2015年1月23日金曜日

Spinを考える 5




「P A R Eの手順を守れば、スピン リカバリーは必ず行えます。(いや、例外もあるのだけれど・・・。)」 - Y. Tの悩み、米国 西海岸 某所在住



 インシピエント スピンや、アップライト ノーマル スピンまでのスピン トレーニングを行うなら、P A R Eを用いてのリカバリーに疑問を持つことはないでしょうが、さらにモード変化を行って、エレベーターを用いてのアクセレレーテッド スピンを行うと、P A R Eの問題点に当たります。






このP A R Eの問題をどう受け止めるかは飛行教官次第でしょうから、問題に気付かない方もいれば、気付いても深く受け止めない方もいらっしゃるでしょう。手順を工夫して、「ノーマル スピンではP A R E。エレベーター アクセレレーテッドの場合はE + P A R Eで行う。」とする方が一般的のようです。すると、「P A R Eでスピン リカバリーが行える」という言葉に矛盾が生じ、訓練毎に悩まされることになります。

ノーマル スピンでも、エレベーター アクセレレーテッド スピンでも使える、「これさえ守って行えば、どのようなスピンでもリカバリーも行える」という、都合のよい方法はないものでしょうか・・・




「Yuichi、このスピン リカバリーの方法はどうだろう?」




Paolo: P A R Eの代わりに、P A/E R Eを使ってみようと思うんだ。

なるほど!それが答えですね。ありがとう、Paoloさん。



P A R EでのAでは、エルロン ニュートラル(またはセンター)ですが、ここをA/Eとして、エルロンとエレベーターを同時に操作して、「センター アンド バック」などと操作する案です。

つまり・・・






スピン中に操縦桿がどの位置にあったとしても・・・


A/Eの時点で操縦桿をセンター アンド バックの位置に戻すことで、操縦桿がどの位置にあったとしても、またそれがアップライト フラット スピン、アップライト エルロン アクセレレーテッド スピン、アップライト パワー アクセレレーテッド スピン、アップライト エレベーター アクセレレーテッド スピンなどのどれであったとしても、アップライト ノーマル スピンに移行し、スピン リカバリーを効果的に行うことができます。



〈まとめ〉 P A/E R Eを使用してのアップライト スピンからのリカバリー

Power (パワー) バック
Aileron/Elevator (エルロン/エレベーター)センター アンド バック
Rudder (ラダー) オポジット
Elevator (エレベーター) アンロード、ニュートラル、センター

この手順を広めたいという希望はありませんが、少なくとも、スピン トレーニングを提供する上で、私が悩むことは今後なくなることでしょう。



曲技飛行を目的に設計されていない機種では、ネガティブ G側に十分な迎角を得るような設計がされていませんから、インバーテッド側にストールすることはまず有り得ないと考えられ、同様にインバーテッド スピンも起こり得ないと言われています。

しかし、下の映像のように、状況次第ではインバーテッド スピンも有り得るようです。




〈動画〉 Plane crash, least they had parachutes.



Comp Air 7 SLXというターボプロップ エンジン装備の飛行機の事故の様子です。パイロットが飛行機をコントロールできず、映像のようなインバーテッド スピンに入ったようですが、詳細は不明です。

通常は起こりえない状況ですが、何らかの原因でインバーテッド側のストールに入り、スカイ ダイバーが天井に押し付けられ、C.G.位置の関係でスピンとしてオートローテーションが確立したのでしょうか。幸運なことにパイロットを含め、全員が脱出に成功しました。

このComp Air 7 SLXの事故は特殊なものですが、曲技飛行でインバーテッド(ネガティブ G)下の飛行を行うのであれば、アップライト スピンに加え、インバーテッド スピンについても習熟しておくべきです。

日本での講習の準備があるため少し時間が空きますが、次回はインバーテッド スピン各種について書いてみます。




Top Gun (1986年、アメリカ)

劇中、主人公の乗る戦闘機が訓練中にフラット スピンに入り、回復出来ずに緊急脱出したシーンは緊迫感に満ちていて、迫力がありました。



〈追記〉

「今日はフラット スピンをするだって?フラット スピンはリカバリーが不可能なスピンではないのか?」

この質問はスピン トレーニングでよく聞かれる質問です。NASAによると、スピンのモードの区分は迎角で分けられ、45度辺りを境に、フラット、またはスティープとしています。フラット スピンの定義は、1. オートローテーションとしてのスピン(自転)が発生していること、2. 迎角が45度より上向きであること、としてよいのではないでしょうか。

