空力ブレーキ

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空力ブレーキ(くうりきブレーキ)とは、学的な力(空気抵抗)を利用する制動方法。空気抵抗は流れに対する物体の投影面積比例すると共に、速度の2乗に比例するため、高速で動く物体のスピードを効率よく落とすために使われる。なお、空力ブレーキは分野によって呼び名が変わることがある。

宇宙機[編集]

エアロブレーキングの例: 火星探査機マーズ・リコネッサンス・オービターが火星上空で軌道を変更しているところ(想像図)

宇宙開発分野では、大気圏突入における「大気圏」より高層の希薄な大気を利用したブレーキが、エアロブレーキング (aerobraking, aerodynamic braking)・大気制動空気制動などといった名称で知られる。その名称通り、大気が存在する場合に使用可能となる制動方法である。以下はこの高層大気におけるブレーキングについて述べる。

惑星探査機や再突入カプセルでは惑星の大気を抗力として用いることで、惑星との相対速度の差を減らす。なお、いったん少量の燃料を使って高い軌道へ投入した後、大気抵抗を利用して徐々に軌道を下げる手法をエアロブレーキ(aerobraking)と呼び、惑星到着時に直接大気に突入し、一気に減速して軌道へ投入する方法をエアロキャプチャ(aerocapture)と呼ぶ[1]。また、空力ブレーキは、地球周回軌道で軌道速度を減衰させて大気圏に突入するためにも利用されている。

どの程度濃厚な大気でそれを行うかにもよるが、空力ブレーキは、衝撃加熱によって宇宙機の運動エネルギーを機体のすぐ前方の大気のエネルギーへと変換するため、効率がよい。ただし、空力ブレーキを惑星再突入時に利用するには、機体を空気力学的に最適な形状に加工しなければならず、減速による強力な加速度にも耐えなければならない。更には十分な熱遮蔽も必要となる。これに失敗すると、機体が破壊されてしまう恐れがある。

ブレーキングなしで大気圏に突入するにはエアロシェルが必要である。

世界で初めてエアロブレーキによる軌道制御に成功したのは日本の「ひてん」である。1991年3月19日に、世界で初めてエアロブレーキ時の減速量と加熱量の計測を行い、惑星突入時の制動・軌道制御技術としてのエアロブレーキング(制動だけでなく、制御も行ったので正確にはエアロコントロール)技術を初めて確立した。地球の高度125.5 kmを秒速11.0 kmで突入し、1.712 m/s減速した事が確認された。

1993年5月25日には、金星探査機マゼランがエアロブレーキ実験を行い、4日間でペリジ点高度を172kmから140kmまで下げることに成功した。

1997年にはマーズ・グローバル・サーベイヤーが火星軌道投入後の観測軌道への移行時に、太陽電池パネルをのように広げたまま火星大気上層部の希薄な大気を通過し遠地点高度を何度も下げた。この手法では宇宙機にかかる熱や圧力が少ないため、アポロの指令船のような形状ではなく、写真にあるマーズ・リコネッサンス・オービターのような複雑な形状でも問題が起きない。この火星軌道投入後の観測軌道への移動のための高度引き下げにはその後も使われており、2001マーズ・オデッセイマーズ・リコネッサンス・オービターでも使われた。 欧州宇宙機関の金星探査機ビーナス・エクスプレスも観測運用を終了した後、2014年6月18日からエアロブレーキ実験を行う予定[2]


より意欲的な試みとしては、日本の宇宙科学研究所他の共同で、柔軟構造エアロシェルと呼ぶ、より高層(地球大気の場合で高度70km以上)からブレーキとして機能する構造を持った、柔軟構造大気突入システムというものが開発されている。[3]

空力ブレーキはハードSFにも登場する。アーサー・C・クラークの小説『2010年宇宙の旅』では、ロシアと中国の宇宙船が木星の衛星に到達するために、木星大気を使って減速するシーンが描かれている。

航空機[編集]

航空機では、エアブレーキ (air brake) あるいはスピードブレーキ (speed brake) という装置(動翼 + アクチュエータ)の名称として知られ、減速・降下時や着陸後の減速に使われる。

旅客機グライダーは主翼上面にスポイラー(spoilers, 空気の流れをスポイルする(乱す)もの)を装備するが、これは抗力を増すブレーキとしての作用より、揚力を減らす作用が主眼である。着陸進入時に降下角を調整するなど、飛行中と着陸後の両方で使用されるスポイラーはフライトスポイラー (flight spoilers) と呼ぶ。左右どちらかの翼上のスポイラーのみを使いロール軸の制御のエルロンを補助/代替することもある。また着陸後でないと使用できないスポイラーがありこれを、グラウンドスポイラー(ground spoilers, グランドスポイラーとも)と呼ぶ。

