航空力学的浮力を発生する翼面の一方の空気を加熱・膨張させると… ？

質問

質問内容
「飛行機などの”いわゆる翼”の各々上下を流れる空気の一方を、
他方に比べかなりの圧力差がでる程加熱・膨張させるとどうなるのだろう？」

本文
御世話になります、

しょうもないことかも知れませんが、
頭に浮かんだことの結果が知りたくなってしまいました。

それは
「飛行機など、揚力を発生させる”いわゆる翼”の、
各々上下を流れる空気の一方を、大幅な減圧が生じる程（液化する程）冷却するとどうなるのだろう？
上手く設計すれば自ら空気を吸い込み、揚力を増す・または自ら推進力を得るのではないか？」
と、いうものです。

しかしこれは「どうやってこれ程収縮・減圧を起こさせるか」に問題がでますよね？

でもこれは要は、
翼を流れる双方の流体間に大幅な圧力差が生じるほど、
一方が他方に比べて容積変動を起こした場合どうなるか、
ということだと思えるので、
冷却する側の反対側を加熱して膨張・増圧させることで、近似値的な結果は得られるのかな？　と思えます。

勝手に話を進めているようでなんなのですが、
なので「飛行機など、揚力を発生させる”いわゆる翼”の、
各々上下を流れる空気の一方を、増圧する程加熱・膨張させるとどうなるのだろう？」を質問させて頂きたく思います。

風洞を自由に使える環境にあれば進んで自ら研究したいテーマなのですが、
残念ながら私はそこにありませんので、皆様に縋りたく思います。

実験結果と出来れば解説を掲載している書物またはサイトをお教え頂けないでしょうか、

自ら試験された結果などもお寄せ頂けると有難いです。
（※此方は質問形態として一種御法度のような気もしますが、…　）

後、こういう方向性の質問を率先して扱っているサイトが他にあれば併せてお教え頂けると有難いです。

どうぞ宜しくお願い致します。

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回答No.3

noname#94887 · ベストアンサー

こういう思考実験をしてみます。↓

・断面が完全対称翼型の翼を迎角０°で流体中に置く。
・この翼は鉄板で出来ており、その下面のみを真っ赤に
　なる程加熱する。上面は流体温度のまま保持される。

．．．この場合、通常の加熱しない状態では上下面に発生する
負圧も正圧も同じなので、揚力は発生せず抗力のみが働きます。
しかし、下面が加熱されると、ラジオメーターと同じ原理で
下面の方が分子運動量が大きいので　下⇒上　の力が発生し、
相対風に直角方向の「揚力」が起きたことにはなると思います。

ラジオメーター効果　Wiki
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A9%E3%82%B8%E3%82%AA%E3%83%A1%E3%83%BC%E3%82%BF%E3%83%BC%E5%8A%B9%E6%9E%9C

ただ、現実的にはこれによる力は期待できるほど大きくない気が
します。（どうやって計算できるかすら解りませんが．．．）
また、速度域でも違うでしょうが、空気に常時冷却されるのでは
この上下面の温度差を維持するのは困難でしょう。

困難だといっても、技術が進めば不可能ではないかもしれません。
（容易に数千度に加熱出来る技術とか、その逆に冷却できるとか。）
現状、主翼内は燃料タンクにもなってますし、大型機のタンクの
下面は主翼下面そのものですので真っ赤に加熱する訳にもいきません。
何かを燃焼させるにしても同様です。

上面を冷却するにしても既に旅客機はマイナス数十度の環境で飛行
してるので、さらに冷却するには液体ヘリウムくらいの冷却剤を
大量に使う必要があるのではないでしょうか。その兼ね合いで後は
「採算があうのか？」に結局なると思います。

追加された部分で:

＞円周の１／６の円弧の両端を直線で繋いだような～（省略）
　翼直線部位でも昇圧が発生するのですか？
相対風に平行、迎角ゼロで置くという意味なら下面には発生しない
と思います。
あんまり関係ないですが、翼弦の１.６倍の半径の円弧を上面とする
翼型は模型用に存在し、ＪＡＬ８５０　と言います。

