航空機のしくみ半田利弘理学部物理科学科予告 ▶ 7/10の授業は休講にします。 ■ 代講は予定していません。 ▶ 夏休みに見学会を検討中 ■ ■ ■ ■ 鹿児島市電車庫 or JR九州鹿児島車両所先方へ申し込んでOKが出たら実施所要１時間程度を想定希望者は、出欠簿に「見学希望」と記入のこと  実施が決定したら授業ないしメールで通知  先週記入した５名は重複記入不要航空機 ▶ 地表を離れて空中を移動する乗り物 ■ 大きく、２つに分類 ▶ 軽航空機：平均密度が空気より軽い ■ ■ 浮力による飛行気球、飛行船 ▶ 重航空機：平均密度が空気より重い ■ ■ 揚力による飛行飛行機、ヘリコプター軽航空機 ▶ 気球 ■ 熱気球：加熱空気を溜める  1783年モンゴルフィエ兄弟  世界初の有人飛行 ■ ガス気球：水素を溜める  1783年シャルル&ロベール兄弟  10日遅れの有人飛行「ボイル=シャルルの法則」のシャルル気球 ▶ 軍事利用：主に偵察用 ■ 係留気球 ▶ 気球に乗り物の機能を ■ 動力を搭載して移動可能にする蒸気機関を搭載  世界初の動力飛行  ジファール1852年飛行船 ▶ 気球＋内燃機関動力 ■ 硬式飛行船：骨組み＋気嚢  流線型に近い形状を保つ工夫  ジュラルミン（アルミ合金）の開発 ■ ■ ディーゼルエンジンの搭載ツェッペリン飛行船ヒンデンブルク（ドイツ）グラーフツェッペリン（ドイツ）硬式飛行船 ▶ 第２次世界大戦前までは盛んに建造ヒンデンブルク（ドイツ） USSロサンゼルス（米国）現在の飛行船 ▶ 半硬式飛行船 ■ ■ ■ 水素は爆発の危険が大ヘリウムヘリウムは高価なのでガスの放出はしない平均密度を空気と同じにして推進力で上下するツェッペリンNT（ドイツ日本）浮力 ▶ 周囲の物質より密度が低い物質 ■ ■ アルキメデスの原理浮力＝押しのけた体積中の水（や空気）の重量浮力の理由 ▶ 一定の体積の空気 ■ 落ちずに留まっているのは圧力差のため  圧力差による力 S(P下-P上)  空気に加わる重力 r0Vg=mg 釣り合っている ▶ 物体で押しのける：圧力差は同じ浮力 ■ f= S(P下-P上)=r0Vg=mg 重航空機 ▶ 重航空機≒飛行機 ■ フライヤー  1903年ライト兄弟  世界初の有人飛行飛行機 ▶ 飛行機が発明される前提 ■ 軽量かつ強度がある部材や構造の開発 ▶ 実際に飛行機が発明できた２大要素 ■ 軽量で強力な動力源  ガソリンエンジン ■ 固定翼の使用羽ばたく飛行機は作れない  向かい風を受けて揚力を得る ▶ 多くの人が忘れている点 ■ 操縦できる飛んだ後のことを考えていたか。初期の飛行機 ▶ 複葉機：箱形にして翼の強度を確保 ■ 日本での初飛行は1910年、フランスから購入ブレリオXI（フランス）初の英仏海峡横断機サントスデュモンの14bis（フランス）アンリ・ファルマン（フランス日本）ベノイストXIV（米国）世界初の定期航空便に使用第１次世界大戦時の飛行機 ▶ 偵察・攻撃兵器として急速に発達 ■ 1910～1919年：第１次世界大戦  リヒトホーフェン「レッドバロン」深紅のフォッカー３葉機フォッカーDr.Ⅰ（ドイツ）スパッドⅦ（フランス）ゴータGⅣ（ドイツ）ニューポール（フランス）複葉機から単葉機へ、単発から双発・３発へソッピースキャメル（英国）ユンカース Ju52-3m（ドイツ）ダグラスDC-3（米国）フォードトライモーター（米国）第２次世界大戦時零式艦上戦闘機（日本）スーパーマリンスピットファイアー（英国）２式大型飛行艇（日本） B29爆撃機（米国）初期ジェット機（軍用）ハインケル He178（ドイツ）グロースターミーティア（英国）メッサーシュミット Me262（ドイツ）橘花（日本）民間航空用ジェット機デハビラントDH106 