1 つばさ(主翼)の性能

主翼には自重を支える役割がある。

この力を揚力と言い、普通に真っすぐ飛んでいるときの揚力は、

自重と同等でつり合っている。

もし自重より揚力が大きくなれば、持ち上げる力が余っているわけだから、

その分機体は上昇し、Gがかかる。

逆に、揚力が小さければ、降下することになる。

 

もし急旋回をしようとするなら、上舵(あげかじ)をとって、

より揚力を大きくし、その分Gをかけることになる。 

       揚力 = 合力     G = 合力/自重

 

2 空気抵抗

揚力を発生させる主翼は、同時に抗力(抵抗)も発生させる。

抗力が大きいということは、滑空比(揚抗比)が悪いわけだから、

グライダーなら、同じ高さから遠くに飛べなくなってしまう。

 

今回のように、減速しながらの水平飛行であれば、

抗力が大きい分、早く減速するから、複数回の旋回は難しくなる。

 

つまり、多数回の旋回のためには、大きな揚力を発生させながら、

抗力をどこまで小さく抑えられるかがポイントとなる。

 

3 トンボの翅

紙飛行機の飛行領域は、旅客機より、昆虫や鳥に近い。

昆虫のように、小型でゆっくり飛行する場合は、

抗力減少の手段として、流線型は必ずしも通用しない。

 

トンボは飛行性能が高いことで知られているが、

翅の断面は、ギザギザだ。

小さい物体の回りをゆっくり流れる気流(流体)の中では、

空気は翼に粘りついてしまい、抗力が大きくなってしまう。

 

トンボの翅はこれに対抗し、自然選択の中を生き抜いてきた結果の形なのだ。

ギザギザや、ヒゲ、微振動などは、空気分子が粘りつくのを防ぐ。

トンボの翼断面はギザギザしているが、谷で小さな渦を作ることによって、

全体の流れは、きれいな流線型となっている。

勢いの良い流れが、翼の表面に触れるチャンスを少なくし、

抗力の増加を抑えている

 

4 火星探査

日本の宇宙探査計画には「火星飛行機の実現をめざして」というテーマがある。

JAXAのサイトによれば、翼幅(スパン)約2.5m、機体重量約4.2kg、巡航速度約60m/秒、の火星飛行機が開発されていると、説明されている。

 

火星は空気密度が地球の1/100程度と低いため、

このスペックでも、物理現象(レイノルズ数という値で評価する)としては、

地球上の手投げグライダーレベルとなる。

つまり、火星探査機の研究成果が紙飛行機にも使える可能性があるわけだ。

 

論文によると、翼型性能を向上させるポイントとして、

下面は、中央に凹みを持たせながら、滑らかなカーブで結ぶ

上面中ほどには、わずかな凹み、あるいはフラット面をつくる

前縁付近は滑らかなカーブにする

 

 

 

あるいは

紙飛行機と似た、薄翼+緩やかな円弧翼、

 

 

などが良いと解説されている。

 

これらを、翼型設計の要素として使うことにした。

 

5 誘導抵抗

難しい言葉が出たが、この抵抗はすこぶる大きいから要注意だ。

小さく抑え込みたいのだが、翼を細長くするしか対策がない。

第5話で触れたが、翼の細長さのことをアスペクト・レシオと言う。

本物のグライダーの主翼が細長いのも、

旅客機の主翼が細長いのも、

この抵抗を小さくすることが目的だ。

 

翼下面は圧力が高く、上面の圧力は低い、

この圧力差が揚力の正体だが、

圧力が逃げるため、翼端から渦ができる

これが、誘導抗力の原因だ

 

私が学生時代に作った、

人力飛行機STORK号のアスペクト・レシオは、20.44もあるが、

それでも飛行機全体の空気抵抗の、約半分を占めている。

パイロットが懸命にこぐ脚力の半分は、

実は、誘導抵抗として消費しているわけだ。

 

それで、私の紙飛行機の翼も、理論に立脚し程よい細長さとした。