フラット スピンがリカバリーが難しい、または不可能という意見はYesであり、またNoでもあります。私も航空力学の専門家ではありませんが、私の理解している範囲で意見を書いてみます。




マンフレッド フォン リヒトーホーフェン男爵(第一次世界大戦時のドイツ軍エース パイロット)の乗機、Fokker Dr.1。



飛行機が飛び始めた20世紀初頭、飛行技術を研究するために曲技飛行が広く行われました。現在よりも航空力学や飛行理論が確立していない当時は、曲技飛行の訓練中、操縦操作を誤ってスピンに入ることは今私たちが行っている訓練環境よりも多かったことでしょう。その中で、フラット スピンはリカバリーが不可能となるとして、人々に恐れられた現象だったようです。

航空力学がまだ未熟だった当時の飛行機は、フラット スピンに陥り易い特性を持っていたそうですが、通常飛行から突然フラット スピンになる訳ではなく、そこに至るまでにはいくつかの経過があります。それらは、1. ストール + ヨー、2. インシピエント スピン、3. フーリー デベロップト スピン、4. フラット スピンです。3の段階でリカバリーが行われれば問題なく通常飛行へ移行することでしょうが、操作の躊躇があると、4のフラット スピンに移行します。

フラット スピンにならないような工夫が見出され、次第にこのような事故は減っていきました。それらは、


1. C. G.(重心位置)を後方限界に近づけない、また超えないこと。

2. 重量物はC. G.に近づけて搭載すること。

などです。もっと他にもあるかもしれません。



上の2つを詳しく見てみましょう。実は1と2は相互に関係があります。1とは逆に、C. G.が後方にあると、エレベーターに同じ舵角があったとしても得られる迎角は大きくなり、ストールしやすくなります。もしヨーイングが同時に発生していれば、スピンに移行することは言うまでもありません。

続いて、2とは逆に、重量物がC. G.から離れたところに搭載されている場合、例えば機体尾部に重量物(大き目の尾輪が装備されていたり、または前方気味のC. G.を調整するためにバッテリーを後方に置かれている場合など)があると、一度スピンが確立するとそれらの重量物は遠心力によって機体をフラットな姿勢にしようとします。紐に錘を付けて速く振り回すと、紐が次第に支点の位置に近付くことと同じです。

Pitts S-2Bを例にすると、エンジン(6気筒のLycoming AEIO-540-D4A5は約440 LBS)は機体重量(S-2Bの最大離陸重量は1625 LBS)の約1/4を占める重量物ですが、プロペラ(MTV-9 Propellerが約60 LBS)やその他の構成部品を含めると、少なくとも約550 LBS、機体重量の1/3が前方に集中しています。C. G.が後方にある場合は、相対的にエンジンなどの重量物がC. G.よりも離れてしまうことになり、同様にフラットな姿勢にする働きを持ってしまいます。つまり、1と2は相互に関係を持っており、注意が必要です。




グラマン F-14A(Wikipediaより)



もし、1と2とは全く逆の理論で飛行機が作られると、発生したスピンは自動的にフラット スピンに移行していきます。例えば、フライ バイ ワイヤー式でコンピューターを介して飛行することが前提となっている現代の旅客機や軍用機は、C. G.が比較的後方に位置し、また重量物が機体の各部に広く置かれ、またエンジンや燃料タンクは主翼にも搭載されています。

これらの飛行機がスピンに陥ると、飛行機はC. G.を中心にヨーイングを起こす、完全なフラット スピンに発展するため(下の 写真を参照)、リカバリーはほぼ不可能でしょう。仮に非常に長い時間と労力をかけてリカバリーが可能としても、地上に到達するまでの限られた時間内では難しいものです。映画「Top Gun」で見られたように、実際にF-14のフラット スピンは回復がほぼ不可能で、危険な行為とされていると耳にします。



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リカバリーが不可能なフラット スピン

フラット スピンがC. G.周りに発生している場合は、迎角やロードをコントロールするエレベーター、そしてヨーイングをコントロールするラダーに迎角を与えるような相対風がありません。操縦系統のみのリカバリーは不可能です。



