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垂直離着陸機（V/STOL）とは、垂直離着陸が可能な航空機、または短い滑走路で離着陸が可能な航空機のことです。垂直離着陸機（VTOL）は、滑走路を全く必要としないV/STOL機の一種です。一般的に、V/STOL機はホバリングできる必要があります。ヘリコプターはV/STOLの分類には含まれません。V/STOLは、前進飛行時に空気を滑走することで揚力を得る航空機、つまりヘリコプターよりも高速かつ燃費効率に優れた航空機のみを対象としているためです。
V/STOL機の主な利点は、敵により近い基地配置が可能になるなど、軍事性能に優れている点にあり、これにより対応時間と空中給油機の支援の必要性が軽減されます。フォークランド紛争の場合、大型の航空母艦に航空機カタパルトを装備することなく、高性能戦闘機による航空支援と地上攻撃が可能になりました。V/STOLは、森林の空き地、非常に短い滑走路、そして従来はヘリコプターしか搭載できなかった小型航空母艦から高速ジェット機を運用できるようにするために開発されました。
ローリング離陸（場合によってはスロープ（スキージャンプ）を使用）は、航空機を地上から持ち上げるのに必要な推力を（垂直離陸と比較して）低減するため、一定の推力で達成できるペイロードと航続距離が増加します。例えば、ハリアーは武装と燃料を満載した状態では垂直離陸できません。そのため、V/STOL機は滑走路が利用可能であれば一般的に滑走路を使用します。言い換えれば、垂直離着陸（VTOL）よりも短距離離着陸（STOVL）または通常離着陸（CTOL）の方が好ましいのです。
航空母艦では、カタパルトを使用しない固定翼機の短距離離陸は推力偏向によって行われ、これは滑走路の「スキージャンプ」と併用されることもある。これらのSTOVL機を運用している航空母艦は16隻あり、内訳は米国（9隻）、日本（2隻）、英国（2隻）、イタリア（2隻）、スペイン（1隻）である。STOVLの使用により、垂直離着陸（VTOL）と比較して、短い滑走路しか必要としないにもかかわらず、航空機はより大きなペイロードを搭載できる傾向がある。最も有名な例は、ホーカー・シドレー・ハリアーとBAEシーハリアーである。技術的にはV/STOL機であるが、燃料と兵装のために離陸時に余分な重量を運ぶため、運用上はSTOVL機である。ロッキード・マーティンF-35ライトニングIIのB型も同様で、試験飛行でVTOL能力を示したが、運用上はSTOVLである。[ 1 ]
垂直離着陸機（VTOL）は、V/STOL のサブセットです。この分類には、さまざまなタイプの航空機、推力偏向固定翼機、およびサイクロジャイロやジャイロダインなどの動力付きローターを備えたその他のハイブリッド航空機が含まれます。[ 2 ]
VTOL機の中には、CTOL（従来型離着陸）、STOL（短距離離着陸）、STOVL（短距離離着陸垂直着陸）など、他のモードでも運用できるものがある。一方、ヘリコプターなど、地上走行に対応できる着陸装置がないため、VTOLでしか運用できないものもある。また、ホバリング、垂直進入/離脱プロファイルによる離着陸が可能な軽航空機もVTOL機に分類される。 [ 3 ]
電動垂直離着陸機（eVTOL）は、より自律的な飛行制御技術やモビリティ・アズ・ア・サービス（MaaS）とともに開発されており、オンデマンドのエアタクシーサービス、地域航空モビリティ、貨物配送、個人用航空機（PAV）などを含む高度な航空モビリティ（AAM）を実現する可能性がある。[ 4 ]
広く普及しているヘリコプターの他に、現在軍で使用されているVTOL機には、ベル・ボーイングV-22オスプレイのようなティルトローター機と、ハリアーファミリーや新型F-35BライトニングII統合打撃戦闘機（JSF）のような推力偏向機の2種類がある。民間部門では、現在一般的に使用されているのはヘリコプターのみである（ 2017年現在、他の種類の商用VTOL機も提案され、開発中である）。一般的に、STOVLが可能なVTOL機は、可能な限り後者を使用する。なぜなら、純粋なVTOLと比較して、離陸重量、航続距離、またはペイロードが大幅に増加するからである。[ 5 ]
1950年代から1980年代にかけて試作された数十種類のV/STOL機設計のうち、実戦配備されたのは亜音速機のホーカー・シドレー・ハリアーとYak-38フォージャーのみであり、フォージャーはソ連崩壊後に退役した。
