ピトー管とは (ピトーカンとは) [単語記事]

ピトー管とは、流体中の流速を計測する装置である。名前の由来は発明者のフランス人アンリ・ピトーさん（1695～1771）から。飛行中の航空機が速度を知るための計測器として一般的で、非常に重要な部品のひとつ。

概要

飛行機の速度計は、実は速度を測ってはいない。

自動車なら、60km/hで1時間走れば60kmの距離を進む。だが、飛行機の場合、300km/hで1時間飛んだとしても、日によって250kmしか飛べてなかったり、350kmも進んでいたりすることがある。

これは、自動車が対地速度を計測しているのに対し、飛行機は対気速度を測っているからである。

その対気速度を計測するセンサーこそ、ピトー管なのだ。ピトー管が装備されていない航空機はないと言っても過言ではない。

原理

その名の示すごとく基本的には管であるが、二重構造となっている。内側の管は先端に口があり、外側の管は側面に孔が設けられている。前者を全圧孔、後者を静圧孔という。両者は根元で繋がっていて、そこには圧力計がある。

流体中のピトー管が圧力を受けると、全圧孔と静圧孔に圧力差が生じる。全圧と静圧の差、つまり動圧を圧力計で測定し、下記の式を適用して流速を求める。

V =C √(2p/ρ)

　V : 流速 m/s
　C : ピトー係数（通常1）
　p : 動圧 Pa
　ρ: 流体密度 kg/m

つまりどういうことよ？

たとえば、そこそこの速度で走っている自動車から手を出すと、まるで乳房を揉んでいるような感覚を味わうことができる。で、速度が高ければ高いほど手に受ける圧力は大きくなる。ピトー管はこの圧力から速度を求めているわけである。感覚としてはこれでだいたいあってる。

原理上、ピトー管の真正面から圧力を受けないと流速を正しく計測できない。そのため、ピトー管の先端を流体の流れてくる方向へ向けて設置される。航空機の場合は機首方向に管の先端を向けることとなる。胴体付近では気流が乱れているため、設置場所はなるべくなら生の圧力を受けることのできる機首付近がよい。航空自衛隊も採用していたF-104戦闘機は機首から針のように長く伸びたプローブの先端にピトー管があった。

ただし、機首にレーダーが搭載されている戦闘機では、機首レドームにピトー管なんて備わっていたらレーダーの邪魔になることがわかったので、近年は大抵は機首の側面あたりにぽつねんと顔を覗かせている場合が多い。F-15イーグル、F-22ラプター、Su-27フランカーなどである。

ちなみに、零戦では左翼の20mm機関銃の左にピトー管が設置されていた。現代でもセスナなどの単発プロペラ機は左主翼にピトー管を備えている。これは、単発プロペラ機では機首にピトー管を配置できないためである。

ピトー管には、原理の項目で述べたような全圧孔と静圧孔を両方持ちあわせたピトー静圧管と、ただ全圧を測るだけのものとがある。単にピトー管と言えば本来は後者を指す。航空機では、ピトー静圧管を用いる場合もあれば、全圧を計測するだけのピトー管と静圧孔が別個に設けられている機種もある。

なぜ飛行機はピトー管で速度を測るのか

飛行機は向かい風で飛んでいる。正面からの空気の流れで翼や胴体に揚力が発生して宙に浮かべるのだ。飛行機が離陸前に滑走路で助走をつけているのも、自身が高速で走ることで人為的に向かい風を作るためである。

というわけで飛行機にとっては対地速度なんてものは基本どうでもいい。いま何ノットの風を受けているかが重要なのである。
たとえば、対気速度300km/hで離陸できる飛行機があったとする。飛行機が滑走路を全速力で突っ走って対地速度300km/h出したとしても、ものすごい追い風に煽られているとかで対気速度が270km/hしかなかったら、その飛行機は飛べない。
逆に、正面から20km/hの風を受けていたら、対地速度280km/hで機体はふわりと浮かぶ。

こういう事情から、航空母艦が艦載機を発艦させるときは、艦首を風上に向けて航行し、飛行機が向かい風を得られるようにする。これを「風に立つ」という。風に立って対気速度を稼いでやれば、艦載機はより低速でも発艦できるので、地上の飛行場に比べると遥かに短い距離しかない空母の甲板上からでも発進可能になるというわけだ。

ピトー管は圧力から速度を算出していると述べた。しかし空の気圧は常に一定ではない。高度が高くなれば気圧は下がる。また、上空を低気圧が通過したり高気圧が居座っていたりもしよう。同じルートを同じ巡航速度で航行するにしてもまったく同条件のフライトはふたつとないのだ。使用する航路と高度、ならびにその日の気象報告などから、目的地到着にかかる時間や燃料消費量を計算しておくことは重要な準備事項である。それはもちろんパイロットの仕事である。

総括すると、飛行機の速度計は、速度ではなく、前方からの風速を測っている、ということである。