超機動性

超機動性とは、純粋な空気力学的技術では不可能な戦術的機動を実行する戦闘機の能力である。このような機動には、制御された横滑りや最大揚力を超える迎え角が含まれる。^[1]

この能力は 1975 年に米国のラングレー研究センターで研究が開始され、最終的には概念実証機としてマクドネル・ダグラス F-15 STOL/MTDの開発につながりました。サーブ 35 ドラケンも、限定的な超機動能力を備えた初期の航空機の 1 つです。

1983年にMiG-29、1986年にSukhoi Su-27にこの機能が搭載され、それ以来ロシアの第4世代および第5世代航空機の標準装備となっている。いくつかの憶測はあるものの、ロシア製航空機の超機動性の背後にあるメカニズムは公表されていない。しかし、近年では失速後解析が推力偏向エンジンノズルの使用を通じて機動性を向上させるためにますます利用されている。^[2]

ロシアが近距離低速での超機動性を重視することは、交戦が長引くほど機動オプションの選択肢を増やすために運動エネルギーを保持することを支持する西側のエネルギー機動性理論に反する。 ^[3]米空軍は、コブラ機動により速度のほとんどを失い、その過程で補償高度を獲得することなく、航空機のエネルギーがほぼゼロの状態になるため、 BVR交戦には逆効果であるとしてこの概念を放棄した。一対一の交戦を除いて、これにより、たとえ最初の脅威が超機動性を備えた航空機をオーバー シュートしたとしても、航空機は僚機または他の敵によるミサイルと銃の攻撃に対して非常に脆弱になる。

従来の航空機の操縦は、航空機の操縦翼面（エルロン、エレベーター、フラップ、エアブレーキ、ラダー）を通過する空気の流れを変更することで実現されます。これらの操縦翼面の一部は、 V 字型尾翼構成の「ラダーベーター」のように組み合わせることができますが、基本的な特性は影響を受けません。操縦翼面を動かして、向かってくる空気流に対して角度をつけると、操縦翼面の周囲の空気流が変化し、圧力分布が変わり、航空機にピッチング、ローリング、またはヨーイング モーメントが適用されます。

操縦面の偏向角度と、その結果として航空機に生じる方向力は、パイロットと航空機の内蔵制御システムの両方によって制御され、ピッチ、ロール、機首方位などの望ましい姿勢を維持し、また航空機の姿勢を急速に変更する曲技飛行を実行します。従来の操縦制御を維持するには、航空機は十分な前進速度と十分に低い迎え角を維持し、翼の上（揚力の維持）と操縦面の上に気流を提供する必要があります。

気流が減少すると、操縦面の有効性も低下し、操縦性も低下します。迎え角が臨界値を超えると、飛行機は失速します。パイロットは、アクロバット飛行中、特に戦闘中は失速を避けるように訓練されています。失速すると、失速した飛行機のパイロットが回復しようとしている間に、敵が有利な位置を獲得する可能性があるためです。

航空機が最大の空力操縦性を発揮できる速度はコーナー対気速度と呼ばれます。これより速い速度では、機体の応力または操縦面上の乱気流による不安定性により、操縦面は最大限の効果を発揮できません。低速では、操縦面上の空気の方向転換、つまり航空機の操縦に適用される力が機体の最大能力以下に減少し、航空機は最大速度で旋回しません。したがって、曲技飛行ではコーナー速度を維持することが望ましいです。

超機動性航空機では、パイロットはコーナー速度以下で高度な機動性を維持し、失速速度以下では高度を失うことなく少なくとも限られた高度制御を維持できます。このような航空機は、純粋な空気力学的設計では不可能な操縦が可能です。最近では、ジェット動力の計器付き無人機（「研究用ドローン」）の使用が増え、飛行可能な迎え角が90度を超えて失速後の安全飛行領域にまで達し、従来の風洞の使用の一部も置き換えられました。^[2]

