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ドクターMの家造りのすすめ

伝統工法、無垢の木、竹子舞、漆喰、いぶし瓦の家の主より

航空機の開発ヒストリー。空を飛びたいという人類の夢はどのようにして叶ったか。

Leonardo-da-Vinci

空を飛びたいという人類の夢は古今東西を問わずありけり。遥か昔の紀元前から人類は空を飛びたかったようです。様々な人が果敢にチャレンジするものの、夢はなかなか叶いません。


あのレオナルド・ダ・ヴィンチも空を飛ぶための機械をイメージして、上のイラストを残しています。らせん型の布製のプロペラを捻じ曲げた軸に取り付けて、軸が戻る力によってプロペラが回転し、飛べる(はず)。ヘリコプターの原型とも言われています。

 

人はいつどのようにして空を飛べるようになったのか、そもそも飛行機はなぜ飛べるのか、どのような構造になっていて、どのように安全を確保しているのか。これから飛行機に乗る機会が増えそうなので、身辺調査させてもらいましたよ。エンジニアの観点で技術的な話を中心に、ただし小難しい話は抜きにして紹介したいと思います。

 

 

空気より軽い軽飛行機の時代

レオナルド・ダ・ヴィンチの時代は西暦1500年前後ですが、1700年代には熱気球や飛行船の研究が盛んに行われています。そんな中、1783年にフランスのモンゴルフィエ兄弟が考案した熱気球によって人類は初の有人飛行を実現しています。

 

熱気球や飛行船が飛ぶ原理は浮力です。風船状になっている部分に熱した空気やヘリウムガスなど、風船の外側にある空気より軽いものを充填することで浮力を発生させています。自重より浮力が大きくなると飛ぶことができます。写真を見て分かるように、気球は人が乗る部分はごくわずかで、大部分は風船ですね。空気より軽い軽飛行機と言い換えることもできます。

balloon

 

空気より重い航空機の時代(着想段階)

航空学の父、ジョージ・ケイリー

現在の航空機の概念はイギリスのジョージ・ケイリーによって提唱されました。1799年のことです。この時代、空を飛ぶためには鳥のように羽ばたくことが必須だというのが定説で、羽ばたき機なるものが多数開発されています。航空機の翼が鳥のように羽ばたく機構を備えているのですが、どれ一つとして空を飛ぶことができません。

 

ケイリーは、凧とカモメを観察するうちに、羽ばたきによって前進する力(推力)は、上昇する力(揚力)とは別物であることや、効率よく揚力を得るためには翼の角度と形が重要であることに気付きます。そしてこれらの力(推力と揚力)がうまく組み合わさった時、空を飛べると考えました。

 

 

George-Cayley

彼が描いた航空機のアイデアには、胴体に固定された(羽ばたかない)翼と、上下・左右に方向転換させるための十字型の尾翼が備えられており、現在の航空機にある重要な要素を含んでいました。航空学の父と称される所以です。

 

しかし、彼が描いた航空機のエンジンに相当する部分は、手漕ぎのオールでした。パイロットは空中でオールを漕いで前に進むとか進まないとか。なので、空を飛ぶことはできませんでした笑。

 

ただ、有人グライダーの開発・飛行には成功しており、その後は羽ばたかない固定翼を持った空気より重い航空機の開発が進められていきます。

 

現代の航空機の特徴を捉えた、ウィリアム・ヘンソン

1843年イギリスの発明家ウィリアム・ヘンソンがある特許を考案します。固定翼、推進装置、降着装置、尾翼など現代の航空機の特徴を捉えた特許です。また、旅客輸送という着想のもと、空中輸送会社を設立しています。ただ空を飛ぶだけではなく、人や物資の輸送に利用するというアイデアは先見の明ありですね。

 

Henson-William

しかし、残念ながら彼の構想もまた実現には至りませんでした。この時代はまだ十分な推力が得られるエンジンがなく、石炭燃料の蒸気自動車が出始めた時期です。ガソリン自動車の登場は1885年のことですから(ダイムラーとベンツによる発明)。

 

空気より重い航空機の時代(実現)

