飛翔

飛翔あるいは飛行とは、空中を進むこと、空中を移動することである。

1. 概説
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辞典などで「飛行」や「飛翔」をどのように解説しているかというと、「飛行」は空中を"行く"ことを意味し、飛翔は「空中を飛び"かける"こと」を意味する、などと解説されている。英語では「飛翔」や「飛行」にあたる概念は、動物でも乗り物でもどちらも基本的に「flight」という言葉で表現しており、特に異なった用語を使うことはしていない。フランス語でも、工学関連の文章でも詩的な文章でも、「vol」というひとつの用語を用いて表現している。「飛行」であれ「飛翔」であれ、用いられ方にいくらか傾向の違いはあるが、指している内容はおおむね重なっているので、この記事においてどちらも解説する。 この記事では、まず非常に長い歴史を持つ動物の飛翔・飛行から解説し、その次に、歴史の短い人工物の飛行について解説する。

太古から地球上には飛行する種がいた。例えば既に3億年前には数十cmもある大きなトンボが地球上を飛び回っていたという。3億年前から現代まで、トンボという生き物は、代々、飛行・飛翔を続けてきたということになる。

化石などの研究によって、ジュラ紀には始祖鳥が誕生したことが判っている。多くの学者によって、おそらく初期の始祖鳥はまずは樹木の上からの滑空のように、比較的簡単な飛行から始め、幾世代もの長い年月をかけて、より能動的な飛翔方法を身につけたものになっていったのだろう、と推測されている。

このようにして地球上では現代でも、トンボなどの昆虫や鳥類などが、みずから飛び立つような飛行・飛翔を行っている。また昆虫や鳥類でない動物でも、ムササビやモモンガのように滑空するような飛行を行う種もいる。なお、植物でもアルソミトラなどは滑空する種子を持つ。その種子の翼は翼端から翼端までが10cm～13cmほどで、しかもきわめて薄くて軽量であり、樹高の高いアルソミトラの樹木の上のほうにできる球形で内部が空洞化した実が熟すと、実の内側にある種子が、「はがれる落ちる」ようにして滑空に入り、風に乗って数十メートル以上も移動してから着地して発芽することで、代を重ねるにつれ分布域を次第に広げてゆく。

ところで飛行に関して人類はどうなのかと言うと、せいぜい脚の力により短時間のジャンプができるだけで、その身体には空を飛ぶのに必要な羽根や翼が備わっておらず、飛べなかった。彼らの「想い」のほうはどうであったか。人類は文字を発明する以前の太古の昔の段階ですでに飛ぶ昆虫や鳥の姿を眼にしていたはずであるが、文字を発明して歴史が書き残されるようになる以前に人類が何を考えていたのかについてはわずかな手がかりしかない。だが、文字が残されるようになって以降について言えば、人は古代から、特に鳥が飛ぶところなどを見て、鳥のように自由に空を移動したい、と感じることがあったようだ、とは言える。というのは、数千年の昔に書かれ現代に残されている石碑の碑文やパピルスなどの文書のなかには、「鳥のように飛べたらいいのに」といった類の気持ちを表現した文章や「私が鳥だったら、飛んであなたに会いにゆくのだが」といった文章が綴られた男女間の手紙が発見されているからである。飛ぶことに憧れる人の数は多かったのかも知れない。たとえば有名なところではギリシア神話にも、イカロスやダイダロスを主人公とした 人が空を飛ぶ物語があり、これらの物語は非常に多くの人々に語り継がれ、彼らの想像力をかきたててきた。また、ギリシャ人と直接のつながりのない世界各地の民族にも、飛ぶお話や鳥と自分を重ねるお話を語り継ぐ民族が多々ある。こうしたことに関する記録は、人類学者の研究成果などに含まれている。例えばイヌイットやネイティブ・アメリカンの中には、自分たちをカラスの子孫だと見なす一族、自分たちはカラスの末裔だとする神話を代々伝えている一族もいる。さらには、キリスト教などで伝えられる天使という存在にも、飛行に対して人類が共同で抱いている憧れや空想が投映されている、と指摘する研究者もいる。

