問題の提起:まっすぐ飛ばすために

ストローグライダーの工作は、作ったグライダーをうまく飛ばすことができて成功といえる。紙飛行機(ストローグライダーもその仲間)は簡単に作れそうだが、作った飛行機をうまく飛ばすのは難しい。きちんとつくることも大切だが、飛ばすときの調整がもっと大切だ。
ロールして飛ばないグライダーの軌跡
図1 意識的に舵(エルロン)を調整して
ロールさせたストローグライダーの軌跡
組み立てたままの紙飛行機は、多くの場合まっすぐ飛ばない。その原因の大半が主翼がねじれているためである。なぜまっすぐ飛ばないか、主翼のチェックと調整方法を示したい。
うまく飛ばない第2の原因は投げ方にある。初心者は手首を使って投げるため飛行機を放したときの飛行機の向きが毎回変わり、調整を難しくしてしまう。失敗しにくい投げ方を示したい。

関連資料

参考とした情報

  • 小林昭夫:「紙飛行機で知る飛行の原理」,1998(12刷),講談社 ブルーバックス
  • 谷一郎:「飛行の原理」,1965,岩波書店 岩波新書
  • 英語ですがNASAの飛行に関するサイトが大変参考になります。気体の性質から飛行機、ロケット、凧まで幅広いテーマに適切な画像と簡潔な解説があります。
  • 同じく英語ですがJohn S. Denkerの"See How It Flies"というサイトも参考になります。本来は飛行機を操縦する人のために書かれたものですが翼の周りの空気の流れの図はわかりやすいです。

サイト内関連リンク


飛行機が飛ぶための条件

飛行中主翼は水平でなくてはならない

離陸や着陸で近くを飛んでいる飛行機をよく観察すると、右に旋回するときは主翼を右(翼が下にくるよう)に傾けているし、左に旋回するときは主翼を左に傾けている。まっすぐ進んでいるときは主翼は水平に保たれている。右に示した動画(クリックすると動画が始まります。Quick Timeが必要です)では、はじめ主翼が右に傾き傾いたままで右旋回し、次に左に傾けて左旋回します。
紙飛行機が右に傾くように作られていると、手から離れた紙飛行機は右に旋回するとともに、傾いた主翼は水平な主翼より揚力の垂直成分が小さくなるため、気体重量を支えることができなくなり、急激に落下していく。
旋回する飛行機

図2 離陸後旋回する飛行機 QT 514KB

飛行機の回転軸はロール軸、ピッチ軸、ヨー軸

 
実験教室では「なぜ飛行機が飛ぶか」という問題に対して「翼が揚力を発生する、だから重い飛行機が空に浮いていられる=飛ぶことができる」と説明する。しかし揚力の存在は飛行のための必要条件で。十分条件ではない。
作った飛行機をうまく飛ばすという立場に立つと、揚力より飛行機の回転軸周りのモーメントバランスが重要である。飛行機の場合重心を原点とし、胴体、主翼をX、Y軸とする。Z軸は(水平飛行中の)垂直軸になる。胴体軸(X)周りの回転をロール、主翼軸(Y)周りの回転をピッチ、Z軸周りの回転をヨーと呼ぶ
飛行機の3つの回転軸と回転の名称
図2 ロール、ピッチ、ヨー

一番大切なロール軸の調整、二番目はピッチ軸

 
紙飛行機はきちんとつくり、重心位置を合わせば必ず飛ぶ。多くの人が作る紙飛行機が飛ばないのは主翼がねじれているため左右の主翼に働く揚力が等しくならず、飛んでいる間、常に機体をロールさせる力が働くためである。
主翼がゆがんでいるとき、多くの場合、右か左に旋回しながら突っ込むように降下する(図1)。極端な場合には、少し強く投げるとぐるぐる回転しながら飛んでいく。
旅客機などの実機では、ピッチ軸はエレベータ(昇降舵)と呼ばれる舵を使って調整する。しかし、紙飛行機では、ピッチ軸の調整はまず重心位置を動かして調整する。
重心位置が前過ぎると、必要な揚力が得られないため飛行機は前のめりの突っ込み型の軌跡を取る。重心位置が後過ぎると飛行機の軌跡は波型になる(図3)。重心位置が適正であれば、飛行機はきれいな直線状の滑空軌跡を示す。
重心位置によるピッチ軸の動き
図3 重心位置による飛行軌跡の変化
(ピッチ軸)

グライドテストとグライダーの調整

主翼のねじれのチェックと調整

グライドテストをやる前に機体をチェックする。チェックのポイントは:
  • 主翼がねじれていないか
  • 水平尾翼は主翼と平行になっているか
  • 垂直尾翼は水平尾翼に垂直になっているか
であるが、特に1.主翼のねじれが重要である。
主翼のねじれのチェックは、機体を正面からあるいは真後ろから、左右の翼に視差がないように見ることが大切で、まずストローの穴が通って見えるように手で保持して片目で左右の翼を見る。
このとき、機体をピッチ方向に少しだけ回転させるとねじれを見つけやすい。図4の上にマウスを置いたり離したりするとピッチ方向に傾けた様子がわかる。
始めに左右両方とも翼の上面が見える角度にしておいて、ゆっくり機首を持ち上げていく。左右どちらかの翼の裏面が同時に見えたら、ねじれは無いと考えてよい。正面から見て右側の翼の裏面が先に見えるときは、飛行中に右側の翼の迎角が大きくなるため右側の翼が上に動くようにロールする。
ねじれが見つかったら、それを修正するように翼の両端を持ってひねる。あるいはねじれが大きい場合には、片側の翼をまげて修正する。
主翼のねじれのチェック
図4 主翼のねじれのチェック
マウスを画像の上においたり放したりしてみる
(JAVAを有効にしてください)

主翼のねじれ
図5 主翼のねじれのの見え方

主翼のねじれ
図6 主翼のねじれによるロールの方向

グライドテストのやり方

できるだけ風が吹いていないところでテストする。風がふているときは風上に向かって投げる。
主翼の後ろで胴体(ストロー)をつかむ。主翼が左右に傾かないように水平に、機首をやや下向き(5度位)に持つ(図7)。
投げるとき手首を動かしてスナップを効かせてはいけない。ひじを動かして投げる。ひじを動かすとともに、グライダーの角度を変えないように手首は手前に引く気持ちで動かすのがいい。
投げたら飛行の軌跡をよく観察する。観察のポイントは:
  • 軌跡が左右に曲がらないか
  • 機体がロールしていないか
  • ピッチ方向の動きはどうか(図3)
正規分布
図7 投げ方
図では機体が左に傾いているように見えるが、
投げるときは必ず水平になっていなければならない。

グライドテストをした後の調整

軌跡が右や左に曲がるとき、機体が曲がる方向にロールしていることが解る。ほとんどの場合グライダーは滑空しないで墜落する。このときはもう一度主翼のねじれをチェックして修正する。前から見たとき、ロールで主翼が上がる側の翼の下面が先に見えるはずだと思いながら確認するとねじれを発見しやすい。
まっすぐ飛ぶがピッチ方向の軌跡がまっすぐでないときは、重心位置を調整する。軌跡が前のめりになるときはクリップを後ろに、軌跡が波状になる(これをピッチングと呼ぶ)ときはクリップを前にする。クリップを後ろにしても突っ込むような軌跡が直らない場合は水平尾翼の後端を少しだけ(1-2mm程度)上に曲げる。

初版:2007.6.28