動的
ピッチと出力に応じて飛行経路と速度が変化します。γの操作は無効になります。姿勢の変化に飛行経路がどう応答するかを観察してください。
操作マニュアル / 01
角度を見て、
飛行を理解する。
姿勢、飛行経路、速度、相対風の関係を学ぶインタラクティブなラボです。まず操作方法を確認し、それから翼の周りで何が変わるかを観察しましょう。
基本となる関係式
α=θ−γ
01 / はじめに
安定した飛行状態から始める
コックピットを開きます。初期状態は IAS 140 kt、ピッチ+4°、飛行経路角0°、スロットル50%、標準大気の海面高度です。迎角は+4°です。 動的 モードが選択されています。 飛行をリセット を使うと、いつでもこの状態に戻せます。
3枚の窓はコックピットの一部です。翼のウィンドウは、背景の上に重ねて表示する計器です。このバージョンの空には雲を表示していません。
02 / 飛行の幾何学
3つの角度、それぞれ異なる基準
- ピッチ · θ
- 水平線に対する機体の姿勢角です。正の値は、機首が水平線より上を向いていることを意味します。
- 飛行経路 · γ
- 空気の塊に対する移動方向です。正の値は、空気に対して上昇する経路を示します。
- 迎角 · α
- 翼弦線の向きと対気飛行経路の角度差です。このアプリでは翼の取付角をゼロとしているため、α = θ − γとなります。
機首が水平線より上を向いていても、迎角が正とは限りません。
03 / 姿勢
ピッチを操作する
スライダーの ピッチ操作をドラッグするか、−/+ボタンを押すか、窓を上下にドラッグします。スライダー横の値は指令値で、ピッチ計器は現在の姿勢を示します。動作中は徐々に変化します。
翼はピッチに合わせて動きます。機体記号は固定されたままで、窓の中の水平線が移動します。飛行経路マーカーは空気に対する移動方向を示します。これらの基準の間隔から迎角を視覚的に捉えられます。
04 / 飛行経路
2つのモードを比較する
手動
γの操作が有効になります。飛行経路を選び、角度の関係を個別に調べられます。ピッチとスロットルも引き続き操作できます。
05 / エネルギー
スロットルは出力を操作する
スロットルを上にドラッグすると出力が増え、下にドラッグすると減ります。速度を直接指定する操作ではありません。 IAS は推力、抗力、飛行経路の傾きに応じて徐々に変化します。
- IAS： 指示対気速度（ノット）です。機体に当たる空気の動圧を表します。
- GS： 対地速度。地面に対する水平方向の速度（ノット）です。
- 昇降計： IAS表示のそばにあるアナログ計器です。ゼロは左側にあり、上昇では針が上へ、降下では下へ振れます（最大4,000 ft/min）。
TAS（真対気速度）は空気が実際に翼へ当たる速さで、引き続き計算しています。飛行経路、GS、昇降率、気流アニメーションに使います。海面より高い高度では、TASはIASより大きくなります。
06 / 空気を基準に考える
翼型まわりの相対風
相対風は、空気に対する機体の速度と逆向きです。その大きさはTAS、向きは対気飛行経路に連動します。これがFoilShapeの基準となる一様流です。翼のウィンドウはこの速さをTASで、パネルはIASで表示します。
空気の塊は地面に対して静止しているとします。GSは機体速度の水平成分で、水平飛行ではTASと一致します。迎角は引き続きα = θ − γです。突風や鉛直方向の風はモデル化していません。
07 / 気流
翼の周りの動きを読み取る
右翼には詳細な翼型を表示します。付着した流れの線と粒子にはポテンシャル流れ場を使います。アニメーションの速さはTAS、相対風の向きは対気飛行経路に連動します。観察しやすいように時間を遅く表示します。
|α|が13°を超えると、吸込み側の線が徐々に表面から離れ、再循環領域と動く後流を表示します。迎角が負の場合は翼の下面に表示します。この剥離、その位置、局所流速、色は概念的な表示であり、CFDや実際の失速予測ではありません。13°は学習用の表示パラメーターで、運用上の限界ではありません。
翼の近くの表示はピッチ、飛行経路、迎角に連動します。金属の質感、反射、照明はあらかじめ定義されています。2本のレバーは一緒に動き、学習用の単一の出力設定を操作します。
- 気流： 帯、線、粒子、再循環を表示・非表示にします。
- ベクトル： ピッチ、飛行経路、迎角の基準線を表示・非表示にします。コックピット内の飛行経路マーカーにも適用されます。
- 色： 付着した流れでは局所流速をTASと比較します。模式的な剥離では数値の尺度を「色の概念表示」に置き換えます。色は圧力を表すものではありません。