飛ぶことに憧れる人は古代からいたものの、その願望はとても長い時代に渡って実現不可能だった。というのは、飛べない身体を補って飛ぶことを実現するのに必要な手段・技術が無かったのである。飛ぶことへの情熱を燃やしそのための装置を作ろうとした人は中世には出現していたようで、875年にイスラム世界の学者アッバース・イブン・フィルナスが素朴なハンググライダー状の器具で飛ぼうとして失敗して怪我をした、という話が伝わっている。11世紀にイギリスの修道士マルムズベリーのエイルマーが滑空するのに成功はしたと推定されることがある。滑空の実験はわずかながらにあったわけである。だが動力つきで能動的に飛ぶことに関しては、15世紀の レオナルド・ダビンチ は、鳥に似せて翼を上下に動かし飛行する機械のコンセプト図や、回転するらせん状の羽根を持つ機械のコンセプト図を描くことまではできたものの、それらはあくまでコンセプト図に終わり、動力つきでは飛ばすことができなかった。レオナルドも研究の途中で当時の技術では動力つきの飛行機械の実現は不可能だと気づいたようで、固定翼の滑空装置の制作に力点を移し、見事にそれを作り上げ、それの操縦士にはレオナルドの友人で協力者のTommaso Masiniになってもらい、フィレンツェ近くの小山の上から街に向かって、距離にして1000mほども見事に滑空してみせた、ということが当時の地元の記録に残っている。なお、滑空は見事にできたが、着陸のほうはいささか難しかったようで、操縦士のTommaso Masiniは最後の着陸の瞬間に両脚を骨折してしまった、という記録も残されている。

自身の肉体で空を飛ぶことができないことを嘆いたり飛行への憧れを募らせていた人々が大勢の人が飛ぶことができるようになったのは、広く認められている歴史に基づくならば、18世紀後半の熱気球によってである。1783年、フランスのモンゴルフィエ兄弟が6月5日に熱気球の実験を行い、11月には有人飛行を行った。それによってフランスを中心としてヨーロッパで一大気球ブームが起きた。熱気球の飛行というのは基本的に「風まかせ」、つまり進む方角が基本的に決められず風向にまかせる飛行であるが、遊覧飛行や冒険飛行が頻繁に行われた。1852年9月23日にはフランスのアンリ・ジファールが比重の小さなガスによって空中に浮かび、動力で進む飛行船で初飛行を行った。これによって、方角に関して言えば、おおむね望む方角に向かって飛行できるようになった。

固定翼で動力を用いて飛ぶことができるようになったの20世紀初頭である。米国のライト兄弟が、彼らは先行する人々の試みの失敗などから学びつつ、動力つきの「ライトフライヤー号」を制作し、1903年12月17日にそれに乗って飛行することに成功したのである。その飛行の方法というのは翼を固定した機体に、動力によって回転するプロペラをつけて推進力を作り出し、飛行するという方法であった。

気球の場合でも動力付固定翼機の場合でも、ひとたび飛ぶための新しい方法を具体的に示す人が現れると、それを熱心に模倣して、さらに改良する人が続出した。この二百数十年の間に人類は様々な飛行道具そして飛行方法を開発してきた。

現在では航空機を用いて空を飛ぶことは、極めてありふれたことになっており、世界中で、民間機・軍用機の飛行をあわせれば、1日あたり数十万回以上は飛行が行われているだろう、と推計されている。

以下、動物の飛行から始め、後半では人類が道具・乗り物を使って行う飛行まで、飛行の具体的について説明してゆく。

2. 動物
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しばしば、動物の飛行は翼や翅を羽ばたかせるそれと、羽ばたかせないものに大別されている。

羽ばたかせることで推進力を生み出すのは「羽ばたき飛行」と分類され、羽ばたきを行なわないほうはさらに細分化され、滑空と「帆翔」に分けられている。

なお、前後に移動することなく、空中の一点に静止する行動は「ホバリング」と呼ばれる。ホバリングは一般的に、羽ばたいたり、向かい風を受けることによって行われている。

2.1. 飛行方法の分類
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動物の飛行の仕方を表にまとめると、例えば次のようになるdate=2013年2月}}。

大型の渡り鳥がV字型や斜め一直線に編隊を組んで飛翔しているのが見られるが、前を飛ぶ鳥の翼端渦による吹き上げによって後続する鳥のエネルギーの節約になっている、などと言われる。

2.2. 昆虫の飛行
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概説で説明したように、3億年前には既に数十cmもある大きなトンボが地球上を飛び回っていたことが化石から判明している。

