先端カフ

NASAの実験の一環として、アメリカン航空AA-1ヤンキーに取り付けられた垂れ下がった前縁カフ

前縁カフは、固定翼航空機において失速特性とスピン特性を改善するために用いられる固定式の空力翼装置である。カフは工場設計のものもあれば、アフターマーケットで追加改造されるものもある。[ 1 ]

前縁カフは翼の前縁の改良であり、通常は前縁を外側にわずかに垂れ下げた形状に延長する。前縁を外側に延長するほとんどのケースでは、翼カフは翼幅の約50～70%の位置から始まり、翼の外側前縁まで広がる。[ 2 ]

主な目標は、特に元の主翼が急激な／非対称な失速挙動を示す場合[ 1 ] [ 3 ] 、スピン離脱傾向を起こさずに、より緩やかで穏やかな失速開始を実現することです。この目標は、パッシブで非可動、低コストの装置を用いることで、性能への影響を最小限に抑えることができます。さらなる利点として、失速速度を低減し、進入速度を低下させ、着陸距離を短縮できます。また、カフの位置によっては、低速時の エルロン制御を改善する可能性もあります。

用語

前縁カフは、失速/スピン抵抗に関する技術報告書では、ドループコンセプト、ドループ前縁（DLE）、または修正外側前縁と呼ばれていました。 [ 4 ] これらの報告書やNASAの同じ物体に関する他の報告書では、[ 5 ]「前縁カフ」という表現は使用されていません。

他の著者は単に「カフ」または「ウィングカフ」を使用している。[ 6 ]

歴史

NASAは1970年代から1980年代にかけて、模型や実物大の実験を用いて一般航空の失速/スピンの研究プログラムを主導し、一般航空の飛行機の失速/スピン特性を改善するための効果的な手段を模索した。[ 7 ]

翼幅中央部のノッチが翼の最大揚力に与える影響は1976年に実証された。[ 8 ]模型や実物大の航空機で様々な前縁変更をテストした後、NASAは最終的に半翼幅垂下前縁（DLE）を選択し、これはアメリカン・アビエーションAA-1ヤンキー（1978年）で初めてテストされた。

1979年のNASA報告書[ 9 ]によると、高迎え角ではカフ不連続部が渦を発生させ、これがフェンスのように作用して剥離した流れが外側へ進むのを阻止する。揚力勾配は上端が平坦になり、失速角はより高い角度まで遅延する。高迎え角を達成するには、外側翼型を垂下させる必要があり、いくつかの実験では前縁を「誇張した」垂下状態にする実験が行われた。カフ効果の物理的な理由は明確に説明されていなかった[ 10 ] 。

はるかに古い報告書にも同様の結果がいくつかありました。1932年のNACA報告書[ 11 ]では、様々な長さの前縁スロットの効果について、「これは、翼端のスロット部分がある程度独立した翼として機能することを示唆している」と述べています。

境界層の除去によって揚力係数が高くなることは、プロペラ（遠心力によって境界層が外側に移動する）[ 12 ]や翼（境界層吸引）においてよく知られています。前縁カフの内側渦と翼端渦は、翼の外側部分の境界層を除去する働きをし、この低アスペクト比の仮想翼がより高い失速角を達成するのを助けます。[ 13 ]

重要な点は、翼が空力的に2つの部分に分かれているように見えることです。内側の失速部分と、独立した低アスペクト比の翼として振る舞い、高い迎え角に達することができる外側部分です。カフの急激な不連続性が重要な要因です。漸進的なフェアリングによる渦抑制の試みや、改造によるプラス効果は、いずれも急激な翼端失速を再び引き起こしました。[ 14 ]

失速/スピンの結果

NASAの失速/スピンに関する報告書によると、「基本型の飛行機、AA-1（ヤンキー）、C-23（サンダウナー）、PA-28（アロー）、C-172（スカイホーク）は、意図的なスピン突入の試みの59～98％でスピンに陥ったが、改造された飛行機は試みのわずか5％でスピンに陥り、スピン突入を促進するためには長時間の、悪化した操縦入力や限界を超える負荷が必要だった。」[ 15 ]

