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前進翼または後退翼は、翼の根元から先端までの翼弦の1/4線が前方に後退している航空機の翼の形状です。通常、前縁も前方に後退しています。前進翼は、航空機が安全に高い迎角を維持できるようにし、機動性を向上させますが、[ 1 ] [ 2 ]他の空力的な不安定性を引き起こします。[ 2 ]
前進翼の研究は20世紀初頭に始まり、第二次世界大戦後も限定的な規模で継続された。
前進翼の形状には、後退角が大きくなるにつれて顕著になる特性がいくつかある。
後退翼は失速時に不安定になりやすい。後退翼では翼端が先に失速し、その結果、機首上げ力が働き、失速が悪化して回復が困難になる。後退翼では、翼根が後方に向いているため揚力が大きくなり安定性が増し、この影響は小さくなる。しかし、十分な空力弾性変形によって翼端の迎角が大きくなり、翼端が先に失速することで、後退翼設計の主な利点の1つが打ち消されてしまう可能性がある。
複合材料を用いることで、翼の空力弾性挙動を自在に調整することが可能となり、失速に近づくにつれて翼がねじれて翼端の迎角を減少させる。これにより、失速は翼根部で発生するようになり、失速の予測が容易になるとともに、補助翼による完全な制御が可能となる。
主翼桁が後方にあることで、より効率的な内部配置とより多くの使用可能なスペースが確保できる可能性がある。試作機ユンカース Ju 287のような爆撃機の場合、爆弾を投下しても機体の重心への影響は最小限に抑えられる。[ 3 ]
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、これは翼端に向かって外側に向かい、前進翼では、翼根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翼端失速状態は、前進翼設計ではより安全で制御しやすい翼根失速になります。これにより、失速中も完全なエルロン制御を維持でき、 [ 3 ]また、抗力を発生させる前縁スロットやその他の装置も不要になります。遷音速では、衝撃波は翼端ではなく翼根で最初に発生するため、効果的なエルロン制御を確保するのに役立ちます。
空気が内側に流れることで、翼端渦とその付随する抗力が低減されます。その代わりに、胴体が非常に大きな翼の柵として機能します。翼は一般的に根元部分が大きいため、これにより最大揚力係数が上昇し、より小さな翼で済むようになります。結果として、特に高迎角での操縦性が向上します。
後退翼機が横方向にヨーイングすると、片方の翼が後退し、もう片方の翼が前進します。後退翼の場合、これはダッチロールを引き起こし、不快ではあるものの最終的には安定した飛行状態となります。前進翼設計では、これにより後方の翼の後退角が減少します。これにより抗力が増加し、さらに後方に押し戻され、最終的に方向不安定性につながります。[ 4 ]
前進翼の欠点の 1 つは、前進翼の揚力によって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まることです。[ 5 ]前進翼設計では、これにより翼端の迎角が増加する正のフィードバック ループが発生し、 [ 3 ]さらに揚力が増加し、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加します。この現象が発生しない安全な最大速度は、航空機の発散速度です。
荷重がかかった状態で翼端揚力が増加すると、翼が旋回時に締め付けられ、回復不可能な螺旋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応力を受ける可能性があります。[ 3 ] [ 5 ]
大きな掃引角と高速では、変形に耐えるのに十分な剛性を持ちながら実用的な軽さを備えた構造を構築するために、先進複合材料などの材料が必要になる場合があります。複合繊維は、変形をより好ましい形状に誘導するように配向させることができ、失速挙動やその他の特性に影響を与えます。[ 5 ]
ヴィクトル・ベリャエフは1934年と1935年にBP-2とBP-3の前進翼グライダーをテストした。 [ 6 ] [ 7 ]戦前のその他の設計研究には、ポーランドのPWS Z-17、Z-18、Z-47「Sęp」シリーズが含まれる。