垂直飛行のアイデアは何千年も前から存在しており、VTOL（ヘリコプター）のスケッチはレオナルド・ダ・ヴィンチのスケッチブックにも登場する。原始的なヘリコプターの形をした有人VTOL機は1907年に初めて飛行したが、完成には第二次世界大戦後までかかった。[ 6 ] [ 7 ]
ヘリコプターの開発に加えて、垂直離着陸機能を備えた実用的な航空機を開発するための多くのアプローチが試みられてきました。これには、ヘンリー・ベルリナーの 1922 ～ 1925 年の実験的な水平回転翼固定翼機、ニコラ・テスラの 1928 年の特許、ジョージ・レーバーガーの 1930 年の傾斜エンジンを備えた比較的非実用的な VTOL 固定翼機の特許が含まれます。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] 1930 年代後半には、イギリスの航空機設計者レスリー・エベレット・ベインズが、別のティルトローター機であるベインズ・ヘリプレーンの特許を取得しました。1941 年、ドイツの設計者ハインリヒ・フォッケは、垂直離着陸のために下向きに傾く 2 つのローターを備えたフォッケ・アハゲリス Fa 269 の開発に着手しましたが、戦時中の爆撃により開発は中断されました。[ 10 ]
1951年5月、ロッキード社とコンベア社は、2機の実験的なVTOL戦闘機の設計、製造、試験を行う契約を獲得した。ロッキード社はXFVを、コンベア社はコンベアXFYポゴを製造した。両実験プログラムは飛行段階に進み、1954年から1955年にかけて試験飛行を完了したが、その時点で契約はキャンセルされた。[ 11 ]同様に、ライアンX-13バーティジェットも1955年から1957年にかけて一連の試験飛行を行ったが、同じ運命をたどった。[ 12 ]
1962年、ロッキードは米陸軍向けにXV-4ハミングバードを製造した。機体の排気をエジェクターポンプに噴射することで、利用可能な推力を「増強」しようとした。1963年に初めて垂直飛行を行ったが、1964年に墜落して大惨事となった。その後、ヤコブレフYak-38「フォージャー」で使用されているものと同様の、独立した垂直搭載リフトエンジンの試験機として、米空軍向けにXV-4Bハミングバードに改造された。この機体は飛行したが、1969年に墜落した。[ 13 ]ハミングバードと同時期に米陸軍向けに製造されたライアンXV-5バーティファンは、ガス駆動リフトファンの実験を行った。この機体は機首と両翼にファンを使用し、持ち上げると半分のゴミ箱の蓋のようなドアで覆われていた。しかし、この機体は2度墜落し、期待外れの揚力しか発生せず、水平飛行への移行も困難だった。
ロックウェル・インターナショナルは、垂直飛行用のエジェクターポンプを作るためにブラインドのように開く珍しい翼を持つ超音速戦闘機ロックウェルXFV-12を製造したが、その後放棄した。20,000 lbfの推力を発生したが、離陸するのに十分な揚力を発生させることはできなかった。フランスは、8基ものリフトエンジンを搭載した名目上マッハ2のダッソー・ミラージュIIIVを保有しており、飛行（そして墜落）したが、戦闘任務に必要な燃料やペイロードを搭載するスペースが足りなかった。ドイツのEWR VJ 101は、胴体に取り付けられたリフトエンジンと翼端に取り付けられた旋回エンジンを使用しており、VJ 101C X1は1964年7月29日に超音速飛行（マッハ1.08）を達成した。NATOでの使用をめぐってミラージュIIIVと競合した超音速機ホーカー・シドレーP.1154は、製造中にキャンセルされた。
NASAは、ソ連海軍やドイツ空軍と同様に、ベルXV-15研究機（1977年）などのVTOL機を飛行させてきた。シコルスキーは、ヘリコプターのように離陸するXウィングと呼ばれる航空機をテストした。ローターは飛行中に静止し、翼として機能して、静止翼に加えて揚力を発生させる。ボーイングX-50は、同様のコンセプトを採用したカナードローター/ウィングのプロトタイプである。[ 14 ]
