カナード（航空）

ライトフライヤーとサーブ・ビゲンの間の期間、カナードはほとんど無視されていました。^{[ 10 ]}初期のカナードは安定性と制御に関する問題に直面し、失速することで悪名高かった。^{[ 11 ] [ 12 ]}ライト兄弟は、墜落時の安全性を高めることを期待してライトフライヤーにカナードを実験しました。彼らの推論は、失速または揚力喪失時に機首が下向きに傾き、パイロットを保護するというものでした。しかし、これによりライトフライヤーはピッチ方向で不安定になりました。^{[ 13 ]}さらに、その目新しさゆえに適切な設計プロセスが欠如していたため、20世紀前半は従来の尾翼後方配置が好まれ、カナードは棚上げされました。^{[ 10 ] [ 12 ]}しかし、航空宇宙分野におけるより最近の需要により、操縦性の向上、広い速度スペクトルでの性能、フライバイワイヤなどの新しい材料や技術の登場により、その組み込みがより現実的になったことから、それらの復活が促されている。^{[ 10 ] [ 14 ]}

ライト兄弟は1900年頃から前翼構成の実験を始めた。彼らの最初の凧にはピッチ制御用の前面があり、最初のフライヤーにもこの構成を採用した。彼らは後部尾翼に疑念を抱いていた。オットー・リリエンタールが後部尾翼付きのグライダーで死亡していたためである。ライト兄弟は前翼が飛行機を不安定にする傾向があることを認識していたが、飛行中にパイロットから見えることに加えて、より優れた制御面になると期待していた。^{[ 15 ]}彼らは単一の設計で制御と安定性の両方を提供することは不可能だと考え、制御を優先した。

多くの先駆者たちは当初ライト兄弟の先例に倣った。^{[ 16 ]}例えば、 1906年のサントス・デュモン14-bis飛行機には「尾翼」はなく、胴体の先端にあるユニバーサルジョイントで回転する箱凧のような操縦翼面が前方に付いていた。これはヨーとピッチの両方の制御を可能にするためのものであった。 1910年のファブル・ハイドラヴィオンは飛行した最初の水上飛行機であり、前翼を備えていた。

しかし、カナード翼の挙動は十分に理解されておらず、ルイ・ブレリオをはじめとする他のヨーロッパの先駆者たちは、尾翼をより安全で「従来型」の設計として確立しようとしていた。ライト兄弟を含む一部の者は、同じ機体に前翼と後翼の両方を取り付けて実験を行い、これは現在では三面構成として知られている。

1911年以降、カナード型の模型は数十年間ほとんど生産されなかった。1914年にWEエバンスは「科学模型に関して言えば、カナード型の模型は事実上致命的な打撃を受けた」とコメントした。^{[ 17 ]}

実験は数十年にわたり断続的に続けられた。

1917年、ド・ブリュイエールはカナード翼と後部に取り付けられた推進式プロペラを備えた複葉戦闘機C 1を製作した。C 1は失敗作だった。 ^{[ 18 ]}

1927年に初飛行した実験機フォッケウルフF19「エンテ」（アヒル）は、より成功を収めた。2機が製造され、そのうち1機は1931年まで飛行を続けた。

第二次世界大戦直前および戦中には、アンブロシーニ SS.4、カーチス・ライト XP-55 アセンダー、九州 J7W1震電など、いくつかの実験的なカナード翼戦闘機が飛行した。これらは、カナード翼の形状を利用して、性能、武装配置、パイロットの視界などの面で優位性を得ようとする試みであった。しかし、最終的に量産機は完成しなかった。震電は設計段階で量産が決定されたものの、終戦までに飛行したのは試作機のみであった。

1945年、ヨーロッパにおいて、ソ連で設計・飛行された最初のカナード翼機と思われる機体が、実験機ミコヤン・グレビッチMiG-8ウトカ（ロシア語で「アヒル」の意）として登場した。これは軽量プロペラ機であり、低速時の操縦性が良好であることで知られ、数年間飛行し、（従来型の） MiG-15ジェット戦闘機の後退翼の開発における試験機として使用された。

