« 2008年12月 | トップページ | 2009年6月 »

2009年4月

2009年4月 9日 (木)

F4Uコルセアの着艦問題に関する考察(その5、F4Uの特徴と問題点 結論)

 ここまで、F4Uが着陸寸前の状態で不安定となる原因として考えられるものを列挙してみた。もう一度まとめてみよう。
<症状>
 ① 従来の着艦アプローチでは発着甲板(特に誘導員)が見えない。
 ② 迎角が11.5°を超えると不安定になり、機体が左に傾く。着地と同時に機首が横に振れる(左右は不明)
 ③ 着地時にバウンシングを起こす。
<対処法>
 ① 従来よりも迎角を小さく保ち、緩やかなグライドパスで着艦アプローチを行う。
 ② 右翼に楔形スポイラーを追加。
 ③ 3点角を13.5°から11.5°に減少する。
 ④ 主脚オレオをソフトなものに変更。
<原因として考えられる項目>
 ①  逆ガル翼の折れ曲がり部の失速。(原因は谷型になった上面の負圧部か横滑り時の逆キャンバー効果かいずれか)
 ②  主翼付け根の気流剥離による昇降舵の振動、もしくは縦安定性低下。
 ③  プロペラ後流による左ヨー傾向(失速直前の迎角で急激に変化する)。
 ④  プロペラ後流による左内翼部の対気迎角増大と失速。
 ⑤  大迎角時に垂直尾翼が胴体の陰に入ることによる方向安定性の低下
 ⑥  ラダーロック

 残念ながら筆者にはこれらのうちの何れが真の原因であったのかを特定することはできない。①と④についてはこれまでも雑誌記事等で言及されている(ただし①については失速が何故起こるのか、具体的な説明したものは見たことがない)。②、⑤および⑥については具体的な証拠や既存文献での言及はなく、あくまで仮説である。③は尾輪式降着装置をもつ単発機の特性としては当たり前のことなのだが、F4Uの独特の形状と強力なエンジン故に深刻なものになったものと予想できる。
 いずれにせよ、F4Uの着艦困難は単一の原因によって引き起こされたのではなく、着艦寸前の迎角で複数の問題が同時に発生して着艦操作を困難にしていたと考える方が良さそうだ。横滑りも急な引き起こしも厳禁と言う制約の中で機体をだましながらアプローチパスに載せ、そろそろと母艦甲板に近づいたのは良いが、タッチダウンに備えて操縦桿を引いて行くと機体が右に左にと暴れ始め、復元しようとするとさらにおかしな挙動を始める。ようやっとタッチダウンに持ち込むと、今度はボヨーンとはねて機首が上がりバリヤーを飛び越えそうになる。こんな感じの複合的な症状だったのではないだろうか。
 重要なのは①~⑥のいずれについてもヨー、ピッチ、ロールの三軸の動きが相互に影響しあうことで起こる現象であると言う点だ。飛行とは立体的な現象であり、特に着陸や空中戦の場合は大きな迎角をとったり横滑りしたりしながら飛ぶものだが、三面図や風洞模型のイメージしか頭にないとそれを見過ごしてしまいがちである。F4U、強風、雷電などのデザインは機体が気流に正対してまっすぐ飛ぶことを前提にした机上の理論を基に発想されたように感じる。これに対してF6Fなどは、機首が大きく下を向き操縦席は盛り上がったように突出し尾部は垂れ下がったような形で、機体の水平線がどこにあるやらわからない。しかしこうすることで複雑な機動中も常に気流を捉えて機体を安定させ、同時にターゲットを視界内におさめることが可能になった。実戦的な機体と言うのはこう言うものだと思う。
 F4Uが高性能機であることは否定できないし、使い物にならないような欠陥機だったとも思わない。少なくとも細長い機体に強力なエンジンを搭載し、180~200kg/m^2程度の翼面荷重を選択したところまでは間違っていない。しかし、極端な逆ガル翼を採用したこと、燃料タンクやコックピットの配置などは失敗であったし、尾翼配置や動翼の形状にも問題があったと思う。それを解決したのは強力なエンジン等のアメリカの工業力と運用法等の改良を行った海軍・海兵隊の努力のおかげである。もしも、開発したエンジニアにもう一度同じ条件で設計してみろと命じたならば、たぶん違う形の機体を作り上げるに違いない。これが筆者のF4Uに対する評価である。

| | コメント (0) | トラックバック (0)

