2012年4月6日金曜日

零戦の構造初級篇


零戦の構造(全体) 零戦は低翼単葉型で翼が胴体の下にある。

主翼は1枚に作くりこれまで必要だった結合金具をなくして、
主翼の桁(けた)にはジュラルミンESDを用いてさらに強度にゆとりがある
部品は削ったり、くりぬいたしました。

断面をもつ桁と外板が少なくする為、面一(つらいち)になり
強度を上げるためリブはトラス構造になっている。
左右の翼のテーパーは翼で翼端は放物線状になり
合わせ面は面積を大きくし強度の確保が図られている。

高速化にともない翼面積を大きくしなくてもよくなり
翼にかかる圧力は大きくなり、強度、剛性の確保と軽量化の要求という
相反する要素を両立させることが技術的に大きな課題となり
主翼に機銃と燃料タンクのスペース確保という条件が
設計や制作では技術 的な困難さを克服しなくてはならなくなった。

ねじりさげ
零戦で採用されたねじりさげ、空気より重い飛行機は翼に風をうけて、その力で
大空に舞い上がるわけだが、飛行機は鳥のように羽をなめらかに風を切って飛べない、
つまり、零戦のように先の細くなった翼では翼の先端で空気の流れに、
乱れがおきやすく、航空機は空気が乱れると翼を持ち上げ、浮かび上がらせる
力がかからなくなる、これが失速、翼の先端で失速がおこると
飛行機は不安定になる、翼端失速を防ぐ為に零戦の翼はねじりさげたような翼となる
翼の付け根では上向きで補助翼の所から外側に向かって下にねじったように
作られた。
これは急旋回などに大きな迎え角で飛行中不意に翼端部が揚力を失い失速して
横転から錐� ��みに入るのを防止するものと考えてほしい

失速の実験を簡単にしたいなら紙飛行機を飛ばしてみよう
上にあがったり下に下がったりして飛ぶだろう、上がって下がる時が失速と同じである。
航空機にとって空気はなめらかな方がいい、乱れると失速に陥る

胴体構造ではセミモノコック構造で胴体の外板にジュラルミンが用いられ、
金属製になったことで外板自体が力に耐えるようになり、
7試艦上戦闘機以前の作られた飛行機は骨組みが
必要だった同体内には縦横の補強材でよくなった。

もしも飛行機が重くなると
大型エンジンが必要?=重くなる
広い翼面積が必要?=重くなる
丈夫な機体が必要?=重くなる

ちなみに重さは零戦は2410キログラム
チャンスボートF4Uコルセアで5� ��32キログラム
グラマンF6Fで5643キログラム


幼児が後頭部を押したときにそれが何を意味している

青色は鋲
上、通常の鋲
下、沈頭鋲
リベット
零戦の全体を包む金属の板は(車のボディーみたいなもの)を中の骨組みと
つなげる為に鋲(びょう)を平らな鋲を使用した。
鋲の丸い頭は空気の流れを変え、空気抵抗を受けるので
皿リベット(沈頭鋲)は空気の流れを変えない、
零戦の場合多くの鋲が打ち込まれている為、その効果は大きなものになった。 空気抵抗を減らす
左の図で見ると一番上の円板を抵抗1とする
2番目半球+円すいが12分の1で、3番目の流線型が17分の1となり
空気の中を速い速度で飛ぶ飛行機は、この抵抗をできるだけ小さくするため
機全体の形は、
流線型に近づけられ機体の表面がなめらかになるように皿リベット(沈頭鋲)した。
引込脚にしたのも空気抵抗を減らす為。
増槽タンク 増槽タンク採用(ドロップタンク)
機体の下に流線型の落下増槽を取り付けて、航続距離を延ばした
増槽は、全金属製と、52型以降にパイプや金具以外は木製の増槽タンクになる。
共に空気の力で密着するようにカバーが付けられていて
後半の増槽は木製のタンクに小翼(フィン)付きなど
零戦は全4種類が作られた。
増槽タンクとは飛行機に使いすての燃料タンクのこと。 航空機は、昇降舵(操縦桿前後)、方向舵(フットバーを右か左に踏み込む)、
補助翼(エルロン)(操縦桿左右)の三舵で操縦する、
昇降舵は上げ下げ、方向舵は、機首の右向き左向き、補助翼は右傾左傾の働き
飛行中もっとも多様する、旋回操作の操縦の基本は方向変換、すなわち旋回操作である
舵の名前から考えると、方向舵が主だと考えがちだが、
実は補助翼がメイン、方向舵だけできかせても機首は向くが旋回はしない、
ほとんど旋回しないで、横滑りを起こす
補助翼だけ使った場合旋回することができる、傾斜側へ旋回する性質を持っている、
したがって、零戦の操縦方法を知るうえで、
このことは頭に入れておかなければ理解できないだろう思います
あらゆる旋回は補助翼が主で方向舵� ��それを助ける役目で、
基本的に2つの舵が合わさって完璧な旋回ができる、
ただし、垂直旋回及びそれに近い急激な方向変換は昇降舵が
大きな役目を果たします。

