超音速機の衝撃波の解消の方法を JAXA が研究している。下記に報道がある。
→ 「コンコルドの夢」再び ＪＡＸＡが挑む超音速の難敵
この２ページ目には、次の図がある。（JAXA 提供）
これを見ながら考えた。
「上の図では、主翼があまりにも大きい。衝撃波の解消には、機首部分における衝撃波の解消が大事だが、主翼部分でも対策をすることが必要だろう」
機首部分については、すでに別項で述べた。
→ 超音速機の衝撃波の解消は、針で
そこで本項では、主翼部分での衝撃波について考える。
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超音速機の画像を見ると、主翼がとても大きいとわかる。しかし、超音速飛行にとって、大きな主翼は必要ない。むしろ抵抗となって邪魔になるだけだ。主翼はなるべく小さい方が好ましい。
それでも主翼が大きいのは、離陸時に大きな揚力を必要とするからである。
逆に言えば、離陸時に必要なだけの巨大な主翼を、超音速の飛行中は無駄に持っていなくてはならない。邪魔なのに。
これを解決するには、どうすればいいか？ いろいろ考えたすえ、次の三つを採用するべきだ、と考えた。
「胴体翼」「先尾翼」「可変翼」
「胴体翼」は、機体の下面を平らにして、主翼のかわりにするものだ。
「先尾翼」は、機体の前半分に、尾翼に相当するものを置くことだ。
「可変翼」は、普通は後退翼であるのに、離陸時には翼が前方に繰り出して、翼が真横になるようなものだ。
これらはいずれも、主翼の負担を減らす効果がある。
そこで、これらをすべてまとめて、次のようなデザインを考えた。（提案）
・ 胴体は、円筒形をやめる。幅広にして、底面を平らにする。
・ この底面は、機首前端は高く、後方に行くにつれて下がる。
そのことで、下向きの空気の流れを作り、揚力を生む。
さらに、次の案を加える。
「胴体の下部（平らな底面）に、平らな板を付ける。これは回転式とする。飛行中は、平らな板は、胴体と密着しており、何の効果もない。一方、離陸時と着陸時には、この平らな板を水平に 90度 回転させて、真横に伸ばす。このことで、平らな板を、小翼として使う」
図示すると、上から見た場合には、次のようになる。（左が前方で、右が後方）
《 飛行中 》
━╋ （後方に主翼がある）
《 離陸時 》
┿╋ （前方にも小翼がある）
飛行中には、巨大な主翼が機体後方にあるだけだ。
離陸時には、機体前方にも小翼があって、これが浮力を生む。この小翼は、離陸したあとで、飛行が安定した状態で、ゆっくりと水平状に 90度回転して、胴体の底面に重なる。
（ ※ この図にはないが、別途、尾翼もある。尾翼は必要。）
──
ここまでを整理しよう。
先に述べたように、飛行中は小翼は出さず、主翼だけがある。ただし、幅広の胴体が翼のかわりとなって、揚力を生む。
この幅広の胴体は、主翼のある機体後半にはなく、主翼のない機体前半にある。上から見ると、次のような感じ。
これを見ると、「胴体部が幅広すぎる」と思うかもしれないが、そうではない。実は、主翼が小さくなっているのだ。元の機体では、はるかに幅広い主翼が付いている。その幅広い主翼の幅を狭くすることで、空気抵抗を少なくすることが目的だ。胴体が少しばかり幅広になったことよりは、主翼の幅がとても狭くなったことの方が、効果は大きい。
こうして、やや幅広の胴体が機体前半にある。その底面は平らであり、揚力を生む。さらに離着陸時には、可変翼も使える。
（ ※ 図では、尾翼は省略されているが、尾翼もある。）
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さて。以上に加えて、次の案も加えたい。
「主翼は、胴体の下方に接続するのではなく、胴体の上方に接続する。小型機（セスナ）の多くと同様に」