イギリスの別のVTOLプロジェクトはジャイロダインで、離着陸時にはローターに動力が供給されますが、飛行中はフリーホイール状態になり、別の推進エンジンが前進推力を提供します。フェアリー・ジャイロダインから始まったこのタイプの航空機は、後にずっと大型の双発機フェアリー・ロトダインへと発展しました。ロトダインは、離着陸時にチップジェットを使用してローターに動力を供給しますが、その後は2基のネイピア・エランド・ターボプロップを使用して、大きな翼に取り付けられた従来のプロペラを駆動して推進力を提供し、水平飛行中は翼がローターの負荷を軽減する役割を果たします。ロトダインは、巡航時の固定翼機の効率性とヘリコプターのVTOL機能を組み合わせ、都市中心部から空港への短距離旅客サービスを提供するために開発されました。
CL -84 ダイナバートは、1964年から1972年にかけてカナディア社が設計・製造したカナダ製のV/STOLタービン式ティルトウィング単葉機である。カナダ政府は1968年に軍事評価用に改良型CL-84を3機発注し、CL-84-1と命名した。1972年から1974年にかけて、このバージョンは米国空母USSグアムとUSSガダルカナル、およびその他の様々なセンターで実証および評価された。[ 15 ]これらの試験には、米国、英国、カナダの軍パイロットが参加した。試験中にCL-84のうち2機が機械的故障により墜落したが、これらの事故による死者は出なかった。生産契約には至らなかった。[ 16 ]
1940年代半ばのフォッケ・アハゲリス Fa 269や 1950年代の航空宇宙技術センター「コンヴェルティプラノ」などのティルトローター機は試験段階やモックアップ段階に達したが、ベル・ボーイング V-22 オスプレイは世界初の量産型ティルトローター機とみなされている。オスプレイは、3 枚ブレードのプロペラ、ターボプロップエンジン、トランスミッションナセルが各翼端に取り付けられている。オスプレイは、垂直離着陸 (VTOL) と短距離離着陸 ( STOL ) の両方の機能を備えた多目的機である。従来のヘリコプターのような任務を、ターボプロップ機の長距離高速巡航性能で遂行するように設計されている。FAA はオスプレイを動力揚力機のモデルとして分類している。[ 17 ]
1960年代には、VTOL機能を備えた商用旅客機の開発が試みられた。ホーカー・シドレーのインターシティ垂直離着陸機の提案では、両側に2列のリフティングファンが配置されていた。しかし、これらの航空機はどれも、重すぎて運用コストが高すぎるとして却下され、生産には至らなかった。[ 18 ] [ 19 ]
1983年、国防高等研究計画局（DARPA）は、アメリカ海兵隊とイギリス海軍のハリアーの後継機となる超音速STOVL戦闘機（SSF）を開発するため、先進STOVL（ASTOVL）計画を開始した。ASTOVL計画ではいくつかの推進方式が検討され、研究開発のために異なる請負業者に割り当てられた。これらには、ロッキード社のシャフト駆動リフトファン（SDLF）があり、これはメインエンジンの低圧スプールに接続されたシャフトによって駆動される前方リフトファンを備え、クラッチによって作動する。ノースロップ社（後にノースロップ・グラマン社）のリフトプラスリフト/クルーズ（LPLC）は、メインエンジンの横に専用のリフトエンジンを備え、マクドネル・ダグラス社のガス駆動リフトファン（GDLF）は、メインエンジンの抽気を使用してリフトファンを駆動する。いずれの方式も、メインエンジンの後部にはベクトルノズルが備えられていた。[ 20 ]
ASTOVLは共通低価格軽量戦闘機（CALF）プログラムの下で継続され、最終的には統合打撃戦闘機プログラムの一部となった。SDLFを搭載したロッキード・マーティンX-35Bは最終的に2001年に本格的な開発に選ばれ、運用用の量産機はF135-PW-600エンジンを搭載したF-35Bとなった。NASAは超音速短距離離陸/垂直着陸の略語SSTOVLを使用しており[ 21 ]、2012年現在、1回の飛行でこの組み合わせに適合する航空機はX-35B/F-35Bのみである。[ 22 ] [ 23 ]
2018年、Opener Aeroは電動固定翼VTOL機「Blackfly」を実証した。同社はこれを世界初の超軽量固定翼全電動VTOL機だと主張している。[ 24 ]
21世紀には、無人ドローンがますます一般的になってきている。その多くはVTOL機能を備えており、特にクワッドコプター型はそうだ。[ 25 ]
1947年、アメリカ海軍は、尾部着地式のライアンX-13バーティジェットを発注した。その後、1948年には、従来型艦船の後部甲板に搭載されたプラットフォーム上で垂直離着陸（VTOL）が可能な航空機の提案が出された。コンベア社とロッキード社が契約獲得を目指して競合したが、1950年に要求仕様が改訂され、最終的にはVTOL艦載護衛戦闘機へと発展可能な研究機が求められるようになった。