では、私たちが日々の曲技飛行訓練で行うフラット スピンはなぜ安全に回復できるのでしょうか。それは、パワーや操縦系統を用いて、擬似的にフラット スピンを行い、また飛行機がC. G.周りではなく、平均的なフライト パスの周囲を前進しながらスピンしているからです。

操作については前回のブログを参照していただきますが、常に相対風があり、エレベーターにもラダーにも、引き続き空力的な効果があるために、確実なリカバリーが常に約束されているのです。



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リカバリーが可能なフラット スピン

操縦系統には引き続き相対風があり、またパワーによってフラットな姿勢を助けているため、P A R E(P A/E R E)を行うことでリカバリーが可能です。



フラット スピンも含めて、曲技飛行機ではスピン トレーニングが安全に、ストレスなく行えますが、操作を工夫すると先のリカバリー不能なフラット スピンのような、C. G.周りのフラット スピンに移行させることもできます。もちろん、正しく行うことでリカバリーは可能ですが、ある操作を残したままでは回復に非常に長い時間がかかります。

低高度でのスピン トレーニングや、リカバリーの操作に遅れがあると危険な状況になることも十分に考えられます。いずれ、映像に収めて、またこのBlog上で紹介したいと思います。

Spinを考える 6に続く

2015年1月7日水曜日

あけましておめでとうございます




年末からPitts S-2Sの改修&Annual Inspectionを行っています。今回の作業の一つは、Engine InstrumentsをElectronics International社製のEngine Monitor、CGR-30Pへの変更と、それに伴う計器盤の新規作成です。




Electronics International社製 CGR-30P

個人的には古典的なAnalog Gaugeが並ぶ操縦席が好みですが、曲技飛行機の狭い計器盤に全てを収めることは難しく、重量を可能な限り削減したいという希望も考えると、このような製品を使うことになってしまいました。ちなみに、出力を表示するMAP(吸気圧力計)は視認性を考えて、以前のSteam Gaugeを再利用します。




新規作成した計器盤

左にTransponderとRadioをまとめて、速度計と高度計を中央左に縦に配置、中央右はEngine Instruments。Switch Panelを下に、右にCircuit Breaker Panelを設けました。




計器盤の仮止め確認

来週には塗装が完了するそうです。それまで配線作業などを終えてしまいましょう。電源を入れるときが楽しみです。



帰り道。年末からの風邪も調子がよくなったので、久しぶりにCoalingaの射撃場に遊びに行きました。



〈動画〉 Hand Thrown Clay Shooting 101

得物は20年来の相棒であるRemington M870。18 inchesのCylinder Bore Barrel + Laser Sight + Weapon Light装備のHome Defense仕様です。Clay Shootingには不向きですが、的は20m以内の至近距離なので十分。故Tom Knappさんの10枚の記録を目指して、まずは1枚から練習、練習。




〈動画〉 Mr. Tom Knapp Tribute

すばらしい!10枚の世界記録を持っている彼ですが、Pump Action Shotgunでも8枚の記録を持っていたとは知りませんでした。M870ならせいぜい3枚が限界かなと思っていましたが、何事も鍛錬です。



あけましておめでとうございます。本年もどうぞよろしくお願いします。

2015年1月1日木曜日

Spinを考える 4

「想定できる最悪な状況を考慮して飛行すること。飛行とは常にそうあるべきで、そうすれば飛行訓練の方向性も見えてくる。」 ー J. R. P. 氏談、A飛行学校、校長






「スピンからの回復操作は、パワー バック、エルロン ニュートラル、ラダー オポジット、エレベーター ニュートラル。P A R Eの操作を身に着けておけば、どのようなスピンからでも確実に回復できます。(実は例外もあるのだけれど・・・)」

一通りスピンについて説明してスピン トレーニングに向かいます。セオリー通りに「Basic to Complex」の順に行うとすると、スピンに関しては「アップライト ノーマル スピン」から練習することが一般的です。




〈動画〉 アップライト ノーマル スピン (Spinを考える 2より)



アップライト ノーマル スピンの挙動に慣れたところで、スピン中にエルロンを使って、挙動の変化を見てみましょう。



〈動画〉 アップライト エルロン アクセレレーテッド スピン、プロ ロール エルロン / イン エルロン (Spinを考える 3より)

