模型航空
以来、曳航中に上昇気流を探し、その中に引き込む戦術的な曳航法の開発が各国でも行われるようになった。同時に、曳航に使うハードウエア面でも研究が行われ、新しい素材や機構が登場している。
曳航索は、従前のタコ糸や裁縫糸から、釣り用のナイロン・テグス(単線)、鋼線など、軽く細いものが模索された。鋼線は細く延びないので操作性が良かったが、電線に触れて感電事故を起こしたので、現在では使用を禁止されている。1955年当時は曳航索の長さを自由長で測ったから、力がかかったときの伸びが大きい細いナイロン索が好まれた。
曳航技術が進むにつれて、フックは後方になり、重心位置直下に近づいた。機体は概ね曳航者の頭上まで引き上げられ、当時の50m索の離脱高度は、索の伸びと曳航者の身長と、ジャンプを加えて52mくらいとされていた。その後、曳航索に引っ張り荷重をかけて計測するように改正され、現在の規定では5kg荷重で50m長の索を使っている。
機体を操る技術や曳航フックの形式が進歩すると、今まで風上にだけ曳航することが常識であったものが、横や風下に引き戻すことも出来るようになった。
曳航中に上昇気流の一端をかすめたことが感じられた場合、Uターンして引き戻し、その上昇気流の真ん中に入れなおすような機動や、索を付けたまま何回も旋回させて上昇気流を待つテクニックも開発された。前者の機動は、発明者G・リッツ(1959年世界戦主権者・米)の名前から「リッツ・ターン」と呼ばれ、後者は「サークリング」と呼ばれる。
これらの曳航テクニックは、従来よりも長時間の曳航を可能にしたから、間歇的なサーマルの発生とグライダーの離脱とを同期させることが可能であった。特にサークリングは理論的には無限に続けることが可能であるので、10分を越える曳航も行われている。
このような長時間曳航は、索の離脱によって起動する時計式タイマーの出現によって離脱時期を自由に選べるようになり、実用化された。
フリーフライトの滞空競技用模型機には、機体が飛びすぎ行方不明にならないように、一定時間で降下させる「デサマライザー(上昇気流離脱装置)」が標準装置として付いていた。デサマライザーは1940年頃考案されたが、作動時期を制御する手段には軽く確実である火縄が使われ、その利点のために現在でも一部で使われている。
1950年代も火縄で一定時間後に尾翼を動かして降下させる方法が主流であったが、その点火は出発時に行うために、時間設定(火縄の長さ)は予想曳航時間と予定飛行時間の合計になる。従って、予想以上長時間にわたって曳航すれば、予定飛行時間以前に機体を降下させることになり、競技成績は下がる。逆に、速く離脱させれば飛行時間が長くなり、遠くまで流されて回収が困難になる。従って曳航時間は制限を受けて、自由なタイミングで離脱することができない。
1970年代になると、曳航で高度を取ってから加速をして、その勢いで曳航索の長さ以上に高度を稼ぐ「カタパルト・ランチ」も行われるようになった。「カタパルト」は、紙飛行機に使う、棒につけたゴムで射出する飛行法の名称でもあるが、曳航グライダーの場合は、ダビデが使った古代の投石器と同じように、ひもの先に引っ掛けて振り回して投げ出す方式を指す。
カタパルト・ランチを有効に機能させるには、機体が高速である必要がある。昔のように機体を滑空姿勢に入れて静かに離脱させた時代は、低速でも沈下速度は小さい高揚力型の翼型も、サーマル内部に止まりやすいと言うメリットがあったので使われたが、上記の条件で淘汰され、グライダーでも高速型翼型が主流となったまた強い加速を加えられるように、曳航索は太く、伸びの少ないものに変わった。
初期のカタパルト・ランチには、従前の構造の機体がそのまま使われた。高速型翼型を使った設計は適性が高く、離脱位置よりも概ね10m上昇したと言われる。F1A級グライダーの沈下速度は0.3m/秒くらいであるから、30秒強の滞空時間増加が見込まれることになる。
カタパルト・ランチによって加速して、高速度で離脱したグライダーを惰力で上昇させるとき、水平尾翼(昇降舵)を操作して、主翼を抗力の少ない迎え角にすると効率よく高度を獲得することが出来る。上昇時に水平尾翼の取り付け角を変えて主翼の抗力を削減する手法は、1960年頃F1C級エンジン機に導入され、同級ではすぐに普及した。
