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タンデム翼とは、飛行機や動物が2組以上の翼を前後に重ねて配置した翼構成のことである。すべての翼が揚力を生み出す。
タンデム翼は、翼が上下に重ねられている複葉機や、前方の翼面がはるかに小さく、全体の揚力に大きく寄与しないカナード翼、あるいは「尾翼先行」構成とは異なる。
航空分野では、タンデム翼は長年にわたり実験されてきたが、実際に生産された設計はごくわずかである。
自然界においてタンデム翼を持つのは昆虫とトビウオのみであるが、過去にはタンデム翼を持つ爬虫類も存在した。
タンデム翼構成では、主翼が2 枚あり、1 枚は前方に、もう 1 枚は後方に配置されます。その差は翼弦よりも大きいため、翼の間には明確な隙間があり、航空機の重心 (CG) は翼の間に位置します。[ 1 ]巡航飛行中に尾翼が垂直方向の力をほとんど、あるいは全く発揮しない従来のレイアウトと比較すると、タンデム翼は両方とも揚力に大きく貢献します。
基本的なタンデム構成では、同じ大きさで互いに一直線に並んだ翼を使用します。1922年のペイレットグライダーなど、実際に飛行に成功した例もあります。ただし、乱流のウェイクを避けるために、後翼は通常、前翼の上または下に配置されます。設計の詳細に応じて、一方の翼がもう一方の翼より少し小さく作られることがよくあります。実際、従来型とタンデム、またはタンデムとカナード構成の間には明確な境界線はありません。[ 2 ]高い位置に前翼、低い位置に後翼を配置した配置は、極端な千鳥配置複葉機として扱われることもあり、ネナドヴィッチ複葉機と呼ばれています。[ 3 ]
2枚の翼間の干渉効果により、タンデム配置は同等の従来型設計に比べて巡航時の効率が低下する可能性があるが、Scaled Composites Proteusのような機体は卓越した効率性を実現できる。
タンデム配置では、前翼が後翼に向かって空気を下方へ偏向させる「スロット効果」が生じ、後翼の迎角（AoA）が減少します。航空機の迎角が大きい場合、これにより前翼が先に失速するため、従来の配置と同等の配置よりも低速での飛行が安全になります。また、優れた短距離離着陸（STOL）性能も提供します。[ 1 ]
タンデム翼は、地面効果翼機にも使用されており、前翼が後翼の下側に空気を下向きに導くことで、揚力を生み出す空気のクッションを作り出す。
タンデム翼では、2つの翼にかかる揚力が縦方向に分離されているため、それらが協調して安定性、制御性、トリムを実現できます。タンデム翼の安定性と制御のメカニズムは、尾翼先配置やカナード配置のものと似ています。主な違いは、前縁の相対的な大きさです。[ 4 ]
しかし、小型の尾翼や前翼に比べて大きなトリム力が得られるため、タンデム設計では他のレイアウトよりも広い範囲のトリム状態、ひいては重心位置（CG）を提供でき、運用中に重量負荷や重量配分が変化する可能性がある場合に実用的な解決策を提供できます。ただし、広いCG範囲は、互換性のある着陸装置レイアウトや安全な失速特性など、他の問題を引き起こします。[ 1 ]
連結翼は、前翼が後方に後退し、かつ/または後翼が前方に後退して、翼端付近で結合し、中空のひし形または三角形の連続面を形成するタンデム翼レイアウトです。[ 5 ] [ 6 ]連結翼は、閉じた翼の例でもあります。
従来のレイアウトでは、外側セクションの揚力によるモーメントアームが大きく、これが翼根セクションに大きな負荷をかける。しかし、タンデム設計では各翼が小さく、外側の荷重が存在しない。これにより、翼構造全体を軽量化できる。
従来の設計では、胴体は一箇所のみで支持され、前部と後部の胴体部分はそこから片持ち梁のように突き出ている。これにより、大きな曲げ応力が発生する。タンデム翼では同じ胴体が二箇所で支持されるため、曲げ応力は軽減される。しかし、翼間の中央部分にかかるねじり応力は大きくなる。[ 1 ]
タンデム翼構造はよりコンパクトであるため、全体的に剛性が高く、曲げに対する許容値が少なくて済み、応力レベルの安全マージンを小さくすることが可能になり、さらなる重量とコストの削減が可能になります。[ 1 ]
タンデム翼構成は、有人飛行の成功よりも前から存在していた。15世紀にまで遡ると、ティト・リヴィオ・ブラッティーニがタンデム翼モデルを実験していた。4組の翼がタンデムに配置され、揚力と推進力をそれぞれ提供し、ブラッティーニの猫はタンデム設計で飛行した最初の飛行士となった。[ 1 ]
