とんぼ型飛行機の飛行原理とＲＣ化について

質問

とんぼ型飛行機の飛行原理とＲＣ化について

こんばんわ。都内の大学に通う大学生です。

僕は小学生～中学生くらいのころラジコン飛行機・紙飛行機が大好きで大好きで、当時なんとかして「とんぼ型」 のラジコン飛行機を飛ばせないかと試行錯誤したことがあります。

適当なカーボンの軸にメカを積み、バルサで主翼を２枚作ってトンボのように並べ、モーターグライダー化できたらいいな…なんて思ってましたが、当時中学生の財力には無理でした。当時とんぼ型飛行機をＲＣ化できなかったことが未だに名残惜しいと同時に、今もトンボ型飛行機が相変わらず興味の対象です。

ちなみにトンボの形をした飛行機とは普通の飛行機と同じように、はばたかないが滑空性能と自立安定性があるものを示します。

割り箸胴体・厚紙主翼の紙飛行機を作り色々な形状で実験したのですが、主翼が前後に二枚あるため乱流により失速しやすく、棒だけのテールには全くもって機体を安定させる効果がありません。

前後どちらの主翼にも軽い反り（カンバー翼のような） をつけて飛ばしてみても、強烈なダウン舵に加え、ヨー方向へもくるんくるんと回ります。完全に安定性がありません。ねじり下げや上反角など、一般的に安定性をもたらすといわれるものは一通り試しましたが、当然のごとくダメでした。

もちろん水平尾翼と垂直尾翼をつけ、ヨー方向とピッチ方向への回転を抑えれば飛びますが、それではただ単に主翼が前後に二枚ついた飛行機になってしまいます。

そこで発想の転換といいますか、本体の軸をなかったものと考えて全翼機として０から設計してみました。一般的にホルテンのグライダーのような全翼機では、Ｓ字カンバー翼と呼ばれる翼型が使われますよね。前７割は普通の翼型として揚力を発生するが、後ろ３割は上に反りあがっている（水平尾翼でピッチアップと同じ作用）ものです。

これにより「主翼しかない」形をした全翼機は、強烈な頭下げにならずに水平に飛ぶことができます。仮にトンボ飛行機を、全翼機に軸がついただけのものと考えてみます。

すると、前後に二枚並んだ主翼は全翼機の本体（翼）と同じ位置づけになります。このトンボでＳ字カンバーに近い翼型をどう再現するかといいますと、

１．二枚並んだ主翼を仮に一枚の翼であると想定します。

２．前の主翼をカンバー翼にします。ラジコンの場合は後端が下に反ったクラークＹのような翼型がいいかもしれません。要するにフラップを下ろした状態のような翼型です。

３．後ろの主翼は前の主翼を上下逆さまにします。つまり主翼を上下逆さまにつける＋水平尾翼でいうピッチアップの状態でしょうか。

こうすると、前後に並ぶ二枚の主翼が大きなＳ字カンバー翼のような断面になります。

これで飛ばしてみると、笑えるほどすんなり飛んでしまいました。斜めに投げたり、強く投げてピッチアップさせてみても、挙動は普通の紙飛行機と全く変わりありません。

もちろん二枚の主翼にひとしく上反角を与えれば、ロール方向に対する自律安定性が生まれます。これも全く普通の飛行機と同じです。

このように、一見全くとばなそうに思えるトンボ飛行機も、前後二枚の主翼をそれぞれ表向き・裏向きに取り付けることにより、「後ろに軸のついただけの全翼機」として扱うことができると判明しました。

全く質問になっていなく申し訳ありませんが、これはラジコンとして簡単に実用化できると思っています。

ラジコン飛行機は中学生以来やっていませんが、もし既にこれと同じ原理で飛行するトンボ型の飛行機を作った方がいらっしゃいましたら、ぜひとも結果を教えていただきたいです。非常に興味があります。

回答No.4

ultraCS

ここで販売しているのはラジコンではなく、ゴム動力のようですが、こういうイメージでしょうか
http://homepage1.nifty.com/akatombo/e-product.html

回答No.3

funflier

No.１です。少々付け加えます。
いずれにしても、既存理論に頼らず実験的に理解されているのは、「理屈で解った
つもり」で過ごしているよりご立派だと思います。しかし、基本的なことは押さえないと
「車輪の再発明」の様に苦労して作り上げても、既存技術だったということにもなり
かねないと思うのです。

先尾翼機、エンテ型はwikiの関連にもあるとおり、こうしたものです。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%88%E5%B0%BE%E7%BF%BC%E6%A9%9F
代表格として日本の震電があります。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9C%87%E9%9B%BB