翼のアスペクト比と位置の影響

NASA の実験で最も成功した結果は、アスペクト比が 6:1 と非常に低い主翼 (グラマン ヤンキー AA-1) で得られ、半翼幅の 57% の位置に DLE を配置しました。渦 (内側のカフと翼端) は限られた翼幅 (局所翼弦の約 1.5 倍) で効率よく作用するため、高アスペクト比の翼の場合、DLE だけではロール制御を維持するのに十分な外側の揚力を確保できません。[ 16 ]アスペクト比が 8 または 9 を超える翼には、カフ効果を完結するための他の装置が採用されています。[ 17 ]たとえば、失速ストリップ (シーラス SR22やセスナ 400で使用)、「ラオ スロット」(クエスター ベンチャーで使用)、ボルテックス ジェネレーター、セグメント化されたドループ (NASA が改造したセスナ 210で使用)高アスペクト比のセスナ210翼（AR =11:1）の場合、失速時のロール減衰はそれほど効率的ではありませんでした。[ 18 ]

高翼構成の主翼の場合は異なっていた。改造されたセスナ172の実機試験では、外側前縁カフだけではスピン離脱を防ぐのに十分ではなく、高迎え角での方向安定性が欠如していることが判明した。腹側フィンを追加することで、機体はスピンではなく制御されたスパイラル状態に入った。[ 19 ]

ドラッグペナルティ

カフの長さと形状によっては、前縁カフは失速/スピン抵抗速度に空力的なペナルティを及ぼし、巡航速度の低下につながる可能性があります。ただし、その影響は「量産機の計器では検知できないほど小さい」場合もあります。[ 20 ] AA-1 ヤンキーの最良の主翼改造の場合、巡航速度の低下は2mph（2%）で、上昇時の速度低下はありませんでした。[ 21 ]パイパーPA-28 RX（改造T字型尾翼）の巡航速度への影響は測定できませんでした。[ 22 ] クエスター・ベンチャーの場合、「慎重に管理された性能試験において、巡航性能の低下は感知できない程度（1ノット）であることが判明しました」。[ 23 ]

アプリケーション

NASAの研究用飛行機以外でアウトボードカフが初めて使用されたのは、 1978年のルタン・バリイーズであった。1982年に風洞実験が行われ、その後（1984年）、ボルティロンに置き換えられた。[ 24 ]

以下の航空機は、NASA の失速/スピン研究プログラムの結果として、外側の前縁カフを追加して実験用に改造されました。

先端カフは、1900年代の高性能軽飛行機であるシーラスSR20やコロンビア350に使用されており、両機ともこの装置によりFAA認証を取得しました。[ 32 ] [ 33 ]

STOLキットのアフターマーケットサプライヤーの中には、前縁カフスを使用しているところもあり、場合によっては翼フェンスや垂下エルロンなどの他の空力装置と組み合わせて使用​​しているところもある。[ 34 ]

