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想像してみてください。ボーイング777のような、あの最大離陸重量が約340トンにもなる巨大な物体が滑走路に止まっています。
大型バス何十台分って感じですよね。 ええ、本当にものすごい質量ですよね。
それが重力に逆らうようにふわりと空に浮かび上がって、何千キロも離れた目的地に正確にたどり着くわけです。
これよくよく考えると魔法みたいだと思いませんか? まあ、私たちにとっては日常の風景にすっかり溶け込んじゃってますけど、
物理学的に見ればまさに重力の法則に対する人類の大胆な挑戦状と言えるかもしれませんね。
ですよね。だから今回のディープダイブでは、私たちが飛行機に対して抱いているこの当たり前を根底から疑っていこうと思います。
あの巨大な機体が空を飛ぶ本当の仕組みに迫るわけですね。
はい。今回は現役パイロットのインタビューから、物理学の工技力、それから航空工学の都市伝説を検証するNPOの資料、最新エンジンの構造、
空には子供向けの科学解説まで、多様な資料をクロスレファレンスしていきます。よし、これを紐解いていきましょう。
まず最初に、私たちがよく空気にするある言葉の誤解から解いていくのがいいですね。
よく、あんな鉄の塊が空を飛ぶなんて信じられないって言うじゃないですか。
ああ、言いますね。だって、あの銀色に光る機体を見ると、どう見ても金属の塊ですよね。
確かに金属も使われてはいるんですが、現代の飛行機は決して鉄の塊ではないんです。
初期の木と布から始まって、長らくジュラルミンというアルミ合金が主流でした。でも今は違うんです。
え、今はアルミじゃないんですか。
はい。私たちが乗る最新の航空機、その機体の半分を占めているのは炭素繊維複合材、いわゆるCFRPと呼ばれるものなんですよ。
炭素繊維、炭素ってことは、極限すれば炭でできているってことですか。
そうなんです。究極的に言えばそういうことになりますね。このCFRPの最大の魅力は、驚異的な軽さと強靭さにあります。
例えば、最新型の約100トンの飛行機があるとしますよね。
はいはい。100トン。
そのうちの50トンがこの炭素繊維複合材なんです。もしこの同じ飛行機を全て一昔前のアルミ合金で作ろうとすると、重量は一気に210トンまで跳ね上がってしまいます。
100トンが210トンに倍以上じゃないですか。
さらにですよ、もし本当に文字通りの鉄の塊として全てを鉄で作ってしまったら、約250トンにも出してしまう計算になります。
250トン。それじゃ重すぎて、いくらエンジンを吹かしても滑走路を転がるだけで絶対に飛び立てないですね。
ええ、飛べません。ただ、ここが航空工学の面白いところでして、着陸の時って数十トンから数百トンというものすごい衝撃がありますよね。
ドーンってきますよね。あ、あの車輪の脚部なんかも炭素繊維なんですか?
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いいえ、あそこにはしなやかさよりも絶対的な強度が必要なので、今でも非常に強度の高い特殊な鉄合金が使われているんです。適材適所のパズルというわけですね。
なるほど。軽さと強さのベストミックスを探り当てているわけだ。
そういうことです。そして、機体についてもう一つ驚くべき資料があるんです。
自動車の正常向上って、ロボットアームが火花を散らして月に何万台もライン生産されているイメージがあるじゃないですか。
ええ、あります。次から次へと完成していく感じですよね。
でも、巨大なジャンボジェット機ともなると、実は月にたったの1機から2機程度しか作られないんですよ。
えっ、月にたったの1、2機ですか?世界中で毎日あんなに飛んでいるのに。
信じられないかもしれないませんが、リベット打ちとか内部の配線、塗装や組み立てに至るまで熟練した人間の手作業が想像以上の割合を占めているんです。すごく人間的な作り方をしているんですよ。
なんというか、最新テクノロジーの結晶だと思っていましたが、月に1、2機しか作られず、職人の手作業がたっぷり詰まっているなんて、もはや巨大な伝統工芸品ですね。
巨大な伝統工芸品、まさにその通りかもしれません。そして、その機体を前に進めるエンジンについても大きな誤解があるんです。
えっ、エンジンもですか?
はい。現代の主流であるターボファンエンジンは、実は後ろに勢いよく吹き出すジェットの炎、つまり純粋の燃焼ガスの力だけで飛んでいるわけではないんです。
ジェットエンジンっていうくらいだから、ロケットみたいに後ろに火を吹き出して、その勢いだけでぐんぐん進んでるんだと思ってましたよ。
昔の戦闘機なんかはそうですけどね。でも、私たちが乗る現代の旅客機の場合、純粋な燃焼ガスによるジェット噴射の割合は、水力全体のわずか20%程度に過ぎないんです。
たったの20%?じゃあ残りの80%は何が落ちてるんですか?