タブは簡単に説明すると巡航水平飛行中は操縦桿を中央の位置にある、
飛行機を直進させることは難しい、左右前後の重量バランスや設計や制作による、
特性や癖があるこれを調整して直進を保つようにするのがタブの役目でもある
タブは小さいがてこの原理でその働きは大きなものである
操舵は速度が上がると大きな力を必要とするので
これを押し戻そうとする力と反対の力を与えるようにホーンバランスが取り付けられていた、
ホーンバランスは通常バランスウエイトの後方に位置する。

飛行機を操縦する場合守らなければならな� ��数々の条件の中で、もっとも大事なのは、
飛行機の横滑りです、零戦だけじゃなくあらゆる航空機は、
前からの力に対してはかなり強度があるが、横方向からの力に対しては弱いものである、
あらゆる飛行状態において、横風をあてるような、操縦は禁物である
車で言うと高速走行のドリフトみたいなものと考えてもらっていい、
タイヤがきーきーとなり横滑りする
それを、航空機でやると、エンジンの故障や機体の故障を引き起こします、
また、機銃の発射、爆弾、魚雷など、まず命中しないし、着陸は絶対禁止されていました。

零戦はプロペラの回転方向が操縦席から見て右回転(プロペラトルクの働きによる)の為、
左の旋回が楽であり又急旋回の時に昇降舵のききと方向舵のききが入れ替わると いう現象が
起き急旋回時は水平線に対する機首の上げ下げは方向舵が行い旋回そのものは方向舵が行う。
緩旋回と急旋回は操縦方法が異なり同じ旋回方法とは言えないので、2種類に分けられる。
ただ操縦桿の引き具合や気速よっては、
このときパイロットには3G又はそれ以上のGとの戦いが待っている、

簡単に説明を加えておきます、
機首を右に向けるときはフットバーを右足で蹴る(押す)これで方向舵は右へ曲る
左の場合は左足を蹴る。

上昇と下降は操縦桿の前後運動で行い手前に引くと昇降舵が上がり、機首が上を向く
その結果、主翼の下面に多くの風が当たり、揚力が増大し上昇する、前方に押すと逆になります。

零戦のスプリットフラップは外側の補助翼の横で胴体近くの主翼後方に位 置し、
下の方に下げることにより揚力を増大させ、離着陸時の速度を低くし、
滑走距離の短縮させる働きをしていた。


コンドームを使用する方法については、

参考まで
紫電改自動空戦フラップ
以来の隼等の蝶型フラップは操縦桿に付いたボタンによって電気、油圧的に動かす
しかし空中戦の最中にそうした神経と指先を使うことは至難の技であるばかりか、
操作のズレによって機体の動作が希望と異なる
このことで自動的にしたいという狙いから紫電改用に開発された
油圧フラップ作動筒で作動させる、又、ガイドレールを設け後方にスライドさせて
翼面積を大きくすることができた、ただ着陸時は抵抗を少なくする為下げない方法もある。

原理
翼というものは速度が速いほと揚力高くなるからフラップは不要だが、
旋回状態時にG(遠心力による重量の 増加)が大きくなった場合には、
揚力を増して旋回半径を小さくしてやる必要性が生じるので、
このときだけフラップを使用すればよいということになる
現代のようにGメーターがなかった時代だからGの探知方法に苦労し、
結局水銀を使うしかなかったのである。

作動原理
U字型管に水銀を詰め、これをピート管(風圧差で速度はかる装置)とつなぎ、
風圧が大となる(高速状態)と細い管に水銀面が押されて高くなり、
旋回などでGが増すと水銀が重くなり水銀面下がる、
この水銀面の上下により、水銀中に上下の設けた接点に電流が流れ、
それによってフラップの上げ下げの指令が出て、油圧で操作するという方式。

オレオ緩衝支柱
赤矢印 オレオ・ストラット
(Oleo Strut:オレオ緩衝支柱)
青矢印 ショック・ストラット
(Shock Strut:衝撃緩衝支柱)
緑線 ブレーキ・パイプ
(Brake Pipe)

 