航空機が飛ぶ原理

航空機が飛ぶ原理は揚力です。航空機を上に持ち上げる力である揚力は、翼に空気が流れ込むことによって発生します。翼の断面は上に凸の形状をしているため、翼に空気が流れ込むと翼の上側と下側の流れの速さ(流速)が変わり、圧力差が生じて上向きの力が発生します。

lift

ジェットエンジン | 技術百科 | IHIイズム

 

揚力の大きさは翼に流れ込む空気の流速や翼の面積・角度(迎角)などに依存していて、揚力が自重より大きくなると飛ぶことができます。流速が速いほど大きな揚力が発生するので、十分な推力があれば有利ですし、大きな翼は大きな揚力を稼ぐことができます。

 

このように揚力を発生するためには何らかの形で翼に空気が流れ込むことが必要です。必要な流れの速さは相対的なものなので、自身が900km/hで前進するのも、自身が停まっているところに900km/hの風が吹くのも同じことです。

 

余談になりますが、この原理を用いている物は結構あります。

 

ヨットは、風を受けると進行方向の揚力を発生するように帆の向きを変えて、前進することができます。紙飛行機は人の手でビューンと前進させて揚力を発生していますし、凧は風を受けて揚力を発生しています。

 

風力発電の羽根は風を受けて発生した揚力を回転力に変えており、船のプロペラは空気と水の違いこそあれ同じ原理で推力を得ています。また、レーシングカーはこの原理を用いたスポイラーによって下向きの力を得て路面に張り付くように走ることができます。

 

この原理を考えると、疑問に思うことが一つ。航空機は前進する限り上昇を続けてしまいます。ん?どうやって水平飛行してるの?

 

ある程度の高度まで上昇したら、翼の角度(迎角)を変えて揚力を調整し、上昇も下降もしないように制御しているというのが答えです。機首をわずかに上げた状態が水平飛行の安定状態です。

 

したがって、水平飛行と言っても機内は機首に向かって登り坂になっているはずです。ビー玉でも転がして確かめてみますかね。ちなみに座席に備え付けのテーブルは、登り坂の角度分を考慮して、水平飛行時に丁度水平になるように作られています。

 

迎角の変え方は様々ですが、尾翼の制御や翼の形自体を変えることで機体の姿勢を変化させ、迎角を調整することができます。翼は一枚の板ではなく、様々な板を組合わせてできています。

flap

 

 

離陸する時、水平飛行の時、着陸する時など、場面に応じて必要な揚力を発生できるように翼の形を変化させています。窓際で翼が見える席に座った際は、翼がどのように形を変えているか、是非観察してみてください。

flap-2

 

 

航空機が着陸する際は速度の低下と共に揚力も低下します。そのままでは墜落してしまうので、離陸時と同様に翼の形を変えて(大きくして)揚力を稼ぐわけですが、着陸した瞬間以降はまたしても翼の形を変えて揚力を下向きに発生させます。機体を地面に押し付けることで、車輪のブレーキを効きやすくしています。さらにエンジンを逆噴射して得られる力も利用して、滑走路の範囲内で停止することができるのです。

 

航空機の父、ライト兄弟

アメリカのライト兄弟が1903年にライトフライヤー号によって人類初の有人動力飛行を実現したことは有名です。ここでは、彼らの技術的な功績にスポットを当ててみます。

 

航空機が飛んでいる際、空気抵抗によって、進行方向と逆向きの力である抗力が発生します。したがって、航空機にはエンジンによる推力、空気抵抗による抗力、翼による揚力、自重による重力の4つの力がかかっています。

 

これらの内、抗力と揚力を計算するための実験式を完成させたのがライト兄弟です。この実験式を用いることで、効率的に揚力を発生して抗力の少ない翼の形状を検討することができ、最終的に「飛べる」航空機を設計できるようになりました。

 

検討の結果、高アスペクト比の(細長い)翼が有利であることに気付くと共に、垂直尾翼にラダー(舵)を取り付けるアイデアにより、安定飛行と旋回を含む機体のコントロールも可能としたことも彼らの功績と言えるでしょう。

 

なお、ライトフライヤー号は、全長6.4m、全幅12.3mの機体に12馬力の自作のガソリンエンジンを搭載しており、最高時速は約50km/hというものでした。

Wright-Flyer

 

空気より重い航空機の時代(進化段階)

ライト兄弟によって有人動力飛行を実現した後、航空機は急速な発展を遂げます。その背景には二度の世界大戦がありました。

 

