全翼機

パイロット、エンジン、燃料、着陸装置、その他の必要な装備を収容できるほど深く作られた翼は、従来の翼と細長い胴体との組み合わせに比べて前面投影面積が大きくなります。これは実際には抗力の増加につながり、従来の設計よりも効率が低下する可能性があります。通常、このような場合に採用される解決策は、翼を適度に薄く保ち、実用的な航空機のあらゆるニーズに対応するために、ブリスター、ポッド、ナセル、フィンなど様々な部品を機体に取り付けることです。

超音速域では、厚い翼の抗力が急激に増加するため、この問題はさらに深刻化し、翼を薄くすることが不可欠となる。しかし、超音速飛行翼機はこれまで一度も建造されていない。

航空機が絶え間ない修正操作なしに飛行するためには、ヨー方向の方向安定性が必要である。

全翼機には、効率的な垂直尾翼やフィンを取り付ける場所がありません。フィンは翼の後部に直接取り付ける必要があり、空力中心からのモーメントアームが小さくなるため、フィンの効率が悪くなり、効果を発揮するにはフィンの面積を大きくする必要があります。このような大きなフィンは重量と抗力が増加し、全翼機の利点を打ち消してしまう可能性があります。この問題は、例えば低アスペクト比のデルタ翼のように、翼の後退角を大きくし、翼端付近の外側に2枚のフィンを配置することで最小限に抑えることができますが、それに伴う効率の低下を考慮すると、多くの全翼機は後退角が緩やかになり、結果として安定性はせいぜいぎりぎりの程度になります。

後退翼のアスペクト比は、気流方向から見た場合、気流に対するヨー角によって変化する。ヨー角が増加すると、前翼のアスペクト比は増加し、後翼のアスペクト比は減少する。十分な後退角があれば、翼端渦と横流れによって生じる誘導抗力の差によって、機体は自然に再整列される。

補完的なアプローチとして、翼端に向かって迎角を小さくするねじりまたはウォッシュアウトと、後退翼の平面形状が用いられます。ダン D.5 はこの原理を取り入れており、設計者のJW ダンは1913 年にそれを発表しました。^{[ 3 ]}ウォッシュアウトは翼端での揚力を減らし、翼幅全体にわたってベル型の分布曲線を作り出します。これは 1933 年にルートヴィヒ プラントルによって説明されており、この曲線は所定の揚力に対して重量と抗力を最適化するために使用できます。

別の解決策は、翼端セクションを大きく下向きに傾けるか、または曲げることで、側面から見たときの航空機の後部の面積を増やすことです。後退角とねじり下げと組み合わせると、別の問題も解決できます。従来の楕円形の揚力分布では、下向きのエレボンによって誘導抗力が増加し、航空機が旋回からヨーアウトします（「逆ヨー」）。ねじり下げは、迎角が減少するにつれて、正味の空力ベクトル（揚力と抗力）を前方に傾け、極端な場合には、正味の前方推力を生み出すことができます。エレボンによる外側の揚力の回復は、旋回中に翼の後部（外側）セクションにわずかな誘導推力を生み出します。このベクトルは基本的に後翼を前方に引っ張り、「逆ヨー」を引き起こし、自然に協調した旋回を生み出します。逆ヨーの存在は、NASAがプラントルD尾翼のない実証機を飛行させるまで証明されていませんでした。^{[ 4 ]}

一部の全翼機設計では、安定翼やそれに付随する方向舵が前方に位置しすぎて効果が薄いため、ヨー制御のための代替手段が設けられる場合がある。

制御上の問題に対する解決策の一つは、差動抗力です。片方の翼端付近の抗力を人為的に増加させることで、航空機をその翼の方向にヨーイングさせます。典型的な方法としては、以下のようなものがあります。

• 分割式補助翼。上面が上昇する一方で、下面は下降する。片側の補助翼を分割することで、差動的なエアブレーキ効果を生み出し、ヨーイング（機首の左右への振れ）を誘発する。
• スポイラー。主翼上面に設けられたスポイラー面は、気流を乱し抗力を増加させるために隆起している。この効果は一般的に揚力の低下を伴うため、パイロットによる操縦、または自動的に揚力を補正する設計上の工夫によって補正する必要がある。
• スポイラーロン。上面のスポイラーで、揚力を減少させる働きもします（補助翼を上方に偏向させるのと同等）。これにより、機体は旋回方向に傾きます。ロール角によって翼の揚力が旋回方向に作用し、機体の縦軸を旋回させるのに必要な抗力が減少します。

差動抗力方式の結果として、航空機が頻繁に操縦を行うと、抗力も頻繁に発生する。そのため、全翼機は静止した空気中を巡航しているときに最も性能を発揮する。乱気流の中や進路変更時には、従来の設計の航空機よりも効率が低下する可能性がある。

