降着装置
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降着装置（こうちゃくそうち）とは、航空機の機体を地上で支持する機構である。着陸装置、ランディングギア (Landing gear) ともいう。
通常は車輪と緩衝装置からなるが、場合によっては雪上用にスキー、水上用にフロート、また、離着陸滑走が不要なヘリコプターではスキッドなどを備えることもある。艦載機ではアレスティングフックを含む。フロート、スキッドなどを除くと着陸脚と呼ばれることも多い。最近では空気抵抗を減少させるため引き込み式のものが主流であるが、小型のもの、速度を必要としないものは固定式の脚を持つ。
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[編集] 構成
地上用の着陸脚の配置には、主なものとして2つの大きな流れがある。事実上、これまで制作された航空機のそのほとんどは次の2種類のどちらかの配置（またはそのバリエーション）の脚を備えている。
重心近くすなわち主翼近辺にあって荷重のほとんどを支持するものを主脚と呼び、通常左右に配置される。静安定維持のためには重心周りに最低3点が必要なので、両主脚以外にあと1点分の脚が必要である。その1点を前方の機首下部に置くものを「前輪式」（首車輪式、首脚式、前脚式）、機体後部に置くものを「尾輪式」と呼ぶ。尾部の支持は実際には尾輪ではなく橇（尾橇）のこともあり、その場合には「尾橇式」といわれることもある。3車輪式という呼称もあり、厳密に解釈すれば両方の形態を差しているとも取られることがあるが、大勢としては特に前輪式を差して用いられることが多い。逆に「3点姿勢」「3点着陸」等のように、3点と言及されるときには尾輪式を指すのが通例である。
英語では尾輪式を"conventional landing gear"と呼ぶことからもわかる様に、かつては尾輪式が主流だったが、現代のほとんどの航空機は前輪式またはそれの変形方式を備えている。その理由として尾輪式の離着陸が難しいことがあげられる。
静安定性では尾輪式と前輪式は全く差はない。しかし、荷重のほとんどを支えるが故に摩擦抵抗も大きい主脚が、前輪式では重心の後ろ側なのに対し尾輪式では重心の前にあるため、地上を滑走する際の動安定性では大きく差が出る。すなわち、進行方向と機体の向きに少しのズレが生じた場合、前輪式ではそのズレを修正する方に力が働くのに対し、尾輪式ではズレを増加させる方に力が働くのである。このため、尾輪式は常に方向を修正しながら滑走しなくてはならず、修正が間に合わないと「グラウンドループ」と呼ばれる水平方向のスピンに入ってしまう。 現在ではそもそも尾輪式の機体が少ないこともあり、尾輪式の航空機を離着陸させるのは習熟したパイロットでないと困難である。
ただし尾輪式には以下のような利点もある。
- 機首にプロペラを配置している場合、プロペラの地上高が高くなるため、滑走路上の異物の巻き上げに強くなり、またプロペラ直径を大きくできる。
- 地上姿勢ですでに主翼に迎え角がついているので、短距離で離陸できる。
- 降着装置は荷重を支えるため頑丈に作らねばならない関係上、自重増大の大きな要因となっており、軽量化を信条とする航空機設計において悩みの種であるが、前輪に比べて尾輪は簡単・小型にすることができ、その分軽くなる。
- 引き込み式でなく固定式にする場合、小型にできる尾輪式の方が抵抗が少ない。
また、ツポレフTu-95やコンコルド、SAABドラケンの様に、高迎え角で離着陸する際に尾部を擦らないように、前輪式機体ではあるが収納式の尾輪を同時に持つ機体も存在する。逆に、ツェッペリン・シュターケンR.IVのように着陸時の前のめりを防止するため、尾輪式でありながら固定式の前輪を備える機体もあった。
