フゴイド運動

フゴイド運動とは

フゴイド運動（Phugoid motion）は、航空機、特に固定翼機において見られる、縦方向の周期的な振動運動です。これは、機体の位置エネルギー（高度）と運動エネルギー（速度）が、互いに変換されることで発生します。具体的には、機体が上昇する際には速度が減少し、下降する際には速度が増加するというサイクルを繰り返します。この運動は、静安定性が高い機体で特に発生しやすく、その周期は数十秒と長く、減衰しにくいという特徴があります。そのため、飛行力学では「長周期運動」とも呼ばれます。

フゴイド運動の特徴

長周期性: 数十秒単位の長い周期で振動します。これは、数秒程度の周期で減衰の大きい短周期運動とは対照的です。
減衰の小ささ: 振動が減衰しにくく、継続しやすいのが特徴です。これは、主に空気抵抗によって減衰が生じるためです。
迎角の変化が小さい: 速度やピッチ角の変化に比べ、機体の迎角の変化が小さいという特徴があります。
エネルギー交換: 機体の位置エネルギーと運動エネルギーが周期的に交換され、機体の重心の軌跡は正弦波に近い形を描きます。
軌跡: フゴイド運動中の機体を横から見ると、縦長の楕円を描いているように見えます。

フゴイド運動のメカニズム

フゴイド運動は、機体の位置エネルギーと運動エネルギーの周期的な交換によって生じます。機体が上昇する際には、位置エネルギーが増加し、運動エネルギーが減少します。下降する際には、逆に位置エネルギーが減少し、運動エネルギーが増加します。このエネルギー交換が周期的に繰り返されることで、フゴイド運動が発生します。

機体の縦方向の運動は、周期が短い短周期モードと、周期が長い長周期モードの二つの要素の合成として理解できます。フゴイド運動は、この長周期モードに対応する運動であり、この長周期モードを「フゴイドモード」と呼ぶこともあります。

フゴイド運動の安定性

フゴイド運動の周期と減衰率は、航空機の釣り合い飛行速度に比例します。また、減衰が小さいのは、主に進行方向への空気抵抗が原因です。この安定性は、航空機の設計において重要な要素であり、MIL規格などの軍用規格で減衰率などの要求値が規定されています。

フゴイド運動とパイロットの操作

通常、フゴイド運動は比較的容易に修正できます。しかし、推力の増減のみで高度制御を試みた場合、推力変化の周期がフゴイド運動の周期と一致すると、振動を増幅させる可能性があります。この状態が安定限界を超えると、振幅が増大する不安定振動が発生します。これは「パイロット誘導振動」と呼ばれ、稀に発生する現象です。

語源

「フゴイド（phugoid）」という言葉は、英語の「flee（逃げる、飛ぶ）」に相当するギリシャ語に由来します。

関連事項

飛行力学: 航空機の運動を研究する学問分野。
ピッチング: 航空機が水平軸を中心に回転する運動。
航空機の安定: 航空機が外乱に対して安定を保つ性質。

参考文献

加藤寛一郎・大屋昭男・柄沢研治 『航空力学入門』、東京大学出版会、1982年。
牧野光雄 『航空力学の基礎（第二版）』、産業図書株式会社、1989年。
MIL-F-8785C Flying Qualities of Piloted Airplanes（英語）
JIS W 0402「飛行機の飛行性」

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