紙飛行機から極超音速まで、航空機の翼はどのように進化してきたのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: 王鳳益 (中国科学院機械研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：科学技術の仕事の謎を解明するために、中国の最先端技術プロジェクトは「私と私の研究」と題する一連の記事を立ち上げ、科学者に独自の記事を書いて科学研究の経験を共有し、科学の世界を創造するよう呼びかけました。科学技術の最前線に立つ探検家たちと一緒に、情熱、挑戦、驚きに満ちた旅に出ましょう。

人類の空の探求の旅において、航空機の重要な構成要素である翼は重要な役割を果たします。これは、航空機の揚力を発生させる中核部品であるだけでなく、航空機の形状に最も直接影響を与える要素でもあります。今日は、翼の世界に足を踏み入れ、その背後にある科学的原理と素晴らしいデザインを探ってみましょう。

翼の秘密：揚力と抗力のバランス

翼の謎は、まず、航空機が重力を克服して青空に舞い上がるのを翼がどのように助けるかにあります。飛行力学では、翼は揚力を発生させることで航空機の重量を支えます。この揚力は、翼の上面と下面の間の空気速度の差によって生成されます。飛行機が前進すると、翼の上方の空気の流れが速くなり、低圧領域が形成されます。一方、翼の下の空気の流れは遅くなり、高圧領域が形成されます。この圧力差が翼の揚力生成能力の鍵となります。

翼

（写真提供：veerフォトギャラリー）

しかし、揚力は翼の唯一の機能ではありません。揚力を追求する一方で、翼は抗力という課題にも直面しなければなりません。抗力とは、飛行中に航空機が受ける抵抗のことです。航空機の電力を消費し、飛行効率が低下します。そのため、翼の設計においては、揚力と抗力のバランスをどのように見つけるかが科学研究者の焦点となっています。

翼の形状は飛行性能にどのような影響を与えますか?

翼の形状は航空機の飛行性能に重大な影響を及ぼします。

紙飛行機の例からこのことが垣間見えます。私たちは子どもの頃、幅広い翼のものや細長い翼のものなど、さまざまな形の紙飛行機を折ったことがあるかもしれません。これらのさまざまな形状が紙飛行機の飛行特性を直接決定します。

航空機の設計において、翼の形状を決定する最も重要なパラメータはアスペクト比と呼ばれ、飛行方向に対して垂直な翼幅と飛行方向に沿った翼弦長の比です。下の図のaとbの比率です。

オリジナルの写真は、2024年の珠海航空ショーでJ-35A戦闘機が飛行ショーを行っている様子を示している。

（写真提供：北京日報）

アスペクト比が大きい翼は飛行方向に対して垂直方向に特に長く見えるため、航空機全体が広く見えます。アスペクト比が小さい翼は飛行方向に対して垂直方向には短くなりますが、飛行方向に沿ってわずかに長くなり、胴体と組み合わせると航空機の全体的な形状がより細く見えます。

航空機のアスペクト比は比較的大きい

（写真提供：veerフォトギャラリー）

アスペクト比の大きい翼の代表的な例としては、Y-20 輸送機が挙げられます。その設計により強力な揚力が得られ、航空機はより多くの重量を運び、より遠くまで飛行できるようになります。この設計は、飛行速度をあまり追求せず、積載量を第一に考慮するため、長い飛行時間、長い航続距離、重い積載を必要とする航空機に特に適しています。

2023年11月23日、朝鮮における中国人民志願軍殉難者第10陣の遺骨を迎える任務を遂行するY-20航空機が瀋陽桃仙国際空港に着陸した。空港は「水門をくぐる」という最高の航空礼儀をもって義勇軍殉教者たちを帰国させ迎えた。写真：ユー・ホンチュン

（写真提供：中国軍事ネットワーク）

2023年12月19日、西部戦区の緊急指揮グループはY-20に搭乗し、甘粛省の地震救援の最前線に急行した。写真：劉芳

（写真提供：中国軍事ネットワーク）

J-20 や J-35 などの戦闘機で実証されているように、アスペクト比の小さい翼は抗力を減らし、飛行速度を上げることができます。この設計は、高速飛行を追求する戦闘機にとって間違いなく最良の選択です。