戦闘機などの軍用機が装備しているのは抗力を増すことが目的のブレーキであり、エアブレーキかスピードブレーキと呼ばれることが多い。戦闘機は速度を低下させる場合にエンジン出力を絞ってスピードを抑制してしまうと、再度機体を加速する時にエンジンの出力を上げる操作を行っても素早いエンジン回転上昇が伴わず戦闘に不利となる為、戦闘時などはエンジン出力を下げないままこのブレーキが使用される。また第二次世界大戦頃によく見られた急降下爆撃機の場合などは、急降下時に飛行禁止速度の超過を防止するために使用される。この類のものはダイブブレーキと呼ばれることがある。軍用機のエアブレーキは、運動性能への影響などの要素を考慮して設置されるため、機種によって装備位置は異なる。スポイラーのような翼上面のものの他、バッカニアF-86のように後部胴体側面に装備するものがいくつかある。F-15では、胴体上面中央にあり、エアブレーキの発生させる乱れた気流が後部に位置する2枚の垂直尾翼にあたらないように設計されている。カナードがグラウンドスポイラー的な役割をするJAS39の例もある。 また航空機には上記のような飛行中に使用するこうしたエアブレーキとは別に、機体後部にドラッグシュート(drag chute)と呼ばれる一種のパラシュートを格納しておき、着地後にこれを展開し減速に利用するものがあるが、これも空力ブレーキの一種である。F-2など一部の戦闘機やスペースシャトルなどが使用しているが、大半のものはドラッグシュートなしでの着陸も可能で、使用しなかったとしても制動距離が若干伸びる程度である。オービタは確実に停止するため常に使用するが、戦闘機では使用しないことも普通である。またオービタもはじめの頃はドラッグシュートが搭載されていなかったため、エアブレーキとホイール(タイヤ)のブレーキによる着陸を行っていた。ドラッグシュートを装備しているのは制動距離を短くする目的以外に、雨天や凍結時など路面の摩擦係数が小さい場合に備えてといった面もある。

鉄道[編集]

新幹線E954形電車の空気抵抗増加装置

鉄道車両では、200km/h以下では効果が少ないことや、車両限界の関係もあり、営業車両での採用はなく、高速鉄道の高速試験車両で見られるのみである。屋根上に抵抗板を出すかたちである。

新幹線でも古くから検討等されたことはあったようだが、採用例としてはJR東日本の高速試験車両E954形E955形に通称「ネコミミ」と呼ばれる形の抵抗板が装備されている。同装備の使用時は騒音を発生させることが懸念され、緊急時のみの使用が想定されている。

超電導リニアでは、高速走行中の停電時などの非接触のブレーキとして研究されており、MLU001で空力ブレーキの試験が行われている[4]。MLX01試験車両にも抵抗板が装備されている。

オートバイ[編集]

オートバイレースでも、空力ブレーキは使われる。オートバイそのものには空力ブレーキという部品はついていないが、操縦者の体を走行風にさらす事で生じる空気抵抗をブレーキとして使うもので、動作が容易であり一般的なテクニックである。

空力ブレーキとして使われるのは、主として上体(頭・胸・腕)と膝である。急制動をかける際に、上体を起こし膝を開いて空気抵抗を増す。また、カーブを曲がる際に、カーブの内側の膝だけを開くことで左右の空気抵抗に故意に差を付け、それを旋回力として利用するということも行われる。

自動車[編集]

自動車レースでも、空力ブレーキを装備したメルセデス・ベンツ 300SLRのエアブレーキといった例がある。

NASCARなどの地面効果を利用したシャシは300km/hを超えるようなスピードでスピンするなどして車体が真後ろを向いたなど、少しでも車体が浮き上がってしまうと、揚力が発生して車体が舞い上がってしまう。そこでNASCARでは、ルーフに可動式の「ルーフフラップ」(en:Roof flap)という大型空力パーツの設置が義務付けられており、これにより揚力を抑えて舞い上がるのを防ぐ(この働きは、抗力を増すブレーキというより、揚力を減らす航空機のスポイラーに近い)。「ビッグワン」と呼ばれる多重クラッシュ等のアクシデントの際にこのフラップが開くシーンを見ることが出来る。

ドラッグレースなどでは、ゴールライン通過後ドラッグシュートによる空力ブレーキを、制動距離の短縮を図る事と通常のブレーキの補助として使用している。

注・参照[編集]

  1. ^ 「惑星探査に用いるエアロアシスト技術の開発」JAXA研究開発本部広報誌『空と宙』No.49, pp.4-5, 2012 Sep./Oct.
  2. ^ “Venus Express science mission ends; aerobraking experiment beginning”. Planetary Society. (2014年5月16日). http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/2014/05161333-venus-express-mission-science.htmlVenus_Express_gets_ready_to_take_the_plunge 2014年6月1日閲覧。 
  3. ^ MAAC 柔軟構造大気突入システムの開発 2013年9月19日閲覧
  4. ^ JR総研のMLU001のページの一番下の写真を見よ。(2013年9月19日閲覧)