。ここに感謝いたします。 2014年8月吉日  中村寛治Flying in the sky
FLYING IN THE SKY油圧装置が故障しても安心51
FLYING IN THE SKY
まず、出発ロビーから見える飛行機の動きや客室の中で疑問に思うことなどを考えてみます。そして、ここで疑問に思ったことをひとつひとつ調べていくことにしましょう。
フライトの準備
まだ夜の余韻を残している明け方の出発ロビー前の駐機場で、飛行機は静かに今日のフライトのために翼を休めています。そして、出発前の点検のため整備士により数多くの確認作業がひとつひとつ確実に行われ、飛行機はゆっくりと目覚めて行きます。ゼロを指示していた計器が次々と息をふきかえし、コックピットや客席に照明が灯り飛行機が完全に目が覚めたことを知らせます。その飛行機の周りには、燃料を入れる車両や荷物を積み込む車両などが次々と到着し、いままでの静寂から一挙に出発準備のあわただしさに変わって行きます。また、別の場所では目的地までの飛ぶ道順や天侯の調査、必要な燃料の量そして飛行機の重さなどの打ち合わせが綿密に行われています。出発ロビーから見える飛行機は、悠然と構えているようですが、出発時刻の１時間以上も前からたくさんの人が役割分担して、あらゆる角度から検討し確認し合うことが大切となっています（図1 - 1 )。
エンジン・スタート
入り口のドアが閉まるとエンジン・スタートが始まります。気をつけて耳をすましていると分かりますが、エンジン・スタートするときにはエアコンの音が聞こえなくなります。そして、いつも右側のエンジンからスタートする音が閉こえてきます。自動車は１つのエアコンで十分ですが、飛行機には必ず２つ以上のエアコンがあります。そして、多くの飛行機のエアコンは圧縮空気を利用しており、エンジン・スタートするためにも、この圧縮空気を利用しています。エアコンを作動させているとスタートのための空気の量が足りなくなるために、十分な空気がエンジンの方に行くようにエアコンが自動的に停止するようになっているのです。それで、エンジン・スタートの時にはエアコンの音が閉こえなくなるのです。
滑走路へ
エンジンの音が少し大きくなると、飛行機はゆっくりと動き出します。飛行機は地上であってもエンジンが後方に噴出しているガスの反動によって動くのであって、自動車のようにエンジンがギアを介してタイヤを回しているのではありません。飛行機が動くので、タイヤはただ回っているだけです。また、飛行機が滑走路に向けて地上滑走しているときの速さは、時速30km前後です。飛行機が動き出すとすぐに、客室中央の床下から機械音が閉こえてきます。これはフラップと呼ばれる装置を出している音です。図1 - 2にあるように、翼の後ろから下がって出ているのがフラップです。このフラップは、龍陸や着陸のときに使用されるもので、空中に浮き上がる力を大きくする装置ですが、どうしてフラップが必要なのか、着陸の時とフラップを出す量は違うのか、などといった詳しいことはこれから調べていくことにします。フラップが下がると、主翼や水平尾翼そして垂直尾翼に付いているエルロン、スポイラ、エレベータ、ラダーといった小さな翼が大きく動きますが、これは離陸に先だってこれらの翼が正しく作動するかチェックしているのです。
いよいよ離陸
シートペルトのサインが数回点滅すると管制塔から羅陸の許可がおりてまもなく羅陸する、という操縦席からの合図です。清走路に入るとエンジンの音が一段と大きくなりますが、ここでもよく気を付けて聞いていると、いったんエンジンの音が安定し飛行機が動きだしてからまた大きくなっていきます。飛行機のアクセルを一定の出力まで出して安定しているのを確認してから、最大の出力にするためです。座席に押しつけられる力を感じることで、飛行機が加速していることが分かります。そして機首が上がると同時に真上に引っ張られるような感じがすると、もう空中にいます。その後ゴトンという音が閉こえますが、これは飛行機の脚を引っ込めた音です。そして、しばらくするとエンジンの音が今までより小さくなります。羅陸のときに飛行機のアクセルを最大に使っていたものを上昇のために少しだけ戻したのです。
