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推力偏向（推力ベクトル制御（TVC ）とも呼ばれる）とは、航空機、ロケット、その他の乗り物が、エンジンやモーターからの推力の方向を操作して、乗り物の姿勢や角速度を制御する能力のことである。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
大気圏外を飛行するロケットや弾道ミサイルでは、空力制御面は効果を発揮しないため、推力偏向が姿勢制御の主要な手段となる。排気羽根とジンバル式エンジンは、1930年代にロバート・ゴダードによって使用された。
航空機の場合、この方法は当初、垂直離着陸（ VTOL）または短距離離着陸（STOL ）能力を航空機に与える手段として、上向きの垂直推力を供給するために考案されました。その後、戦闘状況で推力偏向を使用することで、従来のエンジンを搭載した航空機では不可能な様々な操縦が可能になることが認識されました。推力偏向を使用しない航空機は、旋回を行うために補助翼や昇降舵などの空力制御面のみに頼らなければなりません。推力偏向を使用する航空機も制御面を使用する必要がありますが、その程度は小さくなります。
ロシアの情報源に基づくミサイル文献では、推力偏向はガス力学的操舵またはガス力学的制御と呼ばれている。[ 4 ]
ロケットノズルの推力ベクトルの作用線は、通常、機体の重心を通過するため、重心周りの正味トルクはゼロになります。ロケットの主推力ベクトルを偏向させて重心を通過させないようにすることで、ピッチモーメントとヨーモーメントを発生させることができます。作用線は一般的にロール軸とほぼ平行であるため、ロール制御には通常、2つ以上の独立してヒンジで接続されたノズル、またはロケットエンジンの排気プルーム内のフィンやベーンなど、主推力を偏向させる全く別のシステムを使用する必要があります。推力ベクトル制御（TVC）は、推進システムが推力を発生している場合にのみ可能です。飛行の他の段階では、姿勢制御と飛行経路制御のために別の機構が必要です。
推力偏向は、次の 4 つの基本的な方法で実現できます。[ 5 ] [ 6 ]
多くの液体ロケットの推力偏向は、エンジン全体をジンバルさせることによって実現される。これには、タイタンIIの2基の第1段モーターのように燃焼室全体と外側のエンジンベルを動かすこと、あるいは関連する燃料ポンプや酸化剤ポンプを含むエンジンアセンブリ全体を動かすことが含まれる。サターンVとスペースシャトルはジンバル式エンジンを使用していた。[ 5 ]
固体燃料弾道ミサイル用に開発された後の方式では、電気アクチュエータまたは油圧シリンダーを使用してロケットのノズルのみを偏向させることで推力偏向を実現している。ノズルは、中央に穴が開いたボールジョイント、または耐熱性材料で作られた柔軟なシールを介してミサイルに取り付けられており、後者は一般的により大きなトルクとより高出力のアクチュエーションシステムを必要とする。トライデントC4およびD5システムは、油圧作動ノズルを介して制御される。STS SRBはジンバルノズルを使用した。[ 7 ]
固体燃料弾道ミサイルで使用される推力偏向のもう一つの方法は、液体噴射方式である。この方式では、ロケットノズルは固定されているが、ミサイル後端付近に設置された噴射装置から排気流に液体が注入される。液体がミサイルの片側だけに噴射されると、その側の排気プルームが変化し、結果としてその側の推力が異なるため、ミサイルにかかる正味の力が非対称になる。これは、ミニットマンIIやアメリカ海軍の初期のSLBMで使用されていた制御システムである。
推力偏向に似た効果は、複数のバーニアスラスタによって生み出すことができる。バーニアスラスタとは、独自のターボポンプを持たず、一軸を中心にジンバルできる小型の補助燃焼室である。これらはアトラスミサイルやR-7ミサイルで使用され、 R-7をベースとするソユーズロケットでも現在も使用されているが、その複雑さと重量のため、新しい設計ではほとんど使用されていない。これらは、宇宙空間での姿勢制御に使用される固定式の独立したロケットエンジンであるリアクションコントロールシステムスラスタとは異なる。
ロケットエンジンの推力偏向の最も初期の方法の1つは、エンジンの排気流にベーンを配置することでした。これらの排気ベーンまたはジェットベーンは、エンジンの部品を動かすことなく推力を偏向させることができますが、ロケットの効率を低下させます。ノズルジンバルでは不可能な、単一のエンジンだけでロール制御が可能になるという利点があります。V -2は、V-2から派生したレッドストーンと同様に、グラファイト製の排気ベーンと空力ベーンを使用しました。アマチュアグループであるコペンハーゲン・サブオービタルズのサファイアとネクソロケットは、ジェットベーンの現代的な例です。ジェットベーンは、溶融を防ぐために耐火材料で作るか、積極的に冷却する必要があります。サファイアは、銅の高い比熱容量と熱伝導率のために固体銅製のベーンを使用し、ネクソは、融点が高いグラファイトを使用しましたが、積極的に冷却しない限り、ジェットベーンは著しく侵食されます。この点とジェットベーンの非効率性が相まって、ジェットベーンが新型ロケットに使用されることはほとんどない。