エルロンの入力で、スピンの旋転が速くなるかどうかは機種によるところですが、一般にエルロンを用いるスピンをエルロン アクセレレーテッド スピンと呼びます。前回説明した通り、ExtraやPittsなどの曲技飛行機では、エルロンの入力によるアドバース ヨーのためにスピンのヨーイング成分が打ち消し合い、スティープ スパイラル気味(下に追記)にロールしながら降下していきます。




〈動画〉 アップライト エルロン アクセレレーテッド スピン、アンタイ ロール エルロン / アウト エルロン

アップライト ノーマル スピン中に、スピンの旋転方向とは逆方向にエルロンを入力したものです。動画を見ていただければお分かりになることですが、迎角は臨界迎角を超えているにも関わらず、エルロンは逆方向ではなく、正方向に作用しています。発生した逆方向へのロール モーメントがスピン中の機首が若干上がり気味になることも確認できますが、これはおそらく、主翼がフラットになることで翼面の有効面積が増加し、揚力が増加したためではないでしょうか。




アップライト ノーマル スピン



アップライト エルロン アクセレレーテッド スピン、アンタイ ロール エルロン /アウト エルロン



以上のエルロン アクセレレーテッド スピンからのリカバリーも、P. A. R. E.が有効です。下の写真で操作をご覧ください。




P (パワー バック)



右(アンタイ ロール エルロン) に入力されたエルロンを・・・



A (エルロン ニュートラル)



R (ラダー オポジット)、右ラダーを蹴り・・・



E (エレベーター アンロード)

スピン中にパワーの操作はしていなくても、スピン中に力んでしまい、いつの間にかにパワーが入ってしまうこともありますから、最初の「パワー バック」はお忘れなく。




〈動画〉 アップライト フラット スピン

次は、機首姿勢を水平に近づける、アップライト フラット スピンです。時間的に余裕があり、精神的にストレスも少なく、次のスピン モードの順序としてはこれが候補に挙がります。




アップライト フラット スピン

先のアンタイ ロール エルロンを使用したエルロンアクセレレーテッド スピンでは、左右のどちらのスピンでも可能でした。主翼が水平になりますから、このままでもフラットであると表現できますが、何らかの方法で、機首をさらに上げることは可能でしょうか。解決方法はパワーを使用することで、プロペラ回転数が上昇し、発生するジャイロの摂動が大きくなり、また増加した推力によるテール ダウン フォースによって、さらに水平姿勢に近付きます。




ヨーイングとジャイロの摂動の関係

パワーを用いて機首姿勢を上げるときは、ジャイロの摂動による影響がどちら方向に働くかを理解していなくてはなりません。アップライト フラット スピンで求める力は上向きのピッチ アップの力ですから、スピンのエントリーは左ラダーからとなります。右ラダーを使用した場合は、例えエレベーターを最後方に維持していても、パワーを入れることで(回転数が上昇するため)機首が下がり、エレベーター アクセレレーテッド スピンと同じ状況になります。

機首姿勢はジャイロの摂動による影響が大きく、推力の増加による影響は意外にも小さいようです。効果的にフラット スピンとするには、推力を単に増加させるのではなく、プロペラ回転数を上げ、ジャイロの摂動を有効利用することが効果的です。単純にフル パワーにして推力を得ようとしても機体は大回りするだけですので、プロペラ回転数が最大値(コンスタント スピード プロペラ装備機はガバナー設定値)となる辺りを基準にして挙動を確かめます。




アップライト フラット スピン中の操縦操作

パワーを用いてのアップライト フラット スピンは、左ラダー エントリー + 右エルロンの入力で行われます。訓練初期では、右エルロンを入れるときについラダーが緩んだり、反対の右ラダーを踏んでしまうことがよく見られます。また、乱暴な入力は振り子運動を発生させますから、挙動をみながら少しずつ入力するよう心がけます。

このスピンもこれまでと同様に、アップライト フラット スピンからのリカバリーも、P. A. R. Eで行えます。P. A. R. E.はやはり有効なリカバリーの手順です。



ノーマルとフラットの2種類のアップライト スピンを経験して、次はスピン中にエレベーターをアンロードしてスピンの旋転を加速させる、アップライト アクセレレーテッド スピンです。パワー操作をせずに、エレベーターの入力のみでモードの変化を見ますから、左右のどちら側のラダーからでも行えますが、アイドル状態とはいえプロペラは600 - 1000 RPM程度で回転していますから、アップライトであれば右ラダーからのエントリーがより顕著に現れます。