この手法は、曳航グライダーに応用できるが、水平尾翼の角度変更操作はエンジン機が1回で済むのに対して2回必要になり、機構・操作ともに複雑になるので導入は遅れた。
グライダーの場合、地上を出発するときは水平尾翼の取り付け角は概ね滑空時と同じ(一般的には主翼取り付け角より3度くらい少ない)にセットされる。その角度で風上に向かって曳航・上昇させ、必要に応じてサークリングなどの横方向の機動を行い、サーマルが見つかったときに曳航者のダッシュと索の急激な引き込みによって機体を加速する。曳航フックは一定の荷重(競技者ごとの秘密であるが、機体重量410gの数十倍と言われる)で索を離脱する構造になっていて、離脱と同時に水平尾翼の取り付け角を数度増やして、機体の釣り合いを滑空時より抗力の少ない状態にする。
機体は加速された惰力を使い、水平尾翼の取り付け角の減少によって効率よく上昇する。上昇が頂点に達したとき、水平尾翼の取り付け角を滑空状態に戻し、同時にオートラダー(方向舵)を操作すれば、離脱高度より25mくらい高い高度から滑空を始めることができる。離脱以後の水平尾翼(昇降舵)とオートラダー(方向舵)の操作は、多機能タイマーによって管理されるが、そのタイミングも競技者の秘密事項と言え、RCグライダーの操舵のシミュレーションによって煮詰められた例もある。
上記と同じ上昇時の抗力削減効果は、主翼のフラップの上下によっても生じる。この場合は主翼の翼型抗力も減るから、効果はより大きく、獲得高度は40mに達する。
但し、装置が大掛かりになり、構造が複雑になり、主翼の強度保持が困難になるなど、実用化の障害があり、開発途上である。
フリーフライト・グライダーの曳航は、模型航空の最もスポーツ的な分野といえる。
F1A級グライダーの飛行速度は概ね5m/秒であり、無風時の曳航速度はこれと同じになる。一般的な気象条件として、地表でも数mの風があり、50m上空の風速はそれより大きいから、曳航者は状況に応じて走り、歩き、立ち止まる。風の強い場合は機体に向かって風下方向に疾走しなければならない場合もある。
サークリングやリッツ・ターンのような横方向の機動は、強風下では困難である。風が弱くても、機体が風下方向に曳航されている状態では、風速と飛行速度が合成されるから、曳航者は速く走らなければならない。
カタパルト・ランチを有効に行うためには、機体を強く加速しなければならない。無風時には、曳航速度と索の引き込みだけで機体を加速しなければならないので、足が速いほど有利になる。
風速や地面の整い方によって様々な場合が生ずるが、グライダーの曳航は短時間の全力疾走を含み、複雑な方向転換や加減速を行う機動である。その点では、陸上競技よりもフットボール系の走法に近いが、常時50m上空の機体の挙動を注視しなければならない点が独特である。
グライダーは、離脱後3分程度の飛行の後、風下約1kmの地点に降下するから、競技者はその追跡と回収も自分で行う場合が多い。フリーフライト。グライダー競技は、曳航と追跡・回収を概ね1時間おきに1日で5~7回以上繰り返すから、気象状況によっては肉体的に過酷である。
<資料1>日本模型航空機記録規程(1940年頃)
第4、競技用模型航空機ノ出発ニ関スル規則
(1、2項 略)
3、滑空機
イ、手ヨリ出発スル場合=競技者ハ平地上ニ立ツコト
ロ、ゴム索を応用シテ出発スル場合=ゴム索ノ自由長3メートルヲ最大限度トス
ハ、駈走シテ曳航シ出発スル場合=不伸張曳航索ノ長サハ100メートルヲ最大限トシ、競技者ハ75メートル以上駈走ヲナサザルコト、而シテ競技者ノ停止位置ヲ以ッテ出発点トス
(「模型航空機―理論と工作―」:中正夫:三省堂:昭和17年)
<資料2>F.A.I.のスポーティング・コード(2008年現在)
3.1.4 公式飛行の定義
a) 3.1.5.の定義で不成立とされたアテンプト以外の1回目のアテンプトで達した飛行時間.(もし3.1.5f の理由によりアテンプトが不成立で、かつ2回目のアテンプトが成立しない場合は、第1アテンプトの飛行時間が公式飛行時間となる.)