2018年11月11日、J-20戦闘機が第12回中国航空ショーでデビューした。

（写真提供：新華網）

アスペクト比に加えて、ねじれ角、下反り角、後退角などの翼の他の設計パラメータも飛行性能に重要な影響を及ぼします。たとえば、適切なねじれ角度を適用すると、飛行中に発生する誘導抗力を減らすことができます。上反角を大きくすると、飛行中の航空機の横方向の安定性が向上し、航空機の飛行がより安全になります。

翼の材質は常に変化しており、高圧捕獲翼が新たな注目点となっている。

科学技術の継続的な進歩に伴い、翼の材料や技術も常に更新されています。初期の航空機の翼は主に木材、金属、その他の材料で作られていました。これらの材料は強度と耐久性に優れていますが、重量が重く、航空機の飛行性能を制限します。現在、複合材料技術の急速な発展により、翼には炭素繊維やガラス繊維などの軽量で高強度の材料が大量に使用されるようになりました。これらの材料は翼の重量を軽減するだけでなく、疲労耐性と耐腐食性も向上させます。

さらに、計算流体力学や最適化設計などの先進技術の応用により、翼の設計はより正確かつ効率的になりました。研究者はこれらの技術を使用して、翼の形状と構造を改良し、最適な飛行性能を実現できます。

翼の設計は大きく進歩しましたが、研究者たちは翼の探究と革新を決してやめませんでした。彼らは、ますます深刻化する環境とエネルギーの課題に対処するために、より効率的で環境に優しい翼の設計の開発に取り組んでいます。

中でも、高圧捕捉翼は極超音速航空機のレイアウトの新しい形として、広く注目を集めています。従来の極超音速航空機の空力レイアウトでは、揚力抗力比と容積比の間に強い矛盾関係があります。つまり、極超音速航空機が遠くまで速く飛ぶことの代償は、積載能力の大幅な低下だ。この特性により、エンジニアリング実装は多くの課題を伴います。

この深刻な問題に対応するため、中国科学院機械研究所は高圧捕獲翼構成の新しいレイアウト計画を提案した。胴体上壁の圧縮によって形成された高圧領域を「捕捉」することにより、かなりの揚力補償が得られます。空気力学の原理により、胴体の容積が増大し、圧縮により形成される高圧領域の強度が増大し、得られる揚力補償がさらに増大し、容積比と揚抗比の矛盾関係が巧みに緩和される。

数年にわたる努力の結果、この構成の研究は大きな進歩を遂げました。 2018年、中国機械研究所は「SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy」誌に「極超音速I字型空力構成」と題する表紙論文を発表し、国内外の研究者から広く注目を集めた。 2020年、中国機械研究所はマッハ6でこの構成の風洞試験を実施しました。その結果、海外で設計された主流の高性能ウェーブライダー構成と比較して、最大揚抗比とそれに対応する揚力係数がそれぞれ5％と86％向上し、容積比が約10％増加し、この構成の空力性能の潜在能力が強く実証されました。

2021年、機械研究所は高圧捕獲翼構成の「玉風1号」飛行試験を実施し、初めてこの構成の実際の飛行データを取得し、より深い最適化設計研究をサポートしました。

この設計は、翼の形状と構造を巧みに利用して、大きな容積によって生じる飛行抵抗に耐えながら飛行揚力を大幅に向上させ、従来の設計における容積と揚抗比の矛盾関係を緩和します。この革新は、航空機の全体的な飛行性能を向上させるだけでなく、将来の航空宇宙産業にさらに広い開発の余地をもたらします。

高圧捕獲翼構成の概略図

(画像提供: Acta Aeronautica Sinica)

研究者たちは、高圧捕捉翼に加えて、変形可能な翼やスマート翼など、他の多くの新しい翼の設計も研究しています。これらの設計は、さまざまな飛行環境やミッション要件に適応するために翼の形状、構造、機能を変更することで、航空機の将来の開発にさらなる可能性をもたらします。

結論

翼は航空機の核となる部品であるだけでなく、空を探索する人類の知恵の結晶でもあります。初期の木製の翼から今日の複合材の翼まで、単純な形状設計から複雑な構造の最適化まで、翼の発展は人類の飛行の夢に対する絶え間ない追求とたゆまぬ努力の証しでした。

今後、技術が進歩し、イノベーションが生まれるにつれて、翼の設計はより効率的で、環境に優しく、インテリジェントなものになるでしょう。これからも人類を導き、大空を渡り、未知の世界を探検し、人類の飛行伝説を書き記していくことでしょう。