1958年末、フランスのSNECMA社が開発した尾翼環状翼機「コレオプテール」が初飛行を行った。しかし、唯一の試作機は1959年の9回目の飛行で大破し、2機目の試作機の資金調達は実現しなかった。
VTOL技術の発展に初期段階で大きな影響を与えたもう一つの成果は、ロールス・ロイスが1953年に開発した推力測定装置（「空飛ぶベッド」）である。これにより、最初のVTOLエンジンが開発され、イギリス初のVTOL機であるショートSC.1（1957年、ベルファストのショート・ブラザーズ・アンド・ハーランド社製）に採用された。この機体は、4基の垂直離着陸用エンジンと、前進推力用の水平エンジンを搭載していた。
ショートSC.1は、英国初の固定翼 VTOL 機でした。SC.1 は、VTOL 飛行の問題と、前進飛行への移行および前進飛行からの移行を研究するために設計されました。SC.1 は、1953 年 9 月に発行された供給省 (MoS) の垂直離着陸研究機の入札要求 (ER.143T) を満たすように設計されました。設計は同省に承認され、1954 年 10 月 15 日付けの仕様 ER.143D を満たす 2 機 (XG900 と XG905) の契約が締結されました。SC.1 には、VTOL 機としては初の「フライ バイ ワイヤ」制御システムも搭載されていました。これにより、空力面またはノズル制御の 3 つの制御モードが可能になりました。
リパブリック・アビエーションAP-100は、アレクサンダー・カルトヴェリが設計した、胴体と尾部中央に 3 つのダクトファンを備えた、核攻撃能力を持つ VTOL 6 基ゼネラル・エレクトリック J85ターボジェットエンジン搭載のプロトタイプ戦闘機のコンセプトであり、 TFX プログラムの候補として検討された。[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]もう一つの設計は、可変翼を使用した A400 AVS であったが、複雑すぎることが判明した。しかし、これはAFVGの開発につながり、それがひいてはパナビア・トーネードの開発に役立った。
ヤコブレフYak-38 は、ソ連海軍の軽空母、貨物船、主力艦での使用を目的とした垂直離着陸機でした。1970 年代にヤコブレフ Yak-36実験機から開発されました。ソ連崩壊前には、Yak-38 の後継機として超音速垂直離着陸機Yak-141が開発されましたが、生産には至りませんでした。[ 29 ]
1960年代から1970年代初頭にかけて、ドイツは3種類のVTOL機を計画した。そのうちの1つは、ロッキードF-104スターファイターをベースにV/STOL機の研究を行った。2つのモデル（X1とX2）が製造されたものの、高額な費用と政治的な問題、ドイツ空軍とNATOのニーズの変化により、プロジェクトは中止された。EWR VJ 101 Cは、60年代半ばから後半にかけて、自由VTOL離着陸とマッハ1を超える試験飛行を行った。試験機のうち1機はドイツのミュンヘンにあるドイツ博物館に保存されており、もう1機はフリードリヒスハーフェン空港の外に保存されている。他の2機は、VFW-フォッカーVAK 191B軽戦闘偵察機とドルニエDo 31 E-3（兵員輸送機）であった。[ 30 ]
LLRVはアポロ月着陸船の宇宙船シミュレーターでした。 [ 31 ]これは、月面着陸のために反動エンジンに頼らなければならなかった月探査モジュール（LEM）の飛行特性を模倣するように設計されました。
推力の経路を変えることで垂直飛行と水平飛行に同じエンジンを使用するというアイデアは、ミシェル・ウィボーによって考案された。[ 32 ]これは、さまざまな角度で推力を方向付けるために4つの回転ノズルを使用するブリストル・シドレー・ペガサスエンジンにつながった。 [ 33 ]これは、後にケストレルとなり、その後ホーカー・シドレー・ハリアーとして生産された機体、ホーカー・P.1127と並行して開発されたが、超音速のホーカー・シドレーP.1154は1965年に中止された。P.1154に対抗するフランスは、マッハ1を達成できるダッソー・ミラージュIIIのバージョンを開発した。ダッソー・ミラージュIIIVは1966年3月に垂直飛行から水平飛行への移行を達成し、その後まもなく水平飛行でマッハ1.3に達した。
