羽根にヒントを得た翼フラップが飛行機の失速を防ぐかもしれない

飛行機の翼を見下ろす列に座ったことがあるなら、翼の端に複数のフラップがあり、離着陸時に調整されるのに気付くでしょう。鳥の羽と同じように、これらの部品は飛行中の機体の回転、揚力、抗力を制御するために必要です。しかし、鳥の羽とは異なり、これらの機構は一般に翼に沿って 1 列に配置され、移動中に制御するには電子部品が必要です。

一方、鳥類は数百万年もの間、気流に合わせて受動的に調整する隠れた羽毛の集まりである「フラップ」をはるかに多く備えて空を飛んできた。一部のエンジニアは、鳥類にヒントを得て、より安全でエネルギー効率の高い飛行機を作れると考えている。10月28日に米国科学アカデミー紀要で発表された彼らの研究結果は、そのような羽毛を備えた飛行機のアップグレードを支持するものと思われる。

プリンストン大学の研究者らは最近、小型の遠隔操縦模型飛行機を改良し、隠れ羽を模倣したフラップ列を取り付けた。隠れ羽とは、突風をかわして着陸するなどの複雑な操縦中に受動的に調整する鳥類の羽の集まりである。研究チームは、この改良により、同様の生体模倣に基づく設計が将来、航空機の全体的な性能を向上させ、潜在的に危険な失速緊急事態を回避するのに役立つ可能性があると考えている。

これまでの「研究では、[隠れた羽根]は着陸や突風の中を飛行するなどの操作中に飛行を向上させることができると示唆されている」が、研究チームは「その基礎となる物理学や複数列を持つことの意味についての現在のコンセンサスは存在しない」と書いている。これを修正するために、彼らはまず3Dプリントされたスケールモデルの飛行機の翼に隠れたスタイルのフラップを2列から5列取り付け、次にそのプロトタイプを高さ30フィートの風洞試験にかけた。風洞内では、さまざまな条件のシミュレーション中に、センサーの組み合わせとレーザーカメラと高速カメラの両方が翼の周りの気流を細かく測定した。彼らはまた、標準的な単列フラップで作られた翼のモデルを対照として使用した。

「風洞実験により、空気が翼やフラップとどのように相互作用するかを非常に正確に測定でき、物理的に実際に何が起きているのかを見ることができます」と、博士研究員で研究主任著者のギルギス・セドキー氏は月曜日、大学のプロフィールで述べた。データを分析した後、セドキー氏とチームは、フラップが翼の周りの空気の流れを制御する特定の方法を特定した。その1つである「せん断層の相互作用」は、航空試験でこれまで記録されたことがなかった。

「この新しいメカニズムの発見により、鳥が翼の前部近くに羽を持っている理由と、航空機でこのフラップをどう利用できるかという秘密が解明されました」と、機械・航空工学助教授でこの研究の主任研究者であるエイミー・ウィッサ氏は付け加えた。ウィッサ氏は、すべてのモデルの中で、5列設計が最も優れた性能を示し、揚力を45パーセント向上させながら抗力を30パーセント削減したと付け加えた。

「翼の前部にフラップを追加すればするほど、性能上の利点は高まります」と彼女は説明した。

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これらの初期実験に続いて、ウィッサ氏のチームは、プリンストン大学サマセット RC 模型飛行機クラブから借りた鳥サイズの RC ドローン飛行機を使用して屋外飛行テストに移行しました。エンジニアは最初に隠しフラップ列を取り付け、次に機内の飛行コンピューターを自動的に失速するようにプログラムしました。そこから研究者はモデルを発射し、空中での課題を解決する様子を観察しました。コンピューターが失速を開始するたびに、飛行機の隠しフラップ列が受動的に展開し、失速の強度を緩和しました。

「それがバイオインスパイアデザインの力です」とウィッサ氏は言う。「生物学から工学へ物事を移して機械システムを改善する能力だけでなく、工学ツールを使って生物学に関する疑問に答える能力も持っています。」

ウィッサ氏と同僚たちは、鳥類の隠蔽羽は飛行機以外にもさまざまな用途に使える可能性があると考えている。気流の流体力学を考慮すると、同様の適応を研究することで、自動車、潜水艇、さらには風力タービンの効率と安全性を向上できる可能性があると彼らは指摘している。