[編集] 構造
着陸脚の構造は基本的に車輪部と、着地の衝撃を吸収する緩衝装置からなる。1本の脚に複数の車輪がつく場合には、同軸に配置したり、車輪を付けたボギー（台車）を脚端に取り付けていることが多い。
車輪は通常は空気を充填したゴムタイヤである。地上滑走中の摩擦抵抗を小さくする為にはタイヤの空気圧を高くして接地面積を小さくする方が好ましいが、滑走路上の異物などを踏んでしまった場合、空気圧が高いとタイヤが破裂する危険がある。そのため、不整地や悪条件での離着陸を念頭において運用される際には、わざとタイヤの空気圧を低くして滑走中のパンクという最悪の事態を避ける。車輪に駆動装置はないが、ブレーキは付属する。地上走行（タキシング）中の操舵は前輪についたステアリング機能か、左右の主脚のブレーキング差動によって行われる。古い時代の機体ではステアリング機能もブレーキもついていない事がある。
衝撃吸収は、まだ機体が軽量だった初期の頃には、車軸と機体の一部を括り合わせた大型の輪ゴムが使われた事もある。現在では航空機の重量も増したため、脚柱に組み込まれた油圧ダンパーで行われるのが一般的である。ただし、今でも軽飛行機などでは脚柱自体の弾性をもって緩衝装置とするものも多い。引き込み式でなく固定脚のままで空気抵抗を減少させる為に、脚と車輪の回りに「スパッツ」と呼ばれる整流覆いをつける機体もよく見られる。
航空機の自重は、空中では主翼が保持し地上では着陸脚が保持する。しかしその水平面断面積の差を考えると単位面積あたりの荷重は着陸脚にかかるものの方が段違いに大きく、着陸脚は主翼よりも遥かに頑丈な構造で衝撃を吸収しなければなければならない。特に艦載機ではアレスティングフックによって急制動される際、数mの高さからほぼ垂直に甲板に叩き付けられる事になり、自重の何倍もの衝撃が加わる。例えば自重20数tのグラマンF-14トムキャットが着艦する場合、加わる衝撃は前脚で約30t、主脚では約80tにもなる。また、現代型のカタパルトから発進する艦載機では、カタパルトのシャトルと機体の接続に前脚に設けられたランチバーを使用しており、そのため射出の衝撃は前脚に全てかかることになる。艦載機でない陸上機でもアレスティングフックを設けたものが多いが、あくまでブレーキ故障時の予備など緊急用という位置づけであり、毎着艦ごとにフックを使用する艦載機とは使用頻度が全く違う。これらの理由により、艦載機の降着装置は同クラスの陸上機よりも堅固な構造になっているのが普通である。
尾輪の場合はムクのゴムタイヤや金属車輪など簡単な構造の事も多く、そのままで機首上げ状態を維持できているため脚自体も非常に短いかほとんど存在しない。しかし前輪式で機首脚を持つ場合は、少なくとも機体姿勢を水平に維持できるよう、主脚と同じぐらいかそれ以上の長さでなければならない。構造も主脚と同様の緩衝装置と中空タイヤとなるのが普通だが、そのため一般的には尾輪より前脚のほうが機体の構造としては複雑になる。
[編集] 歴史
1903年に飛行した世界最初の飛行機としてよく知られるライト兄弟のライトフライヤーは、離陸時にはレールの上の台車に乗り、着陸には橇を使った。ライト兄弟の次に空を飛んだとされるのは1906年ヨーロッパで初めて飛行したサントス・デュモンの14bisであるが、その着陸脚は前輪式配置（ただし機首脚は橇）であり、最古の前脚式機体となる。尾輪式降着装置が確立されたのは1908年のボアザン機あたりからである。その後も飛行機械の形態として様々なものが試されたが、それに伴い降着装置の形態・配置も多くの種類が試された。
しかし第一次世界大戦までには機体の構成が、「長い胴体の前半部に直行した主翼を付け、胴体最後部に水平尾翼と垂直尾翼を配置する」という我々もよく知る機体構成に収束し、前述のような利点から尾輪式が一般的なものとなった。