エンジンを正面から見ると、巨大な原風機の羽みたいなものが見えますよね。あれをファンと呼ぶんですが、残りの80%は、あの巨大なファンが外の空気を吸い込んで、そのまま後ろに大量に押し出す力で生み出されているんです。
ってことは、ジェット機って言いながら、実質的には巨大なプロペラが空気をかき分けて進む超進化版のプロペラ機だったってことですか?
その解釈で間違いありません。非常に効率の良い巨大なプロペラを筒状のダクトで囲って高速で回しているようなものです。
へー、全然イメージと違いました。
燃焼ガスだけで進むより、大きなファンで大量の空気をゆっくり後ろに押し出す方がエネルギー効率が圧倒的に高いんですよ。だからこそ燃費が飛躍的に向上して、昔の飛行機に比べて騒音も劇的に抑えられているんです。
いやー、見え方が変わりますね。
ちなみに、私たちが上空1万メートルで呼吸している機内の空気も、実はこのエンジンから供給されているんです。
え?エンジンの空気ですか?それって息苦しくないんですか?
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エンジン内部のコンプレッサーで作られた新鮮な空気を一部取り出して、適温に冷やしてから客室に送っているんです。だから機内は完全に密閉されているわけではないんですが、常にエンジンの力で換気されているんですよ。
私たちが吸っている空気もエンジンのおかげだったんですね。さて、エンジンが機体を前に押し出す仕組みはよくわかりました。でも、前に進むだけじゃ3、40トンの機体は上には上がりませんよね。
いよいよ揚力の話ですね。
はい。ここからが最大のミッションです。よくネットや本で、飛行機がなぜ飛ぶのか、実は現代の最高峰の科学でもまだ完全には解明されていないという都市伝説を見かけますが、これって本当なんですか?
結論から言いましょう。それは完全に嘘、都市伝説です。飛行機が飛ぶ理由は完璧に解明されています。
完璧に?
ええ。100年も前にクッタジューコフスキーの定理という形で揚力の基本原理は数式化されていますし、現代では航空機周りの空気の流れはコンピューターで極めて精緻に計算されています。まだわかっていないなんてことはありえません。
ちょっと待ってください。でも私は学校や本でこう習いましたよ。リスナーのあなたも聞いたことがあるはずです。翼を横から見ると上が膨らんだかまぼこ型をしている。
はいはい。よくある説明ですね。
翼の上下に分かれた空気は後ろで同時に到着しなければならない。上の空気は膨らんでいる分遠回りをしないといけないから急いで流れる。だから上の流れが速くなって気圧が下がり上に吸い上げられるってこれですよね。
ホスタードさん、実はそれこそが航空力学において最も蔓延している誤解なんです。等時間通過説または到着説と呼ばれるものですね。
誤解?嘘ってことですか?
ええ。驚くべきことに世の中の科学解説書の約70%から80%がこの間違った説を教えてしまっているんですよ。
ええ?私思いっきり間違った知識を信じてましたよ。でもなぜその到着説は間違いだと言い切れるんですか?
考えてみてください。もし上の膨らみのおかげで空気が急いで流れる揚力が生まれるのだとしたら、真っ平な翼を持つ紙飛行機が飛ぶ理由を説明できませんよね。
ああ確かに紙飛行機には膨らみなんてないですね。
さらに決定的におかしいのは背面飛行です。ブルーインパルスのような極儀飛行隊が機体を完全に裏返しに飛びますよね。
はい。仰向けになって飛ぶやつですよね。
もし上がりが膨らんでいるから飛べるのだとすれば、裏返しになった瞬間、膨らみは下を向きますから、機体はものすごい力で地面に向かって吸い寄せられて墜落してしまうはずです。
うわ本当だ。裏返したら絶対に飛べないじゃないですか。完全に論破されましたね。
じゃああの空気を下に押し下げた反作用だけで飛んでいるっていう飛び施設はどうなんですか。
確かに空気を下に押し下げる作用と反作用の力も働いてはいますが、それだけを揚力の理由にしてしまうのも不十分です。
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それだけでは翼全体の圧力分布や揚力分布が正確に計算できないんですよ。
じゃあ結局のところ真実のメカニズムは何なんですか。
ここで非常に興味深いのは、揚力の真の正体はベルニューイの定理と目に見えない巨大な空気の渦である循環という現象によって生まれているということなんです。
循環、えっとコーヒーをスプーンでかき混ぜた時にできるあのぐるぐる回る渦みたいなものですか。