翼幅が最大14 フィート (4.3 m)のより単純な前後タンデムモデルも飛行させた経験を持つサミュエル・ピアポント・ラングレーは、1903 年に実物大のタンデム翼単葉機「エアロドローム」を製作し、ハウスボートの屋根から発進させた。しかし、飛行には失敗した。彼の死後、スミソニアン協会は、彼がライト兄弟より数週間前に飛行していたことを証明しようとし、成功した飛行機製造業者グレン・カーチスを雇って、エアロドロームを飛行可能になるまで密かに改造させ、1903 年に飛行した「証拠」とした。カーチスはフロートを追加し、その他の改良を加え、1914 年に真の水上飛行機として短距離飛行を行えるようにした。この策略は最終的に暴露されたが、スミソニアン協会は依然として 1902 年版が「飛行可能」であったと主張しようとした。彼らが撤回するまでには、さらに何年もかかった。[ 8 ]
数々の先駆者たちが長年にわたり、グライダーの開発に成功してきた。1905年、ジョン・J・モンゴメリーはタンデム単葉グライダーの飛行に成功し、空力原理が正しいことを証明した。
動力飛行は2年後に実現した。1906年、ルイ・ブレリオはタンデム楕円翼の閉じた翼を持つ3番目の飛行機を製作し、後に前翼を通常の複葉機に改造したタイプIVとして改良した。しかし、ラングレーのエアロドロームとほぼ同じ構成の車輪付きタンデム単葉機であるタイプVIが、タンデム翼飛行機として初めて飛行したのは翌年のことだった。
1907年から1911年にかけて、ギュスターヴ・エッフェルの空気力学研究により、タンデム配置は従来型の配置よりも本質的に空気力学的に効率が悪いことが示された。[ 4 ]エッフェルの研究と同時期に、シュテファン・ドルジェヴィエツキは本質的に安定したタンデム翼設計を開発し、風洞で試験を行った。その後、1912年末に実物大の試作機を製作し、飛行に成功した。[ 1 ]
第一次世界大戦後も、実験的なタンデム翼機は製造され続けた。
カプロニCa.60試作飛行艇は、乗客を乗せる長い胴体に、成功を収めたCa.4シリーズの重爆撃機および旅客機から流用した三葉機の翼を3枚直列に取り付けた構造で、「カプロニッシモ」という愛称で呼ばれた。しかし、1921年の初離陸時に空中分解してしまった。
完全に制御可能な最初のタンデム翼機は、フランス製のペイレット・タンデム・グライダーで、1922年にイギリス初のグライダー競技会で優勝した。ペイレットの斬新な制御システムは、4枚の翼すべてに全幅のトレーリングエッジ面を備えていた。これらは、左右それぞれにペアで補助翼として、前後それぞれにペアで昇降舵として、そして同期して低速飛行用のフラップとして機能した。このシステムは効果的であることが証明され、従来の高アスペクト比の機体よりも効率は劣るものの、より制御しやすく操縦性に優れていることが証明された。これにより、パイロットのM・マネロールは他のパイロットよりも長く上昇気流の中に留まることができた。[ 4 ]ペイレットはグライダーと動力機の両方でこの設計の開発を続けたが、それらは依然として珍しい存在であった。
SFCAはペイレットの死後も彼の研究を引き継ぎ、彼の操縦システムを採用した。彼らのタウピンは1933年に初飛行を果たした。その設計は実用的であることが証明され、約52機が製造された。
一方、アンリ・ミニェは飛行制御に関して全く異なるアプローチをとっていた。アマチュアが自宅で製作することを想定した彼の「プー・デュ・シエル（空飛ぶノミ）」は、操縦を容易にするための斬新な2軸制御システムを備えていた。ラダーを操作するとヨー・ロール連動により機体が旋回するため、エルロンは不要だった。ピッチ制御には、前翼全体が傾いてカナード・エレベーターとして機能する仕組みだった。トーパンとほぼ同時期に登場したこの機体は一大ブームとなり、数百機が製造され、多くの国で様々なバリエーションが開発された。しかし、可変前翼に関連する安定性の問題は、初心者パイロットの操縦では致命的な墜落事故につながる可能性があり、この機種は最終的に人気を失っていった。
1930年代後半、モーリス・デランヌはタンデム翼機の設計に取り組んでいた。彼は、ガル翼の前翼と、低く配置されやや短い後翼の先端に2つの垂直尾翼を備えた戦闘機、デランヌ10を提案した。彼はまず、より小型の空力試験機であるデランヌ20-Tを2機製作し、1938年に初飛行させた。その後、フランス航空工廠は試作戦闘機、アルセナル・デランヌ10を製作した。この機体はドイツによるフランス侵攻後に完成し、試験飛行が行われた後、さらなる試験のためにドイツに運ばれた。
