降着装置

降着装置とは、航空機の機体を地上で支持する機構で、そのうち特に着陸の際の衝撃などを受けられるものを指す。着陸装置、ランディングギア 、アンダーキャリッジ 、着陸脚ともいう。

通常は車輪と緩衝装置から構成されるが、水上用にフロート、雪上用のスキー、艦載機ではアレスティング・フック、ヘリコプターではスキッドを備えることもある。

口語や俗称として単に「タイヤ」や「ギア」、「車輪」とも言われる。

1. 固定式と引き込み式
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最初期航空機たる気球や飛行船では特に可動機構は無いゴンドラ下面が着陸時に接地しており、続くオットー・リリエンタールによるハンググライダーは後代のハンググライダーと同じく操縦士自身で離着陸を行っていた。更に後の登場初期の飛行機は、機体に固定された着陸装置が用いられていたが、飛行機の高速化、高性能化が進むにつれ、空気抵抗や機動性、空力特性を考慮し引き込み式が増えてくるようになる。そのため、固定式は荒れ地での離着陸を考慮し低速で飛行する機体に限定された。

現在では大多数の飛行機が引き込み式となっているが、格納するための機構は飛行中はデッドウェイトとなり、またメンテナンス作業も増える。さらに故障や出し忘れなどの操作ミスにより着陸装置が伸展できず不時着や胴体着陸となる航空事故がしばしば発生している。長距離を飛行する機種では空気抵抗を減少させるため格納時にはカバーで覆う設計が主流だが、ボーイング737のような短距離を想定した旅客機ではカバー削減による軽量化やタイヤの冷却を考慮し主脚を機体の「くぼみ」にはめ込みタイヤの側面は露出させるタイプも存在する。また、新明和工業が製造する飛行艇US-1やUS-2では、艇体の水密信頼性を上げるため主脚では水密部位を脚の回転基部に限っており、格納部全体を覆うカバーは省かれた。そのため主脚のタイヤは格納後も機外に露出している。A-10 では胴体着陸に備えて主脚引き込み時も、収容部から接地面＝タイヤ外周が一部露出している。高高度を長時間飛行する国際線の旅客機では、航空機に付着した氷塊が降着装置の展開により空港付近に落下する事例があり、成田空港では落下物発生防止を目的として、到着機にギアダウンを太平洋上で行わせる措置を義務化しているが、年間約3件程度発生している。

固定式は格納式に比べ空気抵抗が増えるものの、複雑な機構を必要とせず軽量で頑丈であるため、機構の重量が機体の離陸重量に比して無視できない小型機では固定式が主流である。特に高速・長距離飛行を行わず操縦に不慣れな訓練生の荒い着陸が多い初等練習機や、重量にシビアで危険な飛行を行う曲技飛行機では固定式の利点が多い。固定式では空気抵抗を軽減するため、降着脚を空気抵抗が少なくなる形状としたり、タイヤをホイールカバーで覆うなどの工夫が施される。特にエアレース用の機体はホイールカバーや降着脚の形状がタイムに影響するため特注品に交換されることもある。

水上機用のフロートは速度性能よりも降着時の大きな衝撃に耐える信頼性が優先され、機体に収納することも困難なため基本的に固定式である。飛行艇の降着装置は着水時に抵抗になるため格納式が多いが、リパブリック RC-3 シービーのように主脚を跳ね上げる形式もある。

グライダーでは空気抵抗を最小限にするため降着装置を搭載せず、胴体下部を擦って離着陸する設計が多いが、取り回しを優先し接地する部分だけを露出させた車輪を持つ機体や、引き込み式も登場している。基本的に草地で運用され低速なことから緩衝装置などは搭載せず、胴体の前後に1輪ずつのタンデム式である。モーターグライダーではプロペラが地面と接触しないように固定式の降着装置を有する機体もある。