イメージとしては近いですね。ただ空中で翼の周りに見えない渦ができると言っても想像しにくいでしょうから少し身近な例で考えてみましょう。
はいお願いします。
航空力学では空気のような非粘性の流体の中で翼の後ろ側の端っこが鋭く尖っていることが決定的な鍵になります。これをくった条件と呼びます。
後ろが尖っていること。
ええ。前から来た空気が翼の上下に分かれ後ろの尖った端っこで合流しようとします。この時自然界の法則として流れが滑らかに合流しようとする働きが生まれるんです。
滑らかに合流ですか。
はい。すると翼全体を包み込むように前沿から後沿へそして下から上へとぐるりと回る循環という目に見えない空気の流れが生み出されるんです。
つまり前からの風に加えて翼自身が見えない空気の渦をまとっている状態になるわけですね。
その通りです。そしてこの循環と前方からの風が合わさることで翼の上の空気の流れが圧倒的に速くなり気圧が下がって結果として340トンもの気体を持ち上げる強大な揚力が発生するのです。
なるほど。でも渦ってそんな急に何もない空気にパッと発生するものなんですか。
素晴らしい疑問です。実は物理学の法則において渦は突然単独では発生しません。自然界は常にバランスを取ろうとしますからね。
バランスですか。
ええ。翼の周りに循環という渦が生まれると同時にそれと逆向きの回転を持つ出発渦スターティングボルテックスという巨大な空気の渦が置き去らににされるんです。
置き去らににされる。どこにですか。
機体が飛び立った瞬間の滑走路の裏です。目には見えませんが離陸する飛行機の後ろの滑走路には機体が空へ持っていった循環と逆回りをする巨大な空気のドーナツが残されているんですよ。
滑走路に見えない巨大ドーナツが残されている。なんだか映画のワンシーンみたいでものすごくドラマチックな物理現象ですね。
しかしこの魔法のように機体を持ち上げる循環には航空エンジニアたちを悩ませる厄介な代償があるんです。それが突端渦、翼端渦です。
翼の端っこ、つまり先端から出る渦ですか。
ええ。翼の下は気圧が高く、翼の上は気圧が低い状態になっています。空気は常に気圧の高いところから低いところへ逃げようとしますから、翼の先端で下の空気が上に向かって回り込もうとしてしまうんです。
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ああ、横から空気が漏れちゃうわけですね。
そうなんです。これが強力なムズになり、飛行機を後ろに引っ張る巨大な空気抵抗となって、燃費を著しく悪化させてしまいます。
なるほど。あ、だから最近の飛行機を見ると、翼の端っこがピンと上に跳ね上がっているんですか?ウィングレットって呼ばれるパーツ。
その通りです。
あれって、鍋のお湯が吹きこぼれないように蓋をするみたいな役割なんですか?
まあ、蓋というよりは、空気が上に回り込むのを物理的な壁でせき止めているようなイメージですね。ウィングレットがあることで、空気がまっすぐ後ろに流れるように矯正しているんです。
なるほど、壁なんですね。効果は絶大なんですか?
劇的ですよ。1998年に、全日空ラン、ボーイング747-400にこれを導入したんですが、パーツをつけることで、機体の重量自体は約1トンも増加してしまいました。
1トンも重くなっちゃうんですか?
しかし、翼渦による空気抵抗が減ったことで、結果的に燃費を約5%も削減できたんです。さらに騒音も減らしました。
騒音が減れば着陸量の軽減でもつながるので、1トン重くなってもお釣りが来るほどの経済効果を生み出したんです。
1トン重くなっても結果的にエコになる。すごい計算ですね。でも、そんなに翼の端っこから空気が逃げるのが問題なら、いっそ翼を無限に長くしちゃえばいいんじゃないですか?
これをより広い視野で考えてみると、そこが航空力学の最大のジレンマだということがわかります。
ジレンマですか?
確かに翼が長れば翼渦の影響は減ります。でも、旅客機の翼を無限に長くすると、今度は折れないようにするための強度が必要になり、強固な素材を使うことで重量が絶望的に重くなってしまいます。
ああ、結局重くなったら飛べなくなるのか。
はい。速度と揚力の関係を見ると、スピードが2倍になると揚力は4倍になります。しかし同時に空気抵抗も4倍になってしまうんです。
つまり揚力と抵抗と重量のバランスなんですね?
ええ。航空工学というのは、常にこの矛盾の中で芸術的な妥協点を探り続ける作業なんですよ。
究極のバランスゲームですね。ちなみに風の抵抗といえば、飛行機って向かい風と追い風、どっちの状態で飛ぶのが正解なんですか?
それは、風と物体の関係によりますね。例えば、スキージャンプを想像してください。彼らは向かい風を好みますよね?