20 世紀には空気力学の理解が現在よりもはるかに限られていたため、カナードは「予測不可能な安定性」を示すと考えられ、ほとんどの用途で伝統的な尾翼後方設計が好まれるようになりました。^{[ 10 ] [ 19 ]}特に、初期の用途では、揚力中心が前方に寄りすぎている「縦方向の不安定性」が示されました。^{[ 11 ]}さらに、前翼の失速により、急激な降下や制御不能が生じる可能性がありました。^{[ 11 ] [ 19 ]}しかし、世紀が進むにつれて、推測から厳密な空気力学科学へと根本的に変化しました。^{[ 14 ]} 1970 年代と 1980 年代には、CFD やフライ バイ ワイヤなどの新しい技術が開発され、カナードの欠点を補う可能性が示されました。^{[ 10 ] [ 14 ]}戦闘機への応用では、これらのシステムは欠点を解消するだけでなく、カナードが機動性と敏捷性を向上させることができることが実証されました。^{[ 10 ] [ 13 ] [ 14 ]}これにより、最初の成功した近代的なカナード搭載ジェット機の1つであるSAAB V​​iggenが生産されました[6]。 Viggenがカナードの欠点が大部分補償され、優れた性能と敏捷性を提供できることを実証した後、ユーロファイター タイフーンやダッソー ラファールなどの後の戦闘機が、後の数十年でカナードを採用する前例が作られました。^{[ 20 ]}メーカーは、Viggenの実証だけでなく、これらの設計が揚抗比の改善と機動性の向上をもたらすことを示す現代の分析からも、カナードを採用することを確信しました。^{[ 13 ] [ 14 ]}

ジェット時代と超音速飛行の到来に伴い、アメリカの設計者、特にノースアメリカン・アビエーションは、超音速カナードデルタ設計の実験を開始し、ノースアメリカンXB-70ヴァルキリーやソ連の同等機であるスホーイT-4などが試作機として飛行した。しかし、安定性と制御の問題により、広く普及することはなかった。^{[ 21 ]}

1963年、スウェーデンのサーブ社は、以前の問題を克服したデルタ翼設計の特許を取得し、これは後に近接結合カナードとして知られるようになった。^{[ 21 ] [ 22 ]}これはサーブ37ビゲンとして製造され、1967年に生産に入った最初の近代的なカナード機となった。この航空機の成功は多くの設計者を刺激し、人気のダッソー・ミラージュ・デルタ翼ジェット戦闘機から派生した多くのタイプにカナード面が出現した。これには、フランスのダッソー・ミラージュIII、イスラエルのIAIクフィル、南アフリカのアトラス・チーターの派生型が含まれる。近接結合カナード・デルタは、戦闘機にとって依然として人気のある構成である。

ビゲンはまた、アメリカ人のバート・ルータンに、2人乗りの自家製カナードデルタ設計を考案するきっかけを与え、その機体はヴァリビゲンと名付けられ、1972年に初飛行した。ルータンはその後、デルタ翼はこのような軽飛行機には不向きであるとして放棄した。彼の次の2つのカナード設計、ヴァリイーズとロングイーズは、より長いスパンの後退翼を備えていた。これらの設計は成功し、大量に製造されただけでなく、それまで見たことのないような根本的な違いがあった。^{[ 23 ]}ルータンのアイデアはすぐに他の設計者にも広まった。1980年代からは、OMACレーザー300、アヴテック400、ビーチスターシップなどの機種が登場し、エグゼクティブ市場で人気を博した。