飛行機の通り道
難陸後はいつも同じようなルートを通ります。たとえば、羽田から福岡など北九州方面に行く場合には、東京湾を旋回して羽田空港の上空を通るルート、また鹿児島など南九州に行く場合には浦賀水道を抜けていくルート、といった標準的な出発ルートがあります。その後は決められた地点を結んだルートを目的地まで飛行します。そして、着陸する時も同じように標準的なルートがあります。それらのルートを雲がある場合や夜間でもどうして飛べるのか、また飛行する高さとは、といった疑問もこれから調べることにします。
飛ぶ速さ
飛行機はどんどん高度を上げ、そして水平飛行に移ります。水平飛行になってしばらくすると、またエンジンの音が少しだけ小さくなります。一定の速さになるようにアクセルを調整したのです。自動車でもまっすぐ走っている場合にはアクセルをあまり動かさなくても一定の速さで走るのと同じように、飛行機の場合でも一定の速さで水平飛行している時にはほとんどアクセルを調整しなくてもすみます。ところで、飛行機の速さは何を基準にしているのでしょうか。時刻表を見ると、同じ区間なのに西行きと東行きとでは所要時間が違います。たとえば冬の東京～福岡間などは30分も違う場合があります。これは冬の上空では西から強い風（これをジェット気流といいます）が吹いているからです。ちょうど紹が川の上流に向かって進むときのように、西行きの場合には強い風に向かって飛んでいるので時間がかかってしまいます。西行きに比べて東行きの速さは1.5倍以上も速いときがあります（図１−３）。しかし、この速さは地上にいる人から見たものであって、飛行機にとってもっと大切な速さは、空気を基準にしたものです。
お菓子の袋がふくらんでいる
図1 - 4にあるように、機内に持ち込んだお葉子の袋がふくれていますが、どうしてでしょうか。飛行機が上空にいくにしたがい気温と気圧は下がっていき、上空１万メートルでは－50℃、気圧は地上の約25%に減少してしまいます。機外がこのような状態でも客室内では快適に過ごせるように、飛行機のエアコンには機内の温度調節だけではなく、気圧を一定に保つ機能もあります。しかし、機内の気圧を地上と同じに保った場合には、飛行機の外と内との圧力の差が大きくなり胴体には大きな力がかかってしまいます。そこで、客室内の気圧を少し下げているのです。最大に下げても標高2,400mの山の頂上（地上の約75%）にいるのと同じ程度ですが、地上での1気圧の空気がつまっているお菓子の袋はふくれてしまうのです。窓から外を見てみましょう。窓から見える翼の端が反り上がって見えます。確か、地上にいる時の翼の端は下がっていて、はっきりと見えなかったはずです。その時の飛行機の重さにより違いますが、地上にいる時と比べて約1.5m以上も反り上がっているのです。数百トンもの重さを全部この翼が支えている証拠ですが、どう考えてみても双がそんな力を発生するのは不思議なことです。以上から飛行機が高い空を飛ぶときには、胴体や翼には大きな力が作用していることが分かります。
ようやく着陸
目的地に近づき降下を開始しました。高層ビルのエレベータに乗った時に耳がつまる感じがするのと同じように、飛行機の場合にも感じます。今まで下げていた客室内の気圧を地上と同じにするためです。エレベータでも上がる時より下りる時の方が耳に感じることが多いように、飛行機でも客室の気圧を地上と同じにする時の方が感じるようです。しかし、その速さは一分間に約90m位の割合で山を下りているのと同じくらいです。エンジンのアクセルをふかしたり、戻したりする音が閉こえます。これは着陸のために徐々にスピードを少なくしているのですが、一般的にジェット旅客機は徐行があまり得意ではありません。少しのスピードの変化に対して、多くのアクセルの調整が必要となっているからです。そして、離陸のときと同じようにフラップを下げる機械音や飛行機の脚を出す音も閉こえます。脚が出されたらもうすぐ着陸です。接地する直前にエンジンの音が小さくなり、接地してしばらくするとまた大きくなります。エンジンが逆噴射した音です（図1 - 5 ）。プレーキの役目をしているのです。もちろん、自動車と同じようにタイヤにもプレーキもあります。また、翼の上に板のようなものが立っています。これはスポイラ（またはスピード・プレーキ）と呼ばれるもので、空気の抵抗を大きくしてプレーキの手助けをしますが、主翼が発生する揚力をなくして飛行機の重さをタイヤに任せて車輪プレーキの効きを良くするのが主な役割です（図1 - 6 ）。このように飛行機にはこの３つの装置がプレーキの役目をしています。
