前進翼

前進翼または後進翼は、翼の1/4 翼弦線が前方に傾斜している航空機の翼構成です。通常、前縁も前方に傾斜しています。

前進構成には、後退角が増加するにつれて増加するいくつかの特性があります。

主翼桁を後方に配置することで、より効率的な内部配置が可能になり、使用可能なスペースが増えます。

後退翼の上を流れる空気は、翼の最後端に向かって翼幅方向に移動する傾向があります。後退翼では、この動きは先端に向かって外側に向かい、前進翼では根元に向かって内側に向かいます。その結果、後退翼設計の危険な先端失速状態は、前進翼設計ではより安全で制御しやすい根元失速になります。これにより、揚力の損失にもかかわらず、エルロンを完全に制御でき、また、抗力を誘発する前縁スロットやその他のデバイスが不要になります。遷音速では、衝撃波は先端ではなく根元で最初に発生するため、これもまた効果的なエルロン制御の確保に役立ちます。

空気が内側に流れることで、翼端渦とそれに伴う抗力が低減されます。その代わりに、胴体は非常に大きな翼のフェンスとして機能し、翼は一般的に根元の方が大きいため、最大揚力係数が上昇し、より小さな翼が可能になります。その結果、特に高迎え角での操縦性が向上します。

前進翼設計の問題の 1 つは、後退翼が横方向にヨーイング(垂直軸を中心に動く) すると、一方の翼が後退し、もう一方の翼が前進することです。前進翼設計では、これにより後方翼の後退角が減少し、抗力が増加してさらに後方に押し出され、ヨー角が増加して方向が不安定になります。これにより、逆方向にダッチロールが発生する可能性があります。^[1]

前進翼の欠点の 1 つは、前進翼にかかる揚力の増加により翼端が上向きにねじれることで生じる空力弾性的な結果である、発散の可能性が高くなることです。前進翼設計では、これにより正のフィードバック ループが発生し、翼端での迎え角が増大して揚力が増大し、さらに偏向が誘発され、さらに揚力が増大して翼の形状がさらに変化します。発散の影響は速度とともに増大します。発散が起こらない最大安全速度が、航空機の 発散速度です。

負荷がかかった状態で翼端揚力がこのように増加すると、翼が旋回時に引き締まり、回復不可能な螺旋状の急降下を引き起こす可能性があります。最悪の場合、翼構造が破損するほどのストレスを受ける可能性があります。

大きなスイープ角度と高速で、変形に耐えるほどの剛性を持ちながら、実用的なほどの軽量性を備えた構造を構築するには、炭素繊維複合材などの先進的な材料が必要です。複合材は、繊維を整列させて変形の性質をより好ましい形状にすることで、空力弾性の調整も可能にし、失速やその他の特性に影響を与えます。

後退翼は失速時に不安定になる傾向があります。これは、翼端が最初に失速し、ピッチアップの力によって失速が悪化し、回復が困難になるためです。前進翼の場合、後端がより大きな揚力を生み出し、安定性が得られるため、この影響はそれほど大きくありません。

しかし、空力弾性曲げが十分であれば、翼端の迎え角を大きくして翼端が先に失速する程度まで増加させることでこの傾向を打ち消すことができ、従来の翼では翼端が常に先に失速するという設計の主な特徴の 1 つが失われます。このような翼端失速は、特に一方の翼端が他方の翼端より先に失速する場合、予測不可能になる可能性があります。

複合材料は空力弾性調整を可能にし、翼が失速に近づくと、翼端の迎え角を減らすように、翼が曲がると同時にねじれます。これにより、失速が翼の根元で発生することが保証され、失速がより予測可能になり、エルロンが完全に制御できるようになります。

ヴィクトル・ベリャーエフは1934年と1935年に前進翼グライダーBP-2とBP-3をテストした。^{[2] [3]}その他の戦前の設計研究には、ポーランドのPWS Z-17、Z-18、Z-47「Sęp」シリーズが含まれていた。

前進翼の設計は、その一部は戦前に始まっていたが、第二次世界大戦中にドイツ、ソ連、日本、米国で独立して開発された。1940年に飛行した初期の例としては、ソ連のベリャーエフ DB-LKがある。これは、前進翼の外翼部分と後退翼の先端を持つ双胴機の設計であった。この機は飛行性能が良かったと報告されている。ベリャーエフが提案したバボチカ研究機は、ドイツ軍の侵攻後に中止された。

第二次世界大戦中、多くの戦闘機、爆撃機、その他の軍用機は、翼の平均的な翼弦が前傾していたため、前傾翼を備えていると言えます。ただし、これらの設計ではほとんどの場合、後傾前縁が採用されており、技術的には高アスペクト比の台形翼となります。

アメリカのコーネリアス マラードは1943 年 8 月 18 日に初飛行しました。マラードは単発エンジンを搭載していましたが、その後にコーネリアス XFG-1プロトタイプが続きました。これは空飛ぶ燃料タンクで、動力がなく、大型航空機による牽引用に設計されていました。これらのコーネリアスの設計は、前進翼だけでなく尾翼も備えているという点で珍しいものでした。