b) 2回目のアテンプトで達した飛行時間.もし、2回目のアテンプトが3.1.5.a., 3.1.5.b., 3.1.5.c、3.1.5.d. あるいは3.1.5.e.の定義により不成立の場合は、飛行時間は0である.
3.1.5 不成立アテンプトの定義
グライダーが発航して、次のような結果の少なくとも一つが起きた場合はそのアテンプトは不成立とする.1回目のアテンプトでこれが生じたときは、競技者は2回目のアテンプトを行う権利を有する.
a) グライダーが曳航索を離脱することなしに、地上に戻った場合.
b) 曳航索の離脱の瞬間が計時員により確定できなかった場合.
c) 曳航中または飛行中に、模型の1部分が脱落した場合.
d) 競技者が、曳航索との接触を失ったことが計時員に明らかで、かつ競技者またはチームマネージャーが(不成立)アテンプトの宣言を選択した場合.
e) 競技者が、曳航索との接触を失ったことが計時員に明かで、かつ、曳航索が競技者以外の人間により操作された場合.
f) 飛行時間が20秒以内の場合でかつ飛行がデサマライザーの動作により終了しない場合.
3.1.6 以下の場合、アテンプトの繰り返しが出来る.
a) 模型が発航中、当人以外の発航中の人に衝突した場合.
b) 曳航中、グライダーが飛行中の模型に衝突した場合(ただし、曳航中または曳航索のついた模型を除く)、および曳航が正常に継続出来ない場合.
c) グライダーが飛行中、他の飛行中の模型あるいは自己の曳航索以外の他人の曳航索に衝突した場合.この場合、グライダーが正常な状態で飛行を続けることが出来れば、競技者はその飛行を公式飛行として承認するよう要求出来る.この要求は飛行の終了後に行ってもよい.
(中略)
3.1.11. 発航装置
a) 1本の索によりグライダーを発航しなければならない.索の長さは離脱装置および発航装置を含めて5kgf の引張り荷重を掛けたときに50m を超えてはならない.この引張り荷重試験は競技者の求めに応じて競技前および競技中に、さらに役員の求めに応じて競技中に模型の少なくとも20%の検査を行うときに適当な装置により行うものとする.金属ケーブルの使用は禁止する.
b) この索によるグライダーの発航は、ウインチ、単数又は複数の滑車など各種の装置の助けによって、またはランニングなどによって行うことが出来る.競技者は曳航索を除くこれらの装置を投げ上げてはならない.違反した場合、その飛行は無効となる.曳航索とその端部につけた(リング、ペナントあるいは小さいゴムボールのような)軽量の目印を離しても構わない.
c) 観測と計時を容易にするため曳航索には最小面積2.5dm2、最小幅5cmのペナントを直接取り付けること.
d) いかなる種類の曳航索安定補助装置も禁止する.ペナントの代わりにパラシュートを使用できるが、グライダーに取り付けてはならず、索が離脱するまで折り畳まれた状態で(パラシュート)の働きをしてはならない.