F4Uコルセアの着艦問題に関する考察(その4、F4Uの特徴と問題点 尾翼) 

☆ 大迎角時のスピン対策

 全金属製・低翼単葉の時代になって問題になったことの一つが翼端失速だ。複葉機の翼は上下の翼と支柱・張線による一つのトラス構造なので、翼にかかる曲げ荷重を上翼と下翼の距離で受け止めれば良かったが、単葉機では翼付け根部の厚みだけで耐えなければならない。このためテーパー翼が採用されたのだが、レイノルズ数の関係でテーパー翼では薄くなった翼端から失速が始まりスピンを起こしやすい。翼端失速の対策として捩じり下げや前縁スラットが有名だが、同時に改良されたのが尾翼配置だ。
 迎角が大きくなった時に垂直尾翼が水平尾翼の陰に入ると方向安定性が低下し、結果としてスピンに入りやすくなることがわかり、水平尾翼と垂直尾翼を前後に少しずらして配置することが普通になった。零戦の試作機でもこの問題が発生し、水平尾翼を前上方へ移動し、垂直尾翼下端部は大迎角で方向安定性に寄与するように形状を改めた。

図 6 零戦試作機と量産機の違い(水平尾翼を前上方へ移動、垂直尾翼下端を変更)

6

 中島の二式単戦や四式戦では垂直尾翼を大きく後方に張り出しているし、Me109では水平尾翼をかなり上方に配置して十字尾翼とでもいった形になっている。一方、F4Uやモスキートでは逆に垂直尾翼を前方に配置している。この場合、水平尾翼を避けると言うだけでなく、機首から胴体上面にそって流れてくる気流を捉えることになる。現代のジェット戦闘機ではこの方が主流でF-5、F-20、F/A-18、Su-27などの例がある。この方法では機体前方で発生した気流の影響を垂直尾翼が受ける。有名なSu-27のコブラ機動は、ストレーキが発生する過流の効果で迎角90°でもラダーの効きが失われないことによって可能となったものだ。F-5後期型およびF-20で採用されたシャークノーズも同様な効果を期待したものだが、こちらは横滑りを起こすと過流がラダーにあたり振動を引き起こす欠点があると言う。
 F4Uの垂直尾翼はかなり前方にあり、プロペラ後流や大迎角時に機首周りで発生する乱流の影響を受けやすかったと言う可能性はある。

☆ ラダーロック

 F4Uの異形ぶりが際立っていることの一つとして方向舵が異常に大きいことがある。バランス部と舵面を合わせると固定部より大きいくらいであり、雷電など日本機の小さな方向舵と比較するとさらに異様に見える。こんなに大きな舵面を採用した理由はプロペラトルク・後流対策らしいが、人力操舵はきびしかったと見えて後になるとスプリングタブを採用している。
 気になるのは、大きく張り出したバランス部が横滑りやプロペラ後流の影響で舵を取られるラダーロック現象を起こさなかったのかどうかだ。F4Uの垂直尾翼は前述のとおり大迎角時には胴体上面に沿った気流を受ける配置だが、これだと迎角が大きくなると最後には垂直尾翼下部は胴体の影になりそうだ。上端だけが気流を受けるとバランス部の割合が大きくなりラダーを取られそうな気がするが大丈夫だったのだろうか?右ラダーを踏ん張りプロペラ後流に抗って機首をまっすぐ保ちながら、最終アプローチでじわじわと操縦桿を引いて行くといきなりラダーを右へ取られる、そんな現象が起こっていた可能性もある(スプリングタブはラダーロック対策でもある)。