重心位置と主翼や尾翼の関係については、ほぼNo.２ご回答で言われているとおり
です。今更必要ないと思いますがごくごく簡単に言うと、例えば「丸太」を横長の状態
で運ぶとき、何処（重心からの距離）をどう支えるか、人員の配置と各人の受け持つ
重さ（風圧中心にかかる力）がどうなのかで水平のまま運べるかは決まります。

「安定」を考えたときはさらに「姿勢が崩れた後、どうなるか」を見る必要が出てきます。
一般的な水平尾翼が後ろのものは機体が上向きになった際、主翼の風圧中心は前進
し、揚力も増えて頭を更に上げようとしますが、水平尾翼の頭下げ方向に発生する力
と重心からの距離（モーメントアーム）の積である頭下げモーメントがこれに勝るので
結果として元の水平に戻ろうとします。安定するかどうかは、この主翼の発生する力
と尾翼の発生する力の変化が重心回りにどうなるか、にかかっています。エンテ型の
場合は前翼が発生する揚力増加の割合よりも、主翼の揚力増加が大きいために
頭を下げることになって水平に戻る、という原理を使っています。
（ただし、Flyng Fleaはある降下角度を超えると回復不能に陥る、という欠陥もあった
様です。現在ホームビルト機ではあるようですが、一般旅客機でこの形式を見ること
が無いのはこのためと思われます。）

「＞『水平翼が生み出す揚力～水平翼自体はどのように配置してもピッチ方向の
自律安定性は生まれる』」は正しいとも言えますし、正しくないとも言えます。問題は
姿勢変化に対して、水平に復元するモーメントを発生するかどうか、そしてそれが
減衰していくのかどうか、を考えて設計されているかによります。これは尾翼の場合、
その能力を「水平尾翼容積（面積とモーメントアームの積）」で表したりもします。
（すぐに元に戻ろうとするのか否かを「静安定」、時間が経つにつれ収束していくかを
「動安定」と言い、安定する方を「正の○安定がある」、姿勢の崩れが大きくなるのを
「○安定が負」という言い方をします。
ですが、現存する飛行機は必ず自律安定が全て「正」かというと実は違うのです。
例えば現行の後退翼をもつ旅客機は「ヨーダンパー」という機能が無いと左右へ蛇行
する「ダッチロール」に入ってしまいます。また専用コンピューターで制御しないと
微妙に上下運動を繰り返すものもあります。これらはオートパイロットの自動安定
機能で補正されて始めて安定した水平飛行をします。）

今の戦闘機のカナードはあまり自律安定と関係付け無いほうがいいかと思います。
機動向上のための付加装置であることも多く、自動装置で安定を得ている場合は、
「空力的に自律安定させる」ためとは相反するものが付いていたりします。

初めのトンボ型ラジコンの話から逸脱して来ましたが、タンデム翼機の存在・実例も
あるのですから十分可能だと思います。また、今日のラジコン用にはジャイロ等の
安定装置もあります。トンボのフルスケールで、自律安定に乏しくとも、こうした装備
を使えば安定して飛ぶものも作れるでしょう。
模型飛行機を作るにあたっては、こうした書籍を一度見られることをお勧めします。
http://www.rc-tech.co.jp/book_video/book/book.html
このなかでも「模型飛行機（理論と実際）」は書かれたのは大分前の本なのですが、
必要な基本的事項は網羅されていると思いますし、航空力学の教科書よりは平易
に書かれていますので、ご一読をお勧めします。

回答No.2

watercolors

トンボだろうと、真四角な紙だろうと、円の翼だろうと、揚力の中心と同じ位置か僅かに前に重心位置があれば飛びますよ。

翼が何枚あろうとどんな形だろうが上向きの揚力を発生する翼を、翼全体として考えれば良いです。

試しに真四角な紙を用意して前におもりを積んで、重心が前から１／３になるようにして飛ばしてごらん。
頭から突っ込むようだったら、翼の後ろ側を上に曲げてみればいい。
これがSキャンバー

通常のキャンバーの翼に対し、Sキャンバーにすると頭上げのモーメントが発生します。

無尾翼機では通常の尾翼を持つ飛行機の主翼に仰角を持たせる頭上げの働きをSキャンバーで行っているだけです。
（アバウトな言い方ですが、主翼は仰角を持たせる事で揚力を発生する）