この頃、すでに引き込み脚の試作がされている。引き込み脚のアイデア自体は1876年フランスのアルフォンス・ペノー(Alphonse Pénaud)が計画した飛行機のデザインに見て取れる。しかしそのペノーの水陸両用単葉機はあまりにも先鋭的すぎ、実際に制作するための資金を集めることができなかった。1917年に試作された引き込み脚は部分的にしか収納されないもので、引き込み脚が一般的な機能になるのは1920年代から1930年代になってからだった。その頃までに航空機の能力は向上しており、引き込み脚の航空力学的利点が、重量の増加や機構の複雑化といった欠点を上回っていたのである。
1940年代になると、引き込み脚は当たり前の機構になっており、固定脚の機体は簡単なものや低速の機体に限られるようになった。この頃から、尾輪式に代わって前輪式の着陸脚を備えたものが現れはじめる。有名な例では、世界初の実用ジェット戦闘機メッサーシュミットMe 262は、当初尾輪式として設計されていたが、開発途中で設計を変更し前輪式として完成した。引き込み脚が標準装備となって尾輪式・前輪式にかかわらず脚が複雑な機構であることが前提となり、時代のジェット化によって過大なプロペラ直径のためのクリアランス（地上高）も不要になった事により、もはや尾輪式の利点はほとんど無くなっていたのである。第二次世界大戦が終わって暫くした頃には、ジェット機に限らずほとんどの機体が前輪式の着陸脚を備えていた。
その後の変化としては、航空機の大型化につれてその重量を支えるためにより多くの車輪が必要になったことがあげられる。車輪は当たり前のようにボギー化し、ボーイング747のような大型旅客機では主脚が2本では足らず、左右翼下のウイングギア（主翼主脚）と胴体左右のボディギア（胴体主脚）の4本になった。ボーイング747では4本の主脚は4輪ボギーだが、さらに大型のエアバスA380では6輪ボギーと4輪ボギーの組み合わせになり、主脚だけで20本、前脚も合わせると22本のタイヤを備えている。
世界最大の航空機であるアントノフAn-225では、元となったアントノフAn-124の主脚が片側10本だったのに対し、さらに増えて片側14本のタイヤを装備している。さらには前輪までダブルタイヤの脚柱を2本持つため、合計32本ものタイヤでその巨体と300t近い貨物を支えている。ボーイング747やエアバスA380のように、ボギー車輪にして数本の主脚に取り付けるようにしていないのは、本機が旅客機ではなく輸送機であり、荷物の積み卸しの利便のために低床式にしているからである。
大型の機体になると前脚から主脚までの距離が大きく、前脚のステアリング機能だけでは地上での回転半径が大きくなりすぎたり、主脚の最遠部の車輪に横ズレ方向の力が加わってしまうので、ボーイング747の2本の胴体主脚や、ボーイング777の各主脚の最後尾の車輪のように前脚に同調したステアリング機能をもっている場合もある。
[編集] 形態
降着装置には尾輪式・前輪式以外にも用途・形態に様々なバリエーションがある。
[編集] 雪上用
雪の上の離着陸用に、スキーをはいた機体もある。最初から雪上用として設計された航空機は無く、基本的にすべて降着装置を取り替えただけのものである。そのため、基本的な構成は地上用着陸脚の「車輪」を「スキー」に変えたものと考えて良い。ただし、スキーを設置すると車輪より大きくなるため、引き込み式の車輪をスキーにした場合、引き込み機能が失われるのが普通である。
[編集] 水上用