駐機場へ
清走路から出て駐機場へ向かうとき飛行機は大きくターンしますが、ハンドルはどうなっているのでしょうか。もちろん自動車と同じようなハンドルがありますが、空中で旋回するときに使うラダー・ペダルでも小さいターンならばできるようになっています。また、飛行機はハンドルを操作したとき前のタイヤだけではなく、胴体の下に付いているタイヤも連動してターンできるようになっています。いってみれば、飛行機は三輪車なので思ったよりも小回りがききます。飛行機が止まると、すぐにエンジンが停止されます。そして、しばらくするとシートペルトのサインが消されます。飛行機にもパーキング･プレーキがありますが、不用意に動かないようにするためにチョークと呼ばれるタイヤ止めも付けることになっています。その確認をしてからシートベルトのサインを消すので、少し時間がかかるのです。
ここでは鳥と飛行機の翼の似ているところやその役目、空を飛ぶためにはどんな力が必要か、そして空気の性質などを調べることにしましょう。
鳥と飛行機の翼
まず、空を飛ぶ先輩である鳥の翼がどれだけ飛行機の翼に似ているか、またどうやって飛んでいるのか調べてみましょう。
鳥の翼を調べる
人里の近くにいるスズメ、山にいるワシ、海にいるカモメ、季節ごとに飛んでくるツバメやハクチョウといった渡り島など、たくさんの島が空を飛んでいます。これらの中で代表的な鳥の翼の形を見ると、スズメのように短く丸いもの、ワシのように幅の広い大きな長方形をしたもの、ツバメのように先が長くとがったもの、カモメのように細長いものなどに分けることができますが、それぞれ飛び方が違うようです。スズメは比較的短距離を忙しく飛んだり降りたり、いつも羽ばたいて飛んでいますし、高い所からうさぎなどを狙っているワシはほとんど羽ばたくことなしにゆっくりと飛んでいます。また、ツバメは非常に速く飛び空中にいる虫などをつかまえていますし、逆に花の蜜を吸うハチドリは空中に静止することができます。飛行機の場合を考えると、もちろん鳥と飛ぶ目的は違いますが、翼の形と飛び方は似ていることがわかります。図2 - 1に示すように、短距離を比較的遅く飛ぶ飛行機の翼はスズメやワシの形に似ていますし、速く飛ぶ飛行機の場合にはツバメの翼によく似ています。また、グライダーの翼はカモメなど海島と似ています。
どうやって飛んでいるのか
空を飛ぶにはなぜ翼が必要なのか、その翼はどうやって空気から力を得ているのか、そして空気の力とは何か調べてみましょう。そのために、まず力について考えてみます。力は静止している物を動かすときだけではなく、動いている物の速度や方向を変える場合にも必要です。そして物に力を加えると、加えた側にも向きが反対で大きさが等しい力が働くという、作用反作用の法則があります。もちろん固体だけではなく、水（液体）や空気（気体）など形が定まらない流体からも反作用はあります。まずは目に見える流体、水の例からです。たとえば蛇口から流れ出る水にスプーンの背を近づけていくと、水がスプーンの背にそって流れると同時にスプーンには水の方に吸い付けられるような力が作用します。これはスプーンの背が水の流れを変えたことによるスプーンへの水からの反作用
によるものです。
