人力飛行機
人力航空機のFAI公認世界記録を示す。(2014年10月29日現在)
ストークはチーフ設計者の石井潤治を中心とした11名の卒業年度の学生によって設計製作された。ストークはそれまでの日本大学で開発された機体と比べて、外皮に和紙(雁皮紙)を使用するなど機体の隅々にまで及ぶ独創的な発想と厳格な工作精度を極めたことにより大幅な軽量化と空力的な洗練がなされた名機であった。完成したストークは、1976年3月13日に日本記録更新、1976年5月には600mを超える飛行を達成した。無限の可能性を秘めたストークは、更なる記録更新を目指し、そのままの機体で、学生から副手となった石井潤治とその後輩たちに、引き継がれた。その後の旋回飛行挑戦においてストークは損傷したが、修復、改良がなされ、1976年11月24日にストークB(以前の機体をストークAと呼ぶ)として再び初飛行に成功した。 ストークBは1977年1月2日には日本航空協会公式立会人立会いの下、加藤隆士の搭乗で2093.9m、4分27秒8の飛行に成功当時の世界記録を更新した。パイロットの加藤は滑走路に制限されなければ更に長距離の飛行が出来たと主張した。 また、ストークBはストークAが挑み、損傷する結果となった旋回飛行についても挑戦、パフィン2に続く世界で2例目の180°旋回に成功しており、この時点でクレーマー賞獲得の有力候補と考えられていた。中にはストークBがクレーマー賞を獲得できなければ、クレーマー賞は獲得されないだろうという者もいた。
これまでの間、クレーマー・8の字飛行賞は未達成のまま賞金が増額され、懸賞が開始された1959年の5000ポンドから1967年には10000ポンド、1973年には50000ポンドに達した。
主桁は揚力を発生する主翼の構造を支持する部品であり、これが折損すると飛行不能となり、飛行中であれば墜落する。従って、十分な強度が要求されるが、強度を求めて重く作ると飛行機全体の重量過多を招き、飛行が困難となる。また強度と同時に主翼の剛性も担う。初期の人力飛行機ではスプルース、バルサ、合板などの木材が用いられていたが、CFRPが入手しやすくなると木材に取って代わるようになった。一部では、ボックス構造にした木材を使用している団体もある。
ダイダロスを模した機体では主桁にはCFRPパイプが用いられる。主桁となるCFRPパイプは主翼で生じる曲げとねじりの両者の荷重を負担する。ダイダロスを含め、多くの場合CFRPパイプは繊維方向が揃った炭素繊維の層を重ねて構成されている。炭素繊維の繊維方向によって強度、剛性が異なるため、必要な強度、剛性を得るために積層構成が工夫される。長手方向に対して45°の繊維がパイプのねじりの荷重を受け持ち、0°の繊維がパイプの曲げの荷重を受け持つので、CFRPパイプの主桁はねじりを受け持つ±45°(あるいは±40°)の層を基礎として揚力による曲げが働く上下方向に0°の層を特に多く重ねた積層構成が採用される。 主桁は機体を飛行させるための全揚力を支える構造物であるため、比較的重い部品となる。そのため主桁を軽く作るために後述する張線を用いることがある。
1936年、ドイツの影響を受けてイタリア政府が1kmの人力飛行に成功したイタリア人に10万リラの賞金を贈る懸賞を設けた。以前からアメリカで人力飛行機の研究を行っていたエネア・ボッシ(Enea Bossi)が設計し、ヴィットリオ・ボノミ(Vittorio Bonomi)により製作されたペダリアンテ(PEDALIANTE)がこの懸賞に挑戦した。イタリア軍の少佐で自転車競技者だったエミリオ・カスコ(Emilio Casco)がパイロットを勤めた。ペダリアンテは主翼にそれぞれ逆に回転する2つのプロペラが取り付けられたことを除けば高翼式グライダーに似た機体で、1936年には人力のみによる離陸で約90mの飛行したとされる。この人力のみによる飛行の正当性については反論も含め議論がなされたが、非常に強力なパイロットであれば不可能でなかったと考えられている。その後、ペダリアンテは1937年3月18日に9mの高さから離陸し1kmの飛行に成功した。平地からの発進ではなかったため、課題達成とはならなかったが、当時の人力飛行の世界記録である。
1912年にフランスでロベール・プジョー(Robert Peugeot)によりプジョー賞という人力飛行の懸賞が始められた。これは距離10m以上飛行と1m以上の高度に達する人力のみによる飛行に10000フランの賞金が贈られるものだった。この懸賞への挑戦に用いられた装置はアビエット(Aviette フランス語で小さな飛行機の意味。後に人力飛行機も意味するようになる。)と呼ばれた。 開始から9年後の1921年7月9日に自転車競技のチャンピオンだったガブリエル・プーラン(Gabriel Poulain(英語版))がフランスのニューポール社で開発されたアビエットで挑戦した。4回の試行で最大飛距離12.22m、最大高度約2.4mの跳躍に成功しプジョー賞を獲得した。ガブリエルはそれまでにもプジョー賞に挑戦していたが10mには届かず、この日は6°の迎角をつけたことで成功を収めた。プジョー賞を獲得した際のアビエットは上下及び前後にずらした二枚の翼を取り付けた自転車であり、プロペラの付いた飛行機ではなかったが、人力のみによって翼を用いた離陸にした例である。その後、新たなプジョー賞としてプロペラ付き人力飛行機による50mの飛行に20000フランの賞金が懸けられた。ガブリエルは再びニューポール社で新しいプジョー賞に向けた機体製作を宣言したが、この機体は製作されることなく、また他の挑戦者も新しいプジョー賞を達成することはなかった。