このような方式は、通常は合理的ではない。なぜなら、主翼を高い位置に据えると、車輪を出す足が長くなって、重量増加などのデメリットが生じるからだ。
しかし、超音速機では、重量増加よりも、空気抵抗の減少が重要だ。そのためには、主翼を高い位置に置いた方がいい。
なぜか？ 通常は、そうとは言えない。しかるに、前方にも翼がある場合には、そう言えるのだ。
そのことは、次の図を見るとわかる。（側面図）
前 ＿＿＿＿＿ ￣￣￣￣￣ 後
この図で、左側の線は胴体の底面を意味し、右側の線は主翼を意味する。
この二つの間には、空隙がある。この空隙部を通って、空気が流れる。そのことで、（真空に近いような）低圧部がなくなり、空気抵抗が下がる。
一般に、自動車でもそうだが、機体の後方に（真空に近いような）低圧部が生じて、これが機体を後方に引っ張るブレーキのような役割を果たす。つまり、空気抵抗になる。これを避けるには、この部分に空気を少し入れるといい。そうして圧力を上げることで、抵抗力を下げる。
飛行機の場合も同様だ。大きな主翼（長い主翼）があると、その後方に、（真空に近いような）低圧部が生じて、これが機体を後方に引っ張るブレーキのような役割を果たす。つまり、長い翼は好ましくない。
そこで、上図のように、前半の胴体翼と、後半の主翼の間に、空気の流れ込む空隙を作る。そのことで、空気が流れやすくなり、（真空に近いような）低圧部が生じなくなる。
この方式は、次のメリットもある。
「エンジンを胴体の最後尾に置くことができるので、エンジン部分が突出しなくなり、空気抵抗が下がる」
具体的に言おう。JAXA の試験機には、エンジンが搭載されていないが、JAXA の本物には、エンジンが搭載される。そのときの予想図は、下記だ。
→ JAXA の模型 （図）
この図を見ればわかるように、胴体の上にエンジンが載せられている。「親亀の上に子亀を載せる」という感じだ。これでは、乗せられた子亀の分だけ、空気抵抗が増える。
一方、私の案ならば、エンジンは胴体の最後尾に置かれるので、空気抵抗は特に増えない。
空気取り入れ口はどうする？ 胴体の上部に、小さな穴を横に並べればいいだろう。JAXA の古い案 を真似る。
この図では、機体の下部に空気取り入れ口があるが、逆に、機体の上部に空気取り入れ口があるようにする。そこから空気を取り入れて、機体最後尾から吐き出せばいい。
この空気取り入れ口は、胴体の上に出っぱっていると空気抵抗が大きくなるから、むしろ、空気取り入れ口の前方の機体を凹ませるようにするといい。次のように。
空気の流れは、機体上面に沿って流れたあと、機体上面の凹みに従って少し下がり、そのあとで空気取り入れ口に吸い込まれる。ここでは（凹みのせいで）減圧されているので、空気取り入れ口の空気抵抗が少なめで済む。（直接、高圧でぶつかるのとは違う。衝撃波も小さい。）
機体の上側から取り込まれた空気は、機体最後尾から吐き出されるが、ここではやや下向きに排出される。
以上の全体で、機体上側にある空気が機体下方に押し出される。こうして、作用反作用の効果で、揚力を得る。……詳しくは、下記項目の図を参照。
→ 飛行機はなぜ飛ぶのか？
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ついでに言うと、ジェット気流の吐き出し口は、できれば、主翼よりも上側にある方がいい。その理由は、ホンダジェットと同様だ。
→ HondaJetの主翼上面配置
このことからすると、次のように言える。
「主翼は、胴体下部でなく胴体上部に付けると言ったが、実際には、胴体上部ではなく、胴体中央に付けるだけで十分だ」
つまり、先に述べたときは、「機体前半と機体後半の間に空気を流す」と述べたのだが、そのことのためには、主翼を機体上部に付ける必要はない。機体下部よりも少し上にあるだけでいい。