超機動性があると分類されるために、航空機が満たさなければならない厳格なガイドラインや、航空機が備えていなければならない機能はありません。しかし、超機動性自体が定義されているように、ほとんどの航空機では不可能な高アルファ機動を航空機が実行できることは、航空機の超機動性の証拠です。このような機動には、プガチェフのコブラやハーブスト機動(「J ターン」とも呼ばれる) などがあります。

一部の航空機は、推力偏向などの通常失速後の機動を提供する機能の助けを借りずにプガチョフのコブラを実行できます。Su-27、MiG-29などの高度な第4世代戦闘機とその派生型は、通常の非推力偏向エンジンを使用してこの操作を実行できることが文書化されています。 これらの航空機がこの操作を実行できるのは、F-16のような固有の不安定性に基づいています。 MiG-29 および Su-27 ファミリーのジェット機は、望ましい失速後の挙動を実現するように設計されています。 したがって、プガチョフのコブラのような操作を実行すると、機首が上がり、翼上の気流が分離して航空機は失速しますが、部分的に反転した位置からでも自然に機首が下がり、パイロットは完全な制御を回復できます。

推力偏向のない航空機が行うコブラは、やはり航空機が空中を移動することに依存しています。しかし、航空機の空力面や通常の層流気流は関係なく、むしろ空中を移動する固体形状としての機体全体と、推力偏向に対するその重心が関係しています。これは、通常の空力制御をはるかに超えた状況で実行され、推力偏向なしでは失速状態にあるため、受動的な超機動性の一種であり、推力偏向ではなく航空機の設計によって可能になります。推力偏向は、通常の飛行範囲のかなり外側で航空機を能動的に制御する方法を提供します。

しかし、ハーブスト機動は、推力偏向なしでは不可能だと考えられている。なぜなら、「Jターン」は、航空機が失速している間にピッチングに加えて半ロールを必要とするため、従来の操縦翼面では不可能である。プガチェフのコブラは、推力偏向を使用すれば、航空機をはるかに急速にピッチングさせることができるため、高度の変化を少なくして実行できる。これにより、航空機が大幅に高度を上げる前に失速を誘発し、高度を失う前に水平姿勢を回復することができる。

前述のように、超操縦性航空機を明確に定義する固定された一連の機能はありませんが、超操縦性と見なされるほぼすべての航空機は、操縦性と失速制御に役立つ共通の特性を多数備えています。

古典的な空中戦は高速で始まるが、最初の射撃でミスをすると（ミサイルを避けるための機動があるのでその可能性はある）、戦闘はより長引くことになる。機動後、航空機は低速になるが、両方の航空機が射撃できない位置にある可能性がある。しかし、超機動性により、航空機は3秒以内に方向転換して次の射撃を行うことができる。^[4]

— スホーイのチーフテストパイロット、セルゲイ・ボグダン

純粋な空力戦闘機と超機動戦闘機の主な違いは、一般的に失速後の特性にあります。前述のように、失速は、翼の上部の空気の流れが大きな迎え角のために分離したときに発生します(これは低速によっても発生しますが、その直接的な原因は翼に接触する空気の流れの方向に基づきます)。すると、翼型は主な揚力源を失い、翼の上部の空気の流れが正常に戻るまで航空機を支えなくなります。

失速時の航空機の挙動は、空力操縦性と超操縦性の主な違いが見られる部分です。失速時には、従来の操縦翼面、特にエルロンは、航空機の姿勢を変える能力がほとんどないか、まったくありません。ほとんどの航空機は、このような状況でも安定し、簡単に回復できるように設計されています。航空機は機首を下げて翼の迎え角を減らし、航空機の現在の方向（技術的には速度ベクトルと呼ばれます）に合わせ、翼と操縦翼面上の通常の気流を回復し、制御された飛行を可能にします。^[5]

しかし、一部の航空機はディープストールを起こします。航空機の設計により、気流を回復するために迎え角を減らすことが抑制または防止されます。F -16にはこの欠陥があり、フライバイワイヤ制御に一部起因しています。この制御により、特定の状況下では、パイロットが機首を下に向けて迎え角を減らし、回復する能力が制限されます。^[6]超機動性航空機では、極端なピッチダウンもディープストールも望ましくありません。

