皆さんこんにちは。今日は重心の話をします。

機体のどこに重さが集まっているか。それだけで、安定性も、燃費も、失速速度も、舵の重さも変わります。

そして重心には、前と後ろに限界が決められています。重量と組み合わせた包絡線です。多くの人はこれを「安全のための一つの枠」として見ています。

ですが、前の線と後ろの線は、まったく別の理由で引かれています。今日はそこまで行きます。

1. 重心が、決めているもの

【図1】

効いているのは、重心と空力中心の距離です。これを静安定余裕と呼びます。

重心が前にあると、この距離が大きくなります。擾乱を受けても機首が戻る方向に働き、失速すれば機首が自然に落ちる。だから回復しやすい。訓練機で前方重心が好まれるのは、この落ち着きのためです。

重心が後ろにあると、距離が縮んで中立に近づきます。ピッチが落ち着かず、失速から抜けにくくなる。曲技機の重心管理が神経質なのはここで、後方重心はスピンを回復不能にしうるからです。

一方で、後ろは舵が軽く、燃費が良い。失速速度も下がります。前方重心の機体が実効的に重くなるという話は後で出てきますが、重ければ失速速度は上がります。

どちらが優れているという話ではありません。強い場面と弱い場面が違う、というだけです。

2. 尾翼は、下に押している

ではなぜ、重心が前にあると燃費が悪くなるのか。ここは図で追ったほうが早いと思います。

【図2】

重心が前にあると、機体には機首を下げようとするモーメントが生じます。これを釣り合わせるために、水平尾翼は下向きの力を出しています。

下向きに押されている分、主翼はそれも含めて揚力を作らなければなりません。つまり機体は、実効的に重くなっている。重ければ誘導抗力が増え、燃料を余計に食います。

重心を後ろへ寄せれば、この下向き荷重が減ります。これが「後方重心は燃費が良い」の正体です。尾翼が下に押している分だけ、主翼が余計に働いていたわけです。

ついでに、この釣り合いを保つために水平安定板は常に傾けられています。傾けた板は抗力を生みます。トリム抗力と呼ばれるものです。前方重心では、これも大きくなります。

3. エアバスが出した数字

ここからは実数です。エアバスが公表している燃料効率の文書に、機種別の数値が載っています。

【図3】

基準重心に対して、後方と前方それぞれで比航続距離がどう変わるか。A330では後方へ寄せて+0.5%、前方へ寄せると−1.3%。A340は+0.6%と−0.9%です。

この2機種では、後ろで得られる量より、前で失う量のほうが大きい。後方重心は「得をする」話というより、前方重心の損を避ける話に近い、ということになります。

ただしA300-600は+1.7%と−0.9%で、逆です。機種によって効き方が違うという点は、押さえておく必要があります。

では、絶対量ではどれほどか。

【図4】

重心が10%前方へ寄ったときの、1区間あたりの燃料増加量です。A340-500では6,000海里の区間で1,550キログラム。手荷物を含めた乗客15人分に相当する重さです。

燃料価格に直すと、1区間でおよそ2,400ドル（約37万円）になります。これが毎便、ただ重心が前にあるというだけで消えていく。

長距離機にトリムタンクが積まれているのは、このためです。A330、A340、A380、MD-11、747-400、L-1011-500、そしてコンコルド。水平尾翼の中に燃料を移して、重心を後ろに保つ。

4. ところが、A320では効かない

ここが、今日いちばん面白いところだと思います。

同じ表の中で、A320ファミリーだけが「無視できる（negligible）」と書かれています。そして同文書は、こう結んでいます。

「したがってA320ファミリーでは、搭載配置は燃料経済性にとって重要ではない」

つまり私が普段飛ばしている機体では、重心を後ろへ寄せても燃料は実質減りません。

理由は文書に書かれていませんが、胴体が短くてモーメントアームが小さいこと、区間が短くて差が積み上がらないことが効いているはずです。ここは私の推測です。

重心で燃費を語れるのは、長距離の大型機だけ。この前提を外すと、話が合わなくなります。

逆に言えば、A320で重心を気にする理由は燃費ではない、ということでもあります。気にすべきは、水平安定板のトリム設定と、離着陸での舵の効きのほうです。

5. 二本の線は、別の理由で引かれている

さて、本題です。

【図5】

重心の包絡線には前方限界と後方限界があります。同じ枠の両端に見えますが、決めている物理がまったく違います。

前方限界を決めているのは、エレベータが足りるかどうかです。離陸でローテーションできるか。着陸のフレアで機首を起こせるか。安定性の話ではありません。舵の権限の話です。

後方限界を決めているのは、静安定と回復性です。擾乱から復元するか。失速から抜けられるか。尻もちをつかないか。

前を超えれば、離陸で機首が上がらず、着陸でフレアができません。これも十分に危険です。ですが危険の質が違う。後ろを超えたときは、入ってしまったら戻ってこられないという話になります。

そして面白いのは、トリムタンクの運用が、この二つの限界をそのまま体現していることです。

上昇の後半に燃料を後方へ移し、巡航中は消費に合わせて少しずつ前へ戻す。そして目的地の手前で、前方へ移送する。

巡航では燃費のために後ろへ寄せ、着陸では舵のために前へ戻す。同じ機体が、同じ飛行の中で、二つの限界の間を行き来しているわけです。

なお、自動重心管理のない機体では、こうした利点は十分には得られないとされています。飛行中に重心が動いてしまうことと、満タン時に後方重心へ積むのが難しいことが理由です。装置がなければ、設計上の余地も使い切れないわけです。

6. 人工的に、安定を作る

ここで、もう一つの層が入ります。

フライ・バイ・ワイヤの機体は、素の空力安定が小さくても、制御則が安定を作り出せます。だから設計段階で重心をより後ろに置ける。軍用機の緩和静安定を、旅客機に持ち込んだ形です。空力的には効率が上がります。

ただし、その安定は機体の形が持っているものではなく、系統が作っているものです。

ノーマルローが落ちてダイレクトローになったとき、顔を出すのは素の安定性のほうです。普段の飛行機とは違う手応えになる。ダイレクトローで飛ばす訓練に意味があるのは、ここにも理由があります。

7. 積めば飛ぶ、ではない

最後に、UPRTの視点から一つ。

後方重心は、異常姿勢からの回復を直接難しくします。回復の第一手である迎角の低減が効きにくくなり、回復後のピッチアップも強く出る。

そして、貨物がずれて重心が突然後ろへ飛ぶ事例が、繰り返されています。

2013年、バグラムで747型貨物機が離陸直後に制御を失いました。積んでいた車両が後方へ移動したとされています。2003年にはシャーロットで、後方重心と昇降舵の整備不良が重なり、小型機が離陸直後に墜落しました。1997年のマイアミでは、積載位置の誤りで重心が後方限界を超えていました。

積載は「重量が範囲内か」で見られがちです。ですが、重量が合っていても、重心が外れれば飛べません。

そして厄介なのは、重心の誤りは離陸するまで現れないことです。重量の誤りなら加速の鈍さで気づけることもある。重心は、機首を上げようとしたその瞬間に初めて分かります。

前に寄りすぎていれば機首が上がらない。後ろに寄りすぎていれば、上がりすぎて止まらない。どちらも、気づいたときには滑走路が残っていません。

#航空安全 #重心 #ウェイトアンドバランス #燃費 #空力 #静安定 #トリムタンク #UPRT #LOCI #UPRTJAPAN