厳密には全翼機ではないものの、関連する航空機の中には全翼機として分類されているものもある。

ノースロップ・フライングウィング（NX-216H）のような一部の機種は、胴体を持たないものの、尾部ブームに尾部安定板が取り付けられている。

多くのハンググライダーやマイクロライト機は尾翼がありません。これらの機体は「フライングウィング」と呼ばれることもありますが、パイロット（および搭載されている場合はエンジン）は翼構造の内部ではなく下部に配置されているため、厳密にはフライングウィングではありません。

鋭く後退角のついたデルタ翼の平面形状と深い中央部を持つ航空機は、全翼機、ブレンデッドウィングボディ、および／またはリフティングボディの構成の境界に位置する事例である。

飛行翼の概念は、1876年2月16日にフランスの技術者アルフォンス・ペノーとポール・ゴーショーが、2つのプロペラで駆動し、今日私たちが知っている飛行翼のすべての特徴を備えた飛行機または飛行航空機 の特許を申請したときに誕生しました^{[ 5 ] 。 [ 6 ]}

尾翼のない航空機は、飛行の初期の試みから実験されてきた。イギリスのJWダンは初期のパイオニアであり、彼の後退翼複葉機と単葉機の設計は、1910年にはすでに固有の安定性を示していた。彼の研究は、GTRヒルを含む他の数人の設計者に直接影響を与え、ヒルは1920年代から1930年代初頭にかけて、ウェストランド・ヒル・プテロダクティルとして知られる一連の実験的な尾翼のない航空機の設計を開発した。 ^{[ 7 ]}航空省からの発注を求める試みにもかかわらず、プテロダクティル計画は最終的に1930年代半ばに中止され、Mk. VIの発注は行われなかった。^{[ 8 ]}

ドイツのフーゴー・ユンカースは、1910 年に翼のみの航空輸送コンセプトの特許を取得し、これを、適切な乗客数と大西洋を定期運航で横断するのに十分な燃料を積載できる大型旅客機を建造するという問題に対する自然な解決策と見なした。彼は、全翼機の潜在的に大きな内部容積と低い抗力により、この役割に適した設計であると信じていた。彼の深翼単葉機の翼は、それ以外は従来型のユンカース J 1に 1915 年 12 月に組み込まれた。1919 年に彼は、厚い翼の中に乗客を座らせることを目的とした「巨大」 JG1設計に着手したが、2 年後、連合国航空管理委員会は、ドイツの航空機の戦後サイズ制限を超えているとして、未完成の JG1 を破棄するよう命じた。ユンカースは、最大 1,000 人の乗客を収容できる未来的な全翼機を構想した。この構想が最も実現に近づいたのは、1931年に登場したユンカースG.38型34人乗り大型旅客機で、燃料、エンジン、そして2つの客室を収容できる太い翼弦を持つ大型翼が特徴だった。しかし、それでも乗務員と追加の乗客を収容するために短い胴体が必要だった。

ソ連のボリス・イヴァノヴィチ・チェラノフスキーは1924年に尾翼のない全翼グライダーの試験を開始した。1920年代以降、チェラノフスキーのようなソ連の設計者はスターリンの下で独立して秘密裏に作業を行った。^{[ 9 ]}材料と構造方法の大きな進歩により、 BICh-3、^{[ 10 ]} BICh-14、BICh-7Aなどの航空機が可能になった。チジェフスキーやアントノフのような人物も、尾翼のないBOK-5 ^{[ 11 ]}（チジェフスキー）やOKA-33 ^{[ 12 ]}（アントノフが初めて製造したもの）などの航空機を設計し、当時の人気グライダーに似ていることから「動力付きグライダー」と指定されたことで、共産党の注目を集めた。 1932年にチェラノフスキーによって開発されたBICh-11 ^{[ 13 ]}は、1933年の第9回グライダー競技会でホルテン兄弟のH1やアドルフ・ガランドと競ったが、1936年のベルリン夏季オリンピックでは実演されなかった。

ドイツでは、アレクサンダー・リッピッシュが最初は尾翼のないタイプの機体の開発に取り組み、徐々に全翼機へと移行していった一方、ホルテン兄弟は1930年代を通じて一連の全翼グライダーを開発した。H1グライダーは1933年に部分的に飛行に成功し、その後のH2はグライダー型と動力型の両方で飛行に成功した。^{[ 14 ]}

アメリカでは、1930年代からジャック・ノースロップが独自に設計に取り組んでいた。長距離爆撃機の縮尺試作機であるノースロップN-1Mは1940年に初飛行した。1941年、ノースロップは翼幅172フィートの非常に大きな4発エンジンの全翼機であるYB-35全翼機の2機を製造する開発契約を獲得した。この航空機の開発と製造は第二次世界大戦中ずっと続けられた。^{[ 15 ] [ 16 ]}