1.1. スキッド
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基本的に離着陸滑走が不要で、また速度や航続距離も小さく空気抵抗が大きな問題にならないヘリコプターでは、金属の棒やパイプで構成される簡素な脚「スキッド」が利用されてきた。乗り降りの際に足をかけやすくするため上面に滑り止め加工を施したり、上下2本設置するヘリコプターもある。また空気抵抗を軽減するためスキッドの形状を工夫した機体もある。

スキッド式では牽引する際に車輪の付いた台が別途必要となり、自力で移動する場合は、一度離陸して低空飛行で移動する「ホーバータキシング」が必要となるが、どちらも衝突防止のため安全距離を確保など制約が多い。また機体の大型化や高速化、空港での運用効率化の観点から車輪を備えた固定脚が登場し、近年では空気抵抗を軽減するため引き込み式の車輪を採用したモデルも存在する。引き込み式でもアグスタ A109のように一部を露出させ不時着時のクッションとする設計もある。

運用形態によってはスキッドに救助者を乗せる担架や視員用の座席、緊急着水時に膨脹するフロートなどを取り付ける台座として利用することもある。

2. 脚の配置
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2.1. 主脚
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重心近くすなわち主翼近辺にあって荷重のほとんどを支持するものを主脚と呼び、通常左右に配置される。静安定維持のためには重心周りに最低3点が必要なので、両主脚以外にあと1点分の脚が必要である。

2.2. 前輪式と尾輪式
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地上滑走用の着陸脚の配置には、主脚以外の1脚の位置によって前輪式と尾輪式の2つに大別できる。これまで製造された航空機の多くはこの2種類どちらかの配置か、またはその類似・派生の配置になっている。

主脚以外の1脚を前方の機首下部に置くものを「前輪式」、機体後部に置くものを「尾輪式」と呼ぶ。尾部の支持は実際には車輪ではなく橇のこともあり、その場合には「尾橇式」といわれることもある。3車輪式という呼称もあり、厳密に解釈すれば両方の形態を指しているとも取られることがあるが、大勢としては特に前輪式を指して用いられることが多い。逆に「3点姿勢」「3点着陸」等のように、3点と言及されるときには尾輪式を指すのが通例である。

英語では尾輪式を//"conventional landing gear"//と呼ぶことからもわかる様に、かつては尾輪式が主流だったが、現代のほとんどの飛行機は前輪式またはそれの変形方式を備えている。その理由として尾輪式の離着陸が難しいことがあげられる。

静安定性では尾輪式と前輪式の差はないが、地上への着陸時の動安定性では大きく差が出る。機体荷重のほとんどを支えブレーキ摩擦によって速度を減殺する主脚の位置が、尾輪式では機体重心位置の前方に位置するため、機首方向が走行方向と異なる状態でブレーキをかけるとますます差が拡大してしまい、修正が困難となる。このため、尾輪式は常に方向を修正しながら制動しなくてはならず、修正が間に合わないと「グラウンドループ」と呼ばれるヨー方向のスピンに入ってしまう。前輪式では制動力は機体重心より後方で生じるのでズレを修正する力が働く。

前輪式では着陸時の制動によって機体が前傾することが少なく、また、離陸滑走開始時から機体の水平が保てるために、滑走中盤に尾輪が浮上するまでは過度に大きい主翼迎角となる尾輪式に比して、離陸性能を高く出来る。尾輪式の離陸滑走初盤では操縦席正面から滑走路が直視できない機種も多く、とくに大型機すなわちプロペラ直径が大きく主脚を長くせざるを得ない機体の並列複座操縦席で顕著であり、側面の窓から路面の流れを見て直進を維持するなど操縦に技術を要した。推進式では機体後半や尾部で回転するプロペラ先端と滑走路面の距離を取る必要があり、前輪式の採用が多い。