昆虫の多くが現代でも飛んでいる。昆虫の翅は基本的に2対4枚で構成されており、飛び方も多様である。

トンボは前後の翅を別々に動かして飛ぶ方式をとっており、原始的特徴を多く残しながらも全ての昆虫の中でも高度な飛翔を行う。チョウでは、前後2対の翅を同時に上下させ、上昇と滑空を繰り返して移動する。これによって激しく上下するのでチョウの飛翔はしばしば「ひらひら」という擬態語で表される。翼面荷重がとても小さく落ちる速度が遅いので、直接下向きの気流を発生させている。他の多くの昆虫も、前後の翅を同時に動かすことによって実質的に1対の翅として使う。

ネジレバネやハエの仲間では、前翅または後翅が平均棍に変化している。ハエ目の昆虫が極めて高度な飛翔を実現しているのはこの平均棍を持つことによると考えられている。

また、コウチュウ目の昆虫は飛行時に鞘翅と呼ばれる固化した前翅を広げる。鞘翅は主に揚力を増やす役割を担っているが、左右の迎え角を変えることにより体勢を整えたり、風を受けてエアブレーキの役割を果たしたりするので、飛翔能力に長けていない甲虫にとって不可欠なものとなっている。これに対し、ハナムグリ亜科に属する多くの甲虫は、鞘翅をわずかに持ち上げて腹部との間に隙間を作り、その下から後翅を広げて後翅のみで飛翔する方式をとる。これによって他の多くの甲虫と比べて格段に機敏な飛翔が可能になっている。

鳥類といった動物が体を水平にして飛翔するのに対し、カブトムシは体を垂直にして飛翔する特徴がある。

2.3. 体重の軽い脊椎動物の飛行
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体重が1kgより軽い脊椎動物では、飛翔は羽ばたきによって行なわれる。ずっと羽ばたいて直線的に飛ぶものと、羽ばたきと翼を閉じての滑空とを繰り返して波状に飛ぶをするものとがある。直接空気を後ろへ掻いて推進力を得ていると思われがちだが、小型の鳥においては空気中で翼を傾けながら上または下に打ち下ろし、翼を前方に滑らすことによって推力を得ている。もっと軽いアナホリフクロウやハチドリでは、ホバリングが行なわれる。スズメやヒタキなどでも瞬間的にホバリングが行われることもある。すべての飛翔をホバリングでこなすためには、体重が10g以下であり常に栄養を取っていなければならない。ハチドリが花の多い熱帯から生息地を広げられないのはこのためである。

2.4. 体重の重い脊椎動物の飛行
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体重が重い脊椎動物では、離陸するときに飛行機のように滑走してから飛び立ったり、高いところから飛び降りたりするものが多い。平常時も羽ばたくことはほとんどなく、滑空したり、グライダーやハンググライダーのように上昇気流を利用したりするものがある。これは、体重が重いほど羽ばたきづらくなるためである。ワシタカ科の大型の鳥では太陽の熱で暖まった地面から発生する上昇気流を翼で受けて飛翔する。そのため、翼は単位面積あたりで発生する空気力が小さい。羽ばたきによる飛翔は数秒から数十秒しか持続できない。

カモメなどの海鳥は長時間の滑空を行うが、こうした鳥はアスペクト比の大きな翼をもつとともに、翼と胴体の継ぎ目などが滑らかであり、揚抗比が大きく滑空比が高い。また、海からの風が船べりや防波堤、崖などにあたってできる上昇気流で空中にとどまることもある。餌をあげなくても観光フェリーなどにカモメが集まるのは、海上が障害物に乏しく、地熱による上昇気流もないためである。このほか、ミズナギドリ目の鳥が行う、動的滑翔と呼ばれるウィンドシアを利用した滑空がある。

タカ科の鳥はアスペクト比がそれほど大きくないが、初列風切羽を広げることによって翼端渦を効果的に整形ないし抑制し、揚抗比を高めているとも言われている。単純に翼幅が大きくならなかった理由としては、開けた場所での飛行が多い海鳥と違い、林間など障害物の多い所での飛行に適応したためなどと推測されている。プテラノドンなどの大型翼竜は体重と翼の大きさから、滑空しかできなかったと考えられていた時代がある。しかし、研究が進むと、数分に一回程度の割合で、羽ばたきをしているとの研究も出てきている。