研究によると、カナード構成では、応答性とパイロットの作業負荷のバランスを取るために、制御法則の慎重な調整が必要であることがわかっています。^{[ 10 ] [ 24 ]}フライ・バイ・ワイヤなどの先進技術には、これらの設計の独自の制御特性に対応するための適切なパイロットの訓練と適応が伴わなければなりません。^{[ 25 ] [ 26 ] [ 24 ]} 20世紀を通じて技術が急速に発展したことにより、SAAB V​​iggen、Eurofighter Typhoon、Dassault Rafaleなどの戦闘機が実現し、高い機動性と安定した操縦性の両方を達成しました。^{[ 20 ] [ 24 ] [ 26 ]}

静的カナード設計では、カナードと主翼の間で気流に複雑な相互作用が生じ、安定性や失速時の挙動に問題が生じる可能性がある。^{[ 27 ]}このため、適用範囲が制限される。1980年代のフライ・バイ・ワイヤと人工安定性の開発により、コンピュータ制御によってこれらの複雑な効果を安定性の問題から操縦性の利点に変えることができるようになった。^{[ 23 ]}

このアプローチにより、新世代の軍用カナード設計が誕生した。ダッソー・ラファール多用途戦闘機用のACX技術実証機は1986年7月に初飛行し、続いて1986年8月にユーロファイター・タイフーン用のEAP技術実証機、そして1988年にサーブ・グリペン（最初に就役）が初飛行した。これら3つのタイプと関連する設計研究は、ユーロカナードまたはユーロカナードと呼ばれることがある。^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}中国の成都J-10は1998年に登場した。

カナード面が揚力に寄与する場合、航空機の重量は主翼とカナードの間で分担されます。これは、極端に従来型の構成ですが、小さな高荷重主翼と巨大な揚力尾翼を備えており、重心が前面に​​対して非常に後方に位置することができます。^{[ 31 ]}

揚力を発生させるカナード翼は、従来の尾翼とは異なり、揚力を発生させることがあります。従来の尾翼は、負の揚力を発生させる場合があり、それを主翼の揚力で相殺する必要があります。カナード翼による揚力は航空機全体の揚力能力を高めるため、カナード翼の配置が有利に見えるかもしれません。特に離陸時には主翼に最も大きな荷重がかかりますが、従来の尾翼が下向きの力を発生させて荷重を悪化させるのに対し、カナード翼は上向きの力を発生させて荷重を軽減します。これにより、主翼を小型化することが可能になります。

しかし、前翼はダウンウォッシュも発生させ、翼の揚力分布に好ましい影響または好ましくない影響を与える可能性があるため、全体の揚力と誘導抗力の違いは明らかではなく、設計の詳細に依存します。^{[ 32 ] [ 31 ] [ 33 ]}

リフティングカナードでは、主翼は従来の翼よりも重心の後方に配置する必要があり、後縁フラップの偏向によって生じる下向きのピッチングモーメントが増加する。^{[ 34 ]}

カナード翼機におけるピッチ制御は、コントロールカナードのようにカナード翼面によって行うか、あるいは尾翼のない航空機と同様に、サーブ・ビゲンのように主翼後部の操縦翼面によって行うかのいずれかである。

コントロールカナード設計では、航空機の重量の大部分は主翼によって支えられ、カナードは主に操縦中のピッチ制御に使用されます。純粋なコントロールカナードは制御面としてのみ機能し、通常の飛行では迎角がゼロで負荷がかかりません。現代のカナード構成の戦闘機は、通常、コンピュータ制御の飛行制御システムによって駆動されるコントロールカナードを備えています。^{[ 34 ]}

荷重がほとんどまたはまったくないカナード（すなわち制御カナード）は、戦闘機の機動性を高めるために、意図的に機体を不安定にするために使用されることがある。電子飛行制御システムは、カナード前翼のピッチ制御機能を使用して、人工的な静的および動的安定性を作り出す。^{[ 32 ] [ 33 ]}

コントロールカナードの利点の1つは、翼端失速時のピッチアップの修正です。大きく機首を下げることができる全可動カナードは、翼端失速によるピッチアップを打ち消すために使用できます。その結果、ピッチアップを防ぐ必要なく、翼のアスペクト比と後退角を最適化できます。 ^{[ 34 ]}高い荷重をかけたリフティングカナードは、この保護を提供するのに十分な余剰揚力容量を持っていません。^{[ 35 ]}