第一次世界大戦(1914年~18年)では、当初偵察機として利用していた航空機は、武器を装備した戦闘機や爆撃機に姿を変えます。また、これまで木や布で作られていた機体は金属製になり、最高速度は200km/hを突破しています。

 

第一次世界大戦終結後には航空機の量産体制が整い、機体の大型化も相まって人や物資の輸送に航空機を利用することが本格化していきます。このような1920年代、オランダの航空会社(KLM)が設立されたのを皮切りに、航空会社が乱立します。カンタス、フィンエアー、ルフトハンザ、ノースウェスト、ユナイテッド等々です。


第二次世界大戦(1939年~45年)までに航空機製造メーカーも続々と誕生しています。アメリカのボーイングは1916年に設立されていますが、軍事用の航空機の製造を足掛かりに世界のリーディングカンパニーの座に駆け上がっていきます。あの憎っくきB-29を製造したのもボーイングです。

 

エンジンを始めとする推進機分野では、第二次世界大戦まではレシプロエンジンとプロペラの組合せが一般的でした。エンジン内のピストンが爆発力で上下運動するものをクランク軸を介して回転運動に変換する仕組みで、現在でも自動車や船舶等のエンジンとして広く用いられています。しかし、軍用機の要求性能は高まるばかりで、最早レシプロエンジンでアウトプットできる推力は限界を迎えていました。

 

この限界を突破したのが、ターボジェットエンジンです。1930年にイギリスの技術者フランク・ホイットルが考案したターボジェットエンジンを起点に、更なる研究が進められ、1939年にドイツのハンス・フォン・オイハンによって開発されたターボジェットエンジンを搭載した実験機が初飛行に成功しています。

Whittle-Jet-Engine

 

航空機の安全を担う、革命的な設計ツールFEM

第二次世界大戦後、航空機の最高速度は音速域に達し、飛行高度もプロペラ機と比べてかなり高くなっています。高度が高い方が気流が安定していて高速飛行に有利ですから。

 

ところで、マッハという言葉を聞いたことがあるでしょうか。マッハ〇は音速の〇倍ということなので、マッハ1で飛ぶ航空機は音速で飛ぶということになります。音速は地上(15℃)で約340m/sですが、ジェット機の巡航高度では約300m/s(約1080km/h)になります。

 

このように高速で高い高度を飛ぶようになると、空気抵抗をいかに軽減するかという事を本気で考えなければならず、機体の形状が複雑になってきます。それに伴い、外部から力を受けた機体がどのような挙動をするのかを予測するのが難しくなり、その結果、機体が壊れないように設計することも難しくなってきました。

 

そこで考えられたのが有限要素法(Finite Element Method)通称FEMと呼ばれる数値解析手法です。数学的な理論は1922年にドイツのクーラントによって提示され、それを1950年前後に工学分野に応用したのがボーイング社の技術者ターナーを始めとする研究グループです。

 

解析の流れは、まず複雑な曲面で構成される機体を数多くの(有限の)平面パネル(要素)を組合せたモデルに置き換えます。次にそのモデルに外力を加えて変形を求めます。最後に得られた変形から部材に作用する力を算出して、強度的に問題ないかを評価します。

 

航空機を作るには多額の費用がかかるので、設計段階において実物大模型を使った実験で強度的に問題ないことを検証するのは非現実的です。コンピューターの中で仮想的な強度実験が行えるFEMは非常に強力な設計ツールになりました。

FEM-aircraft

Altair for Aerospace: simulation modeling, design optimization, implicit, explicit, electromagnetic, multi-body dynamics

 

 

その後、NASA向けに開発されたNastranという商用FEMソフトウェアが世界中に拡散し、現在でもデファクトスタンダードFEMとして、航空機のみならず、自動車、鉄道、船舶、橋梁などの大型構造物からプリンターやスマホに至るまで、様々な製品の設計に使われています。私も毎日のようにお世話になっています笑。

 

また、計算機の進歩により、FEMを用いた解析は、より現実に近い現象を取り扱うことができるようになりました。私も利用したことがありますが、神戸空港近くにある、2位じゃダメなんですか?と言われたスーパーコンピューター京。

 