図 7 大迎角時のラダーへの気流の当たり方

7_2

☆ 水平尾翼の高さ

 水平尾翼の位置は先述の垂直尾翼との関係の他、ダウンウォッシュや主翼付け根乱流などの主翼後流の影響を避ける必要により決定される。
 ダウンウォッシュすなわち主翼の吹き下ろし気流が水平尾翼に作用することによるアップトリムが失速を誘発する現象を避けるため、低翼単葉機では通常水平尾翼を高い位置に置く。F4Uの逆ガル翼の内翼部は大きく下方に湾曲しているため概ね低翼とみなして良いはずで、特にダウンウォッシュが悪さをした可能性は少ないと思う。
 一方、主翼付け根は中翼に近い位置にあるため、ここから発生した乱流が水平尾翼に悪影響を及ぼした可能性がある。円形断面の胴体に主翼を取り付けた機体としては強風とF4Fワイルドキャットがある。強風の場合は前述のように大きなフィレットを取り付けた。F4Fにはフィレットは無いが、試作機XF4Fでは主翼と水平尾翼が同じ高さに配置されていたものが量産型では高い位置に移動している。

図 8 F4Fワイルドキャット試作機と量産機の違い(水平尾翼を上方へ移動)

8

 これに対してF4Uはフィレットが無く、また極端な逆ガル翼のため斜め下方向に主翼が生える独特の形状になっている。大迎角時にここから発生した強い乱流が水平尾翼を叩き、微妙なエレベーター制御を困難にしていたのではないだろうか(図8)。F4Uの構造ではこれ以上水平尾翼を上方に移動するには機体の大幅改修が必要であり、かつ着艦時にのみ発生する問題であるため、着陸時の迎角を制限することで対処したと考えられる。

図 9 ダウンウォッシュと主翼付け根乱流の影響

9

| | コメント (0) | トラックバック (0)

F4Uコルセアの着艦問題に関する考察(その3、F4Uの特徴と問題点 プロペラトルクとプロペラ後流)

 F4Uを含む大半の大戦機のプロペラはパイロットから進行方向をみて時計回りであり、反動で機体は左に傾く。「R-2800エンジンの大出力を受け止めるF4Uのプロペラは直径4mもありプロペラトルクも大きかった・・・」とは言い古されてきた言葉だが、実際にはプロペラトルクよりもプロペラ後流の影響の方が複雑だ。
 プロペラ後流はらせん状に胴体を流れて行き、垂直尾翼の左側面にあたる。これにより機体は左にヨーイング(右横滑り)し、続いて主翼の上半角効果により右翼が持ち上がる。さらに、左内翼部では対気迎角が大きくなるので失速しやすくなる。(図4)

図 4 プロペラ後流の影響

4

 トルク反動とプロペラ後流の双方とも結果は同じで左に傾くのだが、プロペラ後流の影響は迎角によって変化する点が厄介だ。図5に迎角増大によるプロペラ後流影響の変化を示す。3点着陸では迎角が連続的に変化するため、垂直尾翼がプロペラ後流のらせん流の一番強いところを通過するときに強く左に機首を振られ、そこを過ぎると左ヨー傾向は弱くなる。パイロットはこれを見越してラダーペダルを踏みかえるわけだが、F4Uの場合は着地の瞬間に頭を左右に振る悪癖があったそうだ。最も神経を使う着地の瞬間にこれをやられたのではたまったものではない。また、失速直前の大迎角でのヨーは風上側翼(右ヨーなら左翼、左ヨーなら右翼)の迎角が大きくなり失速を引き起こすことも考えられるので、通常と逆側にグラッとロールする可能性もあり、問題はさらに複雑になる。

