ハイブリッド飛行船

ハイブリッド飛行船は、空気より軽い(LTA)飛行船として一部の揚力を獲得し、空気より重い航空機として一部の揚力から揚力を獲得する動力航空機です。

ダイナスタットは、固定翼と揚力体を備えたハイブリッド飛行船で、通常は長時間の飛行を目的としています。空気力学的揚力成分を生成するには、前進飛行が必要です。

ロータスタットは回転翼を備えたハイブリッド飛行船で、通常は重量物の運搬を目的としています。回転翼は、ヘリコプターのようにホバリングまたは垂直方向に操縦しているときでも揚力を提供できます。

量産設計はまだ構築されていないが、有人および無人の試作機がいくつか飛行している。

「ハイブリッド飛行船」という用語は、硬質構造、半硬質構造、非硬質構造を組み合わせた飛行船を表すためにも使用されています。

従来の飛行船は、空中に浮かぶためにエンジン動力を必要としないため、運用コストは低いですが、積載量/容積比が低いことや速度が遅いことなど、いくつかの点で制限があります。さらに、飛行船の地上での取り扱いは難しい場合があります。浮いているため、微風でも風の影響を受けやすいのです。

一方、空気より重い航空機、特に回転翼航空機は、揚力を発生させるために常に動力を使用する必要があり、従来の飛行機も滑走路を必要とします。

ハイブリッド飛行船は、ヘリウムなどの空気より軽いガスによる飛行船の静圧揚力と、空気より重い航空機の空中移動による動的揚力を組み合わせたものである。このようなハイブリッド航空機は依然として空気より重いため、従来の航空機といくつかの点で似ている。動的揚力は、ヘリコプターのような回転翼（ロータスタット）、または水平推力と組み合わせた揚力体と同様の揚力生成形状（ダイナスタット）、またはこれら2つの組み合わせによって提供される。^{[1] [2]}

ハイブリッド飛行船は、従来の飛行船の低い運航コストと低速性と、空気より重い航空機の高速性と燃料消費量の増加との中間点を埋めることを目的としています。ハイブリッド飛行船は、動揚力と浮力を組み合わせることで、純粋な飛行船と比較して、対気速度、航空貨物積載量、および (一部のタイプでは) ホバリング能力が向上し、純粋な航空機と比較して耐久性が長くなり、揚力能力も向上します。

ハイブリッド航空機技術は、空気よりかなり重い状態からほぼ浮力状態まで、より広範囲の飛行性能の最適化を可能にすると主張されている。この並外れた動的飛行範囲の認識は、適切な着陸システムと組み合わせることで、超重量で手頃な空輸輸送を可能にすると主張されている。^[3]

従来の飛行船と比較すると、ハイブリッドは小型化でき、高度制御用のバラストを運ぶ必要がないが、空気より重い航空機と比較すると、ハイブリッドではより小さなローターかより短い滑走路が必要となる。^[2]

ダイナスタットは長距離の旅客輸送や貨物輸送に有望視されているが、ロータスタットは短距離で重い外部荷物を持ち上げることができる「空飛ぶクレーン」としてより適していると予想されている。 ^[2]

一部の飛行船は推力偏向機構を採用しており、通常はピボットダクトファン推進装置を使用して、エンジン推力が前進推進に不要になったときに追加の揚力を提供します。対気速度が得られると、機体は揚力を利用して、静空気揚力容量のみよりも大きな荷重を運ぶことができます。^[要出典]ただし、このような飛行船は通常ハイブリッドとは見なされません。

ダイナスタットは空中を飛行することで追加の揚力を得ます。研究された構成には、三角型 (三角形)、レンズ型 (円形)、または平らな船体の使用や、固定翼の追加などがあります。

初期の飛行船には、追加の動揚力を得る目的で翼板が取り付けられていた。^[要出典] しかし、翼板による揚力の増加は、飛行船の容積を増やすだけの場合よりも効率が悪い場合がある。時速60マイル（97km/h）以下の低速では、飛行船に翼板を取り付けることで得られる揚力の増加には、ガス袋のサイズを大きくする場合と比べて、エンジン出力と燃料消費量の不釣り合いな増加が必要となる。^[4] さらに、飛行船のエンベロープに飛行面を取り付けるには、大幅な構造強化が必要となり、それに伴い重量も増加する。^[2]

従来の飛行船は、多くの場合、エレベーターを使用して機首を上げた姿勢に設定し、飛行中に飛行船本体がいくらかの揚力を提供するという空気力学的揚力を利用します。ただし、これは通常、トリムからわずかに外れた状態を打ち消すために行われ、揚力を減らすために機首を下に向けたい場合も同様に考えられます。

ロッキード マーティン LMZ1M (ロッキード マーティン P-791試験機の後継機) などのハイブリッド設計では、得られる揚力を高めるために平らな船体または多葉の船体を使用しています。この空力的アプローチは揚力体航空機と似ていますが、使用される空気速度ははるかに低くなります。達成可能な動的な揚力対抗力比は、効率的な固定翼機のそれよりも大幅に低く、これはアスペクト比の低下とともに誘導抗力が増加するためです。 ^[5] その結果、揚力は翼を使用する場合よりも高い抗力ペナルティを伴います。一方、ヘリコプターと比較すると、ダイナスタットは特定の速度範囲内で燃料効率が優れています。^[2]