大型計算機を利用すれば、以前では考えられなかったような大規模な解析も可能になります。例えばこのように航空機が壁に激突する解析。これは航空機が大丈夫かどうかを評価するのではなく、激突される側の壁の設計に使っており、実物大模型による実験結果とも検証されています。9.11以降、航空機が建造物に突っ込む可能性が出てきましたので、重要建造物の設計においては、航空機に突っ込まれても大丈夫なように設計しなければならないとか。

Target-concrete-wall-impact-analysis

Lee K., Jung J., Hong J. W. (2014); Advanced aircraft analysis of an F-4 Phantom on a reinforced concrete building, Nuclear Engineering and Design, Vol. 273, 505-528.

 

 

少し専門的な話になりますが、強度的に問題ないかどうかをチェックする対象は、主には降伏座屈疲労と呼ばれる3つの現象です。

 

降伏とは

部材にかかる力がある限界点を超えると、変形が元に戻らなくなる現象です。限界点を超えるまでは、力を抜くと元の形状に戻ります。例えばプラスチックの物差しを軽い力で曲げても元に戻りますが、力いっぱい曲げると折れてしまいますね?

 

飛行中の航空機の翼は、揚力によって上に反るように変形していて、翼の先端は元の位置から数mは動いているでしょう。しかし、揚力が無くなれば元に戻る変形なので、安全上は全く問題ありません。

B787

http://www.boeing.com/

 

座屈とは

部材にかかる力がある限界点を超えると、力がかかる方向と違う方向に急に変形する現象です。例えばプラスチックの物差しの両側から力を増しながら押していくと、あるところでペコッと変形すると思います。一度このような変形をしてしまうと本来の強度を発揮できなくなるので、座屈が発生しないように設計しなければなりません。

 

疲労とは

部材にかかる力が小さくても長時間繰り返しかかると突然折れたり亀裂が入る現象です。例えば針金をクネクネ繰り返し曲げていると、あるときポキッと折れると思います。実は、かつて疲労は設計に考慮されていませんでした。しかし、コメット機の連続墜落事故など疲労に起因する重大事故が多発したことを契機に着目され、その後はきちんと疲労を考慮するようになっています。

 

コメット機は世界初のジェット旅客機ですが、与圧機能を備えていました。高い高度を飛行すると気圧が低くなるので、機内に圧力をかけます。そうすると乗客は地上とほぼ変わらない状態で過ごすことができるようになります。

 

しかし、与圧は機体にとってはかなりの負担になります。機内に圧力をかけるので、飛行中はちょうど風船を膨らませたような状態になり、地上に戻ると風船は萎みます。膨らんだり萎んだりを繰り返すことが疲労による損傷を引き起こしてしまいます。

 

 

このように、航空機の設計においてはFEMなどの数値解析技術も活用して、設計コストを抑えつつも損傷を未然に防ぎます。設計が固まったら、型式承認を得るために実機による各種試験を実施して、万全の体制で安全を確保しているのです。

 

現代の航空機

第二次世界大戦以降、戦時中に大量生産した軍用機を旅客機に転用する時期を経て、「速く高く遠くへ」飛べるように技術開発が進められます。しかし、旅客機に「速く高く」を求めすぎると、経済効率が極端に悪くなることが明らかになりました。コンコルドの失敗のように。

 

次第に経済効率優先の開発にシフトしていったことは必然でした。その過程ではこれまで述べてきたほどのインパクトはありませんが、技術は確実に進歩していますので、いくつかのトピックスを紹介します。

 

制御系の進歩

操縦席に代表されるように航空機を制御するための機器が高度にコンピュータ化されたことにより、機長と副機長の2名で運航できるようになったことは、航空会社にとってはハッピーでした。昔は機長には操縦の技量がかなり求められたため、機長の数を確保するのに苦労したと思われます。

 

エアバスが開発したフライ・バイ・ワイヤ(電線で飛ぶ)技術もまた航空会社にとってかなりのメリットがありました。簡単に言うと機長の操縦動作を電気信号に変えて機体の各部に伝え、様々な機器を操作する仕組みです。昔はケーブルや油圧系を介していたので、この類の部品が不要になると共に、操作性が統一されることによって同じ機長が異なる機材を運航することも容易になりました。

 