離着陸の時飛行機は車輪とそれを支える脚が必要で、しかし空を飛んでいる時は
突き出た脚は空気抵抗を生むだけで何にも役に立っていない
零戦では油圧引込脚が採用され尾輪も引込まれた。

オレオ緩衝支柱

油圧と高圧空気を利用して着陸時の衝撃を緩和するようにしたもので、
シリンダの役目をする外筒とピストンの役目をする内筒から構成されている。
着陸時に地面からの衝撃を受けると、
支柱の全長が縮みシリンダ内の油とピストン部の空気が圧縮されて、
それと同時に細かなオリフィス(弁)を通じて油が移り変わり
その際オリフィスの狭い通路を通じる油の抵抗により衝撃を吸収する。



降着装置の形式(尾輪式/前輪式)

 尾輪式の飛行機を操縦した経験の在るパイロットは、
一様に前方がエンジンによって遮られて殆ど見えないと言う。
着陸時に措いて滑走路に飛行機を着陸させるには機体を横滑しさせずに接地させ、
速度を減らさなければならない。着陸後、速度が低下すると共に舵の効きが悪くなる、
もしも少し横滑りしながら両車輪が着地した場合、
どちらからの車輪より荷重がかかり、両車輪の接地抵抗に相異が出来て、
飛行機の重心を軸にした回転モーメント(遠心力)が発生する、
速度がある場合は方向舵で偏向をとめることが出来るが
速度が減少して舵が効かなくなった場合、保針が十分でないと機体はクルクルと廻ってしまう。
尾輪式では一度回転モーメントの発生すると、ますます増大する方向に作用� �てしまう。
これは、主脚より後ろに在る重心が原因。
もしも機体が廻り始めてしまったたら、
その極初期の状態に措いて回転方向と反対のブレーキ及びラダーを
使い機体がクルクルと廻ってしまうのを防ぐ。
もしも着陸時に措いて適切な操縦操作が出来なかった場合、
機体は反対方向に大きく傾き、その方向主脚に過重がかかりタイヤのバーストを引き起こし、
翼端を擦り、主脚破損を招いてしまう。
前輪式ではラダーの操作で前輪が連動して楽に保針出来き
、しかも飛行機の重心を軸にした回転モーメントの発生は、
前輪式の機体では重心位置が主脚よりも後ろに在る為に
制動作用が生まれその結果直進性が良好になる。


ここで、iはポートヒューニーメの良いジムを見つけることができます
星型エンジン 星型エンジン
零戦のエンジン12試艦戦のエンジンには三菱製、瑞星エンジン13型(875馬力)が
選ばれました、試作2号機まで使用されました、
3号機からは瑞星より馬力が大きい中島製栄12型エンジン(950馬力)に取り替えられました。
は複列星型エンジン栄12型と21型(1100馬力)です
後半のエンジンは改良されていき栄31型(1180馬力)、と1000馬力クラスの
名エンジン栄は零戦の心臓となり最後まで支えた、
また最後には三菱金星62型(1350馬力)等がつくられました。

栄エンジンを前から見ると、円形になっています、
このようなエンジンを星型エンジンと呼びます
馬力にくらべて、体積(たいせき)小さくてすむので、飛行機にはよく使われました、
栄は前� �に7本、後列にも7本のシリンダーをもっていた。

エンジンの排気量が約2万7000ccで1シリンダ当たりの排気量は
凡そ2000cc近くにもなります。
これは2000ccクラスの車一台分ですから、
栄エンジンの総排気量に換算したら2000ccクラスの車14台分になります。


カウリング・カウル・フラップ

カウリング

エンジン周りの空気抵抗を減らし、冷却効率を増す為に取り付けられるカバー状の物。

カウル・フラップ
空冷エンジンのカウリング後部に取り付けられた開閉板で、
カウリング内部を通過した冷却空気の出口を調整する物。
一杯にカウル・フラップを開ければ、カウリング内部を通過する冷却空気量が
増えシリンダ温度が低下する。


気化器(キャブレター) 零戦の性能を最大に引き出したといわれる"気化器"これがなかったら、
零戦はあれだけ暴れらなかった、
急旋回、宙返り、引き起こし、Gがかかる際のエンジン停止や
また、G問題にしてはパイロットがGに対して制限する操縦をするとしたら
戦闘機はだだの飛ぶだけの飛行機になってしまう、
昭和6年当時アメリカ機(複葉機)は宙返りできるのに、中島機は宙返りできない
ここ問題に力をそそいだ人物こそ横空にいた源田実海軍大尉であった。