AIM-9Xサイドワインダーのような小型の大気圏内戦術ミサイルの中には、飛行制御面を省略し、代わりに機械式の羽根を使ってロケットモーターの排気を片側に偏向させるものもある。
ミサイルのロケットモーターの排気を機械式ベーンで偏向させることで、ミサイルは発射直後（ミサイルが低速で移動しているとき、高速に達する前）でも操縦することができる。これは、ミサイルが低速で移動している場合でも、ロケットモーターの排気は機械式ベーンに十分な力を与えるのに十分な速度を持っているためである。したがって、推力偏向はミサイルの最小射程を短縮することができる。例えば、EryxやPARS 3 LRなどの対戦車ミサイルはこの理由で推力偏向を使用している。[ 8 ]
推力偏向を利用するその他の発射体：
現在運用されている推力偏向機のほとんどは、回転ノズルまたはベーンを備えたターボファンを使用して排気流を偏向させています。この方法により、機体中心線に対して最大90度まで推力を偏向させることができます。VTOL運用で推力偏向を使用する航空機の場合、エンジンは通常の飛行ではなく垂直離着陸用にサイズを決定しなければならず、その結果重量が増加します。アフターバーナー（またはバイパス流でのプレナムチャンバー燃焼、PCB）は組み込みが難しく、非常に高温の排気が滑走路表面を損傷する可能性があるため、離着陸推力偏向には実用的ではありません。アフターバーナーなしでは、超音速飛行速度に到達することは困難です。PCBエンジンであるブリストル・シドレーBS100は1965年に開発中止となりました。
ティルトローター機は、回転するターボプロップエンジンのナセルを介して推力ベクトルを生成します。この設計の機械的な複雑さは非常に厄介で、ねじれた柔軟な内部部品や、エンジン間のドライブシャフトによる動力伝達などが含まれます。現在のティルトローター設計のほとんどは、2つのローターを並列に配置しています。このような機体が渦輪状態に入るような方法で飛行すると、ローターの一方が常に他方よりわずかに早く渦輪状態に入り、機体が急激かつ予期せぬロールを行うことになります。
推力偏向は、飛行船の制御機構としても使用されています。初期の応用例は、1912 年に初飛行したイギリス陸軍の飛行船デルタです。 [ 16 ]その後、 1916 年に初飛行したイギリスの硬式飛行船HMA (His Majesty's Airship) No. 9r [ 17 ]や、空中空母として使用された1930 年代のアメリカ海軍の双胴硬式飛行船USSアクロンとUSSメイコンにも使用され、同様の推力偏向は、現代の非硬式飛行船の制御にも今日特に価値があります。この場合、通常、荷重の大部分は浮力によって支えられ、偏向推力は航空機の動きを制御するために使用されます。加圧空気に基づく制御システムを使用した最初の飛行船は、 1930 年代のエンリコ・フォルラニーニのオムニア・ディルでした。
推力偏向機能を備えたジェット機の設計は、1949年にパーシー・ウォルウィンによって英国航空省に提出された。ウォルウィンの図面はファーンバラの国立航空宇宙図書館に保存されている。[ 18 ]設計者が精神病院の患者であることが判明すると、当局の関心は薄れた。
現在研究中の流体推力偏向（FTV）は、二次流体噴射によって推力を偏向させる。[ 19 ]試験では、ジェットエンジンの排気流に空気を強制的に送り込むことで、推力を最大15度偏向させることができることが示されている。このようなノズルは、質量とコストが低い（最大50%削減）、慣性（より速く、より強力な制御応答のため）、複雑さ（機械的に単純、可動部品や表面が少ないかまったくない、メンテナンスが少ない）、ステルスのためのレーダー断面積の点で望ましい。これは、多くの無人航空機（UAV）や第6世代戦闘機で使用される可能性が高い。
推力偏向飛行制御 (TVFC) は、航空機のジェットをピッチ、ヨー、ロール方向の一部または全部に偏向させることによって実現されます。極端な場合、ヨー、ピッチ、ロール方向へのジェットの偏向により、従来の空力飛行制御 (CAFC) を実施することなく、航空機の飛行経路の完全な方向制御を可能にする所望の力とモーメントが生成されます。TVFC は、主空力面が失速する飛行包絡線の領域で静止飛行を維持するためにも使用できます。[ 20 ] TVFC には、ホバリング中およびホバリングから 50 ノット未満の前進速度への移行中のSTOVL航空機の制御が含まれます。この移行では、空力面は効果がありません。[ 21 ]