ああ、向かい風を受けた方がふわっと浮いて飛び切りが伸びますね。飛行機も同じですか?
はい。向かい風を受けることで相対的な速度が上がり、より大きな揚力を得るためです。逆に野球のホームランやゴルブのボールは追い風の方が飛びますよね?
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そうですね。追い風に乗って飛んでいくイメージです。
ボールのような物体の場合、揚力よりも空気抵抗による減衰を防ぐことが重要だからです。飛行機とは目的が違うんですよ。
同じ空を飛ぶものでも、形状と目的でルールが全然違うんですね。ここまでは物理学や機械の構造といったハード面を見てきましたが、忘れてはいけないのが、この巨大なシステムを操る人間の存在です。
ええ、パイロットの世界にも私たちが知らない厳しいルールがありますからね。
リスナーのあなたが次回のフライトで使える雑学もたくさんありますよね。例えば離陸儀のV1、V1という決心速度。
はい。離陸時、このV1という速度を超えたら、たとえ片方のエンジンが突然止まったとしても、パイロットは必ず一度離陸しなければならないというルールです。
ええ?エンジンが止まったのにそのまま飛ぶんですか?直感的にはすぐに急ブレーキをかけて止まった方が安全な気がしますが。
人間の直感としてはそうですよね。しかし猛スピードから無理に止まろうとすると滑走路を飛び出して第三次になる危険性が高いんです。
なるほど。無理に止まる方が危ないんですね。
ええ。現代の飛行機は残りのエンジンだけで安全に上昇できるように設計されていますから、一度空へ飛び上がってから冷静に対処する方が遥かに安全なんです。
直感に反しているように見えて実は究極の合理性なんですね。離陸がそれなら着陸時はどうですか?
着陸時にはスタビライズドアプローチという基準があります。高度1000フィートの時点で速度や姿勢が完璧な状態に整っていなければ、パイロットは迷わずゴーアラウンド、つまり着陸をやり直さなければなりません。
ゴーアラウンドって聞くと、うわ、パイロットが失敗したって不安になりがちですが。
それは大きな誤解です。ゴーアラウンドは決して失敗ではなく、前向きで安全な決断なんですよ。
つまりこれってどういうことなんでしょう?ゴーアラウンドは究極の安全ネットが機能した証ということでいいですか?
まさにその通りです。
だとしたらすごく安心できますね。他にも揺れが苦手な人は飛行機の重心がある中央座席に座るのが一番揺れを感じにくいとか?
なら中央がいいですね。
あと、機内食の秘密。いつも温かい食事が食べられるのはCAさんが押しているカート自体をコネクターにつないで加熱しているからなんですね。
はい。そして機長と副操縦士は食中毒のリスクを分散するために必ず別々のメニューを違うタイミングで食べています。
徹底してますよね。それからあの窓がガラスじゃなくてアクリル製だっていうのも驚きました。
軽くて圧力に強くしなるため割れないんですよ。
柔らかいからこそ強いということですね。あと高度10キロ付近を吹く編成風の影響で西駅と東駅で飛行時間が数時間も変わるというのも面白いです。
これは重要な問題を提起しています。私たちが当たり前のように享受しているフソラの旅はただの鉄の塊が飛んでいるわけではないんです。
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何万人もの専門家の情熱とパイロットたちの厳格なルールの結晶としてその安全が守られているんですよ。
今回の徹底分析で飛行機の見方が完全に変わりました。単なる鉄の塊ではなく炭素繊維とアルミの軽量ボディ、超効率的なプロペラであるターボファン。
そして食った条件や循環といった目に見えない流体力学の法則を味方につけた芸術作品ですね。
ええ、次にあなたが飛行機に乗るときは、ぜひ重心に近い中央座席に座り、アクリル製の窓からピンと跳ね上がったウィングレットを眺めてみてください。
そして離陸の瞬間、滑走路に置きされた巨大な出発渦のドーナツを想像してみてください。きっといつものソラの旅が全く違ったものに見えるはずです。
さて、今回私たちは地球の空気を味方につける航空力学について深掘りしました。では、もし私たちが別の惑星に行ったらどうなるでしょうか?
面白い試行実験ですね。例えば、火星の空気は地球の100分の1の薄さしかありません。
100分の1!?
ええ、すでにNASAの小型ヘリコプターインジーニュイティが火星での飛行に成功していますが、そのローターは極北の空気をつかむために、毎分2400回転という凄まじいスピードで回らなければなりませんでした。
毎分2400回転ですか。私たちがタワゲッシュ、マルチプラネタリースピーシーズになったとき、空を飛ぶルールは一体どのように進化していくのでしょうか?
それはまた別の機会に考えてみることにしましょう。今回のディープダイブはここまでです。
ありがとうございました。