1930年代の真の飛行翼の他の例としては、1933年のフランス人シャルル・フォーヴェルのAV3グライダーや、1937年に飛行したアメリカのフリール飛行翼グライダーなどがある。 ^{[ 17 ]}直線翼に自己安定翼型を採用している。

第二次世界大戦 中、空気力学の問題が十分に理解され、量産型プロトタイプの開発に着手することができた。ナチス・ドイツでは、ホルテン兄弟が全翼機構成の熱心な支持者であり、当時としては珍しくプラントルの鳥のような「ベル型揚力分布」を採用して、独自の設計を開発した。^{[ 18 ]}彼らが開発した航空機の1つが、1941年から1943年にかけて少量生産されたホルテン H.IVグライダーである。 ^{[ 19 ]}戦争末期のドイツ軍の他のいくつかの設計は、初期のジェットエンジンを搭載した航空機の航続距離が非常に短いという問題を解消するための解決策として、全翼機の概念、またはそのバリエーションに基づいていた。

ホルテンHo 229ジェット戦闘機の試作機は 1944 年に初飛行した。^{[ 20 ]}この機体は、2 番目の試作機、または「V2」（V はVersuchの略）機体に、全翼機、またはNurflügel設計と 2 基のユンカース Jumo 004ジェットエンジンを組み合わせたもので、双発ジェットエンジンで駆動する世界初の純粋な全翼機であり、1944 年 3 月に初飛行したと伝えられている。V2 はエルヴィン・ツィラーが操縦したが、エンジンの 1 基のフレームアウトにより墜落し、ツィラーは死亡した。戦争の終結段階で、この機体をゴータ Go 229 として生産する計画が立てられた。夜間戦闘機など、いくつかの役割のためにGo 229 と改良型のGo P.60を開発する意図があったにもかかわらず、ゴータで製造された Go 229 や P.60 は完成しなかった。飛行していない、ほぼ完成した現存する「V3」、つまり3番目の試作機はアメリカ軍に捕獲され、研究のために送り返され、最終的にスミソニアン博物館に保管されることになった。^{[ 21 ] [ 22 ]}

連合国は、垂直尾翼を備えた従来の楕円形の揚力分布を使用して、この分野でいくつかの重要な進歩も遂げた。1942年12月、ノースロップ社は、提案された長距離爆撃機の3分の1スケールの開発機であるN-9Mを飛行させた。 ^{[ 23 ]}数機が生産されたが、爆撃機計画の中止に伴い、1機を除いてすべて廃棄された。^{[ 24 ]}イギリスでは、ベインズ・バット・グライダーが戦時中に飛行した。これは、戦車を一時的なグライダーに改造する可能性をテストすることを目的とした3分の1スケールの実験機であった。^{[ 25 ]}

1944年のイギリスのアームストロング・ホイットワースAW52 Gは、大西洋横断路線を運航できる大型全翼旅客機の提案のためのグライダー試験機でした。 ^{[ 26 ] [ 27 ]} AW52Gの後継機として、当時としては高速飛行が可能な全金属製ジェット機のアームストロング・ホイットワースAW52が開発されました。層流に細心の注意が払われました。^{[ 27 ] [ 28 ]} 1947年11月13日に初飛行したAW52は期待外れの結果に終わりました。最初の試作機は1949年5月30日に墜落しましたが、死者は出ませんでした。この事故は、イギリス人パイロットによる射出座席の緊急使用の最初の事例となりました。2番目のAW52は1954年まで王立航空研究所で飛行を続けました。^{[ 27 ]}

戦後も全翼機の研究プロジェクトは継続された。1941年に始まったYB-35長距離爆撃機の開発は戦争中も続けられ、1946年には試作機が飛行した。翌年には、この機種をジェットエンジンに改造したYB-49が1947年に登場し、これに取って代わった。 ^{[ 29 ]}

当初、この設計は、初期のターボジェットエンジンの燃料消費量が多かったため、低速のピストンエンジン搭載爆撃機に比べて航続距離の面で大きな利点をもたらすことはなかったが、大型機としては速度面で新たな境地を切り開いた。

1949年2月9日、ハリー・トルーマン大統領の航空戦力デモンストレーションのため、カリフォルニア州のエドワーズ空軍基地からワシントンDC近郊のアンドリュース空軍基地まで飛行した。飛行時間は4時間20分で、大陸横断速度記録を樹立した。^{[ 30 ]} YB-49は軽微な横方向の安定性の問題を抱えていたが、新しい自動操縦システムによって修正されつつあった。爆撃機バージョンは、はるかに大型だが速度の遅いB-36「ピースメーカー」を優先して中止された。偵察バージョンはしばらくの間開発が続けられたが、生産には至らなかった。

