バフェット・マージン
バッフェット境界は、揚抗比に次ぐ、航空機の空力設計において2番目に重要な空力性能パラメータです。
翼のバッフェットとは、翼構造が、気流の剥離によって引き起こされる圧力脈動に対して示すランダムな励振応答のことです。航空機が低速かつ高迎え角で飛行する際、揚力面上の気流の剥離がある程度進むとバッフェットが発生し、これを揚力型バッフェットと呼びます。
バッフェット開始迎え角に対応する揚力係数の、マッハ数に対する変化曲線を、バッフェット境界と呼びます。バッフェット境界が高ければ、航空機の最小水平飛行速度は低くなり、飛行時の運動性と安全性が向上します。
バッフェット境界パラメータ(M2CL)は、マッハ数(M)の二乗と最大使用揚力係数の積です。バッフェット境界値を超えると、通常、翼で剥離した気流の後流(乱流)が尾翼に作用し、許容できない機体の振動(バッフェット)を引き起こします。
バッフェット境界は通常、翼上に「一定の面積」の気流剥離が生じることに対応しています。旅客機の最大巡航揚力係数は、バッフェットが発生し始める境界において1.3Gの過荷重(パイロットが約40度のバンクで運動操作を行う場合、あるいは強烈な突風に遭遇した場合)に制限されるため、抗力と同様に、航空機の性能を決定する重要な基本データとなります。
バッフェット境界のピークは、与えられた翼面荷重において航空機が飛行可能な最大高度を決定します。バッフェット境界が低い場合、巡航揚力係数とバッフェット境界との間に0.3Gの過荷重余裕を確保するために、希望する巡航揚力係数を低減する必要があり、その結果、巡航高度が低下することになります。ジェットエンジンの燃料消費率は飛行高度の低下に伴って増加するため、燃料効率も低下します。さらに、航空交通管制システムから割り当てられた巡航高度の範囲を十分に活用できなくなり、巡航性能が損なわれる可能性があります。
現代の旅客機は、対気速度計の速度が失速速度の107%に低下したとき、警報として機体がバッフェットを起こすように設計されています。失速速度は機体の重量や高度によって増大します。つまり、同じ速度であれば、より重い航空機や、より高く飛ぶ航空機ほど、失速速度は大きくなります。
失速速度の基準は、航空機が水平飛行の状態にある場合の速度を指しますが、航空機が旋回などで傾斜した場合、G(荷重)の増加に伴い失速速度も増大します。
そのため、バッフェット発生速度付近の速度で飛行中に、気流の影響で機体が傾斜した場合、失速に陥る可能性が非常に高くなります。
Gは 1/COSθ で計算できます(θはバンク角)。例えば、60度であれば2G、40度であれば1.3Gとなります。
1.3Gのバッフェット境界とは、40度のバンクで飛行した際にバッフェットが生じる速度を指します。したがって、1.3Gのバッフェット境界の速度で飛行していれば、仮に40度の傾斜が生じてもバッフェットは発生しません。
一般的に旅客機は1.3Gのバッフェット境界以上の速度で飛行し、またバンク角は30度を超えないため、安全上の余裕は保証されています。しかし、乱気流に遭遇した場合の規定は異なり、軽度の揺れ(Light)では1.3Gのバッフェット境界が求められますが、中程度(Moderate)以上では1.5Gのバッフェット境界が求められます。
全日空(ANA)のボーイング747-400(744)パイロットのブログから引用した事例を見てみましょう。
ある日、FL370で飛行中、前方を飛行する他の旅客機からFL410で中程度の乱気流に遭遇したとの報告があり、付近の他機がFL430への上昇を申請し始めました。しかし、FMS-CDUを確認したところ、最大上昇可能高度はFL433しかないことがわかりました。FL430まで上昇した場合、1.3Gのバッフェット境界は238ノットから254ノットの間となります。もしこの速度付近で1.3Gを受ければ、バッフェットが発生する可能性が非常に高いです。そのため、彼がとった対策は高度を上げることではなく、南へ迂回してその乱気流空域を回避することでした。
http://www.dsti.net/Information/ViewPoint/41437 http://www2.plala.or.jp/sin/plalaboard/message/13391.html http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q1355634013 http://fdc.blog.so-net.ne.jp/2008-06-27