離着陸時には、穏やかな状況では対気速度が低すぎて十分な揚力が得られないという別の問題も発生します。^[6] このため、ダイナスタットは、VTOL機ではなくSTOL機として考えられていることが多く、従来の飛行機よりも短い滑走路が必要です。^[2]

ロータスタットは、ヘリコプターと同様に、動力ローターから追加の揚力を得ます。シングル、ツイン、および 4 ローターの設計がすべて研究されています。

戦間期の初期の例としては、エミッヒェンとゾディアックの設計がある。これらはローターを垂直方向の制御にのみ使用し、ジャイロコプターのように前進飛行用に追加の動力付きプロペラを使用した。^[2]

最近では、実験的なピアセッキ PA-97「ヘリスタット」がヘリウム飛行船にヘリコプターの機体 4 機を取り付けましたが、スカイフック JHL-40 はまだプロジェクト段階です。通常、静圧揚力は機体自体の重量を支えるのに十分ですが、荷物を運ぶ場合は、ローターが必要に応じて追加の揚力を提供します。

飛行船は揚力が十分でなければ、重力で沈んでしまいます。機首を下げれば、従来のグライダーのように滑空飛行することができます。飛行船の揚力が過剰であれば、上昇します。機首を上げれば、これも前進につながります。このように、飛行船は定期的に正と負の浮力を切り替え、それに応じて姿勢を調整することで、ほぼ連続した空気力学的前進推力を得ることができます。このように、飛行はゆっくりと垂直のジグザグパターンで進行します。推力を直接生み出すのにエネルギーが消費されないため、この原理により、低速ではありますが、長時間の飛行が可能になります。提案されているハント グラビティプレーンは、重力滑空を最大限に活用するように設計されたハイブリッド飛行船です。^[7]

この原理は水中でも機能し、水中グライダーで運用されています。

歴史的に、この航空航法の原理は、ウェレンフルグ（波状飛行）という名前で、1899年にウクライナのハリコフでコンスタンチン・ダニレフスキーによって初めて定式化され、実験的にテストされ、彼の著書^[8]で詳細に説明されました 。

重力下での滑空は、アメリカ南北戦争中およびその直後に、ソロモン・アンドリュースが2機の飛行船を建造したときに始まった。最初の飛行船 であるエアレオンでは、3つの個別の葉巻型気球を平面に並べて使用し、2番目のエアレオン#2では、1つの「レモン型」気球を使用した。^[9] アンドリュースのエアレオンは、気球を上向きに傾けてバラストを落とすことで推進し、その後、プロセスを逆にして気球を下向きに傾けて大量の浮上ガスを放出した。^[10]

1905年、アルベルト・サントス＝デュモンは、最初の飛行機であるサントス＝デュモン14-bisで、初飛行を試みる前に、さまざまな実験を行った。実験には、飛行機を鋼鉄のケーブルで吊り下げて牽引し、その後、以前に建造された飛行船（14号機）の胴体の下に吊り下げるなどがあり、これは「水中翼」を使って泳ぐことを学ぶのと似ていた。結合した飛行機は使用できず、分解され、「怪物のようなハイブリッド」と呼ばれた。^[11] これらの「リハーサル」が完了した後、サントス＝デュモンはヨーロッパで初めて空気より重い飛行機の公開デモンストレーションを行った。

1907年、イギリス陸軍飛行船第1号（ヌリ・セクンドゥスと命名）が初飛行した。この飛行船は飛行中の姿勢制御に空力面を使用し、初飛行時には船体中央に大きな翼も取り付けられていた。この翼は揚力を得るためではなく安定性を助けるためのもので、その後の飛行では取り外された。^{[12] [13]}この飛行船では、機首を上下させることで揚力を得る方法も認識され、実践された。^[14]

1907年6月、アルベルト・サントス・デュモンは、 l'Aérophile誌で混合機と評されたNo.16を製作した。この機体は99m3（3,500立方フィート）の容積を持っていた^が、4m（13フィート）の翼面積による補助揚力なしでは飛行するには重すぎた。1907年6月8日にテストされたが、成功しなかった。^[15]

エアレオン26は1971年に初飛行した航空機である。これはハイブリッド飛行船エアレオン・ダイナイルシップの小型試作機であり、「TIGER」プロジェクトの一部であった。しかし、ハイブリッド飛行船の市場がなかったため、結局製造されなかった。^[16]

1984年、エアロリフト サイクロクレーンヘリスタットが短期間飛行しました。^[要出典]

1986 年のピアセッキ PA-97 ヘリス​​タットの実験設計では、森林作業用の重量物運搬車両を作成するために、ヘリコプター 4 機と飛行船が組み合わされました。この車両は最初の飛行の最後に分解されました。

