Drag

抗力とは、航空機が空中を移動するときに抵抗する力である。 基本的には、寄生抗力と誘導抗力の2種類がある。

寄生抗力

寄生抗力は、航空機の動きを遅くするために働くすべての力から構成されています。 パラサイトという言葉が示すように、揚力の発生に関係しない抗力のことである。 航空機による空気の変位、気流に発生する乱流、航空機や翼の表面上を移動する空気の障害などがこれにあたる。 寄生抵抗には、形状抵抗、干渉抵抗、皮膚摩擦の3種類がある。

形状抵抗

形状抵抗とは、航空機がその形状や周囲の気流によって発生する寄生抵抗のことで、その部分は、航空機の形状や周囲の気流によって発生する。 例としては、エンジンカウル、アンテナ、その他の部品の空力的形状などが挙げられる。 移動する航空機とその部品の周りを移動するために分離しなければならない空気は、胴体を通過した後、最終的に再び合流する。 このとき、いかに早く、スムーズに合流できるかが、抵抗の大きさを表し、それを克服するためにはさらなる力が必要となります。

図5-7の平板が、最終的に下流で再合流するまで、空気が縁の周りで渦を巻いていることに注目してください。 航空機の設計では、形状抗力が最も低減しやすい。

Interference Drag

Interference Dragは、渦流、乱流、スムーズな気流を制限する気流の交わりから発生するものである。 例えば、翼と胴体の交差する翼根部では、大きな干渉抗力が発生する。 胴体の周りを流れる空気は、翼の上を流れる空気と衝突し、元の2つの流れとは異なる気流に合流する。 干渉抗力が最も大きくなるのは、2つの面が直角にぶつかるときである。 この傾向を抑えるためにフェアリングが使われる。 ジェット戦闘機に同じ翼のタンクが2つ搭載されている場合、それぞれのタンクの合計よりも全体の抗力が大きくなるのは、これらの両方が干渉抗力を生み出し、発生させるからである。 フェアリングや、リフティングサーフェスと外部コンポーネント（翼に吊るされたレーダーアンテナなど）との距離をとることで、干渉抵抗を減らすことができるのです。

Skin Friction Drag

皮膚摩擦抵抗とは、航空機の表面と動く空気の接触による空力抵抗のことである。 どんな表面も、どんなに見かけが滑らかでも、顕微鏡で見ると粗く、ぼろぼろした表面をしている。 翼の表面に直接触れる空気の分子は、ほとんど動かない。 しかし、表面から上の層では、分子の動きが少しずつ速くなり、やがて機体の周囲を流れる空気の速度と同じ速さになる。 この速度は自由対流速度と呼ばれる。 翼と自由音速の間の領域は、トランプほどの幅があり、境界層と呼ばれる。 境界層の上では、分子の速度が上がり、境界層の外にいる分子と同じ速度で動くようになります。 分子が実際に動く速度は、翼の形状、翼や翼が移動する空気の粘性（粘り気）、圧縮性（どれだけ圧縮できるか）によって決まる。

境界層の外側の気流は、物体の物理的表面に反応するように、境界層の端の形状に反応する。 境界層はどんな物体にも、通常は物理的な形状とはわずかに異なる「有効な」形状を与える。 また、境界層が本体から分離することで、物体の物理的な形状とは大きく異なる有効な形状を作り出すこともあります。 このように境界層の物理的な形状が変化すると、揚力が大幅に減少し、抗力が増加する。 6974>

皮膚摩擦抵抗の影響を減らすために、航空機の設計者はフラッシュマウントリベットを利用し、翼面上に突出するような凹凸を取り除いた。 さらに、滑らかで光沢のある仕上げは、翼の表面を横切る空気の移行を助けます。

Induced Drag

The second basic type of drag is induced Drag.航空機についた汚れは空気の流れを乱し、抵抗を増加させるので、航空機の表面は常に清潔に保ち、ワックスをかける。 機械的な仕事をするシステムには100％の効率がないことは、物理的に確立された事実である。 つまり、システムの性質がどうであれ、必要な仕事は、システム内で散逸したり失われたりする一定の追加的な仕事を犠牲にして得られるということである。

水平飛行では、翼やローターの空力特性によって必要な揚力が得られるが、これはある種のペナルティを犠牲にしてのみ得られるものである。 このペナルティを誘導抗力という。 誘導抗力は、翼が揚力を発生するときには必ず発生するもので、実際、この種の抗力は揚力の発生と切り離すことができないものである。 6974>

翼や回転翼は、自由な気流のエネルギーを利用して揚力を発生させる。 翼が揚力を発生するときは、常に翼の下面の圧力が上面の圧力より大きくなります（ベルヌーイの原理）。 その結果、空気は先端より下の圧力の高いところから、上面の圧力の低いところへ流れようとする傾向がある。 先端付近では、これらの圧力が等しくなる傾向があり、その結果、下面から上面へ向かう横方向の流れが発生する。 この横流が先端の空気に回転速度を与え、渦を発生させ、翼の後方に引き続いていく。

航空機を尾翼から見たとき、これらの渦は右の先端を反時計回りに、左の先端を時計回りに循環していることがわかる。 空気（と渦）は翼の後ろから転がり落ちるとき、下向きになるが、これはダウンウォッシュとして知られている。 図5-10は、高度と地上付近のダウンウォッシュの違いを示しています。 渦の回転方向を考慮すると、渦は翼端より上では上昇気流を、翼後縁では下降気流を発生させることが分かる。 この誘導された下降流は、揚力を発生させるために必要な下降流とは共通点がない。 6974>

ダウンウォッシュは相対風を下向きにするため、ダウンウォッシュが多いほど相対風も下向きになる。 揚力は常に相対風に対して垂直である。 図5-11を見ると、ダウンウォッシュが少ないと、揚力ベクトルはより垂直になり、重力に対抗することがわかる。 また、ダウンウォッシュが大きいと、揚力ベクトルはより後方を向き、誘導抗力が発生する。 さらに、翼がダウンウォッシュや渦を発生させるためには、エネルギーが必要であり、そのエネルギーが抗力を発生させる。 高度と地上付近での下降気流の違い。

渦の大きさと強さが大きくなり、その結果、翼上の正味の気流に対する下降気流成分が大きくなると、誘導抗力効果が大きくなる。 この先端部の下降流は、揚力ベクトルを後方に曲げるのと同じ効果がある。したがって、揚力は相対風に対して垂直よりわずかに後方になり、後方揚力成分が発生する。 これが誘導抗力である。

翼の上部に大きな負圧を発生させるためには、翼を高いAOAに傾斜させればよい。 対称翼のAOAがゼロであれば、圧力差はなく、その結果、ダウンウォッシュ成分もなく、誘導抗力もない。 いずれにしても、AOAが大きくなれば、誘導抗力も比例して大きくなる。 つまり、対気速度が低いほど、航空機の重量に等しい揚力を得るために必要なAOAが大きくなり、その結果、誘導抗力が大きくなる。 誘導抗力の量は、対気速度の2乗に反比例して変化する。

逆に、寄生抗力は対気速度の2乗に比例して増加する。 したがって、定常状態では、対気速度が失速速度近くまで低下すると、主に誘導抗力が急激に上昇するため、全抗力が大きくなる。 同様に、航空機が決して超過しない速度（VNE）に達すると、寄生抗力が急激に増加するため、全抗力が急激に増加する。 図5-6に見られるように、ある対気速度で全抗力が最小になる。 航空機の最大航続距離を考える場合、抗力が最小であれば、抗力に打ち勝つために必要な推力は最小となる。

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