2.5. 羽ばたきの回数
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建築家ピーター・Ｓ・スティーヴンスの著書『自然のパターン』によれば以下の昆虫類および鳥類の、羽ばたきの回数は下記のごとくである。単位はいずれも「回 / 秒」。

ユスリカ: 1046
イエカ: 587
ミツバチ: 230
ハチドリ: 100
スズメ: 15
コウノトリ: 2～3
コンドル: 0

3. 人工物の飛行
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次に人類が実現した飛行について説明する。人類が、人間の乗らない物体を飛ばすことは古来行われてきた。石や槍の投擲、弓矢の発射を除き、ある程度長い時間滞空できるものとしては、凧や小型の熱気球がある。

概説で述べたように、人間の身体には空を飛ぶための羽根・翼が備わっておらず、生身では飛行できない。長らく鳥のように飛ぶことを夢見てきた人類は、ようやく自分が乗り込んで空中を移動できるような装置が多数作られるようになり広まったのは18世紀のことであり、それは大型の熱気球であった。

動力によって推進される固定翼機による飛行が実現したのは20世紀に入ってからである。米国のライト兄弟が固定翼方式の機体にエンジンをつけたライトフライヤー号を制作して、1903年12月17日に初飛行を行ったのであった。

特にこのライト兄弟の飛行以来1世紀ほどの間に、人類は飛行に関して様々な知識やノウハウを蓄積してきた。飛行を研究する工学の一分野を航空工学と言う。

3.1. 飛行の歴史
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英語では飛行のための装置を設計・開発・製造・利用すること等々を広く指してaviationと言い日本語では航空という用語をあてるが、aviationの歴史をaviation historyと言い、それを日本語では「航空史」と言う。

数多くの要素がある人類の飛行の歴史の中から、もしもハイライトに絞って挙げるとするならば、例えば次のようになるかも知れない。

1900年初の硬式飛行船ツェッペリンLZ-1での初飛行、1903年のライト兄弟による動力機での初飛行、1927年のリンドバーグによる単独・無着陸での大西洋横断飛行、1939年のターボジェット機 He178での初飛行、1947年のチャック・イェーガーによるロケット動力飛行機X-1での音速突破飛行、1976年の超音速旅客機コンコルドの初飛行、1961年のソ連のボストーク1号でのガガーリンの世界初の有人宇宙飛行、米国のアポロ11号での月面着陸、スペースシャトルのコロンビア号の事故とチャレンジャー号の事故。また日本人ならば航空史を語る時に、1785年ころに浮田幸吉が滑空飛行を成功させたこと、も併せて挙げるかも知れない。

3.2. 熱気球での飛行
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3.3. 飛行船での飛行
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3.4. グライダーでの飛行
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グライダーでは滑空を行う。つまり基本的には固定翼機と似た機体での飛行であるが、動力無しで飛ぶ。グライダーというのはglide グライドするもの、といった呼称である。

基本的には、空気中をほぼ水平だがわずかに斜め下方向に、滑るように進むように設計されている。

中世にヨーロッパで制作されたことがあるとされる滑空装置などはあまり滑空性能は良くなかっただろうと推察されている。ただし17世紀のオスマン帝国の学者ヘザルフェン・アフメト・チェレビは、数千メートルほども滑空するのに成功したとの話が伝わっている。

1m下がる間に何mほど前に進めるか、という値を「滑空比」と言うが、近年のグライダーは空力性能が向上しており、一般的な機体では、数十対1程度の滑空比でとぶことができ、 競技用のグライダーでは例えば40対1程度の滑空比で飛行できるように設計されている。実際に降下する率は、機体の設計やその時々の気象条件や操縦方法によって異なっている。

ただし、グライダーは上昇してゆくこともできる。上昇気流のある空間を飛行すると、グライダーが空気に対して下降していても、空気が上方向に移動した分、翼が下方から力を受け機体も上へ持ち上げられる。よって十分に大きな上昇気流が起きている空間を飛べば、下降する分よりも上昇する分が上回るので、動力が無いにもかかわらず、上昇してゆくことができる。