3.1.12. 発航の方法
a) 競技者は地面上にいなければならない.また発航装置は自分で操作しなければならない.
b) 曳航索を最良の使用状態にするために発航装置を投げることを除き、すべての行動及び運動の自由が許される.
c) 模型は出発ポール位置から約5m 以内の地点から発航させなければならない。
(日本模型航空連盟ホームページの公式訳より引用).
模型航空気象とは模型航空機が飛行する空域の気象を言い、安全に、良好な飛行をさせるためには極めて重要である。全般的な天候の変化は、他の野外スポーツと同様に、競技の進行に影響する。模型航空は精密な機材を使うために強く影響され、それによる競技の打ち切りや変則ルールの臨時採用などあるので、予知できれば有利である。模型航空機の飛行する空域の大きさは、機種によって異なるが、概ね水平方向1キロメートル、垂直方向0.1キロメートル程度である。コントロール・ライン種目においては、索の長さに制限されるために、半径25メートル程度の半球になる。
飛行空域の気象に最も影響を受ける種目は、フリー・フライト滞空競技と、ラジオ・コントロール・グライダーである。一般に、出力が弱く、低速な機体ほど、気象の影響を強く受ける。室内機は、閉じられた空間を飛行する機種であるが、屋根や壁や窓などに対する日照などの屋外の状況、建物の微小な隙間、選手・役員の体温などによって、室内に気流が生じ、飛行に影響する。その予測と解明は、気象学と空調工学が重なる分野である。
気流の観測手段1、浮遊性可視物(直接法)
模型航空気象の主対象は、風(特に垂直方向の上昇・下降気流)、ならびに天候の推移である。気温・気圧・湿度も飛行に影響する。上昇・下降気流は滞空時間に直接的に影響するため、最も重要であり、観測や予知の手法が多く研究・開発されている。初期においては、気流の動きを直接視認するために、シャボン玉や浮遊性の草の種子(キャット・テイル、タンポポ、ススキのようなもの)を飛ばした。
気流の観測手段2、吹流しとサーミスター(間接法)
熱上昇気流は、空気が相対的に高温な地表の上で加熱されて、相対的に高温な気泡が作られ、ある程度成長すると地面を離れて上昇する。従って、温度が周期的に変化し、地面を離れた瞬間は風速と風向が変化する。 近年は、知識やデータが蓄積されたので、これらの動きを解析できるようになり、より間接的な手法によって上昇気流の動きが推測できるようになった。用具としては、特殊な吹流し(ストリーマー)と、サーミスター温度計が多い。
このストリーマーは、長さ数メートルの軽いプラスティック・テープ(録音テープなど)を、長い釣竿の先につけたもので、先端の触れ方で風向のほかに、熱上昇気泡(サーマル)の発生や成長が読み取れる。 サーミスター温度計は、気温の微小な変化を敏速に示すことが出来るので、温度の自記グラフを使ってサーマル発生の周期や成長程度を判断することが出来る。
気流の観測手段3、地表の観察など
地表の場所による温度差は、草地・裸地、乾燥・湿潤など地表の状態によって暖まりやすい場所の見当はつく。従って、上記のストリーマーなどとの相対位置は既知であり、その知見を含めてサーマルの評価が行われる。サーミスター温度計が利用できなかった時代でも、人間の五感によってサーマルの予知は行われていた。訓練により、顔の表面でも温度の微変化は察知できる。また、より敏感に察知するために、気温が低い条件でも半裸で競技する選手も存在した。 熱気泡が地表を離れて上昇すると、周囲から風が吹き込むので、サーマルの生成場所に無い臭いがする場合がある。田園で飛ばしていて、突然花の香りや肥溜めの臭いがした場合は、そこの熱気泡が離陸したときである。