尾輪式は地上において機首が斜め上を向くことから操縦席からの視界が制限され、地上でのタキシングにも支障が生じる。特に第二次世界大戦中に開発された単発戦闘機は、速度や上昇力の要求に対して大型エンジンを搭載したことで機首が大径化した結果、タキシング時に機首を左右に振って前方を確認するなどの動作が必要な機種が多かった。また来栖良のようにスクランブル発進しようとした機体の死角にいたため接触事故で死亡する例もあるなど運用上の問題も発生した。当然現代の大型空港・航空母艦に備えられた飛行場灯火・光学着艦装置に従った厳密なコース取りによる着陸・着艦には、全く不向きである。

現在では尾輪式の飛行機が少ないこともあり、尾輪式の飛行機を離着陸させるのは習熟したパイロットでないと困難である。

ただし尾輪式には以下のような利点もある。

降着装置は荷重を支えるため頑丈でなければならず、軽量化を阻害して航空機設計の大きな課題となっているが、前輪に比べて尾輪は機体重心から離れているためてこの原理で簡単・小型にすることができ、その分軽くなる。
引き込み式でなく固定式にする場合、前輪式の首脚に比べ小型にでき飛行中の空気抵抗が少ない。
プロペラと地上のクリアランスが確保できる上、着地時の荷重を分散しやすいため、不整地での離着陸に向いている。前輪式の普及で尾輪式の新造機は少なくなったが、舗装されていない滑走路からの離着陸性能が求められる農業機やブッシュ・プレーン、重量や空気抵抗を重視しながら固定脚が求められる曲技飛行用の飛行機には多く採用されている。着陸時の視界を確保するため、ジブコ エッジ540では機体下部の側面に透明なパーツを使用し、操縦席から地面が見えるようになっている。

尾輪式でも過去に存在した機体では、無垢のゴムタイヤや金属車輪など簡単な構造の事も多く、そのままで機首上げ状態を維持できているため脚自体も非常に短いかほとんど存在しなかった。スペースシャトルやX-15 などの着陸専用を除いて、前輪式で機首脚を持つ場合は、少なくとも機体姿勢を水平に維持できるよう、主脚と同じぐらいかそれ以上の長さでなければならない。構造も主脚と同様の緩衝装置と中空タイヤとなるのが普通だが、そのため一般的には尾輪より前脚のほうが機体の構造としては複雑になる。

ツポレフTu-95やコンコルド、SAABドラケンの様に、高迎え角で離着陸する際に尾部を擦らないように、前輪式機体ではあるが収納式の尾輪を同時に持つ機体も存在する。逆に、ツェッペリン・シュターケン R.VIのように離着陸時の前のめりを防止するため、尾輪式でありながら固定式の前輪を備える機体もあった。

XP-79やCH-47 の降着装置は前後に2輪ずつの4輪式を採用していた

3. 構造
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着陸脚の構造は基本となる車輪部と、着地の衝撃を吸収する緩衝装置、そして引込装置やブレーキやトルク・リングなどから構成される。1本の脚柱に複数の車輪がつく場合には、同軸に配置するかボギーを用いる。

3.1. 車輪
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車輪は一般にゴムタイヤを用いる。大型機のいくつかでは外気温変化の影響を避けるため水蒸気分圧を低くした純窒素ガスを充填するが、旅客機では空気を充填している。整備のよい滑走路を使用する大型旅客機等では着地時のタイヤ変形量と接地面積の増大による転がり抵抗を考慮して充填圧は乗用車やトラックに比べ高く設定される。滑走路上の異物などを踏んでしまった場合、充填圧が高いとタイヤ破裂の危険があるため、不整地や悪条件での離着陸を念頭において運用される際には、わざとタイヤの圧力を低くして滑走中のタイヤ破裂という最悪の事態を避ける。

3.2. 動力
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降着装置の車輪は動力を持たないため地上走行にはプロペラやジェットエンジンの推進力を使用するが、騒音やジェットブラストによる地上への影響があるため、駐機場から滑走路間の移動以外は車両による牽引を受けるのが基本である。車輪を有するヘリコプターでは自力でのタキシングが可能だが、メインローターも回ってしまうためダウンウォッシュによって付近に影響を与えることからタキシングの経路に規制が掛けられる。スキッド式ではホーバータキシングが必要となるが、短距離の移動のためにエンジンを始動し低空を飛行するなど騒音・燃費の影響がある。

