2014年11月30日日曜日

Spinを考える 1



前回のBlogで、「スピン リカバリーの基本操作であるPAREより、P A/E R Eを用いることの利点は何なのか?」という意見をいただきました。同時に、「そもそも、なぜP A R Eなのか」という声も聞かれましたので、この機会にSpinのしくみやRecovery Procedureについて考えてみたいと思います。




Extra 300Lの操縦席。中央にエルロンとエレベーターを操作する操縦桿、左前方と右前方にはラダーを操作するラダー ペダルが一つずつ、そしてエンジン出力を操作するスロットル レバーが左側にあります。




Blog上で説明することは難しいのですが、いつも行っている座学の手法で試してみます。一緒に参加してくれるのはミニPitts S-2S(?)です。

実際にスピンを体験したことのない方もいらっしゃるかもしれませんが、学科講習でスピンを学んだことはあると思います。まずは、スピンをおさらいしてみましょう。




飛行進行方向と相対風の関係

字が汚くて申し訳ありません。飛行機や滑空機の飛行を支えるのは相対風です。これがない場合は、ヘリウムガスや反重力エンジン(?)を使用するなど、別の手段を考えなくてはいけません。




このように迎角(AOAまたはα)を変化させて、揚力の大きさを調整して飛行します。




AOA(迎角)とCLの関係を示したグラフ。臨界迎角を越えた領域が失速(ストール)と呼ばれる部分です。




揚力(L)を計算する方程式です。上のグラフで示されるように、迎角を変化させると、CL(揚力係数)が変化し、結果揚力が増減することになります。同様に、速度(V)や翼面積(S)を変化させても揚力は増減することもわかります。


〈注意〉 航空力学上の失速(ストール)とは、迎角が臨界迎角を越えた状況のことです。失速速度以下の飛行を指していることでないことにご注意ください。また、音速を超えた飛行で発生する超音速失速はまた別の現象ですので、これについては超音速飛行の専門家にお問い合わせください。




ヨーの動き


飛行機の動きには、ピッチ、ロール、ヨーの3つの動きがあります。ヨーはラダー ペダルを介して行い、左右に機首を振る運動を指します。スキッド(外滑り)とも呼ばれる運動です。




では、ストールとヨーを見直したところで、本題であるスピンを行ってみましょう。スピンを行うには、ストールとヨーの2つの運動が必要です。まずは飛行機をストールさせます。




続いてヨーです。スピンさせたい方向のラダー ペダルを踏み、ヨーイングを発生させます。




世の中には、スピンに入りやすい機体と入りにくい機体がありますが、ラダーに十分なヨーイングを発生させる力があれば、飛行機は踏んだラダー ペダルの側にスピンに入ります。ラダーの力が不十分な場合は、パワーを入れてP ファクターを利用したり、エルロンによるアドバース ヨーを用いるなどもいい解決法です。




スピン中、操縦桿を最後方に引き続け、ラダー ペダルを踏み続けていれば、機体はピッチング、ローリング、ヨーイングの3つの動きを合成しながらスピンを続けます。安定してスピンが旋転している状態(Fully Developed Spin)の降下率は、このような小型機でおよそ6,000 ft / 分と言われます。




三軸の動きを同時に行われ、また基本となるスピンであるとして、他と区別するためにノーマル スピンと呼ばれます。さらに正確には、ポジティブ(+)側にストールしていますから、アップライト (またはポジティブ) ノーマル スピンと呼ぶべきでしょう。




荷重の方向による分類 (ポジティブ、またはアップライト)
最も基本的なスピンです。



過去に「スピンは両翼失速か、それとも片翼失速か」と語る方もいらっしゃり、それについて議論をしたことがありました。実際はどうなのでしょう?