アメリカ人のポール・マクレディ開発。1979年、ドーバー海峡の横断に成功し、クレーマー海峡横断賞獲得。
プロペラの位置はダイダロスでは機首に取り付けられる牽引式(トラクター)が採用されており、現在の日本の人力飛行機では一般的である。一方で機体の最後尾または主翼直後に取り付けられる推進式(プッシャー)の機体も見られる。牽引式はリカンベント形式との組み合わせで駆動部を軽量コンパクトにまとめることが出来るが、空力的にはプロペラにより加速され乱れた後流が主翼やコクピットに当たるため空気抵抗が増加し、プロペラの推力に損失が出る欠点を持つ。一方、推進式は駆動伝達部が大きくなりがちで重くなりやすく損失が大きくなりやすいが、プロペラの後流が機体や主翼に当たらず空気抵抗が少なく、高いプロペラ効率を維持できる利点を持つ。初期の人力飛行機では高効率なプロペラ設計が確立されていなかったため、プロペラ効率を求めて推進式が採用されることが多かった。 いずれも一長一短あるため、運用、製作実績や機体の目的などから検討する必要がある。
可変ピッチプロペラ
実用プロペラ機と同様に人力飛行機においても可変ピッチプロペラを持つ機体が存在する。可変ピッチプロペラは、飛行中にプロペラの取り付け部の角度を変化させることで最適化を図るプロペラである。これに対し、取り付け角度が固定されたものを固定ピッチプロペラと呼ぶが、固定ピッチプロペラは設計時に設定された条件(対気速度やプロペラ回転数)を外れると性能が低下し、推力不足や必要パワーの増大を生じる。可変ピッチプロペラはこのような性能の低下を抑制することができるため、離陸前の滑走時や加速時に有効である。ただし、プロペラの性能は取り付け角に敏感であるため、可変ピッチ機構には精度が要求され、高い工作技術が必要となる。
後に人力飛行機に欠かせない材料となる炭素繊維強化樹脂を初めて使用した機体が1972年、イギリスのペーター・ライト(Peter Wright)によって開発された。ライトはビーズ法発泡スチロールやポリ塩化ビニール発泡体を補強する目的で炭素繊維強化樹脂を用いた。当時の人力飛行機としては、最大級の主翼面積を持ちながら非常に軽量な機体であった。この機体は駆動系統に問題を抱えていたが最長で270mの飛行に成功している。
この頃になるとパワーウェイトレシオの観点から2人乗りの人力飛行機が開発されるようになった。1972年12月にはイギリスで2人乗りのトーカン(Toucan)が初飛行に成功し、これが2人乗り人力飛行機の初の成功例となった。トーカンは1973年12月に最長となる700ヤードの飛行に成功した。またアメリカでは飛行には至らなかったがMITの学生によりバード(BURD)が開発された。バードは2人乗りの複葉機であった。
フランス、アメリカにおける成功
1970年代半ばになるとフランスやアメリカでも人力飛行機による飛行の成功が報告されるようになった。 フランスでの初飛行は1974年、モーリス・ユーレル(Maurice Huler)の人力飛行機が約1000mの飛行に成功した。この機体は42mの主翼を持ち、多数のストラットや張線で剛性を確保していた。 アメリカでの初飛行は1976年にジョセフ・ジーノ(Joseph Zinno)が開発した人力飛行機、オリンピアンZB-1が距離30m、高さ30cmの飛行に成功した。
ストークBによる世界記録樹立
次なる世界記録の更新は日本で達成された。卒業研究として人力飛行機の研究を継続していた日本大学では、1975年に新たな人力飛行機、ストークの開発が始まった。
『コミック版プロジェクトX挑戦者たち 運命の滑走 日本初 人力飛行機に挑む』(いつきたかし・NHKプロジェクトX制作班、宙出版、ISBN 978-4776791010)
『ふわり!』(元町夏央、月刊!スピリッツ/ビッグコミックス、小学館)
1977年、イギリスの王立航空協会は新たなクレーマー賞の舞台として様々な気球、遠泳、飛行機などが横断に挑戦したドーバー海峡を選んだ。このクレーマー・海峡横断賞には10万ポンドの賞金が懸けられた。先のクレーマー・8の字飛行賞を達成したポール・マクレディはゴッサマー・コンドルを基礎として炭素繊維強化樹脂と当時の最先端素材であったポリアミド繊維を材料に取り入れ、新プロペラ設計法によるプロペラを採用した新機体、ゴッサマー・アルバトロスを完成させた。デュポン社の協力で新素材を使用することに成功し、ゴッサマー・アルバトロスはゴッサマー・コンドルよりも軽量でありながら空力的に洗練された構造が可能となった。また高効率となったプロペラはパイロットの疲労を抑え、飛躍的に飛行時間を延ばすことに成功した。そして1979年6月12日にゴッサマー・コンドルの飛行と同様にブライアン・アレンの搭乗でドーバー海峡の横断に成功し、クレーマー・英仏海峡横断賞を獲得した。飛行距離は35.8km、飛行時間は2時間49分だった。
なお、後のダイダロスの研究において、この飛距離と滞空時間は機体の必要出力とパイロットの持続可能出力の観点から同機の性能限界であったとされる。 動画>