したがって、主翼を機体上部に付けるかわりに、主翼を機体の中央（上下方向で）に付けるのでもいい。正面から見ると、次のような感じ。
以上を持って、私の提案とする。
愛称を付けるなら、「イカ飛行機」 or 「スルメイカ」だ。
［ 付記１ ］
次の図について注記しておく。
この図では、機体後半が細くなっているが、実際には細くする必要はない。機体前半と同じ太さのままでいい。なぜなら、細くしても空気抵抗は減らないゆえに、搭載容積を増やした方がいいからだ。
ではなぜ、上のような図を書いたかというと、概念の理解のためだ。上の図は、実は、機体底面の面積を示しているのだ。
・ 機体前半では、底面が幅広い。
・ 機体後半では、底面が幅狭い。
このことをわかりやすく示しているのが、上の図である。
なお、いずれにせよ、機体の底面で揚力を持たせる。それが大切だ。
［ 付記２ ］
一般の飛行機では、「機体の底面で揚力を持たせる」という設計方針は取られない。かわりに、「円筒形」という設計方針を取る。その理由は、「円筒形が一番軽いから」である。円筒形は、丈夫な構造であるがゆえに、軽く作ることが大切だ。（そうすれば燃費もよくなる。）
しかし超音速機は、「軽くすること」は二の次であり、「空気抵抗を減らすこと」が最優先となる。したがって、円筒形よりは、半円形（底面が平らである）という形の方が、好ましい。底面を翼のかわりにして、揚力を得ることができるので、その分、翼を小さくできるからだ。
実は、超音速機で最も抵抗が大きいのは、（機首を除けば）胴体ではなくて、主翼である。この主翼を小さくすることが最優先である。
JAXA のモデルでは、機体の抵抗を小さくすることばかり狙っているが、機体よりも主翼の抵抗を小さくすることが大切なのだ。そこに着目したのが、本項の提案である。
［ 付記３ ］
書き忘れていたが、コックピットに風防などのガラスは不要である。すべては「カメラと液晶画面」で電子的にモニターすればいい。
これは、超伝導のリニア新幹線の場合と同様である。
→ リニア、窓は小さく鼻先にカメラ
たとえば、四つのカメラで、前方について四方向の画像を得る。それぞれの画像の接続部は歪んでいるが、歪みについてはデジタル技術で補正する。こうしてデジタル化された広い視界が、パイロットの前に出現する。ほとんど現実そっくりだ。風防みたいな窓枠に液晶パネルを嵌めたら、現実と区別することはほぼ不可能だろう。
［ 付記４ ］
※ 細かな話なので、特に読まなくてもよい。
Ｑ 空気抵抗を減らすために、空気取り入れ口の前の機体正面を凹ますというが、無効では？ 減圧すれば、その分、空気をたくさん吸い込まなくてはならない。逆に、高圧ならば、狭い開口部からたくさん空気を吸い込める。差し引きして、無効。
それどころか、空気取り入れ口のところで空気圧が高いと、スクラムジェットエンジンには有利だ。ターボジェットならばともかく、スクラムジェットならば、高圧空気の方がいい。
Ａ それは考えたけれど、結論は同じです。
第１に、スクラムジェットエンジンは、マッハ６〜１２の速度で使うので、今回のようなマッハ３程度の超音速機には当てはまらない。
第２に、Ｑ の効果を考えても、空気取り入れ口の抵抗を減らすことが優先される。その後、高圧の空気がほしければ、空気取り入れ口の内部（つまり開口部の奥）で、メガホン状の通路で圧縮すればいい。これで空気の圧縮ができる。一方、空気取り入れ口は空気抵抗が減るし、そこで生じる衝撃波も減る。
第３に、本項の方式ならば、空気取り入れ口を偏平方にできるので、空気抵抗が減る。通常の方式では、空気取り入れ口が円形であり、胴体から少し離れるので、空気抵抗が増えてしまう。いろいろと無駄な空気の流れが生じてしまう。非効率だ。
【 関連項目 】
→ 超音速機の衝撃波の解消は、針で
→http://www.nhk.or.jp/gendai-blog/sp/100/160532.html
飛行機設計 面白いですね