コメットⅣ旅客機（英国）ダグラスDC-8旅客機（米国）イリューシンIL62旅客機（ソビエト）ボーイング707旅客機（米国）ちょっと前の飛行機ボーイング747 コンコルド日本航空機製造YS-11 エアバスA320 現代の飛行機ボーイング787 エアバスA380 ボーイング777 ボンバルディアDHC-8-Q400 揚力 ▶ 翼に空気が当たることで生じる ■ 流体からの反作用  抗力：進行後方向きの力  揚力：（上流での）流れの向きと垂直方向の力 ■ 流速が増すほどどちらも増加する傾向「上面の方が遠回りなので気流が速く…」という説明は誤り実用的な翼 ▶ 抗揚比：抗力と揚力の比 ■ 翼の形状で大きく変わる  仰角でも変わる ■ 揚力は減らさず、抗力をなるべく小さくする迎角a 迎角a 失速 ▶ 迎角と抗力、揚力の関係 ■ ■ ■ 迎え角過大抗力ばかりが増える翼上面で流れが剥がれて乱流が生じる 下面の気流も上に戻ってしまう河内啓二ながれ21（2002） 323-329 揚力を増やす策 ▶ 同じ翼形状で揚力が増す要因 ■ 気流が速い低速時には揚力が不足する翼面積が広い迎角を増やす ■ 速度に応じて翼断面を変化させる ■ ■ 高揚力装置 ▶ 速度が低くても揚力を増やす ■ ■ ■ 曲率を増す面積を増やす気流の剥がれを防ぐ ▶ フラップ ■ 主翼から展開する隙間から漏れる気流で翼上面の気流乱れを抑制 ■ 高揚力高速時には抗力が増える ■ プロペラ ▶ プロペラも揚力利用回転による相対気流 ■ 回転運動と垂直な揚力 プロペラによる推進力 ■ 揚力 ▶ プロペラのピッチ半径に比例して対気速度が増す ■ 半径ごとに仰角を変える プロペラの“ひねり” ■ プロペラ回転方向二重反転プロペラ ▶ プロペラ推進 ■ ■ 気流が渦状になる回転運動の分だけ損！反動トルクが機体に加わる ▶ 逆回転する２枚のプロペラを重ねて解決！アントノフ An-22 推進装置 ▶ レシプロ機：内燃機関＋プロペラ ▶ ターボプロップ機：ガスタービン＋プロペラ ▶ ジェット機：ガスタービンコンコルドブリテンノーマンBN-2 アイランダーボンバルディアDHC-8-Q400 レシプロ機・ターボプロップレシプロ機：ピストンエンジンの回転力でプロペラを回すターボプロップ：タービン回転力でプロペラを回すジェットエンジンターボジェットエンジン：燃焼ガスの反動で進むターボファンエンジン：燃焼ガス＋圧縮空気流の反動で進むジェットエンジン ▶ ターボジェットエンジン GE J79 ブリストルオリンパス ▶ ターボファンエンジン ■ バイパス比 P&W JT9D(B767) P&W JT9D-7A 機体＋取込外気 ■ ■ 基礎方程式：推力噴流機体＋噴流運動量保存則 (M+Dm)(v+Dv)-Dm u = (M+Dm) v ここから、推力 f = Δ𝑣 M Δ𝑡 =u 対気噴流速度 Δ𝑚 = Δ𝑡 (vj-v) Δ𝑚 噴射流量 Δ𝑡 噴射流量対機体噴流速度 流量が大きいほど、噴射速度が大きいほど推力大  低速時：vj-vが大、高速時：Dm/Dtが大推力変化小経過時間Dt 機体＋取込外気 ■ 基礎方程式：推進効率噴流機体＋噴流エネルギー保存則 1 2+ 1Dm u2= 1(M+Dm) v2+DE (M+ D m)(v+ D v) 2 2 2  先ほど得た f=M Δ𝑣 Δ𝑡  必要なエンジン出力生成エネルギーDE 経過時間Dt =u Δ𝑚 Δ𝑡 を代入すると DE =f Dt(v+ 12 u) 基礎方程式：推進効率 ■ ■ 推進力（エンジン）が機体に対してする仕事DW DW= f Dx = f vDt ここから、推進効率 h = h= 𝑓𝑣 Δ𝑡 𝑓 1 Δ𝑡(𝑣+ 𝑢) 2 = 2 𝑢 2+ 𝑣 Δ𝑊 Δ𝐸 = 機体速度を単位とした対気噴流速度を求めると 2 1+ 𝑣𝑗 𝑣 機体速度を単位とした対機噴流速度 u が小さい（vjが小さい=vに近い）ほど高効率