前進翼設計は第二次世界大戦中に、ドイツ、ソ連、日本、アメリカ合衆国でそれぞれ独自にさらに発展した。初期の飛行例は、ソ連のベリャーエフ DB-LKである。これは1940年に設計された双胴機で、外側の翼部が前進翼、翼端が後退翼になっていた。飛行性能は良好だったと伝えられている。ベリャーエフが提案した研究機バボチカは、ドイツの侵攻を受けて開発中止となった。
第二次世界大戦中の多くの戦闘機、爆撃機、その他の軍用機は、翼弦の平均が前方に傾斜しているため、前進翼を持つと表現できます。しかし、これらの設計では、ほとんどの場合、後退角のついた前縁が採用されており、厳密には高アスペクト比の台形翼に分類されます。
アメリカのコーネリアス・マラードは1943年8月18日に初飛行した。マラードは単発エンジンで駆動していたが、その後、大型機による牽引用に設計された無動力の飛行燃料タンクであるコーネリアスXFG-1試作機が続いた。[ 3 ]これらのコーネリアス設計は、前進翼であるだけでなく尾翼がないという点で異例であった。
ドイツでは、ハンス・ヴォッケが、新型ジェットエンジンが実現可能な音速に近い速度域における後退翼の問題点を研究していた。彼は、当時開発されていた後退翼設計に比べて前進翼設計が持つ多くの利点を認識し、空力弾性曲げやヨー不安定性の影響も理解していた。彼が設計した後退翼設計で最初に飛行したのは、 1944年8月16日に初飛行したユンカース Ju 287であった。飛行試験では低速域での利点が確認されたが、同時に予想された問題点もすぐに明らかになり、高速域での試験は実施できなかった。
ヴォッケと未完成の Ju 287 V3 試作機は 1945 年に鹵獲され、モスクワに運ばれ、そこで機体は完成し、翌年にOKB-1 EF 131として飛行した[ 3 ]。後のEF 140は基本的に EF 131 の機体に、より強力なミクーリン設計のジェットエンジンを 2 基搭載したものであった。1948 年、ソビエト連邦はツィビン LL-3 を開発した。LL-3 試作機は、1982 年に初飛行したスホーイ SYB-A に大きな影響を与えた[ 8 ]。
戦後、ドイツの研究成果がアメリカに伝わると、いくつかの提案がなされた。これらには、コンベア XB-53超音速爆撃機や、ノースアメリカン P-51 マスタング、ベル X-1、ダグラス D-558-1の前進翼型が含まれていた。[ 3 ]ベルの提案は風洞試験の段階まで進み、そこで空力弾性の問題が確認された。Ju 287 と X-1 の研究で確認された構造上の問題は、当時入手可能な材料では、実用上重くなりすぎることなく、十分な強度と剛性を備えた翼を作ることができないほど深刻であることが判明した。その結果、材料科学の進歩が起こる何年も後まで、高速前進翼設計は放棄された。
わずかな後退角であれば深刻な問題は発生せず、適度な前方後退角であっても、主桁の取り付け点と貫通構造を後方へ大きく移動させることができる。
1954年、ヴォッケは東ドイツに戻り、その後まもなく西ドイツに移り、ハンブルク航空機製造会社にチーフデザイナーとして入社した。[ 4 ]ハンブルクで、ヴォッケはHFB 320ハンザジェットビジネスジェットの開発を完了し、1964年に初飛行した。前方に傾斜した翼により、メインスパーをキャビンの後ろに移動させることができ、より邪魔にならないインテリアレイアウトを実現した。[ 3 ]
適度な前進翼は、主にグライダーや軽飛行機など、多くの設計において同様の理由で使用されています。LET L-13 BlaníkやSchleicher ASK 13など、2人乗りのタンデム式高翼練習機の多くは、翼根が後部座席の乗員の横方向の視界を遮らないように、わずかに前進翼を採用しています。例としては、以下のようなものがあります。
1970年代後半、DARPAは複合材料を用いて空力弾性調整により発散速度を向上させる研究を開始した。フライ・バイ・ワイヤ技術により、機動性を向上させつつ動的に不安定な設計が可能になった。グラマンは、前進翼とカナードを備えたX-29技術実証機を2機製造し、1984年に初飛行した。X-29は67°の迎角でも制御可能であった。[ 10 ]
推力偏向技術の進歩と、中距離ミサイル交戦への航空戦戦術の転換により、戦闘機における前進翼設計の重要性は低下した。 [ 3 ]
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。一連の飛行試験といくつかの航空ショーでの展示飛行を行ったものの、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製の単発ジェット練習機の試作機である。2015年に初飛行を行った。