水平方向の風向と風速は、飛行コースに影響を与える。フリー・フライト種目の場合は、風下に流されるので、強風のときは流される距離と自身の追跡能力を比較して、機体の追跡と回収の可能性を計って飛ばす必要がある。 風向と風速は、地表と上空と異なる場合があり、模型機の飛行は上空の状態で判断する。 上空の風速は一般に地表の1.5~2倍で、流される距離はそれだけ長くなる。
気温・気圧・湿度の、機体に対する影響
気温・気圧・湿度は、エンジンや動力ゴムの出力や特性に影響する。エンジンの出力は気圧の低下に伴って低下し、それによって飛行特性も影響される場合がある。特に、高高度の高原で競技する場合は影響が大きい。動力ゴムは、気温が低いほど巻き数や出力が低下する。これを防ぐために、胴体を懐炉などで加熱することが行われた時期もあったが、現在では禁止されている。従って、寒冷地の競技では出力低下を見込まなければならない。湿度は、翼の被覆材をたるませる場合があり、捩れや強度の低下を生じ、飛行特性が変わる場合がある。さらに、重量増加や重心位置の移動も起こる場合がある。
フリーフライト機が3分の飛行を行った場合、その時の風速が5m/秒ならば機体は風下に約1km流される。
競技が行われる場所としては、飛行場、農閑期のタンボ、演習場(草原)などがあるが、飛行場を除いて地表は平坦ではなく、見通しも効かない場合が多い。1kmさきに模型機が着陸した場合、飛行場ならばそれが視認でき、回収のためには1kmをまっすぐ歩いて往復すればよいが、それでも20分はかかり、残される準備や飛行の持ち時間は40分になる。
追跡のとき、田んぼの場合はあぜ道伝いに、荒地の場合は障害物を避けながら進まなければならない。風向きが一致しない場合は、ジグザグコースで機体着地点に向かうことになる。飛び越せない水路等がある場合は、迂回しなければならない。そのため、機体回収のために移動する距離は、出発点より着陸点までの直線距離の少なくとも20-30%増し、条件が悪いと50%以上長くなる。さらに、足場も悪ければ移動速度は低下する。
追跡行動を「走るスポーツ」の分類で考えるならば、1000-1500mのクロスカントリーに相当するが、模型機の回収の場合はコースが明示されていないので、走ることに専念するわけには行かない。常に上空の機体を見失わないように注意しながら、あぜ道のどの角を曲がり、水路のどの橋を渡り、先方の林のどちら側を通れば見失わずに先にいけるかなど、あちこちに目を配りコースを判断しながら走る。だから、つまずいて転ぶ危険があり、崖から落ちたり、肥溜めに飛び込んだりした事故もあった。
加えて、決まった距離にゴールのある陸上競技と違って、フリーフライト機の追跡では風やサーマルの変化によって、距離がどんどん延びる場合が珍しくない。デサマライザー(一定時間経過したら機体を降下させるタイマー装置)が故障でもすれば、無限に近い追跡を覚悟しなければならない。従って、<1500m>というような一定距離を前提としたペース配分は不可能で、距離が延びることを想定した控えめの速さで走る必要がある。
健康な成人は、一般に世界記録の半分くらいの速さで走れる。
陸上競技場のような条件のよいコースならば1マイルは4分だから、モデラーでも着陸点まで8分弱でいける。しかしながら、前述のようにトラック競技に比べると格段と条件が悪く、時には立ち止まって機体の飛行方向を確認しなければならないので、平均速度はさらに減り、1500mの距離を進んで着陸点に到着するのに15分以上かかる場合がある。
着陸点から出発点まで機体を持ち帰る場合は、風上に機体を運ぶので、壊さないようにゆっくりと進まざるを得ない。早足で6km/時位とすれば復路も15分くらいかかる。
したがって、出発点と着陸点の往復に、30分以上かかることになる。
フリーフライトで着地点がはっきり判り、機体を探さないで済むケースは、場所の条件が非常に良いか、特別に運が良いときだけである。一般の場合は飛行中に障害物のかげに隠れてしまい、着地点の確認は出来ない。