一般に、グライダーの飛行では、地表が太陽の熱で温められて生じる、眼には見えない柱状の上昇気流を見つけては、その柱状の空間内で旋回し、グルグルとらせん状に上昇して高度をかせぎ、やがて上空でその柱が消えたあたりでその空間から離脱し、直線的な飛行に移り、高度が下がってゆき、また高度があまり低くなる前に再度上昇気流の柱状の空間を見つける、ということを繰り返す。

トンビなどの鳥が翼を動かさずに、大空で上昇気流を見つけ、くるくると回転しながら上昇してゆくことがあるが、グライダーのパイロットはそれを模倣し、それと同じ原理で高度をかせぐ飛行を行うのである。トンビの飛行と同じで、エンジン音もせず、とても静かに飛行する。静かなこともグライダーの飛行の魅力のひとつだとグライダー愛好家は言う。

グライダーの連続航行距離の世界記録は、アンデス山脈で作られたもので3,000kmを越えている。

3.5. 動力付固定翼機での飛行
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3.5.1. 基本原理
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基本的に固定翼機は、前方へ押されることによって、空気が前方から翼に当たり力を生じる。翼に迎え角がある場合、下側の面に空気が当たり、それによって後斜め上の方向への力が発生する。その力は一般に、地面に対して垂直方向の力、および進行方向と反対の方向の力に分解して理解されている。機体は、重力が生む下方向の力を、翼が生む垂直方向の力によって打ち消すことで、自由落下に陥ることを免れる、という原理になっている。

翼というのは、真平らな板状のものでも揚力を生むことが可能で、迎角があれば揚力は発生する。ただし、上面は曲面にしたほうが、揚力はいくらか大きくなる。というのは、翼の上面を曲面にしたほうが、そこで翼から空気の流れが離れてしまって乱流が発生しまうことを防ぐことができ、上面の乱流が無いほうが、翼で発生する揚力は大きくなるからである。迎角は補助翼によって生む力で機体の前後の傾きを変化させ調整する。

初期の、推進用のプロペラをそなえた固定翼機から説明する。プロペラが回転することで機体を前方へ押す力を生む。

3.5.2. ライトフライヤー号
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ライト兄弟は、ライトフライヤー号に12馬力と推定されるエンジンを搭載し、2つのプロペラを駆動し推進力を作り出し、固定された2枚ののたわみ翼で揚力を作りだし飛行した。補助翼は主翼の前にあり、現在の一般的な飛行機が補助翼が主翼の後ろにあるのと比べ前後が反対である。操縦者はふせる姿勢でレバーを握り飛行の姿勢を制御した。地表から数十cmの高さを水平に飛行させ、4回の飛行を繰り返し、記録を伸ばし、4回目に59秒間で260mの飛行を行った。

ライトフライヤー号では、ほぼ直線的な飛行しかできなかったが、やがて旋回ができる機体が開発されることになった。

第一次世界大戦初期、飛行機による敵地の偵察が開始された。最初は武器も搭載せずパイロット同士はのどかに手を振り合うなどしていたが、やがて飛行中に空中で物を投げつけたり、互いに拳銃で撃ち合ったりするようになった。第一世界大戦中には機関銃を搭載した戦闘機による空中戦が戦術として定着した。

飛行技術の高度化は様々な方向で行われ、一つには空中で自在に動くことを目指した。機体の改良と操縦テクニックの発達により宙返り、ローリング、背面飛行などが可能となった。空中戦で、敵機に対して有利な位置をとるために用いられた。

別の目標としては高速化があった。1947年には米国のベル社のX-1で水平飛行での音速を超える水平飛行を実現した。

なお現在のジェット旅客機は、巡航時に10,000mほどの高度を飛行するが、その巡航速度は、一般論として言えば、対空速度で言えば860km/m前後で、音速のおよそ0.83倍に相当する。なお高高度では空気が極端に薄くなるため、揚力が極端に下がり、低高度で見せるような中・低速では飛ぶことができない。また旅客機は一般に音速で飛べるようには設計されておらず速度に上限もある。つまり実は、ジェット旅客機が高高度で安全に飛べる速度の幅はかなり狭い。

3.6. 回転翼機での飛行
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{{Double image aside|right|Robinson R22 Beta II, Private JP7674136.jpg|200|Starr-170131-0758-Prosopis pallida-twin rotor large helicopter-Kanaha Pond-Maui .jpg|200|シングルローターのヘリによる飛行(右）