カナード前翼は、静的安定性^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]}または人工的（フライバイワイヤ）安定性^{[ 39 ]}のいずれの場合でも、水平安定板として使用できます。

重心より前方に配置されるカナード前翼は、縦方向の静的安定性（ピッチ方向の安定性）を直接低下させる働きをします。動力飛行を制御可能にした最初の飛行機であるライトフライヤーは、制御カナードとして構想されました^{[ 40 ]}が、実際には不安定な揚力カナードでもありました^{[ 41 ]} 。当時、ライト兄弟は、飛行機を制御可能にするには不安定性が必要だと考えていました。彼らは尾翼を不安定にする方法を知らなかったため、この理由でカナード制御面を選択しました。

しかしながら、全体的な静的ピッチ安定性を得るために、不安定な設計にカナード安定板を追加することができる。^{[ 42 ]}この安定性を実現するには、迎角に対するカナード揚力係数の変化（揚力係数勾配）が主翼の場合よりも小さくなければならない。^{[ 43 ]}この特性には多くの要因が影響する。^{[ 34 ]}例えば、ライト兄弟の初飛行から7年後、ASLヴァルキリーは飛行機を安定させ安全にするためにカナードの位置を採用した。

ほとんどの翼型では、揚力係数が高いほど揚力勾配は減少します。したがって、ピッチ安定性を実現する最も一般的な方法は、カナードの揚力係数（つまり翼面荷重）を増加させることです。これにより、前翼の揚力誘起抗力が増加する傾向があり、抗力を制限するために前翼に高いアスペクト比が与えられることがあります。 ^{[ 43 ]}このようなカナード翼型は、主翼よりも大きなキャンバーを持ちます。

別の可能性としては、カナードのアスペクト比を小さくすることである^{[ 44 ]。}ただし、この場合も揚力誘起抗力が増加し、翼よりも失速角が高くなる可能性がある^{[ 45 ] 。}

バート・ルータンが採用した設計アプローチは、アスペクト比の高いカナード翼で、揚力係数が高く（カナード翼の翼面荷重は主翼の1.6～2倍）、カナード翼型の揚力係数勾配が14°～24°の間で非線形（ほぼ平坦）である。^{[ 46 ]}

もう1つの安定化パラメータは、パワー効果です。カナードプッシャープロペラの場合、「翼の後縁のパワー誘起流れクリーンアップ」^{[ 46 ]}により、翼の揚力係数勾配が増加します（上記参照）。逆に、カナードの前方に配置されたプロペラ（カナードの揚力勾配を増加させる）は、強い不安定化効果をもたらします。^{[ 47 ]}

カナード前翼は、尾翼と同様に、飛行機のピッチ方向のトリムに使用できます。ピッチ方向のトリム力も揚力であり、その力が大きいほど、トリム抗力と呼ばれる誘導抗力も大きくなります。しかし、従来の尾翼は通常、負のトリム力で下向きに押し下げ、翼の負担を増やすのに対し、カナードは上向きに押し上げるため、翼の負担は少なくなります。これにより、正味抗力が減少し、負のトリム抗力となります。^{[ 2 ]}

主翼の着陸フラップを使用すると、トリムが大きく変化するため、それを補正する必要がある。サーブ・ビゲンはカナード翼にフラップを備えており、主翼フラップと同時に展開できる。ビーチ・スターシップは可変後退角のフォアプレーンを使用して揚力の位置をトリムする。

離陸時など、主翼に最も大きな荷重がかかる時、機首を上向きに回転させるには、通常、尾翼が下向きに押し下げ、前翼が上向きに作用します。そのため、トリムを維持するためには、カナード翼設計の主翼は、同等の従来型設計に比べて、重心に対して後方に配置する必要があります。