この場合、機体を見失った現在地点から、着地点への推定見通し線を引き、距離を推定し、探しに行く。多くの場合、機体の流される方向に進んでいないから、いずれの推定もかなり大幅な誤差が見込まれる。
流される距離  出発点より約1000m
追跡速度(流される方向)  1000m×1.5÷15分=100m/分
飛行中に進める距離(同上) 100m/分×3分=300m
着地点の推定距離   到達点より700m
(飛行中には流される距離の30%追跡。700m離れたところから着地点を推定)
着地点に関する追加情報:
他の機体の飛んだ距離、
風速、立ち木や建物などのランドマークとの前後関係、
機体の見かけの大きさ。
誤差の要因:
(飛行速度、風速共に5m/秒程度ならば、10秒飛びつづける毎に50m単位の誤差が累積)、
迂回機動による歩測の誤差、
競技の緊迫した条件の瞬間的な判断。
前述の条件で推定した場合、僅か3度位の方向誤差でも700m先では35m位左右に偏れる。距離の推定誤差はもっと大きく、縦横の誤差を考えるとサッカー場程度の広さを探す必要がある。2m先もわからない潅木や背の高い草の生えている場所もあり、見える距離は様々だが、捜索時間は10分程度が必要である。
以上の追跡、捜索、回収を合計すると、40分以上になり、追跡・捜索・回収に移動する距離は、機体が流された直線距離を往復する2倍くらいである。機体整備と発航準備に向けられる時間は、僅かしか残らない。7ラウンドすべてならばハードな運動になるが、朝凪と夕凪のために早朝と夕方のラウンドは比較的楽で、出発点付近に機体が下りてくることもある。特別に天候が悪いときを除けば、上記は7回のうち何回かだけですむ。
しかしながら模型航空競技は全天候戦であるので、体育的な訓練も必要であり、オリエンテーリングのテクニックのいくつか、たとえば見通し線を見失わない迂回の方法、コンパスの使い方、歩測、目標のつかみ方等も役に立つ。強風、悪天候のもとのフリーフライト競技は、限りなく鉄人競技に近い。
模型航空競技は単純な体育スポーツではなく、頭脳や工作技術などを総合した能力を競うものであるから、機体の追跡・回収に様々な機器を利用するハードウエア的な対処も行われている。現在の模型航空の公式競技規定においては、この種の飛行をサポートする機器については定めていないため、役に立つ道具は何でも使える。但し、飛行場所によっては安全対策として、例えばオートバイなどの原動機つきの移動手段を禁止している場合もある。
追跡の移動手段として、自転車、スクーター、オートバイなどが利用される場合がある。但し、これらは飛行場まで模型機と飛行のための機材を運搬する手段としては不適当であるので、折り畳み式など車載可能型が好まれ、飛行場までの交通手段としては自動車による場合が多い。また、復路は風上に走るので、回収した機体が強い気流にさらされることになり、走行速度が制限される。これを避けるために機体を収容する箱などを装備する場合もあるが、大型になるので追跡時の行動が制限を受ける。
立ち木のある環境では、機体が木に引っかかることが多い。葉の付いている樹木は、周りより低温なため下降気流の発生源となり、機体を吸い込む。これを「着木(ちゃくぼく)」と呼ぶ。
着木点の高さが10m以下で、あまり高くないときは、長い釣竿の先にフォーク状の鋼鉄線をつけたもので機体を引っ掛けて、回収することが出来る。
それ以上高い着木の場合は、機に登って同様の操作を行う。木登り補助具として、林業や電工(電柱の登攀)に使われる特殊スパイクなども使われたという。また、弓で紐の付いた矢を放ち、枝に引っ掛けて揺さぶることも試みられている。
長距離・大規模の追跡には、様々な回収用具を搭載した自動車が使われ、理想的には梯子を積んだ消防車に近いものになる。広大な原野で行われた世界選手権大会においては、渡河のための臨時架橋装置やゴムボートが必要になった例もあるという。