キャブレターを簡単に言うと、燃量を霧状にして、燃えやすい状態にしてシリンダーに
送り込む装置のこと。

A.M.C.(オートマチック・ミクスチャ・コントロール)、
日本名、自動混合比制御装置、空気と燃料を名前の通り自動で調整をします。
場合によっては手動でもできます。
又、零戦には念のために96艦戦についていたA.C(日本名、高度弁手動混合比調整)、
A.M.Cの予備ついていて、高度が上がるたび調整をしました、高度レバーと呼ばれるもの
過給機
簡単に言うと過給機とは空の高いところのの少ない空気を圧縮し、
エンジンの地上出力の低下をおさえることと、
離陸時の出力を増大する機能を持つ、32型以降の栄21型の地上出力は1.010PSだが、
零戦11、21型の無過給機場合は、高度6.000mで約481馬力低下する、
第2過給機にすると980馬力を維持できる。
栄の遠心歯車式は、発動機の回転を歯車で増速し、翼車(インペラ-、風車みたなもの)で
混合気を高速回転させディフューザー羽根にたたきつけて圧縮し、燃焼室へ圧送するタイプであり
しかし、このタイプの弱点でもある、駆動力を発動機におうため、馬力の損失があり
10.000m前後の高高度になると出力維持能力が低いこと
この点排気ガスのエネルギーを利用して駆動する、排気タービン駆動過� �機に劣る言われている。 恒速(こうそく)プロペラ(ハミルトン式恒速三翼)の特徴

プロペラ

エンジンの回転動力を推力に変え、前進させる物。3枚の捩翼翅から、なっている。

スピンナー
プロペラ羽根取付部に被せる、流線型の形をしたカバー。
空気抵抗を減らし、空冷エンジンでは冷却を良好にする利点が在る。
 


ここでは構造というより特徴
12試艦戦(零戦)のプロペラは飛行機の速度にともない、
ピッチ(羽のねじり)が自動で変わる恒速(こうそく)プロペラが採用された。
それまでの飛行機の固定ピッチプロペラでは高速にならなければ
エンジンの全馬力をだすことができなかったが。
零戦はピッチを調整することにより、低速でも、高速でもつねに
エンジンの全馬力を引き出すことができるようになった。
簡単に説明するとプロペラの翼の角度を変えられて高速飛行や巡航飛行など
その状況にあわせて、調整を行う零戦は恒速プロペラ使用であるから、
地上試運転、上昇、高速時はプロペラの杷柄は常時位置で行う、
すなわち固定の位置で行う(ピッチとはプロペラの角度 、羽のねじり)
(低ピッチ固定とは96艦戦までのピッチ角度のことを言う)

恒速(こうそく)プロペラ?
意味がわからないと思われた方は、自転車の変速機を想像してもらえれば
分かると思う坂道等はギアを変えて軽くする、スピードが出てからはペダルを重くして
力を無駄にしないようにすること、固定ピッチは変速ギアが付いていない自転車
ママチャリを想像してほしい。

風防ガラス
零戦は水滴型風防を採用したしました、
視界が良好になり後方より奇襲を掛けてくる敵機を容易に発見する事が出来たのが
その特徴の一つです

使用さていたガラス材質はアクリル樹脂ガラス(有機ガラス)で、プレキシグラスとも呼ばれていた。

 

 

7.7mm固定機銃はエンジンの回転に同調したカムの動きを
ピアノ線の伝道索により油圧式の引金作動器へ伝わり、
7.7mm固定機銃の引金が引かれプロペラを撃ち抜かない構造となっている。
しかし、プロペラの回転速度が速くなると機銃を発射する時のプロペラ位置が大きくズレてきてしまう為、
稀ではあるがプロペラを撃ち抜いてしまう事故が在った。
海軍ではプロペラの回転速度が速くなり機銃の発射位置のズレが生じるのを最小にする為、
同調装置の精度を上げるに苦労し難儀した。
引金作動器から伸びている操作索は安全装置、発射レバーへと繋がっている。