スカイキャットまたは「スカイカタマラン」の乗り物技術は、ハイブリッド航空機の融合です。高度技術グループ社が製造した「スカイキッテン」と呼ばれる 12 メートルのスケール バージョンは、2000 年に飛行しました。米国国防高等研究計画局(DARPA)は、超重量空輸技術の探究に重点を置いた技術開発イニシアチブであるWalrus ハイブリッド超大型航空機プログラムを 2005 年に開始しました。このプログラムは 2007 年に終了しました。^{[引用が必要]}

2006年、ロッキード・マーティン P-791は無人飛行試験を受けた。2016年8月7日まで飛行に成功した唯一のハイブリッド飛行船であったにもかかわらず、軍の長期滞空型マルチ情報機プログラムでは不合格となった。^[要出典]

2008年、ボーイングはスカイフックと提携して大型揚重機、スカイフックJHL-40を開発すると発表しましたが、その後ボーイングはこのプロジェクトを棚上げしました。^[17]

ハイブリッド・エア・ビークルズ HAV 304 は、アメリカ陸軍の長時間滞空多情報機(LEMV) プログラム用に製造された。2012 年 8 月に 90 分間の飛行に成功した。^{[18] [19] [20]} LEMV プロジェクトの中止後、ハイブリッド・エア・ビークルズは HAV 304 機を再購入し、英国に持ち帰った。同機は改修され、エアランダー 10と改名された。2016 年 8 月 17 日、エアランダー 10 はイギリス空軍カーディントン基地のカーディントン格納庫の外で初のテスト飛行に成功した。チーフテストパイロットのデイブ・バーンズは声明で「エアランダーを初めて飛ばせたのは光栄で、素晴らしい飛行をしました。空中に飛ばせることをとても楽しみにしています。夢のような飛行でした」と述べた。^[21]完全な認証にはさらに 200 時間以上の飛行時間が必要である。

エアランダー10は設計認証テストを完了した後、 2017年11月18日にカーディントン飛行場で強風により係留装置が外れ、廃棄された^[22]。

カナダの新興企業であるSolar Ship, Inc.は、太陽光エネルギーだけで動くハイブリッド飛行船を開発している。そのアイデアは、燃料やインフラを必要とせずに、冷たい医療用品やその他の必需品をアフリカや北カナダの場所に届け、世界中どこにでも移動できる実用的なプラットフォームを作成することである。太陽電池の技術開発とハイブリッド飛行船によって提供される大きな表面積が、実用的な太陽光発電航空機を作るのに十分であることを期待している。Solarship の主な特徴は、揚力ガスなしで空気力学的揚力だけで飛行できること、^{[検証失敗]}、太陽電池と大きな外皮の容積により、ハイブリッド飛行船をバッテリーやその他の機器を充電できる移動シェルターに再構成できることである。^[23]

ハント・グラビティプレーン（地上型のグラビティプレーンと混同しないように注意）は、米国のハント・アビエーションが提案した重力駆動グライダーである。^[24] また、このグライダーには翼があり、揚抗比が向上し、効率が向上する。グラビティプレーンは、この翼構造を支えるのに十分な容積対重量比を得るために大きなサイズが必要であり、まだ製造された例はない。^[7]動力グライダーとは異なり、グラビティプレーンは飛行中の上昇段階では電力を消費しない。ただし、浮力が正と負の間で変化するポイントでは電力を消費する。ハントは、それでもなおこれによって機体のエネルギー効率が向上すると主張している。これは、従来の推進方法よりも水中グライダーのエネルギー効率が向上するのと同様である。 ^{[7]ハントは、低消費電力により、機体が無期限に空中にとどまるのに十分なエネルギーを収穫できるはずだと示唆している。この要件に対する従来のアプローチは}、太陽光発電航空機での太陽電池パネルの使用である。ハントは2つの代替アプローチを提案した。1つは風力タービンを使用して滑空運動によって生成される気流からエネルギーを収穫することであり、もう1つは熱サイクルを使用して異なる高度での空気温度の差からエネルギーを抽出することである。^[7]

• カイトゥーン— 凧と風船を組み合わせたもの

• Khouty, G.; Airship Technology、第2版、CUP (2012)、第19章。
• Hunt, Robert D.、「大気圧発電サイクルによる飛行」、AIAA 第 5 回航空技術、統合、運用会議 (ATIO) 2005 年 9 月 26 ～ 28 日、アメリカ航空宇宙学会 (2005) AIAA 第 5 回 ATIO および第 16 回軽量システム技術および気球システム会議。無料でダウンロードできます。

• CRS 議会向け報告書: 飛行船と気球の軍事利用の可能性(PDF)、fas.org
• Havill, C. Dewey (1974)、NASA TM X-62,374 空気より軽いシステムの使用に影響を与えるいくつかの要因(PDF)、エイムズ研究センター、NASA
• GravityPlane 公式ウェブサイト www.fuellessflight.com
• GravityPlane 物理学者ロバート・D・ハントが2006年に発明した 3D シミュレーション ビデオ (YouTube)
• ラスカス、ジャンヌ・マリー。2016年。「ヘリウムの夢」、ニューヨーカー、2016年2月29日。