大規模空港では牽引車両の到着待ちや連結作業などで時間を取られ、運用上のボトルネックとなっていた。またタキシングの距離も長いためメインエンジンによる走行は燃費を悪化させていた。対策として航空機側の車輪に電気モーターを搭載しメインエンジンや牽引車両に頼らず滑走路まで自走できる電気自走タキシングシステムが開発された。737やA319へ後付けできるWheelTugのような製品も登場している。

古来度々構想・開発される事がある空陸両用車では、陸上走行時の燃費・加速性能・登坂性能上、車軸駆動推進が可能になっているケースが多い。

3.3. 緩衝装置
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油と空気をピストン内に閉じ込めたオレオ式の緩衝装置  が普及する前の初期の軽量な機体の衝撃吸収には、車軸と機体の間をゴム製の緩衝コード  で結んだ構成が採用されていた。現在でも一部の小型機などでは同様のものが用いられることがある。小型機では他にも積層ゴム円盤  を組み合わせたものや、脚柱自体の弾性をもって緩衝装置とする方式もあるが、緩衝装置の軽量化により軽飛行機にもピストン式の緩衝装置が普及している。セスナ 172の主脚は1956年の販売当初からクロム・バナジウム製の板バネであったが、1971年のモデルチェンジでテーパーがついた中空パイプの支柱に変更された。なお前脚はピストン式の緩衝装置を採用している。

曲技機は機体自体が軽量であるため、ピストン式の緩衝装置ではなく板バネを利用する方式が広く用いられている。曲技機であるエクストラ EA-300は左右の脚柱を一本の板で構成し、弾性で衝撃を吸収する設計となっている。

航空機の自重は、空中では主翼が支持し地上では着陸脚が支持する。しかしその水平断面積の差を考えると単位面積あたりの荷重は着陸脚にかかるものの方が桁違いに大きく、着陸脚は主翼よりも遥かに頑丈な構造で衝撃を吸収しなければならない。このため着陸脚は航空機の艤装品の中でもかなり重量があり、運用利便性や不時着時安全性を犠牲にしてでも飛行性能を追及した一部の機体では、後述するように離陸後に脚を投棄する形式としたものもあった。

3.4. 付随装置類
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低速飛行を主体とする小型機やフロート式・スキッド式降着装置などを除けば、多くの航空機で一般的に採用されているタイヤ式の脚部は、飛行中の空気抵抗や障害の発生を避けるために、機体内に収納するようにできており、油圧式のアクチュエータやモーターなどで上げ下げが可能な引込装置を備えている。機体への支持方法は、機体の構造部材にブラケットとトラニオンを組合わせた方式が使用されている。トラニオンには緩衝支柱が取付けられており、脚の上げ下げの行程において、そこを支点に前後又は左右に回転するようになっている。支柱の下端は車輪の軸やボギーになるが、緩衝装置のピストン内筒とその下部の車輪が自由に回転しないよう、緩衝装置にトルク・リンクを取付けるか又はピストン内面の溝に凸部が嵌ることによって脚の向きを正面に保っている。また、脚下げ時に、地上において不用意に脚が引き込まないように、脚の周囲にさまざまな形式のリング機構が取付けられており、後述するダウン・ロック機構により固定される。その他に、脚操作のハンドルを地上ではロックして、離陸後にはロックを解除する安全スイッチ、脚のいくつかの支持部分をピンで固定するグラウンド・ロックなどがある。

引込装置の確実な動作は航空機にとって重要であり、脚部格納部の格納扉の開閉も含めて多くの機体ではモーター駆動による電動式又は油圧による油圧式を採用しており、前者は主に小型機に、後者は主に大型機に使用されている