99式20ミリ固定銃(恵式・スイス・エリコン型20ミリFF型固定銃)といい
一号一型が21型や32型22型、に取り付けられた銃身が
主翼に納まる60発弾倉タイプで、
ドラム弾倉式なので弾の数が多くできないのが欠点で
弾が上昇落下、すぐに落ちてしまい、ホースで水を出したときの同じ状態で
接近しなければ当らなかった。
二号が銃身が長く主翼から出ているタイプで22型甲より52型、
二号式三型までがドラム100発入り弾倉なりました、
さらに52型甲中島4651号、三菱748号機より銃身が
長いタイプの二号式四型ベルト式が採用されました。
このタイプは銃身が長く、短い一型は初速600m/秒に対して
この四型は初速750m/秒となりバランスの良さと合� ��あまって
弾着密度が上がった。
その他に零戦には52型乙、丙、63型、54型等にも装備された。
又、13mm機銃(弾数230〜240発)も登場し機首の7.7mm機銃を取り去り
7.7mm機銃1と13mm機銃1とした52型乙。
52型丙より7.7mm廃止し13mm機首1と主翼2追加した
つまり13mmX3と20mmX2となった。
20ミリ固定銃弾は
左のイラストのように4種類の弾の種類があり
左上 徹甲弾はつらぬき  右上 通常弾は砕き 左中 曳跟弾は光の尾を引き  
右中 焼夷弾は火をつける、4種類がバランスよく組み合わせて装備された。

弾道
零戦の様に7.7mm機銃の場合カウリング所を通りプロペラの間を通るが
どうしてこのような複雑なことをしたのだろうか?ドイツ機と日本機に多いが
それは弾道直進集中が理想的だからで、集中させることにより
敵のパイロットや燃料タンクなど敵の飛行機の弱い部分に弾を集中させたほうが
撃墜の確率が上がる。双発機の場合は機銃を問題なく機首に集中できるから理想的である。
米英機は主翼に取り付けるのが普通である。
米軍の戦闘機は主翼の片翼に12.7mm機銃が3丁主流で
合計6丁、コルト・ブローニング M2 12.7mm機関銃が多く採用された。
米軍機はプロペラ圏外から300mで弾道が交わる様に調整されていた。
零戦の主翼の20mm、13mmの場合は200mで交わるようになっていた。
米英軍機など主翼取付型の場合は、機首取付型のような複雑な構造が必要なく多くの
機銃を取り付けることができた、
英軍のスピットファイアーや米軍のF6F、P-47D等は主翼に合計8丁機関銃を取り付けていた。


主翼の機銃で説明するといくつかの弾道がある、仮に敵がグラマンF4Fとすると
1、機銃をそのまま真直に取り付けた場合、弾は真直に飛ぶことを「弾道直進」といい
  弾は主翼の位置なり、弾は当る数少なく効率が下がる。
2、機銃が複数ある場合で少し角度をつけ取り付けた場合「弾道放散」といい
  この場合も効率が下がる。
3、機銃をやや内側に調整して交わる場所を300m〜200mに調整した弾道を
  「弾道集中」多くの弾が同じ場所に集中するから効率があがる。ピンポイント攻撃型
4、双発機の機首と零戦などの機首に取り付けた機銃のの弾道は
  「弾道直進集中」といいます。ピンポイント攻撃型

方翼スキッド
これは片翼の機 銃が故障して片側だけで機銃を連射する場合に起こる現象で
片側の機銃を連射するとその反動で後に後退する作用が働く
簡単にいうと飛んでいる飛行機が片側、左側としたらの左の主翼が急激に後側に行くこと。
機銃1丁ならヨーイング現象ぐらいでおさまるが、連射は避けて少しずつ発射することで、
スキッド現象を防ぐことができる。

そもそも零戦が250キロ爆弾を装備する様になったのは
大戦中期以降、艦攻、艦爆が米機動部隊の防空網を突破し艦隊上空へ到達するのが非常に難しくなり、
これを打破する為にマリアナ海戦において
第一機動艦隊に属する零戦21型が戦闘爆撃機へと改修されたのが始まりだった。

通常爆弾 九九式二五番(薬量56kg) 50mm厚の鋼鉄甲板を貫通する事が可能   

しかし爆弾投下時の初速が低いので、
照準点からそれ易くこの為命中率を上げるには体当たりに近い攻撃を行なわなければならない。


光学式準器を採用される以前は望遠鏡式照準器が主流だったが、
照準時にレンズを覗き込むことにより視界が限定されしかも暗くて夜間の使用に適さず、
レンズに倍率が有る場合は距離の判定が難しく、
レンズの汚れやの曇り等により非常に使いづらかった。
零戦からは風防の中におさまる光像式が採用され、
空気抵抗がなくなり明るく視野も広がった。
98式射爆照準器このヘッドアップ型は照準器はドイツのREV112C型を基本に製作された。

反射鏡正面図のイラストで見てもらえれば分りますが反射鏡射程距離が約200m
参考にグラマン画いています、大体この位で合わせ進行方向を予測して機銃を発射します。
ただB-17等の大型機の場合は巨大な映像が照準器の視野に飛び込んだとき、
リングとの 相対的な大きさから射程距離を正しく判断することは難しいとされる。



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