通常の飛行機（尾翼を持つもの）の尾翼は上向きの揚力を発生させませんが、
尾翼にも上向きの揚力を発生させる場合は重心位置を後ろに下げ（主翼と尾翼の発生する揚力の中心位置）れば飛びます。

通常の後ろに尾翼を持つ飛行機が尻を下げる方向に尾翼が働くが、先尾翼では先尾翼が頭を持ち上げる力が働いているのです。
先尾翼が上向きの揚力を発生するため重心位置は前に移動ししたところでバランスしますね。

詳しい説明は省きますが、
ロール方向の安定性は、上反角や後退角を持たせる事で行い、
ピッチング方向の安定性は重心位置と水平尾翼や主翼後縁のSキャンバー
ヨー方向の安定性は垂直尾翼や後退角で持たせます。

回答No.1

funflier

トンボ型ラジコンを作ったことはないのですが、トンボ型のトイラジコンはありますね。
http://www.ccp-jp.com/mechatombo/index.html

しかしこれは、おっしゃている「＞はばたかないが滑空性能と自立安定性があるもの」
とは明らかに違います。

多分、お考えのものは、これらに近いものではないかと思います。
タンデム翼機
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%BF%E3%83%B3%E3%83%87%E3%83%A0%E7%BF%BC%E6%A9%9F
串型翼機の代表、「空飛ぶシラミ　（Flyng Flea）」の映像のあるサイト
http://www.ne.jp/asahi/take/pr/museum-a/museum2/NASM1.html
http://www42.tok2.com/home/avionroad/Japanese%20Civil.html
串型ラジコンを作った方もいました。
http://kit01.blog15.fc2.com/blog-entry-656.html

「空飛ぶシラミ」は見た目で解るほど前翼の方が取り付け迎え角が大きいです。恐らく
先尾翼、エンテ型と同じ原理で縦安定を得ており、これは後退角を持たせて翼端部に
ねじり下げを持たせた無尾翼機に通じるものがあると思います。
独力でこれに近いものに到達されているのは驚異に値するとは思いますが、こうした
実例の研究をされてはいかがでしょうか。

固定翼機としてのトンボ型ラジコンとは話が違うのですが、実際のトンボとなると、なにしろ
生物ですので実機でいうアクティブ制御を地でいっており、センサー類を駆使した安定装置
を積んだ状態でないと等価のものは作れないとは思います。
これらについては、羽ばたきを含め大学で研究されてるみたいです。
http://www.jsme-fed.org/newsletters/2009_4/no1.html#ctop
東 昭　東京大学名誉教授の著書も生物の飛行について書かれています。
http://www.natureinterface.com/j/ni03/P32-35/
ご興味があればこの方面もお調べになってはどうでしょうか。

お礼

回答ありがとうございます。

本文といい、ところどころ用語の使用が的確でなく申し訳ありません。文系の大学生なので理系分野は無知であると言い訳をしたいところです…笑

タンデム翼機の説明とFlying Flea の写真を見ました。Flying Flea の場合、前の主翼が重心より極端に前についているため、前の主翼の揚力・迎え角がそのまま強力なピッチアップとして作用する気がします。きっとグリペンのようなカナード翼を装備した戦闘機で、カナード翼にプラスの角度をつけた状態に近いのだと思います。それによる頭上げを打ち消すため、重心よりかなり後ろに大きな揚力を発生する翼面積の大きい尾翼をつけ、テール側を持ちあげているのかなあ…と納得しました。

そう考えると、この機体は重心の前と後ろの両方で常に大きな揚力を得ているので、すごく低速でフワフワととべそうな気がします。「先尾翼、エンテ型」という言葉は自分の知識が足らず理解できませんでしたが、自分なりに上のように解釈しました。

自分が考えたトンボの例とこの Flying Flea の例を見てみると、『水平翼が生み出す揚力が機体を浮かすのに十分であり、かつ複数枚（または一枚）の水平翼が互いに頭上げの力と頭下げの力を上手く相殺していれば、水平翼自体はどのように配置してもピッチ方向の自律安定性は生まれる』といえるのでしょうか。そうでないと、この飛行機と自分のトンボ型機、さらにＳ字カンバー翼を用いた全翼機が飛ぶ理由が説明できません。

私としても数ある実例を研究できたら理想的なのですが、専門的な航空力学（流体力学？）のサイトは私大文系の私には難しすぎて、ほとんど理解できないものばかりです。しかし小さいころから紙飛行機が大好きで色々な形を作り、色々な思考錯誤を繰り返してきたので、重心に対してそれぞれの翼がどのように作用するかは経験的に理解しています。