超機動性航空機では、失速時にパイロットが少なくともある程度の制御を維持し、またすぐに完全な制御を取り戻すことができます。これは主に、高度に機動性が高く、ディープ ストールしない (したがってパイロットが素早く回復できる)、予測どおりに、かつ好ましい形で回復する (理想的には水平飛行、より現実的には可能な限り浅い機首下げ姿勢) 航空機を設計することによって実現されます。この設計に、失速中にパイロットが航空機を能動的に制御し、純粋な空気力学的操縦能力を超える極めて浅い高度帯で前方水平飛行を維持または回復できるようにする機能が追加されます。

超機動戦闘機の重要な特徴は、高い推力対重量比、つまりエンジンが生み出す力と機体の重量（機体にかかる重力の力）との比較である。これは一般に、あらゆる曲技飛行機にとって望ましいことで、高い推力対重量比により、高 G 操縦後に機体が速やかに速度を回復できる。特に、推力対重量比が 1:1 を超えることは、機体が機首上げ姿勢で速度を維持し、さらには速度を上げることを可能にするため、重要な閾値である。このような上昇は、重力に対抗するために翼によって提供される揚力なしに、純粋なエンジン出力に基づいており、垂直方向の曲技飛行（空中戦に不可欠）に不可欠となっている。

高い推力対重量比は、戦闘機の超機動性にとって不可欠です。なぜなら、航空機が失速する可能性のある多くの状況 (垂直上昇機動中など) を回避できるだけでなく、航空機が失速した場合でも、高い推力対重量比により、パイロットは機首が下がっているときでも前進速度を急激に上げることができるからです。これにより、速度ベクトルに合わせるために機首が下がらなければならない角度が減り、失速からより早く回復します。これにより失速を制御できます。パイロットは、ハードな機動で意図的に航空機を失速させ、その後、高いエンジン出力で素早く回復します。

第 4 世代後期から第 4.5 世代の航空機開発にかけて、エンジン効率と出力の向上により、多くの戦闘機が推力重量比 1:1 に近づき、それを上回るようになりました。現在および計画中の第 5 世代戦闘機のほとんどは、このしきい値を超えることになります。

真の超機動性は純粋な空力制御で可能な範囲外にあるものの、航空機を超機動性に押し上げる技術は、従来の空力制御設計に基づいています。したがって、従来の空力によって高度に機動可能な設計は、超機動戦闘機の必須の基盤です。

気流の剥離を最小限に抑えながら中立状態からの角度変化を少なくしてより大きな力を提供する大きな操縦面、航空機の胴体が翼に加えて揚力を生み出すことを可能にするストレーキの使用を含む揚力体設計、および特にノーズコーン、翼、エンジン吸気ダクトなどの航空機の前縁での抗力を低減する低抗力設計などの機能はすべて、高度に操縦可能な航空機を作成するために不可欠です。

F-16のような設計の中には、本質的に不安定になるよう設計されているものもあります(現在の生産形態では高度に機動性が高いとされていますが、超機動性があると見なされているのはF-16 VISTA技術実証機だけです)。つまり、航空機が完全に制御不能になった場合、本質的に安定した設計のように、外乱の後に水平で安定した飛行に戻る傾向はありません。このような設計では、「フライバイワイヤ」システムを使用する必要があります。このシステムでは、コンピューターが軽微な不安定性を修正すると同時に、パイロットの入力を解釈し、操縦面を操作して、制御不能に陥ることなく望ましい動作を生み出します。このようにして設計の不安定性が修正され、高度に機動性のある航空機が生まれます。安定した設計では望ましい操縦に対して自己制限的な抵抗が生じますが、意図的に不安定な設計では、通常よりもはるかに高い旋回速度が可能になります。

カナードとは、翼の前方に取り付けられた昇降舵の操縦面のことである。B -1Bのように、胴体の柔軟な部分を安定させたり、ごくわずかな姿勢変化を与えたりするだけのために使用されることもあるが、尾部に取り付けられたスタビライザーの補助として、または尾部に取り付けられたスタビライザーの完全な代替として使用されることが多い。