一方ドイツでは、ハンス・ヴォッケが、新しいジェットエンジンが実現可能な音速に近い速度での後退翼の問題について研究していた。彼は、当時開発されていた後退翼設計に対して前進翼がもたらす多くの利点を認識し、また空力弾性曲げとヨー不安定性の影響も理解していた。彼が設計した最初の飛行機は、 1944年8月16日のユンカース Ju 287であった。この機体とその後の派生型の飛行試験で低速での利点が確認されたが、すぐに予想された問題も明らかになり、高速での試験は不可能となった。

ヴォッケと未完成のJu 287 V3試作機は捕獲され、1946年にモスクワに運ばれ、翌年OKB-1 EF 131として完成、飛行した。後のOKB-1 EF 140は基本的に同じ機体で、ミクリン設計のより推力の高いソ連製ジェットエンジン2基を搭載してエンジン交換された。1948年、ソ連はツィビンLL-3を開発した。^[4]この試作機はその後、1982年に完成したスホーイSYB-Aに大きな影響を与えることになる。

戦後、ドイツの研究が米国に届くと、いくつかの提案が提出された。これには、コンベア XB-53超音速爆撃機、ノースアメリカン P-51 マスタングの前進翼派生型、ベル X-1ロケット機、ダグラス D-558-Iなどが含まれていた。ベルの提案は風洞試験段階に達し、そこで空力弾性の問題が確認された。Ju 287 シリーズとベル X-1 の研究で確認された構造上の問題は非常に深刻で、当時利用可能な材料では、実用的ではないほど重くせずに十分な強度と剛性を備えた翼を作ることができなかった。その結果、高速設計での前進翼は、何年も後に新しい構造材料が利用可能になるまで断念された。

わずかなスイープでは深刻な問題は発生せず、中程度の前方スイープでもメインスパーの取り付けポイントとキャリースルー構造の後方への大きな移動が可能になります。

1954年、ヴォッケはドイツ民主共和国に戻り、その後すぐに西ドイツに移り、ハンブルク航空機製造会社（HFB）に主任設計者として入社した。^[1]ハンブルクで、ヴォッケは1964年に飛行したHFB 320ハンザジェットビジネスジェットの作業を完了した。前方スイープにより、メインスパーをキャビンの後ろ後方に移動させることができ、スパーをキャビン内に突き出す必要がなくなった。

中程度の前進角は、同様の理由から、主にグライダーや軽飛行機の多くの設計で採用されてきました。2人乗りのタンデム型高翼練習用グライダーの多くは、わずかに前進した翼を備えており、翼の付け根をさらに後方に配置して、後部座席の乗員の横方向の視界を翼が遮らないようにしています。典型的な例としては、シュライヒャーASK 13やレット・クノヴィツェLET L-13 ブラニークが挙げられます。

その他の例としては、次のものがあります。

• ムーニーM20シリーズは、前縁がほぼ直線で後縁と 1/4 翼弦線がスイープされた、適度な前方スイープを備えています。
• セスナ NGP は、セスナ 172とセスナ 182に代わる機体として開発された単発機の試作機です。
• CZAWパロット^[5]
• Saab Safari、Bölkow Junior、ARV Super2 はすべて、視認性を高めるためにショルダー ウィングを装備しており、翼の付け根をパイロットの頭の後ろに配置して側方の視界を遮らないようにするために、前進翼を必要としています。
• スケールド・コンポジッツ・ブーメラン、片方のエンジンが故障した場合でも安全に操作できるプロトタイプのツインピストン設計。
• SZD-9 BocianとPZL Bielsko SZD-50 Puchacz は、ポーランドで設計および製造された多目的 2 人乗りグライダーです。

高速飛行に必要な大きな後退角は、長年にわたり非現実的なままでした。

1970年代後半、DARPAは、空力弾性調整による発散速度低下の問題を回避するために、新しい複合材料の使用を調査し始めました。フライバイワイヤ技術により、設計を動的に不安定にし、操縦性を改善しました。グラマンは、前進翼とカナードを備えた2機のX-29技術実証機を製造し、1984年に初飛行しました。高迎え角でも操縦可能なX-29は、迎え角67°でも制御可能でした。^[6]

推力偏向技術の進歩と中距離ミサイル交戦への空中戦戦術の転換により、高度に機敏な戦闘機の重要性は低下しました。

1997年、スホーイはパリ航空ショーでSu-47戦闘機の試作機を発表した。この機体は一連の飛行試験を受け、いくつかの航空ショーで実演されたものの、量産には至らなかった。

KB SAT SR-10は、前進翼を備えたロシアの単発ジェット練習機の試作機で、2015年に初飛行した。

頭の大きい翼竜は飛行中のバランスを良くするために前方に後退した翼を持っていた。^[7]

• スイープ理論
• 可変後退翼

• ミラー、J.; X-planes、X-1からX-29（英国版）、MCP、1983年、pp.175-179。