機体下部全体を艇の一部とし浮力を得る飛行艇と、機体とは別のフロートによって浮力を得るフロート水上機がある。フロート水上機には、左右にフロートを配置する双フロート型と、機体直下に1つの主フロートをもち、左右に小型フロートを配置する単フロート型がある。飛行艇は水陸両用機として陸上用降着装置も同時に持つことがあるが、その機構は通常の着陸脚と同じである。フロート機の場合、多くは陸上機の降着装置をフロートに取り替えたものである。ただし、水上機のフロートは空気抵抗の軽減を狙って機体と平行に取り付けられるため、もとが尾輪式の機体であっても水上機では前輪式のような水平の姿勢になる。
フロートも艇体も前面形は通常の船舶と概ね相似形である。しかし側面形を見てみると、艇形の中程の段差とはね上げた後部を持った独特の形状にして離水を容易にしている事が多い。また、水自体が衝撃を吸収する役目を担ってくれるので、着陸脚の代わりにフロートを取り付けた場合でも油圧ダンパーなどの緩衝装置は特に装備されないのが普通である。
フロート・艇体ともに水上での浮力を得るために容積が大きくなっているので、水上機で降着装置を引き込み式にしたものは一部の試作機を除いて存在しない。その他の詳細は水上機を参考のこと。
[編集] 空中収容用
航空母艦ではなく空中母艦に「離着艦」するための機能が付与されている機体もある。カーチスF9C-2スパローホークは機体がコンパクトであることから、米海軍の硬式飛行船USSアクロン級の護衛用搭載戦闘機として選定された。普段は飛行船内部に格納されており、敵機が近づいてくると母艦から発進、戦闘後また母艦に着艦するのである。このため、機体上部に装備したフックを飛行船側のトラピーズ（空中ブランコ）と呼ばれる係留装置に引っかけておき、トラピーズが船体外部に展開して発進、作戦後は船体から突き出たトラピーズに再度フックを引っかけ、トラピーズが収容されることで着艦、というシステムが作り出されて運用された。スパローホークは元々陸上機なので通常の着陸脚も持っているが、後には脚を取り外して燃料タンクを装備した機体も試験された。このときには唯一の降着装置がフックだったわけである。
同様のコンセプトがジェット機の時代になっても試行されている。マクドネルXF-85ゴブリンは戦略爆撃機コンベアB-36を護衛するため爆弾槽内に収容されるジェット戦闘機として設計された。発進と収容はスパローホークと同じく、母機のトラピーズと機首上部のフックを使用した。スパローホークと異なるのは最初から専用機として設計されている点で、そのため初めからフック以外の降着装置を持っていない。また、スパローホークと異なる別の重要な点として、試験を通してとうとう一回も母機への着艦には成功せず、実用化されずに終わったという点がある。その後、収容機体をゴブリンからリパブリックF-84に変更して試験した際には、見事トラピーズからの発進・収容に成功し、短期間ではあるが部隊運用されている。
また、母艦が航空機ではなく海上艦ではあるが、BAeハリアーもガントリーにぶら下げられた状態で艦載する運用法が研究されていた。そのガントリーはジャイロスタビライザーによりどれだけ母艦が揺れてもハリアー背部との連結部は空中に静止できるように設計されており、ガントリーから直接発進した機体は、帰還するとホバリングしてまたガントリーにぶら下がる。ヘリ甲板すらない小型艦のために考えられたが実用化はされていない。
[編集] 投棄式
引き込み機能が持つ複雑さ・重量・収容空間を廃しながらなおかつ高速に適した流線型となるためや、飛行中の余分な重量を減少させるためなどに、離陸後に車輪を投棄する航空機もあった。この場合、着陸は橇かそれに類した簡単な機構で行う。歴史上の実例としては、ロケット戦闘機のメッサーシュミットMe 163や、大型輸送グライダーメッサーシュミットMe 321がある。また、日本では第2次大戦末期に特攻専用機（キ115剣）が設計・量産されたことがあったが、これも製作工程の簡易化と「どうせ着陸は必要ない」との思想の元、投棄式の着陸脚が装備されていた。幸いなことに、運用が実施される前に終戦を向かえた。
