リフティングボディ

揚力体とは、固定翼航空機または宇宙船の構成で、機体自体が揚力を生み出すものである。全翼機が従来の胴体を持たないか最小限の翼であるのに対し、揚力体は従来の翼をほとんど持たないかまったく持たない胴体と考えることができる。全翼機が揚力のない表面をなくすことで亜音速での巡航効率を最大化しようとするのに対し、揚力体は通常、亜音速、超音速、極超音速飛行、または宇宙船の 再突入における翼の抗力と構造を最小化する。これらの飛行形態はすべて、適切な飛行の安全性にとって課題となる。

1960 年代から 1970 年代にかけて、小型で軽量な有人宇宙船を建造する手段として、リフティング ボディは主要な研究分野でした。米国は、このコンセプトをテストするために、リフティング ボディ ロケット機を多数建造し、また、太平洋上でテストされたロケット打ち上げ式再突入体もいくつか建造しました。米国空軍が有人ミッションに興味を失ったため、関心は薄れ、スペース シャトルの設計プロセス中に、機体の高度な形状により燃料タンクの搭載が困難であることが明らかになり、主要な開発は終了しました。

1990年代と2000年代の先進的なスペースプレーンのコンセプトでは、リフティングボディ設計が採用されていました。例としては、 HL-20 有人発射システム(1990年) やプロメテウス スペースプレーン(2010年) などがあります。HL -20 技術の拡張であるドリームチェイサーリフティングボディ スペースプレーンは、国際宇宙ステーションへの米国の乗組員の輸送手段として提案された3つの乗り物のうちの1つでしたが、最終的には補給機として選ばれました。2015年、ESA の中型実験機は、リフティングボディ宇宙船として初めて大気圏再突入に成功しました。^[1]

揚力体は1917年までに構想され、その年にロイ・スクロッグスの特許には厚い胴体を備えたデルタ翼型のような航空機が記述されていた。^[2]しかし、低速では揚力体は非効率であり、主流の航空機設計には採用されなかった。^[要出典]

航空宇宙関連の揚力体の研究は、宇宙船が 地球の大気圏に再突入し、通常の飛行機のように着陸するというアイデアから生まれました。大気圏再突入後、マーキュリー、ジェミニ、アポロシリーズのカプセル型宇宙船は、着陸場所をほとんど制御できませんでした。翼を備えた操縦可能な宇宙船は、着陸範囲を大幅に拡大することができます。ただし、宇宙船の翼は、再突入と極超音速飛行の両方の動的ストレスと熱ストレスに耐えられるように設計する必要があります。1つの提案では、翼を完全に排除し、胴体自体が揚力を生み出すように設計しました。

NASAのリフティングボディ概念の改良は、1962 年にNASAのアームストロング飛行研究センターのR. デール リードによって開始されました。^[3]リードのプログラムから生まれた最初のフルサイズ モデルは、木製の非動力航空機であるNASA M2-F1でした。最初のテストは、改造されたポンティアック カタリナの後ろに M2-F1 を牽引して、カリフォルニア州エドワーズ空軍基地の乾燥した湖底に沿って行われました。^{[4]その後、この航空機は}C-47 の後ろに牽引され、解放されました。M2-F1 はグライダーであったため、着陸範囲を拡張するために小型ロケット モーターが追加されました。M2-F1 はすぐに「空飛ぶバスタブ」というニックネームが付けられました。

1963年、NASAは、 B-52ジェット爆撃機の派生型であるNB-52Bの右翼の下から空中発射される、より重いロケット推進揚力体のプログラムを開始しました。最初の飛行は1966年に開始されました。ドライデン揚力体のうち、動力のないNASA M2-F1を除くすべての揚力体は、ベルX-1で使用されたものと同じXLR11ロケットエンジンを使用していました。^[5]ノースロップHL-10 と呼ばれる後継設計は、 NASAラングレー研究センターで開発されました。ノースロップM2-F2揚力体の墜落の原因は気流の剥離でした。 ^{[引用が必要]} HL-10は、左舷と右舷の垂直安定板を外側に傾け、中央の安定板を大きくすることで、この問題の一部の解決を試みました。^{[引用が必要]}

1965年から、ロシアの揚力体ミコヤン・グレヴィチMiG-105、またはEPOS（ロシア語の頭字語でExperimental Passenger Orbital Aircraft）が開発され、数回の試験飛行が行われた。作業は1978年に終了し、その取り組みはBuranプログラムに移行したが、別の小型宇宙船の開発はBorプログラムで部分的に継続された。

IXVは、欧州宇宙機関の揚力体実験再突入体であり、 FLPPプログラムの枠組みで評価できる欧州の再使用型ロケットの検証を目的としている。IXVは2015年2月にベガロケットで初飛行を行った。^[6]