アメリカでは「スピンは一方の主翼がもう一方よりも大きく失速しているとき」と教科書に書かれていますから、「両翼失速」がFAAの方針なのでしょう。対して、他国では「片翼失速である」と教育していると耳にします。

この双方の教育方針を見て、「両翼失速か?それとも、片翼失速か?」と疑問を持つことも理解できるのですが、私のこれまでの経験から言いますと、高迎角でストールしていればスピンへの移行を助けることも事実であり、同時に、臨界迎角以下の、浅い迎角でもスピンが起こることもまた事実です。つまり、失速しているかしていないかに関わらず、十分なヨーイングと迎角さえあればスピンは発生し、「両翼失速が片翼失速か?」という問題なら、答えは「どちらも有り得る」で、さらに言えば「ストールは必要な条件ではなく、迎角とヨーイングが同時に存在していること」ではないでしょうか。

これは先の「ストール + ヨー = スピン」という記述に反する意見ですが、本来は「迎角 + ヨー = スピン」であるべきではないか?というのが、私の考えです。ただ、一般的な、常識的な教育方針を貫くという考えから、インストラクターとしては、「ストール + ヨー = スピン」と一貫して教育するようにしています。




引き続き、荷重の方向による分類 (ネガティブ、またはインバーテッド)




スピン モードの変化によるスピンの分類 
その1 ノーマル スピン (写真はアップライト ノーマル スピン)


先にも伝えましたが、スピン中、操縦桿を最後方に引き続け、ラダー ペダルを踏み続けていれば、機体はピッチング、ローリング、ヨーイングの3つの動きを合成しながらスピンを続け、ノーマル スピンと呼ばれる状態になります。




スピン モードの変化によるスピンの分類
その2 アクセレレーテッド スピン、またはスティープ スピン (写真はアップライト アクセレレーテッド スピン)


発生したスピン(ノーマル スピン)の途中で、もしエレベーターやエルロン、パワーを操作すると何が起こるのでしょうか。ストール中やスピン中であっても、空力的な作用が得られる限り、操縦系統は引き続き効果を発生させますから、エレベーターやエルロンによって機体の姿勢やスピンの旋転速度を変化させることができます。またパワー操作によっても、プロペラの効果(ジャイロの摂動やプロペラ後流など)でスピンのモードが変化します。

ここでのアクセレレーテッド スピンとは、スピン中にエレベーターをアンロードさせ、迎角を減らし、機軸をフライト パスに近づけることで、スピンの旋転速度を速めたものを指します。真下に向かって垂直にスピンしているように見えることから、エレクト スピンとも呼ばれます。これは、フィギュアスケーターが両手を体に近づけることで旋転が速くなる(フィギュアスケーター イフェクト)ことと同じです。ノーマル スピンで見られた、ピッチングやヨーイングの動きが減り、ほぼローリングのみの運動となっていることが特徴です。また、迎角が小さいため、速度と降下率も速くなります。

ジャイロの摂動を用いることで、方向次第ではパワーを用いてアクセレレーテッド スピンにすることも可能です(Lycoming Engine装備機では、アップライトでは右側、インバーテッドでは左側)。ウィングスパンの比較的短い曲技飛行機は異なった動きを見せますが、Grob G-115CやNorth American T-6などではエルロンをスピンと反対側(Anti-roll Aileron)とすることで行えます。




スピン モードの変化によるスピンの分類
その3 フラット スピン (写真はアップライト フラット スピン)


ノーマル スピンの約45度の迎角より大きな迎角で行われるスピンをフラット スピンと呼びます。映画「Top Gun」で広く知られることになったフラット スピンですが、コンピューターの力を借りて飛行する戦闘機などと異なり、C.G.の位置さえ守っていれば、曲技飛行機はプロペラによるジャイロの摂動とスラストの効果を利用することで、安全に行えます(Lycoming Engine装備機では、アップライトでは左側、インバーテッドでは右側)。




おさらい


まとめますと、アップライトとインバーテッドそれぞれで3種類のモードがあり、計6種類のスピンがあることになります。誤解を生みやすいところですが、どれもがノーマル スピンからモードを変えて派生したものであって、それぞれスピンであることには変わりありません。

さらに加えるとすると、アップライトからインバーテッド、またはインバーテッドからアップライトなど、荷重方向を変化させるクロスオーバー スピンも訓練科目として設けていますが、やはりスピンの延長であることは一緒です。

一般的な通常訓練では、行ってもアップライト ノーマル スピンまでで、CessnaやPiperなどの飛行性能上はそれで十分でしょうが、飛行性能のエンベロープ一杯に使って飛行する曲技飛行では、スピンでの挙動を熟知し、どの状態のスピンからでも回復操作が自然と行えるようになっておく必要があります。


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