重心位置と縦安定

機首が上向けば下げる、下がれば上げるという動きを達成することを縦の固有安定確保と言います。 縦安定を実現するためには、 「全体の空力中心よりも、前に重心位置を置くこと」が必要です。

飛行距離を増やすために、揚力/抗力の比を大きくできるような適切な仰角が必要です。揚力もモーメントも飛行機の速度(空気の流速)の2乗に比例します。一定の仰角で飛行中に、外乱によって仰角が増え過ぎたとき、重心位置が空力中心よりも前にあることで、仰角を少なくするモーメントが発生するようになります。

(仰角が安定する理由)
ここで仮に風の乱れなど何らかの原因で機種が上を向いたとする。
すると、迎角が増大するので揚力も大きくなり、揚力の中心が重心よりも上になろうとする。揚力の中心は重心よりも後ろなので結局後ろが上がることになり迎角は減少し、元の迎角に戻ろうとする。逆に下を向いたときは、今度は揚力が小さくなるので後ろが下がり迎角が大きくなり元の迎角に戻ろうとする。
結局、上下どちらにずれようと、機種は元の角度に戻ろうとする力が働く。
逆に重心が余力の中心の後ろにある場合には、この逆で機種が一旦上を向けばどんどん機首が上がっていき、実際には失速角まで上がって失速に入る。

重心周りのモーメント係数Cm、仰角をαとするとき、 dCm/dα < 0 が縦安定の必要条件です。 飛行機を横から見たときの重心周りのモーメント(ピッチング・モーメント)を M(機首上向き正), その係数を Cm=M/(qSc*) c*:平均空力翼弦 として、 M,Cmに関する安定度を縦安定という。 ピッチング・モーメント係数は迎角増に対する変化が紙飛行機により異なり、安定度を左右します。 縦安定の条件は、 ①ピッチング・モーメント係数の迎角に対する変化が右下がり ②迎角正にて同係数が零 ③迎角零でのピッチング・モーメント係数が正であることです。 ピッチング・モーメント係数の迎角に対する変化は、 重心位置と水平尾翼容積比に関係します。安定な飛行機の重心が後退していくと、右下がりのグラフの傾斜はゆるくなり、ついには水平、さらに右上がりになります。また、水平尾翼容積比が小さくなっても同様になります。 グラフが水平になるときの重心位置を(安定)中立点(の重心位置)といいます。 中立点から前方に重心があるほど飛行機は安定度が強いことになります。 揚力係数は失速角以下の迎角増に対して常に増加しますが、ピッチング・モーメント係数は迎角増に対する変化が場合により異なり、安定度を左右します。   20140604-202820-73700748.jpg 20140604-202820-73700617.jpg 20140604-202820-73700388.jpg

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