参照

参考文献

  1. ^ a bクレイン、デール：航空用語辞典、第3版、144ページ。航空用品・学術雑誌、1997年。ISBN 1-56027-287-2
  2. ^半翼幅に対する位置：Beech C23 0.54、Piper PA-28 0.55、Yankee AA-1 0.57、Cirrus SR20 0.61、Lancair 300 0.66、Questair Venture 0.70、Cessna 172 0.71 - SAE TP 2000-01-1691、14ページに準拠
  3. ^コックス、ジャック (1988年11月). 「Questair Venture, Part Two」 . 2009年8月8日閲覧。
  4. ^ Stough, DiCarlo「小型飛行機のスピン抵抗の発達 - 回顧」、SAE TP 2000-01-1691または「1970年代のNasa Stall Spin Paper」、または [1]。
  5. ^ NASA TP 2011（ヤンキーAA-1）、NASA TP 2772（セスナ210）
  6. ^バート・ルータン、カナードプッシャー第19号（1979年）「ウィングカフはバリイーズ失速を改善する」またはより最近のセスナCJ1のウィングカフ設計[2]
  7. ^ H. Paul Stough III と Daniel J. DiCarlo、「小型飛行機のスピン抵抗開発 - 回顧」、SAE TP シリーズ 2000-01-1691
  8. ^ Kroeger, RA; Feistel, T,主翼空力設計による失速スピン突入傾向の低減、SAE論文760481
  9. ^ NASA TP 1589、先進的な自然層流翼を備えた実大一般航空機の風洞実験
  10. ^ NASA TP 1589：「外側パネルの揚力がこのように改善された失速/スピン特性に維持されるメカニズムは不明であった」。
  11. ^ NACA TN 423、Weick、Fred E. 失速飛行付近での横方向制御の調査、軽量高翼単葉機による様々なウォッシュアウト量と前縁スロットの長さでのテスト。 [3]
  12. ^ Hoerner,流体力学揚力, 12-24
  13. ^ Zimmerman, NACA TN 539, 1935, 「低アスペクト比のいくつかの翼の空力特性」。「非常に高い迎え角まで乱流のない流れが維持されるのは、翼上面の後縁付近に形成される境界層を翼端渦が除去する作用によるものと思われる。」
  14. ^フェアリングの追加...不連続性を排除するために、急激な先端失速が再び発生しました（SAE TP 2000-01-1691）
  15. ^ NASAの研究用航空機4機のスピン試行の結果の要約。、 [4]
  16. ^ Barnaby Wainfan、 KitPlanes 1998年7月号、風洞、フォイルによる失速が今月のトピックです。「NASA​​ TP 1589に記載されているシングルドループカフ構成では、高比翼のスピンを防ぐのに十分ではないことが判明しました。」
  17. ^ Murri, Jordan、Nasa TP 2772、高度な自然層流翼を備えた実物大の一般航空機(セスナ 210) の風洞実験、先端部の改造、p.9、「アウトボード ドループ構成のデータは、失速時のロール ダンピング特性が大幅に向上していることを示しています。ただし、不安定なロール ダンピング特性はアウトボード ドループだけでは完全には排除されません。」
  18. ^ NASA TP 2722、「翼の失速が進行するにつれて、翼上面の内側で不安定な失速と再付着の挙動が発生する。」
  19. ^高翼単発軽飛行機のスピン抵抗を改善するための改造の調査、SAE Paper 891039 (1989)
  20. ^ H. ホームズ、 NASA の一般航空失速/スピンプログラム、Sport Aviation、1989 年 1 月
  21. ^実寸大低翼一般航空機における主翼前縁部の変更の影響、Nasa TP 2011、抗力特性、p. 13
  22. ^ NASA TP 2691、低翼単発T字型尾灯飛行機の失速/スピン特性に対する外側翼前縁の改造の影響に関する飛行調査 ：「測定精度の範囲内で、巡航飛行に典型的な揚力係数に対する飛行機の抗力に違いは見られませんでした。」
  23. ^ 「スピン抵抗」(PDF) . whycirrus.com .
  24. ^ Rutan VariEze、NASA TP 2382 (1985) および NASA TP 2623 (1986)
  25. ^ NASA TP 1589、NASA TP 2011
  26. ^ NASA CT 3636、NASA TP 2691
  27. ^ SAE論文891039
  28. ^ AIAA 86-2596
  29. ^ Sport Aviation 1988年11月号。Meyer et Yip、AIAA 89-2237-CPレポート。
  30. ^ NASA TP 2772
  31. ^ DOT/FAA/CT-92/17、AIAA/FAA GAに関する合同シンポジウム
  32. ^ 「データ」 . grumman.net .
  33. ^ Cessna (2009). 「この美しさは表面的なものではない」 2009年7月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年8月8日閲覧。
  34. ^ Horton Inc (nd). 「Horton STOLキットの説明」 . 2008年11月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年8月8日閲覧。
  • 翼渦装置[5]
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