カナードを唯一の昇降舵面とする理論は、翼の後ろの昇降舵の構成はどれも操縦目的には本当に満足できるものではないというものです。翼上の気流は、たとえわずかでも乱気流を発生させ、翼のすぐ後ろに配置された昇降舵に影響を与えます。翼の下に配置した場合 (多くの戦闘機で一般的)、昇降舵は翼下の兵器によるさらに大きな乱気流にさらされます。

このような問題に対する当初の解決策であるT 字型尾翼は、危険な「ディープ ストール」を起こしやすいとして、ほとんど信用されなくなっています。V字型尾翼などの他の解決策では、ラダーとエレベーターの組み合わせ面を翼の気流から外しますが、純粋なピッチ軸とヨー軸における操縦面の有効性が低下します。

カナードは従来の昇降舵の補助として、操縦面積を大幅に増やし、カナードが空気をより直接的に翼の前縁に導くため、翼の臨界迎え角を大きくすることがよくあります。また、カナードは独立して動作するように設計することもでき (つまり、逆回転する)、その場合はエルロンとしても機能します。

カナードは必須ではなく、パイロットの視界が狭くなる、機械の複雑さと脆弱性が増す、レーダーシグネチャが大きくなるなどのデメリットがあるが、ユーロファイターのように飛行制御ソフトウェアでカナードの偏向を制御することでレーダー断面積を減らすことができる。^{[7] [8]}例えば、F-22は主にステルス性の理由からカナードを採用していない。カナードを採用している唯一のステルス戦闘機はJ-20である。

Su-35の量産型機もカナードを省略している。F -15 S/MTDなどの多くの技術実証機や機動性試験機は、ベースとなった量産機がカナードを装備していなかったとしても、カナードを装備していた。ユーロファイター タイフーン、ダッソー ラファール、サーブ グリペンなどの量産型戦闘機はすべて、カナード面を備えたデルタ翼構成を採用しているが、Su-30、Su-30MKI、Su-33、Su-37などSu-27の派生型の一部は、従来の尾翼搭載型エレベーターを補完するためにカナードを使用している。

高い推力対重量比と高い空力操縦性は空力航空機と超操縦性航空機の両方に見られますが、超操縦性と最も直接的に結びついている技術は推力偏向であり、従来のジェットエンジンの排気ノズルの形状を変更して、エンジンの推力を真後ろ以外の方向（つまり、上または下）に傾けることができます。

これにより、従来の操縦面と同様に、航空機の後部に反対方向に力が加わりますが、操縦面とは異なり、推力ベクトル制御による力は、対気速度ではなく、現在のエンジン推力に依存します。したがって、推力ベクトル制御は、速度制御面 (通常は昇降舵) を強化するだけでなく、機体がコーナー速度以下で最大の機動性を維持し、機動中に失速速度以下である程度姿勢制御できるようにします。

X-31、F-16 VISTA、F-15 S/MTDなどの技術実証機は、この技術を使用した航空機の能力を披露するために製造されました。その後、この技術はF-22ラプターなどの試作機や量産戦闘機に組み込まれました。東側諸国の設計会社は、MiG-29やSu-27などの第4世代航空機の派生型にもこの技術を導入し、それぞれMiG-29OVT技術実証機とSu-30MKI制空戦闘機を製造しており、計画されているロシア設計の第5世代航空機、例えばスホーイSu-57にもこの技術が使用される予定です。さらに、ロシア国産のSu-30戦闘機は推力偏向エンジンでアップグレードされる予定です。^[9]

推力偏向は、航空機の機首が上を向く空中 J ターンなどの操縦を行う際に最も役立ちます(これにより、エンジン推力が重力に対抗し、姿勢制御も提供します)。実際、推力偏向なしで真の J ターン操縦を行うことは一般的に不可能であると考えられています。空気力学的操縦のみを使用して制御しながら実行することが不可能であると考えられている他の操縦には、ベル (高度の変化が無視できる 360° ループ) と制御されたフラット スピン(航空機内にある回転点の周りの 360° ヨー) があります。^{[引用が必要]}

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