前々回で、「主翼、水平尾翼、垂直尾翼、そしてそれぞれの翼に取り付けられた動翼を備えた「飛行機」である以上、その動翼の動く範囲において、飛行機の飛行形態はその運用範囲のどこにでも、あるいはその運用範囲外にも及び、どんな姿勢でもとり得るのです。」ということをお話しました。今回はその「飛行機」の形についてあらためて考えてみます。

　ご存じのように揚力を発生するのは翼ですから、例えばハンググライダーやパラグライダーのように翼が一つだけあれば、飛ぶのには十分足りるはずです。しかし、「飛行機」は一部の例外はあるとしても、判でおしたように、「主翼、水平尾翼、垂直尾翼、そしてそれぞれの翼に取り付けられた動翼を備えた」形をしています。セスナもジャンボも同じです。なぜそうなのでしょうか。

　バランスのとれた水平飛行においては、揚力は重力に、推力は抗力に釣り合っています。ここで揚力に注目して、重心位置が前後に変化することによる縦揺れモーメントを考えてみます。下の図において、cgは重心位置、cpは翼から発生する総ての揚力が一点に働くと仮定した点(風圧中心といいます)の位置を表しており、cg位置をピンでとめ、cp位置には糸を結びつけて上に引っ張っています。

　Aのようにcg位置とcp位置が一直線上にある場合はモーメントは発生せず、機体は回転しません。ところが、Bのようにcg位置がcp位置の後方にある場合は左回りのモーメントが発生し、機体は機首上げを起こし、より大きな迎え角となります。次に、Cのようにcg位置がcp位置の前方にある場合は右回りのモーメントが発生し、機体は機首下げとなり、より小さな迎え角となります。

　失速に近づくような姿勢になるBよりも、失速しにくい姿勢になるCのほうが望ましいので、cg位置の後方限界はcp位置が翼の前縁にもっとも近づいたときよりさらに前方になるようにします。しかし、cg位置があまり前方だと着陸時の機首引き起こしができなくなるかもしれないので、cg位置の前方限界は十分な操縦応答性が得られる範囲に定められます。

　cg位置をcp位置より前方に設定すると、飛行機は常に機首下げ(ノーズヘビー)傾向を持つことになります。この機首下げ傾向を調整する働きをするのが水平尾翼なのです。水平尾翼はネガティブリフトと呼ばれる下向きの小さな揚力を発生させ、この下向きの揚力が機体の機首下げ傾向を抑えるのです。下向きの揚力は、飛行機を浮揚させる揚力を減らすものですからできるだけ小さい方が望ましく、そのため水平尾翼の位置は主翼から遠く離れた位置にしてモーメントを大きくしています。

　次に横の安定を考えてみましょう。横滑りをするとき、飛行機は斜め前方からの相対風を受けることになります。例えば右斜め前方からの相対風を受けるとき、飛行機の機首を左の方に向けるようなモーメントが生まれます。このような不安定要素となるモーメントを打ち消す働きをするのが垂直尾翼です。斜め前方からの相対風が垂直尾翼に当たると、下の図のように小さな揚力が発生し、これにより機体を相対風の方向に向けるようなモーメントが生まれるのです。

　「飛行機」がみんな同じような形をしている理由がおわかりいただけたでしょう。

　あと必要なのは飛行機の姿勢をコントロールするための動翼です。これらの動翼は、相対風を受けたときに発生するモーメントが最大になるように、できるだけcg位置から離れた場所に取り付けます。エレベーターは水平尾翼の端に取り付け、ピッチをコントロールします。ラダーは垂直尾翼の端に取り付け、ヨーをコントロールします。エルロンは主翼の端に取り付け、左右で反対方向に動くようにしてロールをコントロールします。

　これからの動翼が関係するさまざまなことがらについては、次の第3章「ロール、ヨー、ピッチ」で詳しく説明することになります。