気流・ベクトル・色の横にある 右 と 左 のタブで、ウィンドウの表示を右翼と左翼の間で同じ大きさのまま切り替えます。左のタブは簡略表示で、ベクトルと色は表示せず、そのボタンも無効になります。ロールがない場合、左右の翼の迎角は同じです。
3D表示：翼の画像をドラッグすると360°回転できます。画像をダブルクリックすると、標準の側面表示に戻ります。側面表示から離れると画像が少し縮小され、翼の一部分を表示します。同じ流れが翼幅方向のいくつかの面で、翼の近くだけに繰り返されます。色の場は中央の面に、ピッチ・飛行経路・迎角の基準は手前側の端面に表示します。回転中は見出しに3Dと表示されます。「飛行をリセット」でも側面表示に戻ります。
08 / 演習
姿勢と迎角を区別する
手動を選びます。ピッチと飛行経路を調整し、計器が指令値に達するまで待ちます。一時停止して角度を調整すれば、静止した状態を比較することもできます。
| ピッチ θ | 飛行経路角 γ | 迎角 α |
|---|---|---|
| +4° | 0° | +4° |
| +4° | +10° | −6° |
| −2° | −8° | +6° |
次に飛行をリセットし、 動的モードでピッチを上げます。最初のαの変化と、その後の飛行経路の応答を比べてください。一度に変える変数は1つにしましょう。
09 / 操作
一時停止、ウィンドウ、キーボード
上部のボタンで、一時停止、リセット、全画面表示を操作します。パソコンでは翼のウィンドウの見出し部分をドラッグして移動できます。 翼の画像をドラッグすると3D表示を回転でき、ダブルクリックで側面表示に戻ります。×ボタンで閉じ、「翼」で再び開きます。スマートフォンでは、ウィンドウと計器が縦に並びます。
- ↑ / ↓
- ピッチを1°ずつ操作します。Shiftを押しながら操作すると0.1°刻みになります。
- + / −
- 出力を5パーセントポイントずつ変更します。
- スペース
- 一時停止・再開します。
- R
- 初期状態に戻します。
全体のショートカットはフォーカスに応じて変わります。操作部を選択すると、キーボードはその操作部に作用します。スロットルでは↑/↓で出力を変え、Homeで0%、Endで100%にします。Escapeで説明を閉じます。
10 / モデルと参考資料
この可視化が表しているもの
翼型と付着流れには、ジュコーフスキー変換とクッタ条件による循環を使っています。二次元、非圧縮、非粘性、準定常のポテンシャル流れ場です。CFDや境界層の計算は行っていません。
|α|が13°を超えると、注意表示と後流を概念的に示します。実際の剥離、乱流、失速を予測するモデルではなく、この角度は運用上の限界でもありません。縦方向の運動には、描画する流れ場とは独立した学習用係数を使い、速度と飛行経路に独自の範囲を設けています。 モデルの限界 は、その範囲のいずれかに達したことを示します。
IASはFoilShapeと同じく、標準大気と動圧q0 = ½ρV²から求めます。指示器はこの動圧を海面の密度で換算します：IAS = TAS × √(ρ/ρ0)。計器誤差と位置誤差はないものとします。飛行は海面高度から始まります。揚力と抗力は動圧に依存するため、迎角と飛行経路が同じなら、釣り合いのIASは高度によって変わらず、上昇するとTASが増えます。推力は高度によって変化しません。
このバージョンでは、特定の機種、雲、ロール運動を再現していません。バンク角だけで左右の翼に迎角差が生じるわけではありません。
3D表示はモデルに物理を追加しません。FoilShapeは2次元の翼型を扱うため、同じ流れ場を短い翼幅区間に沿って繰り返します。これは無限翼幅の翼の断面に相当します。有限翼の3次元効果である翼端渦とダウンウォッシュは表示しません。
基礎概念の参考資料： NASA — ジュコーフスキー変換とクッタ条件; NASA — 迎角; NASA — ダウンウォッシュと翼端渦.
FAA — Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge · 第4章（Principles of Flight）と第5章（Aerodynamics of Flight）。 NASA — 上昇中の力。
NASA/BGA — FoilShape (Tom Benson) · ジュコーフスキー翼型、局所流速、標準大気、動圧、大きな迎角での簡略表示の参考資料です。このアプリのJavaScript実装とアニメーションは独自のものです。