ソビエト連邦では、BICh-26は 1948 年に超音速ジェット飛行翼機を製造しようとする最初の試みの 1 つです。^{[ 31 ]}航空作家のビル・ガンストンは BICh-26 を時代を先取りした機体と評しました。^{[ 32 ]}しかし、この飛行機はソビエト軍に採用されず、設計はチェラノフスキーと共に消滅しました。

他のいくつかの国も全翼機プロジェクトに取り組むことを選択した。トルコもその一つで、トルコ航空会社（Turk Hava Kurumu Ucak Fabrikasi）は1948年に尾翼のないグライダーTHK-13を製造した。 ^{[ 33 ] [ 34 ]}この時期には、複数のイギリスのメーカーもこのコンセプトを模索した。ロイ・チャドウィックが設計した核兵器搭載戦略爆撃機アブロ・バルカンの初期提案でも、いくつかの全翼機配置が検討されたが、最終的な設計では胴体があった。^{[ 35 ]}

貨物や乗客の大型輸送用途における全翼機への関心は継続的に高まっている。ボーイング、マクドネル・ダグラス、アームストロング・ホイットワースは全翼機旅客機の設計研究を行ってきたが、そのような旅客機はまだ製造されていない。^{[ 27 ]}

1950年代に超音速航空機が登場すると、乗員や装備を収容するための厚い翼を採用するという概念が、超音速飛行に最適な薄い翼という概念と真っ向から矛盾したため、軍における全翼機への関心は急速に薄れていった。

1980年代には、全翼機のレーダー反射断面積が小さいことから、再び注目が集まりました。ステルス技術は、レーダー波を特定の方向にのみ反射する形状を利用することで、レーダー受信機が航空機に対して特定の位置にない限り、航空機の探知を困難にします。この位置は、航空機の移動に伴って常に変化します。^{[ 36 ]}このアプローチは最終的に、全翼機ステルス爆撃機であるノースロップ・グラマンB-2スピリットの開発につながりました。^{[ 37 ] [ 38 ]}この場合、全翼機の空力的な利点は、この設計が採用された主な理由ではありません。しかし、現代のコンピューター制御フライ・バイ・ワイヤ・システムにより、全翼機の空力的な欠点の多くが最小限に抑えられ、効率的で効果的に安定した長距離爆撃機となっています。^{[ 39 ] [ 40 ]}

翼が深いという実用的なニーズから、全翼機のコンセプトは主に亜音速航空機に採用されています。翼が貨物や乗客を収容できるほど深い大型輸送機としての利用には、継続的に関心が寄せられています。ボーイング、マクドネル・ダグラス、アームストロング・ホイットワースなど、多くの企業が現在までに全翼機旅客機の設計研究を行ってきましたが、^{[ 27 ]} 2025年現在、そのような旅客機はまだ製造されていません。

双方向飛行翼は、長スパンの亜音速翼と短スパンの超音速翼が不等十字の形で結合された可変形状コンセプトです。2011年に提案されたこの低速翼は、ペイロードを収容できる厚く丸みを帯びた翼型と高効率のための長いスパンを持ち、高速翼は、超音速での低抗力のために薄く鋭いエッジの翼型と短いスパンを持ちます。機体は、低速翼を気流に対して横切るように離着陸し、その後、4分の1回転して高速翼を気流に向け、超音速飛行を行います。^{[ 41 ]} NASAはこの提案の研究に資金を提供しています。^{[ 42 ]}この設計は、低波抵抗、高亜音速効率、およびソニックブームの低減を提供するとされています。

冷戦終結以来、全翼機を備えた無人航空機（UAV）が数多く生産されてきた。各国は、通常、このようなプラットフォームを航空偵察に使用してきた。このようなUAVには、ロッキード・マーティンのRQ-170センチネル^{[ 43 ] [ 44 ]}やノースロップ・グラマンのターン^{[ 45 ] [ 46 ]}などがある。民間企業も、フェイスブックのアクイラなどのUAVを大気圏衛星として実験してきた^{[ 47 ] [ 48 ]}。ダッソーのnEUROn ^{[ 49 ]}、スホーイのS-70オホートニクB ^{[ 50 ]}、 DRDOのガタック、DRDOのSWIFT 、BAEシステムズのタラニス^{[ 51 ]}など、さまざまなプロトタイプの無人戦闘航空機（ UCAV）が生産されている。

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• モイア、イアン、シーブリッジ、アラン G. (2008)、航空機システム：機械、電気、およびアビオニクスサブシステムの統合、ニュージャージー州ホーボーケン：ジョン・ワイリー＆サンズ、ISBN 978-0-4700-5996-8。
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