カナード設計では、航空機の揚力中心が揚力前翼から前方に移動するため、安全な重心範囲が狭くなり、荷重やトリム制限に対してより敏感になります。^{[ 10 ] [ 11 ]} NASA の設計目標は、主翼よりも先にカナードが失速することでした。^{[ 11 ]}しかしながら、非線形揚力と干渉により失速挙動が複雑になり、慎重なテストが必要になります。^{[ 10 ] [ 14 ]}場合によっては、構造重量や安定性マージンを含む最適化に組み込まれると、カナードは主な利点のいくつかを示さないことがあります。^{[ 10 ] [ 13 ]}利点は、ミッションと慎重なレイアウトに依存します。^{[ 48 ] [ 13 ]}

密着カナードは、遷音速飛行（スーパークルーズなど）と低速飛行（離着陸など）の両方で揚力を得る超音速デルタ翼設計に有益であることが示されている。 ^{[ 49 ]}

密着型デルタ翼カナードでは、前翼は主翼のすぐ上前方に位置します。デルタ形状の前翼によって生成された渦は主翼を通り過ぎて戻り、自身の渦と相互作用します。これらは揚力にとって重要なので、前翼の位置が悪いと深刻な問題を引き起こす可能性があります。前翼を主翼に近づけ、そのすぐ上に密着配置することで、相互作用を有利にすることができ、実際には他の問題の解決にも役立ちます。^{[ 21 ]}例えば、高迎角（したがって通常は低速）では、カナード表面が気流を主翼上方に下向きに導き、乱流を減少させ、抗力の減少と揚力の増加をもたらします。^{[ 50 ]}通常、前翼は主翼上面に付着する渦を生成し、主翼上方の気流を安定させて再活性化し、失速を遅らせたり防止したりします。^{[ 51 ]}

カナード前翼は、 IAI クフィルのように固定式にすることも、サーブ ビゲンのように着陸フラップを備えることも、サーブ グリペンのように可動式で、通常の飛行時には操縦用カナードとしても機能させることもできる。

フリーフローティングカナードは、パイロットの操作なしに機体への迎角を変更するために、表面全体が自由に回転できるように旋回します。通常の飛行では、空気圧分布は気流に対する迎角、したがって発生する揚力係数を一定量に維持します。フリーフローティング機構は静的安定性を向上させ、高迎角変化からの安全な回復を可能にします。^{[ 52 ] [ 53 ]}最初のカーチス XP-55 アセンダーには、当初、十分な権限を持たない小型のフリーフローティングカナードが装備されていました。より大きな表面を装備した後の試作機でも、「失速はかなりの経験だった」。^{[ 54 ]}フリーフローティングカナードに二次可動面を追加することで、パイロットの操作によって発生する揚力に影響を与え、ピッチ制御やトリム調整が可能になります。

ビーチクラフト・スターシップは可変後退角のカナード翼を備えている。飛行中に前翼を前方に振ることで後退角を変化させ、その効果を高め、展開時に翼フラップによって引き起こされる機首下げピッチング効果を補正する。^{[ 55 ]}

口ひげは、離着陸時などの高迎角での操縦性を向上させるために低速飛行時に展開される、小型でアスペクト比の高い前翼です。高速飛行時には、カナード設計の波抵抗によるペナルティを回避するために格納されます。最初にダッソー・ミランで見られ、後にツポレフTu-144にも採用されました。NASAは、適合格納式カナードと呼ばれる一体型の旋回式同等品も調査しており^{[ 56 ]} 、格納時には片側が後方に、もう片側が前方に掃引されます^{[ 57 ] 。}

ロックウェル B-1 ランサーは、機首の両側に小さなカナード翼またはフィンを備えており、高速低高度飛行中の空力的なバフェッティングを軽減するアクティブ ダンピング システムの一部を形成している。このようなバフェッティングは、そうでなければ長時間の飛行中に乗員の疲労を引き起こし、機体の寿命を縮めることになる。^{[ 58 ] [ 59 ]}