一方、ウェストランド・エアクラフト社は、ライサンダー軽観測連絡機の改造を検討しており、後部に銃塔を追加して攻撃に対する防御力を高めることを考えていた。ライサンダーには既に適切な主翼があったため、ウェストランド社は銃塔の重量を支えるためにデランヌ型の後部翼を追加することを検討した。この頃には敵対行為は始まっていたが、フランスはまだ陥落していなかった。主任設計者のWEW「テディ」ペッターと主任テストパイロットのハラルド・ペンローズはパリに飛び、ペンローズは20-Tの1機を操縦して操縦性について好意的な報告をした。[ 9 ]タンデム・ライサンダーは1941年まで完成せず、ペンローズが試験飛行を開始した。完璧な性能を発揮したが（彼は「これは変更を必要としない軍用試作機だ」と書いている）、量産は命じられなかった。[ 10 ]
ジョージ・マイルズはRAFボスコム・ダウンでタンデム・ライサンダーを見て、短翼短距離離陸の海軍戦闘機としての可能性に気づいた。その後のマイルズM.35リベルラ試験機は、翼幅がほぼ等しいものの、後翼の翼弦が長く後退角がつけられている点でデランヌの設計とは異なっていた。この設計は却下されたものの、飛行性能は良好で、仕様書B.11/41を満たすために提案されたM.39高速爆撃機の縮尺版試験機である、より大型のM.39Bの開発を促した。今回は前翼が小さく低く取り付けられ、後退角のついた後翼は高く取り付けられ、その下に双発エンジンナセルが吊り下げられていた。1943年に飛行したが、性能は良好だったものの、その後爆撃機の要求はキャンセルされた。
第二次世界大戦後、フライングフリーの傾斜した前翼のコンセプトへの関心が再び高まり、最大の危険性が理解され、解決されたことで、設計者たちはこのアイデアの開発を続け、主に依然として家庭用建築物として利用されている。[ 1 ]
1963年に登場したカーチス・ライトX-19は、大型の傾斜式プロペラを各翼端に搭載したクワッドローター・コンバーチプレーンとして、タンデム翼構成をVTOL機の分野に初めて導入した機体だった。しかし、当時の技術水準からすると、構造が複雑すぎ、信頼性に欠けることが判明した。
デランヌのような他のタンデム方式は、デビッド・ロックスペイザーが低コストの汎用輸送機である陸上開発航空機（LDA）を考案するまで、ほとんど忘れ去られていた。LDAは3つの交換可能な翼部品を使用する予定だった。左右の後部翼はそれぞれ高い位置に取り付けられ、3つ目の前部翼は機首の真下に中央に取り付けられる。彼の試作機LDA-01は1971年に初飛行した。量産化に向けて開発するのに十分な成功を収めたが、改良される前にプロジェクトは終了した。
製造における次の画期的な進歩は、再び自作航空機市場でもたらされた。新進気鋭の型破りな設計家バート・ルータンは、低出力ながら高効率な自作航空機の開発に取り組んでいた。タンデム配置により、主輪を前翼先端のハウジングに収め、下反角を付けることで胴体をプロペラを取り付けられる高さまで持ち上げ、低抵抗の固定式着陸装置を実現した。高所に配置された後翼には、補償上反角が付けられていた。クイッキーは1977年に初飛行し、翌年にはオシュコシュで開催されたEAA（実験航空機協会）の優秀新設計賞を受賞した。人気を博し、その後いくつかの派生型が登場した。
ルータンはスケールド・コンポジッツ社を設立し、同社の後期の設計の中にはタンデム式のものもあった。
飛翔昆虫のいくつかの目は、それぞれ特徴的な構造と飛行様式を持つ、タンデム翼を採用している。
タンデム羽ばたきをする昆虫には、トンボ目（トンボやイトトンボ）、チョウ目（チョウやガ）、そして一部のアザミウマ目（アザミウマ）などが含まれます。トンボ目は一般的に細長い翅を持ち、前後の翅の羽ばたきをさまざまな方法で同期させることができ、高速かつ高い機動性を実現しています。一方、チョウ目は幅の広い翅を持ち、同期して羽ばたき、飛行中に重なり合うこともあり、長距離飛行に適しています。アザミウマは小型の昆虫で、飛行する種は比較的硬い翅を持っています。体が小さいため、ほとんどの昆虫に見られるような前縁渦の発生ではなく、拍手と振り下ろしの羽ばたきによって揚力を発生させます。
テントウムシなどの多くの飛翔性甲虫は、飛行中に開く前翅鞘を持つが、大きく羽ばたくことはない。地上では繊細な主翅や後翅を保護し、空中では羽ばたく主翅の空気力学を変化させるために使用する可能性がある。[ 14 ]
トビウオは胸鰭が大きく、滑空飛行は可能であるが、本格的な羽ばたき飛行はできない。オオトビウオなどの一部の種は、体の後方にある腹鰭も十分に大きく発達しており、タンデム構造を形成している。
ミクロラプトルは、おそらく単一の種であったと考えられる、タンデム翼を持つ恐竜の属である。化石記録からのみ知られており、主に中国で発見されている。前肢と後肢の両方が飛翔羽で覆われており、滑空だけでなく、真の羽ばたき飛行も可能であったと考えられている。その飛行様式は不明である。