ハリアーは通常、STOVLモードで飛行し、一定距離にわたってより多くの燃料または兵器を搭載することができます。[ 5 ] V/STOLでは、垂直推力を使用して離陸する前に、航空機は滑走路に沿って水平に移動します。これにより、推力揚力だけでなく空力揚力も得られ、より重い負荷での離陸が可能になり、効率も向上します。着陸時には、推進剤の重量が減少するため、航空機ははるかに軽くなり、制御された垂直着陸が可能になります。海軍空母上でのハリアーSTOL運用の重要な側面は、「スキージャンプ」と呼ばれる隆起した前部デッキであり、これにより離陸時に機体にさらなる垂直運動量が得られます。[ 34 ]
1981年3月のポピュラーサイエンス誌の表紙には、「傾斜エンジンV/STOL - 飛行機のように速く、ヘリコプターのように着陸する」という特集記事の3つのイラストが掲載されました。[ 35 ] 2006年4月号には続編記事が掲載され、「以前の飛行機/ヘリコプターを悩ませていた燃料消費と安定性の問題」について言及しました。[ 36 ]
2006年にイギリス海軍から退役したシーハリアーは、インド海軍では2016年まで運用され続け、主に空母INSヴィラートから運用された。 [ 37 ] [ 38 ]ハリアーの最新バージョンであるBAEハリアーIIは、イギリス空軍とイギリス海軍で運用された後、2010年12月に退役した。イタリア海軍とスペイン海軍は、アメリカとイギリスの合作であるAV-8BハリアーIIを引き続き使用している。2026年、アメリカ海兵隊は最後のAV-8Bを退役させ、第2海兵航空団のVMA-223「ブルドッグス」がチェリーポイント海兵隊航空基地で「日没」式典を行った。[ 39 ]アメリカとイギリスの空軍でハリアーII/AV-8Bに取って代わるのは、ロッキード・マーティンF-35ライトニングIIのSTOVL型であるF-35Bである。[ 40 ]
ティルトローターとは、回転軸またはナセルに取り付けられた1つまたは複数の動力付きローター（プロプローターと呼ばれることもある）によって揚力と推進力を発生させる回転翼航空機であり、通常は固定翼の両端に取り付けられている。ティルトローターの設計は、ヘリコプターの垂直離着陸能力と、従来の固定翼航空機の速度および航続距離を兼ね備えている。
ティルトウィングはティルトローターに似ているが、ローターの取り付け部が翼に固定されており、機体全体が垂直位置と水平位置の間で傾く点が異なる。
ジャイロダインとは、ヘリコプターのローターのようなシステムを備えたVTOL機の一種で、離着陸時のみエンジンによる駆動が必要であり、巡航飛行時には1基以上の従来のプロペラエンジンまたはジェットエンジンを用いて推力を得る。
SpaceXは、再利用型打ち上げシステム開発プログラムのさまざまな低高度・低速エンジニアリング面を検証するために、ファルコン9のプロトタイプをいくつか開発しました。[ 41 ]最初のプロトタイプであるグラスホッパーは、2012年から2013年にかけて8回のテスト飛行に成功しました。 [ 42 ] 2013年10月7日に8回目で最後のテスト飛行を行い、高度744メートル（2,441フィート）まで飛行した後、8回目のVTVL着陸に成功しました。[ 43 ] [ 44 ]これはグラスホッパーのリグの最後の予定テストでした。次は、テキサスでのファルコン9再利用型（F9R）開発機の低高度テスト、続いてニューメキシコでの高高度テストが予定されています。
2015年11月23日、ブルーオリジンのニューシェパードブースターロケットは、宇宙に到達した無人準軌道試験飛行の後、初の垂直着陸に成功した。[ 45 ] 2015年12月21日、スペースXのファルコン9第1段は、ファルコン9フライト20で11基の商用衛星を低地球軌道に打ち上げた後、着陸に成功した。[ 46 ]これらの実証により、宇宙飛行コストの大幅な削減への道が開かれた。
これは一部のリストであり、V/STOL機には数多くの設計案が存在する。
多くの航空機が提案され、製造され、試験が行われたが、F-35Bは2016年に運用開始された、最初で唯一の超音速V/STOL航空機である。[ 47 ]
はマクレガーに0.5エーカーのコンクリート製発射施設を建設し、グラスホッパーロケットはすでに発射台に設置され、昆虫のような銀色の着陸脚4本が取り付けられている。
動画：グラスホッパーがテキサスの空に744メートル（2441フィート）の過去最高高度に到達。