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初期の貨物機は、専用の設計で作られたものは少なく、郵便輸送など貨物便として用いられた機体はあったものの、旅客・貨物の双方の輸送が行えるものが主流であった。
貨物機が発達したのは、第二次世界大戦後のことである。これは、航空輸送が活発となり航空機が大型となってきており、民間分野においても航空機による大型貨物や大量の物資の輸送需要が出てきたこと。また、旅客機は整備されたキャビンを持つようになってきたこともあり、貨物を運ぶにあたっては、機内を専用設計としたほうが有利であったことによる。
現代の貨物機は、旅客機を改設計し、機内を改装したものが多い。機種にもよるが、外見的には窓の有無、非常口が無く、代わりに荷物の積み降ろし用の大型のカーゴドアを持つ程度しか違いがない。構造的には、重い荷物に対応するためメインデッキの床が強化され、またペイロードを増やすために主翼付け根部分の強化およびそれに伴う着陸重量の増加に見合う降着装置の強化などが行われる。軍用輸送機では、積み下ろしの利便性から高翼配置が主流となっているが、民間貨物機では旅客機ベースの設計のため低翼配置が主流となっている。
また、ボーイング747 の一部や A300-600ST(ベルーガ) などには機首部分がチルトアップする「ノーズドア」を持つものや、カナディアCL-44、ボーイング747-LCF などに見られる胴体後半部が横方向に折れて開く「スイングテール」を持つものが存在する。
貨物機は旅客機に比べはるかに多くのペイロード(ボーイング747貨物型で貨物重量 100 トン以上、これは旅客機における乗客、手荷物、機内食や飲料 / 便所の水などの合算重量の 2 倍を超える)を積載するため、
等の理由により一般に旅客機よりも航続距離が短い。このため、例えば極東 - 欧州路線では、現在ほとんどの旅客機が体制崩壊後のロシア上空を経由して 13 - 14 時間のフライトを実現しているが、貨物機ではこの距離をノンストップで飛行することが難しい(最新型機747-400F では一部可能となった)。したがって現在でも極東 - 欧州路線の貨物機はアンカレッジで給油を行う旧来のルートが健在である。
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