＞水を霧状に散布した上で何か燃料を燃焼させれば
目的は異なりますが、ジェットエンジンで「水噴射」は存在して
実際に使われています。ただこれは、吸入空気温度を下げて空気量
を増やすことが主目的です。
ロールス・ロイス ダート　Wiki
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AD%E3%83%BC%E3%83%AB%E3%82%B9%E3%83%BB%E3%83%AD%E3%82%A4%E3%82%B9_%E3%83%80%E3%83%BC%E3%83%88
ボーイング747　Wiki　(747-100項）
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9C%E3%83%BC%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%82%B0747
航空実用事典　水噴射
http://www.jal.co.jp/jiten/dict/p217.html#08-27

回答No.2

tetsumyi

理論的には正しいのですが現実問題としては無茶な考え方です。
空気を短時間で暖めることは難しく、むしろ空気を多く含んだ発泡材は断熱材として使われる程です。
従って、翼の上下を短時間で流れて行く空気の温度を意図的に変えることは不可能に近いといえます。

むしろ逆に実際の飛行機等では翼の下の空気は瞬間的に翼によって圧力が掛かって断熱圧縮で温度が急激の上昇しています。
これは物理学の基礎的な部分です。

お礼

御指南有り難う御座います。

ちょっと理解が及ばなかった部分があったので質問ですが、

まあ例えばの話として、
円周の１／６の円弧の両端を直線で繋いだような形でも
流体の流速の差により円弧の方向へ揚力が発生し、
翼として一応は成立すると思うのですが、

この時に
翼に到達する前の流体の流れる方向に平行させて此の翼の直線部分を配置した場合でも
揚力が向く方向の反対側・翼直線部位でも昇圧が発生するのですか？

もう一点、
気体を膨張させるだけなら
水を霧状に散布した上で何か燃料を燃焼させれば
飛躍的な膨張が得られるように思うのですが如何でしょうか？

ご回答をお待ちしております。

回答No.1

debukuro

気体の密度層の界面に物体を置く
物体の密度が高密度の気体の密度よりも小さければ浮力によって浮揚するでしょう

そのような装置を機体に装着して密度層を発生させても密度層全体を包括する環境の外側までは浮力が及びません
いわば自分のズボンのベルトに手を掛けて自分を持ち上げるようなものです
飛行する環境全体を機体の外部からそのようにしなければ不可能です

お礼

さっそくの御指南に感謝致します。

仰っていることと意味が同じなのか分からなかったので確認したいのですが、
まず揚力はその大半が１つの翼の翼面２面の各々の流速の違いによる圧力差から生じるものだと思うのですが、
上への揚力の場合、翼下面の圧力が増大したら、
取りあえずその点だけをみたら圧力差は増えるように思えます、
然しそもそもの流速差が緩和されてしまい、…
仰っている所謂「自分のズボンのベルトに手を掛けて自分を…　」
と言うのは此の辺りの事になるのでしょうか？

因みに私自身ここまでは事前に予想されたのですが
自然界には予想を裏切る特異点的な現象が往々にして存在しているので、
私の帰結はあくまで仮定の積み重ねでしかないこともあり、実際に行われた検証内容を紐解きたくなったのです。

また加えて、
加熱・膨張の場合翼面下部にポケット上の窪みが設けてあって、
そこで何らかの膨張を気体に対し招いても前方からの流れに傷害を与えず
恰も翼面がそこに存在するかのように前方からの流れをスムーズに流す計算された構造があり、
燃料などを燃焼させて“設計”された膨張を起こした場合はどうなのか、…

効率的かどうかは知りませんが空気の流れに反する方向へ力を起こせますよね、

本来の着想は実はジェットエンジンの
「同じ圧力をトルク差により一方方向の回転に変換することにより、一方への圧力を遮断する事が可能となり、結果推進力を得る」
からきていてですね、
所謂「自分のズボンのベルトに手を掛けて自分を…　」も特別の機構と特異点的な現象下では可能だな…
と言うところから、
１、此のジェットエンジンの機構下で、
　　圧縮ではなく冷却による液化に伴う減圧ではどうか
２、翼面にも特異点的現象はないのか？
と言う段階を経て得たものなのです。

かなり支離滅裂になりましたが、関心の対象が「特異点的な理論上予想不可能な現象」ですので、
お心使い頂いたご意志に対し、その恩義に反対をなす行為のようで
実際気が咎めるのですが、
実際に検証した方でなければ正確とは言えそうになく、
本流の方向性としてはご回答がしっくりくる内容でないと
紳士に誠実にここでは答えたいと思います。

本当に申し訳ありません。