〈動画〉 アップライト アクセレレーテッド スピン、エレベーター アンロード (無音)

音声システムの状態が悪く、無音での録画となってしまいました。ここでは、右のアップライト ノーマル スピン中にエレベーターを前方へ押し、アンロードさせ、スピンを加速させています。「Spinを考える 1」で紹介した通り、機首姿勢が下向きになり、機軸がフライト パスに近付くことでスピンの旋転速度が速くなっていきます。

スピン中のエレベーターの入力がどのような影響を与えるか。さらに、スピン リカバリーではなぜ「ラダー、エレベーター」の順で行うのか、逆にするとどうなるのか、実体験で確認できます。




アップライト エレベーター アクセレレーテッド スピン中の操縦操作

ここでは左ラダーが入っていますが、左へのスピンとしてお考えください。アップライト スピンでありながら、エレベーターは最前方まで押されています。この状態でもアップライトでのスピンが継続している、とても不思議な現象です。

では、ここからリカバリーを行うとどうなるのでしょうか。「P A R Eの操作を身に着けておけば、どのようなスピンからでも確実に回復できます。」との言葉を信じて、行ってみましょう。




では、リカバリー!



P (パワー バック)



A (エルロン ニュートラル)



R (ラダー オポジット)、右ラダーを蹴ります。



E (エレベーター アンロード)、エレベーターを後方から中立位置へ。
・・・おや?

もうお分かりいただけたでしょうが、アップライト エレベーター アクセレレーテッド スピンを行うと、エレベーターはすでに最前方に押されていますから、ここから直接リカバリーを行うと、「ラダー、エレベーター」の順序が逆になり、P. A. R. Eの手順を守ることができません。



訓練生: なぜ?P A R Eを確実に行えば、スピン リカバリーが出来るって言っていたじゃないか!
私: そうだけれど、エレベーターでアクセレレートさせた場合は、まずノーマル スピンにモード変化させなくてはいけないんだよ。
訓練生: じゃあ、P A R Eじゃなくて、E + P A R Eとすべきということ?ややこしいなあ・・・。


実際には、上空でブリーフィングなしに、スピン中にエレベーター アクセレレートさせることはありませんが、この矛盾点にはいつも悩まされます。



ただ、高度の低下は大きくなるとしても、PittsやExtraなど高性能曲技飛行機では、大まかな操作が正しければ、少々順序やタイミングが間違っても、どのようなスピンからでも確実な停止が可能です。残念ながら、ここが高性能曲技飛行機でスピン トレーニングを行うことの負の部分で、安全なスピン トレーニングが約束された反面、正しい操作の重要性が身に付かないことが問題です。高性能曲技飛行機に乗る飛行士が、意外にも飛行の基礎を疎かにしているのは珍しいことではありません。




American Champion Aircraft 7ECA 「Citabria」



私自身の希望としては、挙動がU類やN類の飛行機に似た、7ECA 「Citabria」や、C-152A 「Aerobat」などでのスピン トレーニングをお勧めしたいのですが、機体料金が3倍なら3倍の貴重な経験が付けられると信じて来る方は後を絶ちません。「Extra 300Lに乗るんだ!」と、目を輝かせるお客に、私はどう答えるべきなのか。高性能であることが常に望ましいことではないと理解していただくことは難しく、とても悩みます。

長くなりましたので、今回はこの辺で。次回はP A R Eの問題の解決策について、です。



   〈追記〉

「ストールは継続しているのだから、スティープ スパイラルと呼ぶことは不適切ではないか?」と疑問に思った方もいらっしゃることでしょう。スティープ スパイラルは本来スピンの対語として用いられる言葉で、ストールはしていないこととされています。では、プロ ロール エルロンを加えたスピンのような、ストールしながらの、非オートローテーションの旋回降下はどう表現するのでしょうか。オートローテーションではないためにスピンではなく、ストールしているために本来の意味でのスティープ スパイラルでもありません。






現在は、ストールしていなければスティープ スパイラル、ストールしていればスピンという分類がされていますが、正しくはオートローテーションの有無とすべきではないかと思います。リカバリーの手順からから考えても、オートローテーションの有無で判断が分かれます。私に航空力学の教科書を書き換える力はありませんが、こうして疑問に思うことは多々あるものです。


Spinを考える 5へ続く