ピトー管の構造と流体計測における原理

ピトー管（英語: Pitot tube）とは、流体の流れの速さ（流速）を測定するために用いられる計測器である。フランスの物理学者・土木技術者であるアンリ・ピトーによって考案され、のちにヘンリー・ダルシーやルードヴィッヒ・プラントルらによって改良が重ねられた。主に航空機の対気速度計や、風洞試験などの流体計測において広く利用されている。

歴史的背景

1732年11月12日、アンリ・ピトーはパリ科学アカデミーにおいて、水の流れを直接計測するための装置に関する発明を発表した。当時、流体に関する「ベルヌーイの定理」はまだ発表されておらず、ピトーは直感的な根拠に基づいてこの装置を活用した。その後、1913年になってジョン・エアレイがベルヌーイの定理に基づいた合理的な理論的調査を行い、現代につながる動作原理が確立された。

測定原理と構造

ピトー管の基本的な構造は二重の管から構成されている。内側の管は先端部分に開口部を持ち、外側の管は側面などに複数の穴（静圧孔）が備えられている。これらは内部で圧力計を挟んで接続されており、ふたつの圧力差を計測する仕組みになっている。

測定時は、先端を流体の流れに正対させる。側面の静圧孔には流れの影響を受けない静圧 $P_{\mathrm{s}}$ がかかり、先端の開口部は流体が完全に停止するよどみ点となるため、全圧（総圧） $P_{\mathrm{t}}$ がかかる。この全圧から静圧を引いた差圧（動圧 $P_{\mathrm{d}}$）を測定し、ベルヌーイの式を適用することで流体の速度 $V$ を算出する。

非圧縮性流体の場合、速度 $V$ は以下の式で表される。

$$V = C \sqrt{\frac{2P_{\mathrm{d}}}{\rho}} = C \sqrt{\frac{2(P_{\mathrm{t}} - P_{\mathrm{s}})}{\rho}}$$

ここで、$\rho$ は流体の密度、$C$ は管の形状等によって決まるピトー係数（標準的な形状のピトー管では $1$ に設計されることが多い）である。また、超音速の流れに対しては、ピトー管前方に形成される衝撃波を考慮したレイリーのピトー管公式が用いられる。

航空機における利用と設置

ある程度以上の速度を持つ航空機において、ピトー管は対気速度を測定する最も一般的な手段である。特に揚力の少ないジェット機などでは、着陸時の速度把握が極めて重要となるため、信頼性の確保が欠かせない。

設置位置

正確な計測を行うため、ピトー管は機体の境界層の外側で、かつ流れの乱れが少ない場所に設置される。

• 機首先端: 現代の戦闘機や試作機のテスト用ブームなどで採用される。
• 機首側面: 旅客機やヘリコプター、大型戦闘機などで多く、横風の影響を相殺するため左右に1対ずつ配置されることが多い。
• 翼下: 単発の小型プロペラ機などで、機首への設置が困難な場合に用いられる。

防氷システム

上空の低温環境下では、水分が凍結してピトー管や静圧孔を閉塞させるリスクがある。閉塞が生じると速度計や高度計の指示に異常をきたすため、電熱線などを用いた防氷システムが標準的に備えられている。