断面図は ∩ みたいな半円形な形です。（図参照）
その上に平らな板を付けると、通常時に空気抵抗となってしまいます。
一方、その下に平らな板を付ければ、機体下面の平らな部分と一体化するので、空気抵抗となりません。
厳密に言うと、曲率を考えて、右翼と左翼が少し非対称になりますが、気にしなくていい。どうせ離着陸の低速時にしか使わないので。
大切なのは、離着陸のときに仰角があることです。その仰角は、機体下面の傾きに従って、自動的に生じます。
場合によっては、巨大なフラップをつけてもいい。というか、この小翼を（飛行時に）前後２分割して、後半部分はフラップにしてもいい。
超音速試作機の飛行失敗、地上に落下…ＪＡＸＡ
http://www.yomiuri.co.jp/science/news/20130821-OYT1T01033.htm?from=main5
ベストな状態で成層圏を飛んでいるときに最適な形で、離着陸時やベストな状態でなくなったとき、
心配な形状のような気がします。
＞ 滑空開始から約４０秒後に機体の翼が上下に振動する現象が発生、６２秒後には機体を制御できない状態となった。
主翼が幅広くなりすぎたせいでしょう。主翼の最後部は、低速時のために、幅が広くなりすぎている。低速用の翼を、超音速時にも使ったのが、根本原因だろう。
私の案ならば、その問題はない。可変翼ですからね。（超音速時には、前翼が本体と重なって隠れる。）
JAXAは失敗を反省して、私の案を採用するといいですよ。アイデア料は無料です。
試作機の先端はあまり衝撃波を抑えることができていない。だから先端で発生した衝撃波が、斜め後方に広がったあとで、主翼の端の方にぶつかって、主翼が衝撃波でガタガタになったのだろう。
これはだいたい予想されたことである。だからこそ私の案では「主翼の幅を狭くする」ということを最優先にした。それが本項のテーマだった。（試作機の案では主翼が大きすぎて駄目だ、と本項の冒頭で指摘している。読み直してほしい。）
私の案では、衝撃波の発生（先端）も少ないし、受けた衝撃波を受ける部分（主翼）の幅も狭くて衝撃波を受けないようにしている。
ひるがえって、今回の試作機では、衝撃波対策がろくにできていない。失敗は初めからわかりきっていた、とも言える。
JAXA はどうするつもりだろうね？ 「設計思想が根本的に間違っていた」と理解できるだろうか？ それとも、理解できないまま、同じ失敗を何度も繰り返すのか？ あるいは、超音速機という計画自体を断念するのか？
それとも、本項の案を採用して、超音速機を実現するか？
どうするんでしょうねえ。
＞主翼が幅広くなりすぎたせいでしょう。主翼の最後部は、低速時のために、幅が広くなりすぎている。
＞低速用の翼を、超音速時にも使ったのが、根本原因だろう。
D-SEND#2飛行異常の原因究明結果とJAXAの取り組み状況（PDF）
ttp://www.jaxa.jp/press/2014/03/20140312_dsend2_j.pdf
こちらによりますと、主翼等のハードウェアではなく、
飛行制御プログラム等のソフトウェアの問題と解析、対策されたそうです。
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＞JAXA はどうするつもりだろうね？ 「設計思想が根本的に間違っていた」と理解できるだろうか？
＞それとも、理解できないまま、同じ失敗を何度も繰り返すのか？ あるいは、超音速機という計画自体を断念するのか？
＞それとも、本項の案を採用して、超音速機を実現するか？
D-SEND#2試験結果について(PDF)
ttp://www.jaxa.jp/press/2015/12/files/20151224_dsend2_j_01.pdf
上記対応後に再試験を実施し、衝撃波の低減効果を確認されたとのことです。