オービタル・サイエンシズは2010年に商用のリフティングボディ型スペースプレーンを提案した。^[7] プロメテウスについては以下でさらに詳しく説明する。

揚力体は、複雑な制御、構造、および内部構成の問題を引き起こします。揚力体は最終的に、スペース シャトルのデルタ翼設計に取って代わられ、却下されました。非常に急な降下角度と高い降下率での高速着陸アプローチを使用した飛行テストで取得されたデータは、シャトルの飛行および着陸プロファイルのモデル化に使用されました。

大気圏再突入の計画では、着陸地点が事前に選択されます。再使用型再突入機の場合、コストを削減し、打ち上げターンアラウンドタイムを短縮するために、通常、発射地点に最も近い主要地点が好まれます。ただし、着陸地点付近の天候は飛行の安全性にとって大きな要因です。季節によっては、着陸地点の天候が、再突入と安全な着陸を開始して実行するのに必要な時間に比べて急速に変化することがあります。天候により、機体が代替地点に着陸しなければならない可能性があります。さらに、ほとんどの空港には、宇宙船に必要な進入着陸速度とロール距離をサポートするのに十分な長さの滑走路がありません。この種の要件をサポートしたり、サポートするように変更したりできる空港は世界中にほとんどありません。したがって、代替着陸地点は米国および世界中で非常に広い間隔で配置されています。シャトルのデルタ翼設計は、これらの問題から生まれました。これらの要件は、シャトルの飛行着陸エンベロープを拡張する要件によってさらに悪化しました。

それにもかかわらず、リフティングボディのコンセプトは、前述のNASA X-38、ロッキード・マーティンX-33、BACのマルチユニット宇宙輸送回収装置、ヨーロッパのEADSフェニックス、およびロシアとヨーロッパの共同宇宙船クリパーなど、他の多くの航空宇宙プログラムに実装されています。このようなプログラムで通常分析される3つの基本的な設計形状（カプセル、リフティングボディ、航空機）のうち、リフティングボディは、顧客のミッション要件を満たしながら、操縦性と熱力学の点で最良のトレードオフを提供できる可能性があります。

ドリームチェイサーは、シエラネバダ社（SNC）が開発中の、弾道および軌道上の^[8] 垂直離陸、水平着陸（VTHL）リフティングボディ宇宙飛行機です。ドリームチェイサーの設計は、最終的には最大7人を低地球軌道まで運ぶように計画されており、この宇宙飛行機は現在、商業補給サービスプログラムの下で国際宇宙ステーションへの貨物輸送に使用される予定です。この機体はバルカンケンタウルスで垂直に打ち上げられ、従来の滑走路に水平に着陸します。^[9]

翼を持つ航空機の中には、揚力を生み出す機体を採用しているものもあります。1930年代初期のベランカ・エアクラフト社の高翼単葉機の設計、例えばベランカ・エアクルーザーなどは、漠然と翼型をした胴体で揚力を生成でき、一部の型では主翼支柱にもフェアリングを広げて揚力生成能力を持たせていました。同様に、1930年代のジー・ビーR-1スーパースポーツスターのレーシング機は、より現代的な空気力学的研究から、その胴体設計でかなりの揚力生成能力があったことが示されており、レース中に大きくバンクしたパイロン旋回を行う際、これはR-1のレースでの役割にとって重要でした。^[10] ヴィンセント・バーネリは、 1920年代から1950年代にかけて、胴体揚力を利用した数機の航空機を開発しました。初期のベランカ単葉機と同様に、ショート SC.7 スカイバンは胴体形状からかなりの揚力を生み出します。これは、各翼が生み出す 35% とほぼ同じです。

F-15イーグルのような戦闘機も、両翼の間にある幅広の胴体からかなりの揚力を生み出します。F-15イーグルの広い胴体は揚力効率が非常に良いため、F-15はほぼ全開出力であっても片方の翼だけで着陸することができ、推力が揚力に大きく貢献します。1983年の夏、イスラエルのF-15は訓練目的でネゲブ砂漠のナハル・ツィン付近でスカイホークとの模擬ドッグファイトを行いました。演習中、スカイホークの1機が計算を誤り、F-15の翼の付け根に激しく衝突しました。F-15のパイロットは翼が深刻な損傷を受けたことを認識していましたが、翼の損傷の程度がわからず、近くの空軍基地に着陸しようと決めました。着陸後、コックピットから出て後ろを振り返ったとき、パイロットは何が起こったのかに気づいた。翼が完全に機体から引きちぎられ、片方の翼だけがついた状態で着陸したのである。数ヶ月後、損傷したF-15は新しい翼を与えられ、飛行隊での運用任務に戻った。マクドネル・ダグラスのエンジニアたちは、片翼着陸の話を信じることができなかった。彼らの計画モデルに関する限り、これはあり得ないことだった。^[11]

