写真でたどるライト兄弟の飛行機開発｜凧・グライダー・風洞実験から初飛行まで

ライト兄弟は、凧、グライダー、風洞、操縦装置、エンジン、プロペラを段階的に改良し、1903年の初飛行後も、旋回、長時間飛行、安全な着陸が可能な実用機へ開発を続けました。

ライト兄弟はどんな人物だったのか

兄のウィルバー・ライトは1867年、弟のオーヴィル・ライトは1871年に生まれました。大学で航空工学を学んだ経歴はなく、アメリカ・オハイオ州デイトンで印刷業や自転車業を営み、機械の調整、部品加工、販売、経営を経験していました。

二人は先行研究を読み、数値を検証し、測定装置を自作して、実験結果を次の機体へ反映しました。

デイトンの自転車店が「発明工場」になった

1890年代、アメリカでは自転車が急速に普及しました。ライト兄弟は修理店を開き、やがて自社ブランドの自転車も製造しました。

自転車事業は飛行機開発の資金源となり、軽くて強い構造、チェーンによる動力伝達、軸受け、バランス、加工精度など、航空機に通じる技術を身につける場にもなりました。

飛行機と自転車は、前進しながら操縦者が姿勢を微調整する点で共通します。自転車技術者としての経験は、飛行機を操縦し続ける乗り物として考える背景になりました。

ライト兄弟以前、人類はどこまで飛べていたのか

19世紀末までに、熱気球や飛行船は存在していました。一方、空気より重い機械が動力で離陸し、操縦され、安定して飛び続ける技術は実現していませんでした。

ドイツのオットー・リリエンタールは翼の形を研究し、多数のグライダー飛行を行いました。アメリカではオクターブ・シャヌートが各国の飛行研究を整理し、複葉グライダーの実験を進めました。ライト兄弟はこうした先行研究を読みました。

先人の機体には、横に傾いた機体を自由に戻す方法が不十分という共通の問題がありました。ライト兄弟は、揚力を得ることに加え、三方向の姿勢を制御することを中心課題にしました。

1899年、最初は小さな凧だった

1899年、ウィルバーは小型の複葉凧を作り、左右の翼を逆方向にねじる「翼ねじり」を試しました。翼の片側の迎角を大きくし、反対側を小さくすると、左右の揚力差によって機体を傾けられます。

これは後の補助翼に相当する役割を、翼全体を変形させて実現する方法でした。

この段階では人は乗っていません。小型で安価な模型で原理を確かめ、成功した仕組みを次の大型機へ移しました。

なぜキティホークを選んだのか

兄弟が飛行実験の場所として選んだのは、ノースカロライナ州のキティホーク周辺でした。

選定理由は、安定した強い風、柔らかい砂地、広い無人空間です。風が強ければ、低い対地速度でも翼に十分な相対風を当てられます。砂地は着陸失敗時の衝撃を和らげ、人家が少ないため周囲を危険にさらしにくい環境でした。

デイトンから遠く交通も不便でしたが、兄弟は気象資料を調べ、現地へ問い合わせたうえで実験地を決めました。

1900年グライダー――理論と現実の最初のずれ

1900年、兄弟は初の有人グライダーをキティホークへ運びました。主に凧として飛ばし、短時間の有人滑空も行いました。翼ねじりによる横方向の制御には一定の成果がありましたが、予想したほど揚力を得られませんでした。