推力偏向制御が単発機のように単一の推進ジェットを使用する場合、ローリングモーメントを生成する能力は不可能かもしれない。例として、ノズル機能がスロート面積、出口面積、ピッチ偏向、ヨー偏向であるアフターバーナー超音速ノズルが挙げられる。これらの機能は4つの独立したアクチュエータによって制御される。[ 20 ] 3つのアクチュエータのみを使用するより単純なバリアントでは、出口面積の独立した制御はできない。[ 20 ]
TVFCをCAFCの補完として導入すると、航空機の機動性と安全性が最大限に高まります。戦闘による損傷でCAFCが故障した場合、安全性が向上する可能性があります。[ 20 ]
TVFCを実装するために、機械式および流体式のさまざまなノズルが適用される場合があります。これには、固定式または幾何学的に可変な収束ノズルおよび収束発散ノズルが含まれます。また、回転カスケード[ 22 ]や回転出口ベーン[ 23 ]などの固定ノズル内の可変機構も含まれます。これらの航空機ノズル内の形状自体は、2次元(2-D)から軸対称または楕円形まで変化する可能性があります。TVFCを実現するための特定の航空機のノズルの数は、CTOL航空機の1つからSTOVL航空機の最小4つまで変化する可能性があります。[ 21 ]
2D推力偏向の例としては、ホーカー・シドレー・ハリアーやAV-8BハリアーII型に使用されているロールス・ロイス・ペガサスエンジンが挙げられる。西側量産型戦闘機で機動性向上のための推力偏向が広く使用されるようになったのは、アフターバーナー付き2D推力偏向プラット・アンド・ホイットニーF119ターボファンエンジンを搭載したロッキード・マーティンF-22ラプター第5世代ジェット戦闘機が2005年に配備されてからのことである。[ 28 ]
ロッキード・マーティンF-35ライトニングIIは、超音速飛行を容易にするために従来型のアフターバーナー付きターボファンエンジン（プラット・アンド・ホイットニーF135）を使用していますが、米海兵隊、英国空軍、英国海軍、イタリア海軍の共同運用向けに開発されたF-35B型は、垂直に取り付けられた低圧シャフト駆動のリモートファンも搭載しており、着陸時にはクラッチを介してエンジンから駆動されます。このファンとメインエンジンのファンからの排気は、推力偏向ノズルによって偏向され、揚力と推進推力の適切な組み合わせが得られます。戦闘時の機動性向上を目的としたものではなく、VTOL運用のみを想定しており、F-35AとF-35Cは推力偏向を全く使用していません。
インドがライセンス生産し、ヒンドゥスタン・エアロノーティクス社が製造するスホーイSu-30MKIは、インド空軍で現役で使用されている。TVC により、この航空機は高い機動性を持ち、失速することなく高迎角でほぼゼロの対気速度を実現でき、低速でダイナミックな曲技飛行を行うことができる。Su -30MKIは、2 基のAl-31FPアフターバーナー付きターボファンエンジンを搭載している。MKI の TVC ノズルは、エンジンの縦軸に対して 32 度外側 (つまり水平面) に取り付けられており、垂直面で ±15 度偏向することができる。これにより、コルクスクリュー効果が生じ、航空機の旋回能力が大幅に向上する。[ 29 ]
いくつかのコンピュータシミュレーション研究では、ボーイング727や747などの既存の旅客機に推力偏向を追加して壊滅的な故障を防ぐことを提案している一方、実験機のX-48Cは将来ジェット操縦される可能性がある。[ 30 ]
推力偏向を利用するロケットやミサイルの例[ 31 ]には、スペースシャトル固体ロケットブースター（SRB）、S-300P（SA-10）地対空ミサイル、UGM-27ポラリス核弾道ミサイル、RT-23（SS-24）弾道ミサイルなどの大型システムと、スイングファイアなどの小型戦場兵器の両方が含まれます。
空気推力偏向の原理は、近年、超機動性を提供する高速ウォータージェット操舵の形で軍事海上用途に応用されている。例としては、高速哨戒艇ドヴォラMk-III、ハミナ級ミサイル艇、米海軍の沿海域戦闘艦などがある。[ 30 ]
推力偏向は、VTOL/STOL性能と機動性の向上という2つの主要な利点をもたらします。航空機は通常、どちらか一方の利点を最大限に活かすように最適化されていますが、もう一方の利点も向上します。
8. ウィルソン、エーリッヒ A.、「推力偏向航空機ノズル入門」、ISBN 978-3-659-41265-3
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