図 5 迎角増大によるプロペラ後流の変化

5

| | コメント (2) | トラックバック (0)

F4Uコルセアの着艦問題に関する考察(その2、F4Uの特徴と問題点 主翼)

☆ 逆ガル部の失速
 「F4Uの主翼は逆ガルの折れ曲がり部分で失速した」と言われると何となく納得した気になるが本当なのだろうか?Ju87など他にも逆ガル翼の機体はあるがそんな話はあまり聞かないではないか。確かに空気の流れを考えてみると、逆ガル部下面では空気が左右に押し分けられ、逆に上面ではV型の谷間で負圧が大きくなるので、ここから失速が始まると言うのは理に適っている。しかし中央付近での失速は翼端失速ほど危険ではないはずだ。また必ず左翼が失速を起こした理由にはなにか左右非対称な要素が関連しているはずだ(多分プロペラだろう。これはプロペラ後流のところで後述する)。

☆ 横滑りの影響

 次に横滑りを起こした場合を考えてみる。飛行機の着陸では大きく左右に傾けてコース修正を繰り返すものだし、特に大出力の単発機はプロペラの影響を抑えるためにラダーを使って斜めを向きながら降下してくる。さらに、F4Uの場合は視界が悪いのを補うため、機体を斜めにして着陸点を視認したくなるのが当然だ。しかし、F4U主翼の逆ガル部を斜めに切ってみると強い逆キャンバー断面と言うことになり、機体が横滑りして気流が斜めに当たると失速しやすくなる(図1)。ただし、このような横滑り時の失速が風上側と風下側のどちらで起こりやすいのかはよくわからないから、左翼が突然失速する現象とどう関係するのかはよくわからない。

図 1 逆ガル部分を斜めに切ったときの主翼断面形状

1_3

☆ 主翼付け根の気流剥離

 主翼付け根にも問題がある。写真をみると主翼付け根付近の塗装が剥げているものが多いが、これは主翼付け根で気流が剥離して乱流となったためであると言う。(図2)

図 2 主翼付け根の乱流

2_2

 F4Uの主翼はF4Fや強風・紫電と同じように、円形断面の胴体に直角に主翼を接合している。こうすれば主翼と胴体の干渉抵抗が小さくなりフィレットをなくすことが出来ると考えたためだが、強風の場合は主翼付け根で発生した乱流により昇降舵が振動したためやむを得ず主翼付け根に「バナナ」と揶揄された大きなフィレットを取り付けた。(図3)

図 3 強風試作機と量産機の違い(主翼付け根のフィレットを追加)3

☆ 主脚扉について

 F4Uの主脚扉は不思議だ。類似方式のF6Fと比べてもカバーの面積が大きく、前方と左右に大きな壁を作っている。主翼下面には大きく穴があき、いかにも気流が乱れそうに見える。想像だが境界層制御板もしくはエアブレーキとしての効果を期待したのではないかと思う。逆ガル部を斜めに抜ける気流をせき止めれば横滑り時の失速が少しは防げるかもしれないし、着艦時に速度を調整する手段が限られていたF4Uでは脚下げ時の抵抗増大はむしろ望ましかったのかもしれない。

| | コメント (0) | トラックバック (0)

F4Uコルセアの着艦問題に関する考察(その1、対策と原因)

 F4Uコルセアはアクの強いデザインと高性能の故に根強いファンを持つ機体であるが、悪名高い空母着艦困難がどのような原因によるものであったかについては案外情報が少ない。気になるのは、施された改修がいずれも部分的な手直しである点だ。もしも失速特性とか安定性そのものが悪いのであればそれは戦闘機として致命的な欠陥であり、尾翼面積とか主翼形状など空力設計の大幅見直しを必要とするはずだ。そうしなかったのは問題が着艦時などの特定の状況で機体の一部分にのみ発生する現象であり、運用法と部分的な改修で解決できると判断したからであろう。
 いったい何が、どう、問題だったのか?ネット上でも議論されていたらしいが「視界だろ」「失速特性が」「主脚オレオだよ」とかバトルになって収拾がつかなかったようだ。ここでは、解決法をよく観察してそこから逆に原因を推測すること、要するにリバースエンジニアリングを試みたい。