兄弟は機体を大きくすれば解決すると考え、翌年さらに大型のグライダーを製作しました。

1901年、飛べなかったからこそ前進した

1901年グライダーは翼面積を大きくしましたが、揚力は計算値より小さく、翼ねじりを使うと機首が意図しない方向へ振られることもありました。

この現象は現在「アドバース・ヨー」と呼ばれます。翼ねじりで揚力を増やした側では抗力も増え、機体が傾けたい方向とは逆へ向こうとします。

ウィルバーは一時、実用飛行への到達には長い年月が必要だと悲観しました。兄弟は撤退せず、既存の揚力データを検証することにしました。

既存データを信じず、自作風洞で測り直す

1901年秋、兄弟はデイトンの自転車店で小型風洞を作りました。内部に翼断面模型を置き、揚力と抗力を比較する独自の天秤も製作しました。

風洞実験には先例がありました。兄弟は多数の翼型を系統的に比較し、その測定結果を次の実機設計へ直接反映しました。

200種類以上の翼型を試し、従来使われていた係数や翼型データの誤差を修正しました。以後は自分たちの測定値を基準に機体を設計しました。

1902年グライダー――三軸操縦が完成へ近づく

1902年グライダーでは、新しい翼型に加え、後部の垂直尾翼を可動式にしました。翼ねじりと方向舵を連動させ、機体を傾けた時に生じる逆向きのヨーを抑えました。

飛行機の姿勢制御には三つの軸があります。

• 機首を上下させるピッチ
• 機体を左右へ傾けるロール
• 機首を左右へ向けるヨー

ライト兄弟は、前方の昇降舵、翼ねじり、後方の方向舵を組み合わせ、この三軸を操縦者が制御できる体系を作りました。

1902年には多数の滑空を行い、旋回を含む実用的な操縦の見通しを得ました。

エンジンだけでは飛べない――プロペラも自分たちで設計した

1903年、兄弟は動力飛行へ進みました。市販エンジンには必要な軽さと出力を両立するものがありませんでした。

自転車店の機械工チャーリー・テイラーが、兄弟とともに4気筒ガソリンエンジンを製作しました。

兄弟はプロペラを「回転する翼」と捉え、翼と同じように揚力を発生する形として計算しました。2枚のプロペラを逆方向へ回し、チェーンでエンジンの力を伝えました。

1903年ライトフライヤー号の構造

1903年機は、木材と布を中心に作られた複葉機でした。操縦者は下翼の上に腹ばいになり、腰を動かして翼ねじりを操作しました。前方に昇降舵、後方に方向舵がありました。

発進用レールの上を台車で走って離陸し、外部の牽引力は使わず、自らのエンジンとプロペラで飛行しました。

1903年12月17日――12秒だけではなかった

1903年12月17日午前、キルデビルヒルズ付近で最初の飛行が行われました。操縦したのはオーヴィルです。ウィルバーが機体のそばを走る写真は、現地の救命隊員ジョン・T・ダニエルズが撮影しました。

最初の飛行は約12秒、距離約120フィートでした。その日は計4回飛行しました。

4回の飛行記録は、おおむね次の通りです。

1. オーヴィル：約12秒、120フィート
2. ウィルバー：約12秒、175フィート
3. オーヴィル：約15秒、200フィート
4. ウィルバー：約59秒、852フィート

その後、強風で機体が損傷し、1903年機が再び飛ぶことはありませんでした。

「世界初の飛行機」とは何を意味するのか

ライト兄弟以前にも、滑空、短い跳躍、蒸気動力機の実験などがありました。1903年の飛行は、一般に次の条件を組み合わせた最初の成功と評価されます。

• 空気より重い有人機
• 動力を搭載
• 継続的な飛行
• 操縦可能
• ほぼ水平な地面から離陸
• 外部から牽引されず、機体自身の動力を使用

1904年、直線飛行から旋回飛行へ

1904年、兄弟はデイトン近郊のハフマン・プレーリーでライトフライヤーIIを試験しました。キティホークほど強い風がないため、発進を助ける落下式カタパルトも導入しました。