材料の進歩

ボーイング747は機体の約80%がアルミニウム合金で作られていましたが、最新の787ではアルミニウム合金が約20%に低下し、CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics):炭素繊維強化プラスチックと呼ばれる複合材料(50%)やチタン合金(15%)の割合が増えています。いずれも軽量化を狙った結果です。アルミニウム合金とCFRPを比較すると、CFRPは重量半分、強度2倍というイメージで、軽いのに強い優れものです。ただし、値が張るのとリサイクルできないのが欠点です。

 

CFRPは私も取り扱うことがあるのですが、炭素繊維なので真っ黒なんですよ。そうすると困るのが、作っている最中に初期不良の傷などがあったとしても目視では発見できません。そこで、重要箇所は非破壊検査と呼ばれる特殊な検査をして傷が無いことを確認します。このような所にもコストがかかってしまいます。


もう一つ、接合方法の進歩も軽量化に繋がっています。これまで部材同士をリベットや溶接で接合していたのを徐々に接着剤へ置き換えています。接着剤でできた航空機と聞くとかなり不安になるのですが、安心してください。強烈に強い接着力があるので、剥がれることはありません。

 

ジェットエンジンの進歩

一口にジェットエンジンと言っても色々な種類があります。近年では中型以上の機体に採用されるエンジンはターボファンエンジンと呼ばれる型が主流です。これは通常のターボジェットエンジンの前方に大型ファンを取り付けたもので、エンジンを正面から見ると扇風機のようなファンが見えると思います。

 

ジェット噴射による推力に加えて、ファンを回すことによって発生する推力も使うことで効率を上げています。図の赤色の部分がジェット噴射で、その外側のピンク色の部分がファンによる風です。ジェット噴射を包み込むことで騒音も抑えられます。

Turbofan

 

ちなみに航空機のジェットエンジンは、車のエンジンのようにキーを回したりスタートボタンを押しても起動できません。APU(Auxiliary Power Unit)と呼ばれる起動用の補助エンジンの力を借りて起動しています。APUは機体のおしりの部分あるエンジンらしき形をしたものです。

機体の構造

航空機にとって、重いことは罪です。したがって、機体の重量をなるべく軽くする必要があり、機体の構造様式にも工夫が凝らされています。

 

胴体や翼を含む機体のほとんどの部分は、板と骨の組合せで構成されており、セミモノコック構造と呼ばれています。竹細工のフレームに障子紙を貼っているようなイメージです。

 

エアバス社のA380の胴体の断面はこのようになっています。3層構造になっていて、上2層が客室、1層目は貨物スペースです。円周方向に骨が密に配置されていて、骨と骨の間に窓を設置していますね。B787もそうですが、胴体に複合材料を使用した結果、従来より強度があるので骨の間隔を広げることができ、その結果窓を大きくできています。これら最新鋭の機材に早く乗ってみたくなりますね。

A380-cross-section

http://www.airbus.com/

 

まとめ

これにて航空機の身辺調査を終了します。偉大な天才たちの革新的な発明によって人は空を飛べるようになりました。また、その後の弛まぬ努力で進化した旅客機は、十分な安全性を有していることが分かりました。今後私は安心して旅客機に乗ることができます。

 

これまで、自分が乗る機材が何なのかはあまり気にしたことが無く、興味があるのは座席の配置程度でした。当然ながら、空港に並んでいる機材を見ても、ボーイングなのかエアバスなのかすら分からない有様です。今後は機材の違いについても調査して、空港で見比べてみようと思います。

 

おまけ

A380はいくらで買えるのか

航空会社によって仕様が異なるので、ざっくりですが、約350億円とのことです。サウジアラビアの王子様が個人で買ったそうです笑。

 

トイレも進化

実は航空機のトイレも進化しています。昔は循環式と呼ばれる方式で、トイレの下にタンクがあったので、トイレの配置を自由に決められませんでした。現在はバキューム式で、シュポッと吸い込まれたブツは、パイプを通じて一か所のタンクに集められる方式です。その結果、トイレの配置の自由度が高くなりました。

 

参考文献

本記事内の画像は特記以外はフリー素材を使用しています。また、以下の書籍を参考に私なりの解釈で書いてみました。飛行機に興味がある方にとっては、面白い話がたくさん載っていて、没頭すること間違いなしです。

bibliography