[編集] タンデム式
通常は左右にある主脚柱が、機体中心線下に一本だけあり、機首または尾部の車輪と併せて自転車様の配置となっているものをいう。これは厳密に言えばそれぞれ前輪式・尾輪式のバリエーションととれない事も無いが、前後の車輪が同サイズになっておりどちらも主脚といえる物もある。通常左右の安定性を保持するために、地上では左右翼下にアウトリガーとも呼ばれる補助車輪が降りるようになっている。
1950年代において様々なタンデム式降着装置がロッキードU-2、ミャスィーシチェフM-4、ヤコブレフYak-25、ヤコブレフYak28、ボーイングB-47など多くの軍用機で採用された。これらの航空機に共通しているのは、胴体と翼が細く、全幅が（しばしば非常に）大きいことである。理由は高々度性能や高速性能などそれぞれ異なるが、その胴体の細さと全幅の広さのために、左右の安定性を保てるだけの幅をおいた主脚を胴体に収納することが不可能になった。そのため横安定はアウトリガーに任せ、主脚は一本だけになったのである。ロッキードU-2は離陸時のみアウトリガーを使用し、浮揚した時点でアウトリガーは切り離され地上に残る。着陸はアウトリガー無しで行なわれる。
BAeハリアーもアウトリガー付きのタンデム式を採用しているが、この機は少し事情が異なる。この機体はむしろ太い胴体と狭い全幅を持っているが、垂直離着陸をするために胴体側面の4つのノズルから下方に向かってジェット噴流が噴射される。燃焼室を経た後部ノズルはいうまでもなく、燃焼ガスを含まない前部ノズルからの噴流もかなりの高熱になるため、胴体から横に張り出した左右主脚を配置できなかったのである。ハリアーと似ているといわれるヤコブレフYak-38フォージャーは、側面に位置している偏向ノズルは後方だけなので、噴流の影響のないノズル前方胴体中央部に左右主脚を置くことができた。
タンデム式の変形がボーイングB-52にも使われており、機体下部に復列タンデムに並んだ4つの主脚と翼端を支えるアウトリガーを備えている。B-52の主脚はそれぞれがステアリング可能だという点で特徴的である。これにより主脚は風上を向いた機首方向とは別に滑走路に沿って向きを合わせることができ、横風での着陸（横向きに侵入することからクラブランディング"crab landing"と呼ばれている）を容易にしている。
[編集] テイルシッター式
VTOL機の形態が様々に研究されていた頃、地上姿勢でも機体を上向きにしておき、推力の全てを下方に向けて垂直離着陸する方法が検討されていた。この方式は尾部を下にしていることからテイルシッターと呼ばれている。
形態としては、機体最後部に対称に配置された尾翼を持ち、そこに小型車輪を先端につけた着陸脚を設置していることが多い。離着陸の際には下方への推力が常に働いている状態が前提なので、脚は比較的華奢である。この方式の最初のものは第2次世界大戦末期のフォッケウルフトリープフリューゲルだが、本機は机上プランで終わっている。その後、米軍のコンベアXFY-1ポゴや、ロッキードXFV-1、フランスのコレオプテールなどのテイルシッター実験機が実際に制作された。しかしテイルシッター機は、垂直な姿勢で行われるため離着陸時の操縦が非常に難しく、離着陸時の垂直姿勢と通常飛行時の水平姿勢の転換にも困難がつきまとうこともあり、実用化されたものはない。
[編集] 参考文献
- ライフサイエンスライブラリー『飛行の話』 タイムライフインターナショナル 1966
- 鴨下示佳 『戦闘機メカニズム図鑑』 グランプリ出版 1996 ISBN 487687168X
- 中村光男(編) 『別冊航空情報 名機100 増補改訂版』 酣燈社 2000 ISBN 4873570557
- 下田信夫 『Nobさんの飛行機グラフィティ1』 光人社 2006 ISBN 4769813031