2010年、オービタル・サイエンシズは、商業乗組員プログラムの下で宇宙飛行士を低地球軌道に運ぶための商業オプションとして、スペースシャトルの約4分の1の大きさのプロメテウス「ブレンデッド・リフティング・ボディ」スペースプレーン機を提案した。^[7] 垂直離陸水平着陸（VTHL）機は、有人対応のアトラスVロケットで打ち上げられる予定だったが、滑走路に着陸する予定だった。^[12] 当初の設計では乗組員は4人だったが、乗組員と貨物を組み合わせて最大6人まで運ぶことができた。この提案の背後にあるコンソーシアムには、オービタル・サイエンシズに加えて、スペースプレーンを製造するノースロップ・グラマンと、打ち上げ機を提供するユナイテッド・ローンチ・アライアンスが含まれていた。 ^[13] NASAによるCCDevフェーズ2の受賞に失敗したオービタルは、2011年4月に、商業乗組員機の開発努力を段階的に縮小する可能性が高いと発表した。^[14]

揚力体の設計原理はハイブリッド飛行船の建造にも利用されています。

アメリカ政府は1960年代初頭から1970年代半ばにかけて、アームストロング飛行研究センターで様々な概念実証および飛行試験用リフティングボディの設計を開発した。^[3]これらには以下が含まれる。

• M2-F1
• M2-F2
• M2-F3
• HL-10
• X-24A
• X-24B

• ウッド、ヘイズ、エングルはそれぞれM2-F1の自動車牽引飛行を1回ずつ行いました。

揚力体は、映画『孤島』やテレビシリーズ『ファースケープ』のジョン・クライトンの宇宙船ファースケープ1など、いくつかのSF作品に登場している。ディスカバリーチャンネルのテレビシリーズは、アニメ『エイリアン・プラネット』で、揚力体を使用して遠くの地球のような惑星に探査機を運ぶことを想定している。ジェリー・アンダーソンの1969年の映画『ドッペルゲンガー』は、 VTOL揚力体の着陸機/上昇機を使用して地球のような惑星を訪れたが、2回の試みとも墜落に終わった。彼のシリーズUFOは、軌道操作用のM2-F2に視覚的に似た揚力体機を特集した（『帰ってきた男』）。コンピュータゲーム『バズ・オルドリンのレース・イントゥ・スペース』では、改造されたX-24Aが、ジェミニまたはアポロカプセルの代わりにプレイヤーが選択できる代替の月面対応宇宙船になる。

1970年代のテレビ番組 「600万ドルの男」では、番組のタイトル シーケンスで、実際の NASA の演習から抜粋した揚力体航空機の映像が使用されました。シーンには、HL-10 が母機 (改造された B-52) から分離し、ブルース ピーターソンが操縦する M2-F2 がエドワーズ湖底の乾いた滑走路に沿って激しく墜落して回転するシーンが含まれていました。墜落の原因は、流れの剥離によって引き起こされた制御の不安定性から生じるダッチ ロールの発生に起因していました。^{[出典が必要]}

エピソード「The Deadly Replay」（シーズン2エピソード8、1974年9月22日放送）では、HL-10が物語の小道具として登場する。^[16]

• マーティン X-23 プライム
• BOR-4
• クリパー
• HL-20 有人発射システム
• ドリームチェイサー（宇宙船）
• スペースライダー（宇宙船）
• プロメテウス（宇宙船）
• ファセットモバイル
• ブレンデッドウィングボディ
• フライングウィング
• マスタード
• 1953 ホートン「ウィングレス」 http://aerospacelegacyfoundation.com/aviation-history-flying-wings/ 2018-01-14 にWayback Machineでアーカイブ
• Arup S-2 1932、スナイダー「Arup」（「全翼機」と揚力体の境界を曖昧にする）
• バーネリ RB-1

• マクフィー、ジョン（1973）『デルトイド・パンプキン・シード』、ISBN 0-374-51635-9 。（エアロダインとエアロスタットを組み合わせた、ハイブリッド飛行船とも呼ばれるエアレオンの物語。） 

ウィキメディア・コモンズには、揚力体航空機に関連するメディアがあります。

• 揚力体ファクトシート（NASA）
• NASA 技術論文 3101: 確実な乗組員帰還機の流れ場の数値解析とシミュレーション (揚力体上の気流の計算)
• ドライデン飛行研究センターの NASA 写真コレクション
  • HL-10
  • M2-F1
  • M2-F2
  • M2-F3
  • X-24AとX24B
  • M2-F1の短い歴史
  • 揚力体飛行の歴史
  • 翼のない飛行: 揚力体の物語。NASA 歴史シリーズ SP-4220 1997 PDF