たわみ翼の構造、歴史と現代の航空技術への展開

たわみ翼（たわみよく、英語: warping wing）とは、飛行機の主翼を変型させてたわませる（ねじる、またはひねる）ことが可能な主翼の構造、およびその方式を指す。ねじり翼、ひねり翼などとも呼ばれる。

原理と機能

主翼を意図的にたわませることによって得られる主な効果は、機体をロール（バンク）させること、すなわち機首と機尾を結ぶ前後軸を回転中心とした横転運動を発生させることである。

例えば、たわみ翼によって飛行機を右にロールさせる場合、左翼をねじり上げて右翼をねじり下げる（左翼の前縁と右翼の後縁を上げて左後ろと右前を下げる）操作を行う。このようにすると、右翼よりも左翼の揚力が大きくなり、後ろから見て時計回りのトルクが重心周りに発生して機体は右へロールする。このように、たわみ翼がたわむことによって果たす機能は、のちに発明される補助翼（エルロン）が果たす機能と本質的に等しい。

方向舵のみで旋回を行うと機体が横滑り（スキッド）を起こす問題が生じるが、横滑りを防いで正確な旋回を行うには、旋回方向に機体を傾けるロール操作が不可欠となる。そのための初期の操縦手段として、たわみ翼が活用された。

具体的な構造や操作方法は機種によって異なり、世界初の有人動力飛行を行ったライト・フライヤー1号の場合、腹ばいになった操縦者が腰の部分に当てられた「鞍」を動かし、それに連動する操縦索を引っ張ることで主翼全体をたわませる仕組みになっていた。

歴史的背景と特許闘争

たわみ翼は、世界初の有人動力飛行機を製作したライト兄弟によって1890年代末期に実用化された。兄弟は鳥の観察からその必要性に気づき、厚紙製の細長い空箱を操作している最中にその実現方法を着想したと伝えられている。これにより、ピッチやヨーだけでなくロール方向についても機体を制御可能となり、三軸制御の確立は彼らの成功の大きな要因となった。

1900年代後半以降、他の飛行家たちも旋回時の横滑り問題に対処するため、ロール方向の操縦を取り入れるようになったが、たわみ翼そのものを採用した者は比較的少なかった。その背景には、ライト兄弟がたわみ翼に関する広範な特許を押さえていたこと、そして1903年の成功から間もなくエルロンが発明されたことがある。

ライト兄弟は、自らの特許が単に「翼をたわめる」という手法だけでなく、「左右の翼の揚力を変えて機体をロールさせる」という原理そのものに及ぶと主張した。そのため、たわみ翼の模倣はもちろん、後発のエルロンの使用に対しても激しい反発を示し、特にアメリカ国内ではグレン・カーチスをはじめとする競合者たちと熾烈な法廷闘争を展開した。

その後、構造的により優れた特性を持つエルロンの普及に伴い、たわみ翼は急速に陳腐化していき、第一次世界大戦後の実用機においては実験機を除いて見られなくなった。

たわみ翼を備えた主な初期の航空機

• ライト兄弟の1号〜3号グライダー（1900年〜1902年）
• ライト・フライヤー系列（1903年〜）
• ルイ・ブレリオのブレリオ XI（1908年）
• A・V・ローの小型三葉機（1909年）
• ドイツのタウベ（1910年）
• モラーヌ・ソルニエ N（1915年）
• フォッカー単葉機（1916年）

構造上の欠点

たわみ翼には、エルロン方式と比較して以下のような構造上の制限や欠点が存在した。

• 機構がやや複雑化する。
• 飛行中に翼をたわませる必要があるため、翼に十分な剛性や厚みを持たせることが困難である。

現代における展開：能動空力弾性翼

2000年代以降、アメリカ航空宇宙局（NASA）などによって研究されている「Active Aeroelastic Wing（能動空力弾性翼）」は、ある意味で現代におけるたわみ翼の復活とも称される技術である。ドライデン飛行研究センターで飛行試験が行われた実験機X-53では、F/A-18の主翼をあえて剛性の低いものに換装し、前縁や後縁にごくわずかな変形を加えた際に発生する空気力を利用して主翼全体をねじり、効果的な機体制御を行う実験が行われた。