~主な改修点とそのねらい~

 F4Uに施された主な改修は以下の通りだ。

<XF4U→F4U-1(バードケージ)>
 ・機首上面機銃を撤去、翼内に12.7mm機銃6門を装備
 ・翼内インテグラルタンクを撤去、胴体中央部にタンクを設置
 ・操縦席を915mm後方へ移動
 ・フラップ(下げ角60°のデフレクタープレートを用いたフラップ)を通常のスロッテッドフラップ(下げ角50°)に変更
 ・上面カウルフラップを廃止
 ・右翼前縁に楔形スポイラーを追加
 ・尾輪延長、三点角を13.5°から11.5°に減少

<F4U-1(バードケージ)→F4U-1A>
 ・風防をバブルキャノピーに改め、操縦席を178mm上方へ移動。
 ・主脚オレオをソフトなものに変更

☆ 尾輪延長(3点角の減少)

 「三点着陸」と言うのは大きな迎角をとり主輪と尾輪を同時に着地させる着陸方法だが、一部に言われるような「ドスン」と乱暴に着地するものではなく、着地の直前に操縦桿をジワリジワリと引いて行くと迎角の増大とともに揚力・抗力が増大し、これに地面効果も加わってフワリと三輪が着地する(上手にやればの話だが)。着地と同時に揚力が消滅することが望ましいので、3点角と主翼の失速角はほぼ等しいはずだ。
 F4Uの場合、尾輪を延長して三点角を13.5°から11.5°へと減少したが機体の空力設計は変わっていないので、結局のところ迎角を小さくとり失速領域に近づかないような着陸方法を採用したと言うことになる。

☆ 楔形スポイラー

 超音速機の主翼前縁は尖っているが通常の亜音速機ではまるくなっている。前縁の丸みの半径を小さくするとそれだけ主翼は失速しやすくなるからだ。F4U-1では右主翼の前縁に小さな楔形の部品を追加しているが、これは迎角が大きくなった際にここから気流を剥離させてわざと右翼の失速を誘発するものだ。逆に言うとこれは、この様にしないと左翼が突然失速して左へ傾く悪癖があったのだと推測できる。

☆ 主脚オレオのソフト化

 ここまで見てきてわかったことは、F4Uは迎角が11.5°を超えると突然不安定になり左翼が先に失速したらしいと言うことだ。いろいろ施された対策は簡単にまとめてしまえば、迎角を小さく保ちより緩やかなグライドパスで着艦アプローチを行い、急な引き起こしを行わずにタッチダウンする、そう言った操縦方法に機体を適合させるための改修だったと言えなくもない。(もちろんこの他に視界不良の件もある。それまでの着艦方法では空母甲板上の誘導士官の姿が見えなかったと言う。これも機体を水平に保つことで前下方の視界も改善するし、もしかするとゆるやかに旋回しながらアプローチしたのかもしれない。)
 しかし、これで上手く減速できたのだろうかと言う疑問が残る。後述するように、F4Uの逆ガル翼は横滑りに対しても悪さをしそうな気がする。横滑りや急激な引き起こしなど速度調整の手段が乏しい上に、3点角が減少しているから着地しても揚力が残っている。丁寧に着地したつもりでもボヨーンと機首が上がりバウンシングになってしまい、主脚の緩衝能力増大が必要になったのではないだろうか。

 次回以降、これらの対策から推測できる不安定の原因を考察してみる。

| | コメント (0) | トラックバック (0)

« 2008年12月 | トップページ | 2009年6月 »