飛行距離は徐々に伸び、機体を旋回させて出発地点付近へ戻ることが次の目標になりました。

1904年9月、ウィルバーは飛行機による完全な一周飛行を成功させました。

ログブックには、日々の飛行時間、距離、故障、修正が記録されています。

1905年、実用的な飛行機へ

1905年のライトフライヤーIIIでは、昇降舵と方向舵を翼から離し、機体の安定性と操縦性を改善しました。構造も強化され、長時間の旋回飛行が可能になりました。

1905年10月5日、ウィルバーは約39分間で約24マイルを飛びました。

なぜ兄弟はしばらく公開飛行をしなかったのか

兄弟は1905年以降、公開飛行をいったん控えました。特許を確保し、米軍や各国政府、民間企業と契約するまで、技術を無償で公開することを避けたためです。

公開を控えたため、欧米の一部では成功を疑われ、フランスなどの航空研究者が追いつく時間も生まれました。

特許が守ろうとしたもの

ライト兄弟の特許の中心は、特定の機体形状よりも、機体を横方向に制御する仕組みでした。翼ねじりと方向舵を連動させる操縦体系を広く権利化しようとしました。

その後、補助翼を使う他社との間で特許紛争が起きました。長い訴訟はアメリカ航空産業の発展を妨げたという批判もあります。

1908年、世界の前で飛ぶ

1908年、オーヴィルはアメリカ陸軍向けの試験をフォート・マイヤーで行いました。軍が求めたのは、一定速度、飛行時間、二人乗り能力など、実用機としての具体的な性能でした。

同年9月、オーヴィルが操縦し、トーマス・セルフリッジ中尉が同乗した機体が墜落しました。セルフリッジは死亡し、オーヴィルも重傷を負いました。

フランスで疑いを実演に変えたウィルバー

同じ1908年、ウィルバーはフランスのル・マン近郊で公開飛行を行いました。滑らかな旋回と安定した飛行を見せ、ライト兄弟の成果を疑っていた欧州の観衆を驚かせました。

欧州ではすでに多くの航空家が開発を進めていましたが、ウィルバーは長時間かつ正確に操縦できることを実証しました。

兄弟を支えた人々

チャーリー・テイラーは1903年機のエンジン製作に貢献しました。キティホークの救命隊員たちは機体の運搬や発進を助け、歴史的写真も残しました。妹キャサリン・ライトは家族を支え、兄たちの欧州活動では社交や広報面でも役割を果たしました。

オクターブ・シャヌートとの情報交換、先行研究者のデータ、材料や部品を供給した人々も開発を支えました。

日本へ飛行機はどう伝わったのか

ライト兄弟の初飛行から数年後、日本でも軍人や技術者が欧米の航空技術を調査しました。1910年、代々木練兵場で徳川好敏と日野熊蔵が動力飛行を行い、日本の航空史が本格的に始まります。

日本が使用した初期の機体はライト機とは異なりましたが、ライト兄弟が確立した三軸操縦の考え方は、その後の航空機の基本になりました。日本の航空技術は、欧州機の導入、国産化、軍用化を経て拡大しました。

よくある誤解

ライト兄弟は飛行機のすべてを一から発明した？

グライダー、翼の研究、エンジン、風洞には先行例がありました。兄弟の成果は、三軸操縦、独自測定、動力、プロペラを一つの飛行システムとして統合したことです。

1903年の飛行はカタパルトで打ち出した？

1903年12月17日の飛行では落下式カタパルトを使っていません。発進レールを使い、機体自身のエンジンとプロペラ、向かい風によって離陸しました。カタパルトは風の弱いハフマン・プレーリーで1904年以降に使われました。

最初の飛行はウィルバーだった？

最初の飛行を操縦したのはオーヴィルです。その日の4回目で最長の飛行を行ったのがウィルバーです。

1903年機がすぐ実用機になった？

実用化は、1904年の旋回飛行と1905年のフライヤーIIIによる長時間飛行、実用的な操縦によって進みました。

まとめ――ライト兄弟が発明したのは「飛び方の体系」だった

ライト兄弟は、1899年の凧、1900年と1901年のグライダー、風洞実験、1902年の三軸操縦を経て、1903年に動力飛行を実現しました。さらに1904年に旋回飛行、1905年に長時間飛行が可能な実用機へ発展させました。

参考文献・資料

1. Library of Congress, Wright Brothers Negatives
2. Library of Congress, Wilbur and Orville Wright Papers
3. National Park Service, Wright Brothers National Memorial
4. National Air and Space Museum, The Wright Brothers
5. Smithsonian National Air and Space Museum, 1903 Wright Flyer
6. NASA, The Wright Brothers
7. Federal Aviation Administration, A Brief History of the FAA
8. 国立科学博物館 航空宇宙関連資料