カナードにはいくつかの異なる設計バリエーションがあります。^{[ 60 ] [ 13 ]}これらは、翼の流れと意図的に相互作用して揚力と制御性を向上させる近接結合カナードから、結合を最小限に抑えることを目的とした遠隔カナード、トリムと冗長性を向上させるために控えめな前翼と従来の尾翼を組み合わせた3面構成まで多岐にわたります。^{[ 10 ] [ 60 ] [ 14 ]}また、可変迎角カナードとモーフィング前翼を研究することにより、さまざまな飛行領域での制御権限を調査する継続的な取り組みも行われていますが、高速アプリケーションでは、特に航空機の表面と空気分子間の大きな摩擦のために、空力弾性効果と熱効果において独自の課題があります。^{[ 10 ] [ 13 ]}

カナードは、レーダー信号を前方に反射する傾向のある大きな角張った面を持つため、航空機の前方ステルス特性を損なう可能性があると漠然と推測されてきた。 ^{[ 32 ] [ 61 ]}これに対する反論は、現代の戦闘機の緩和安定性により、カナードはごく短時間偏向するだけで大​​きなピッチレートを誘発できるということである。さらに、カナードの偏向がレーダー断面積を増加させる可能性がある持続的な高迎角条件下では、航空機は既に探知されているか（ミサイル防衛や空中戦闘機動）、戦闘状態にない（空母着艦）可能性が高い。ユーロファイター タイフーンも、ソフトウェア制御でカナードの実効レーダー断面積を低減しており、この技術はカナードを備えた他の現代の戦闘機でも採用されている可能性が高い。^{[ 62 ] [ 63 ]}

カナードは、ロッキード・マーティンの統合先進攻撃技術（JAST）候補機の初期モックアップ^{[ 64 ] [ 65 ]}やマクドネル・ダグラスのX-36研究プロトタイプ[ ^{66 ]}など、後のステルス航空機の研究に組み込まれた。成都J-20第5世代戦闘機は^、ステルス性と空力特性の最適なバランスを提供するという考えからカナードを使用している[67]。^{これがステルス}特性を損なうのではないかと疑問視する声もある^{[ 68 ] [ 69 ] [ 70 ]。}また、F-47が最初に発表された際にも同様の疑問が呈されたが、画像はあくまで初期のレンダリングであり、最終的な生産モデルを代表するものではないため、この議論は当てはまらないかもしれない^{[ 71 ] 。}

無人プラットフォームや特殊戦術航空機は、より狭い操縦範囲を受け入れ、カナードの高い機動性の利点を活用しつつ、一部の輸送機の制約を回避できるため、カナードの採用が継続される可能性が高いニッチ市場であると思われる。^{[ 14 ]}カナードをさらに開発するために技術が引き続き利用され、CFD、空力弾性解析、制御則の開発、厳密な飛行試験の組み合わせが、非線形挙動を検証するための主要な方法となる。^{[ 10 ] [ 14 ] [ 20 ]}計算流体力学が成熟し続けるにつれて、カナードと翼の相互作用のより詳細なシミュレーションが可能になり、エンジニアは将来の構成に対して正確な最適化機能を得ることができるようになった。^{[ 14 ] [ 20 ]}

• バーンズ、BRA（1983年12月）「ライト兄弟は正しかったのか？」、エア・インターナショナル。
• — — — — — (1985年2月23日)、「カナード：慎重な設計」、フライト・インターナショナル、 19～ 21ページ 。
• ネブレット、エヴァン；メセニー、マイケル「マイク」；レイフソン、レイフル・トール（2003年3月17日）、「カナード」（PDF）、AOE 4124 講義ノート、バージニア工科大学航空宇宙海洋工学科、2008年2月27日にオリジナル（PDF）からアーカイブ。
• ギャリソン、P（2002年12月）「スリーズ・カンパニー」、フライング、第 129巻、第12号、 85～ 86 ページ 
• レイマー、ダニエル・P. (1992).航空機設計：概念的アプローチ（第2 版）. ワシントン：AIAA . ISBN 9780930403515OCLC 0930403517。​