水よりも実態がつかみにくい空気にも反作用はあります。野球のボールにむりやり回転を与えることにより、図2 - 2にあるように空気を変化させることにより、空気からの反作用によりボールは直進せずにスライダーなどの変化球になりまtさて、本題の鳥の翼です。鳥の翼の断面を見ると、図2 - 3にあるように翼の上面には反りがあります。そのため、ボールのように回転しなくても空気の流れを変えることができるのです。鳥が羽ばたくようすは図２−４のようになりますが、このように翼を動かすことにより空気を強制的に後方に吹き下ろすこと、つまり翼が空気に運動させたことの反作用により力を得ているのです。この鳥の体重を支える空気の力のことを揚力
(ようりょく)といいます。
竹とんぼは、回転させることにより空気の流れを作り飛ぶことができます。そして、地面に水平にして回すと真上に向かって飛びますが、斜に向けて回すと前上方に飛びます（図2 - 5 ）。鳥は竹とんほと同じように、翼の付け根で揚力を、先端で前に進む力を出しているのがわかります。また、羽ばたく時に翼の先端のすき間から後方に空気を強く押し出して、その反動により前に進む力を得る時もあるようです。そして、上空にいってある程度の速さになれば、翼には体重を支える十分な揚力が発生しますので、前に進むためのだけの力を得るためにゆっくりと羽ばたいて飛べるようになります。飛行機の翼の断面も鳥の翼と同じようになっていますが、羽ばたくことができません。昔の人は鳥のように羽ばたけば飛べると考え、いろいろ実験をしましたが、結局羽ばたくことだけでは、それらの装置の重さを持ち上げるだけの力を発揮しませんでした。それらの失敗をもとに、高いところから飛び降りる方法やエンジンなどの動力を使い、まず前に進んで固定した翼に空気の流れを作り揚力を得ることに気付きました。鳥は揚力と前に進む力をたった一対の翼で作っていますが、飛行機はそれらの力を別々にすることで飛べるようになりました。そして、このように力を別々にしたことが、今日の飛行機の成功があるといえるでしょう。
ニワトリはなぜ飛べないのか
空を飛ぶには翼が必要なことはわかりました。それでは、なぜ翼があるニワトリは飛べないのでしょうか。鳥の筋肉の約25%以上は飛ぶためのものだそうですが、ゼイ肉のついたニワトリを見ると体重と翼の大きさに関係がありそうです。翼のあまり大きくないハチドリは、１秒間に90回、それも図２−６にあるように複雑な羽ばたきにより双に速い流れを作り、自分の体重を支える力を得て静止できます。逆に、ツバメは小さい翼であっても速く飛ぶことができるために、ハチドリのように羽ばたきを速くする必要がないといえます。獲物を探すためにゆっくりと飛ぶワシは、自分の体重を支えるだけではなく、あの大きな足でうさぎなどの大きな獲物を文字どおりワシづかみして飛ばなければならないので大きな翼を持っているのではないかと思われます。また、カモメやワシが羽ばたかないで飛んでいる時には、波間の風や海風あるいは上昇気流を巧みに利用しているのです(図2 - 7 )。以上から、小さな翼の鳥は羽ばたきを速くするか速く飛ぶ必要があり、大きな翼を持っている鳥は体重が重くまたゆっくりと飛べることが分かります。したがってニワトリも、もっと羽ばたきを速くするか、もっと大きな翼があれば体重を支えるだけの力が得られるかも知れません。つぎに、飛び上がる時を考えてみましょう。ワシなどのように高い木や産の上から飛ぶ時には、ほとんど羽ばたかないでも高さを利用して十分な速さが得られます。しかし、水鳥が飛び上がる時には、足で水をけりながら長い距離を必死になって羽ばたいています。足で地面をけってひょいと飛んでいるように見えるツルでも、同じように飛び上がる時には羽ぼたきが多く、ある速さになるとゆっくりと羽ばたくようになります。水面や地面から飛び立つ場合には、このように大きく速い羽ばたきをして、揚力を得るために速く前に進む力が必要であることが分かります。着地する場合には、どんな鳥でも足を下げ、そして翼を大きく広げています。着地した時のショックをできるだけ小さくするために徐々に遅く飛ぶので、体を支えている揚力を維持しなければならないのとプレーキの役目をしているのです。そして、着地するときのようにゆっくりと飛ぶ時の様子をよく見ると、翼の前が少しあいているのと羽にすき間があるのが分かります。これは翼を大きく広げたり、あまり上を向けたりすると空気の流れが乱れてしまうため、図2 - 8にあるよ