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グラウンド・エフェクト: なぜ着陸時に飛行機が浮くのか

at 3:06 PM by / 282 / 0

好き嫌いは別として、グラウンド・エフェクトは着陸(そして離陸)に大きな影響を与えます。

もし着陸進入の速度が速すぎると、グラウンド・エフェクトに捕まってしまい、滑走路の上を延々と浮き続けることになります。

どのように発生するのか

着陸のためのフレアを開始し、速度が速すぎるまま車輪が接地するのを待ちます。さらに待ち、さらに待ち、気がつくと滑走路の半分まで進んでしまっています。

この浮遊現象はグラウンド・エフェクトによるものです。しかし、根本的には翼端渦(ウィングチップ・ボルテックス)と、翼が地面に近づくことでそれがどう変化するかが関係しています。

地面が翼端渦に与える影響

グラウンド・エフェクトの本質は、翼端渦の大きさと、それが生み出すダウンウォッシュの量にあります。以下のCirrus SR-22の例を見てください。高度があるときと地面付近にいるときで、翼端渦の大きさに違いがあるのがわかりますか?

翼が地面に近づくと、翼端渦は大きくなれません。なぜなら、翼端の周りを回転するうちに地面にぶつかり、拡散してしまうからです。その結果、「ダウンウォッシュ」と呼ばれる現象が減少します。

ダウンウォッシュが減ると、抗力も減る

翼の後ろを流れる空気(および渦)は下向きの角度を持って流れます。これがダウンウォッシュです。高度があるときと地面付近にいるときで、ダウンウォッシュにどのような違いがあるのか見てみましょう。

ダウンウォッシュは相対風を下向きに向けるため、ダウンウォッシュが多いほど相対風もより下向きになります。これは非常に重要なポイントです。なぜなら、揚力は常に相対風に対して垂直に発生するからです。

もう一度上の図を見てみてください。
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、重力を直接打ち消す方向になります。
しかし、ダウンウォッシュが多いと、揚力ベクトルが後方に傾き、**誘導抗力(induced drag)**が増加します。

さらに、翼がダウンウォッシュや渦(ボルテックス)を作り出すにはエネルギーが必要であり、そのエネルギーが抗力(drag)を生み出すことにもつながります。


地面効果(Ground Effect)の影響

高度が低くなると、ダウンウォッシュと渦の発生が抑えられ、それに伴い誘導抗力も減少します。

地面効果による影響を、大きく3つのポイントに分けることができます:

  1. より垂直な揚力 → 重力に対抗する力が増える
  2. 後方に向かう揚力(=誘導抗力)が減少 → 抗力が小さくなる
  3. 渦が小さくなり、ダウンウォッシュが減少 → さらに抗力が減少

どのくらいの高さで地面効果が発生する?

低翼機(Low-wing)と高翼機(High-wing)の違いを体感したことがあるなら、低翼機の方が着陸時に地面効果を大きく受けることがわかるでしょう。

下のチャートを見てみると、地面効果が影響を与え始めるのは地面から1翼幅(1 wingspan)以内の高さからです。
しかし、さらに近づく(約1/2翼幅)と、誘導抗力が大きく減少し、地面効果が強まります。

低翼機は翼が地面に近いため、ダウンウォッシュの影響をより受けにくくなり、より強い地面効果を感じるのです。

実際の例をいくつか見てみましょう。まずは、**セスナ172(Cessna 172)について考えます。この機体の翼幅は36フィート(約11メートル)**です。

セスナ172が地面にいるとき、翼は地面から約**7フィート(約2.1メートル)の高さにあります。これは翼幅の20%**に相当します。上のグラフを見てみると、着陸直前のセスナ172では、**誘導抗力(Induced Drag)は通常の60%**まで減少していることが分かります。

次に**低翼機のパイパー・ウォリアー(Piper Warrior)を見てみましょう。ウォリアーの翼幅は35フィート(約10.7メートル)で、地面にいるときの翼の高さは約3.5フィート(約1.1メートル)です。これは翼幅の10%**に相当します。ウォリアーが着陸直前の状態では、誘導抗力は通常の40%まで減少します。

この違いは大きく、低翼機が着陸時に「フワッと浮いてしまう(浮遊感が強い)」理由でもあります。

グランド・エフェクト:それを活用するために設計された航空機もある

着陸時にグランド・エフェクトが厄介に感じることがあるかもしれませんが、一部の航空機にとっては、むしろそれが目的です。例えば、**エクラノプラン(Ekranoplan)**のような航空機は、グランド・エフェクトを活用して飛行するよう設計されています

エクラノプランは地表からわずか数フィートの高さしか飛行しません。これにより、通常よりも多くの貨物を運ぶことが可能になりました

エクラノプランの特徴

  • 地面近くを飛行することで、誘導抗力(インデュースド・ドラッグ)が大幅に減少
  • 揚力効率が向上し、燃費が良くなる
  • 高速での輸送が可能(従来の船より速く、飛行機より低燃費)

この独特な設計を活かし、ソビエト連邦はエクラノプランを軍用輸送機や攻撃機として開発しました。興味があれば、ぜひ調べてみてください!

 


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