垂直離着陸機

垂直離着陸機（VTOL）は、滑走路に頼らずに垂直に離着陸できる航空機です。この分類には、ヘリコプター、推力偏向固定翼航空機、サイクロジャイロ/サイクロコプターやジャイロダインなどの動力ローターを備えたその他のハイブリッド航空機など、さまざまな種類の航空機が含まれます。^[1]

一部の VTOL 航空機は、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) などの他のモードでも動作できます。一部のヘリコプターなどの他の航空機は、タキシングを処理できる着陸装置がないため、VTOL としてのみ動作できます。VTOL は、 V/STOL (垂直または短距離離着陸) のサブセットです。

一部の軽航空機は垂直離着陸機としても分類され、垂直進入/離陸プロファイルでホバリング、離陸、着陸が可能です。^[2]

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、オンデマンド航空タクシーサービス、地域航空モビリティ、貨物配送、個人用航空機（PAV）などを含む先進航空モビリティ（AAM）を可能にします。^[3]

どこにでもあるヘリコプターのほかに、現在軍用機には2種類のVTOL機がある。ベル・ボーイングV-22オスプレイなどの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）などの推力偏向機である。民間部門では現在ヘリコプターのみが一般的に使用されている（2017年現在、他の種類の商用VTOL機が提案され、開発中である）。一般的に、STOVLが可能なVTOL機は可能な限りそれを使用する。これは、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ためである。^{[4] [アップデート]}

垂直飛行のアイデアは数千年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登場している。原始的なヘリコプターの形をした有人VTOL航空機は1907年に初飛行したが、完成するまでには第二次世界大戦後までかかった。^{[5] [6]}

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の開発に向けて多くのアプローチが試みられてきた。ヘンリー・バーリナーの1922年～1925年の実験的な水平ローター固定翼航空機、ニコラ・テスラの1928年の特許、ジョージ・レーバーガーの1930年の比較的非実用的なティルティングエンジン付きVTOL固定翼航空機の特許などがある。^{[7] [8] [9]} 1930年代後半、英国の航空機設計者レスリー・エヴァレット・ベインズは、別のティルトローター航空機であるベインズ・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の開発を開始しましたが、戦時中の爆撃により開発は中止されました。^[9]

1951年5月、ロッキード社とコンベア社の両社は、2機の実験用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 Pogoを製造した。両実験プログラムは飛行可能状態まで進み、1954年から1955年にかけて試験飛行を完了したが、契約はキャンセルされた。^[10]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。^[11]

エンジンで駆動する垂直ファンの使用は 1950 年代に研究されました。米国はジェット排気でファンを駆動する航空機を製造しましたが、製造されなかった英国のプロジェクトには、ジェット エンジンからの機械駆動でファンを駆動するものが含まれていました。^{[引用が必要]}

NASAは、ベルXV-15研究機（1977年）などの他のVTOL機を飛行させたことがある。ソ連海軍やドイツ空軍も同様である。シコルスキーは、ヘリコプターのように離陸するX-Wingと呼ばれる航空機をテストした。ローターは飛行中に固定され、静止した翼に加えて揚力を提供する翼として機能した。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/ウィングプロトタイプである。 ^[12]

イギリスの別のVTOLプロジェクトはジャイロダインで、これは離着陸時にはローターが駆動し、飛行中はフリーホイールとなり、別の推進エンジンが前進推力を提供する。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、後にはるかに大型の双発フェアリー ロトダインに進化した。これは、離着陸時にはチップジェットを使用してローターを駆動し、その後、2つのネイピア エランド ターボプロップを使用して、推進力を提供する大きな翼に取り付けられた従来のプロペラを駆動し、水平飛行中に翼がローターの負荷を軽減するために使用される。ロトダインは、巡航時の固定翼航空機の効率とヘリコプターのVTOL機能を組み合わせて、市内中心部から空港への短距離航空会社サービスを提供するために開発された。

CL -84 ダイナバートは、 1964年から1972年にかけてカナダのカナディア社が設計・製造したV/STOLタービンティルト翼単葉機である。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、この型は米国の航空母艦USSグアムとUSSガダルカナル、および他の様々なセンターで実証・評価された。^[13]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、CL-84のうち2機が機械的な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。^[14]

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の「コンバーチプラノ」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ていたが、ベル・ボーイング V-22 オスプレイは世界初の量産ティルトローター機と考えられている。オスプレイは、各翼端に3枚羽根のプロペラ、ターボプロップエンジン、トランスミッションナセルを搭載している。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。ターボプロップ機の長距離高速巡航性能を備え、従来のヘリコプターのような任務を遂行するように設計されている。FAAはオスプレイを動力付き揚力機のモデルに分類している。^[15]

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・シドレーの都市間垂直離着陸機の提案では、両側に2列の揚力ファンが備えられていた。しかし、これらの航空機はいずれも重量が重く、運用コストが高すぎると判断され、生産には至らなかった。^{[16] [信頼できない情報源? ] [17]}

2018年にオープナーエアロは電動固定翼VTOL機「ブラックフライ」を披露した。メーカーによれば、これは世界初の超軽量固定翼全電動垂直離着陸機である。^[18]

21世紀には無人ドローンがますます普及しつつある。その多くはVTOL機能を備えており、特にクアッドコプター型が多い。^[19]

1947年、アメリカ海軍はテールシッター設計のライアンX-13バーティジェットを発注し、さらに1948年には、従来の船舶の後部デッキ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を行った。コンベアとロッキードの両社がこの契約を競ったが、1950年に要件が改訂され、最終的にはVTOLの船舶搭載型船団護衛戦闘機に進化できる研究用航空機が求められるようになった。

1958年末、フランスのSNECMA Coléoptère（テールシッター環状翼設計）が初飛行を行った。しかし、唯一の試作機は1959年の9回目の飛行で破壊され、2機目の試作機の資金は調達されなかった。

VTOL へのもう一つのより影響力のある初期の機能的貢献は、 1953 年のロールスロイス社の推力測定装置(「空飛ぶベッドステッド」) でした。これが、英国初の VTOL 航空機であるショート SC.1 (1957 年)、ベルファストのショート ブラザーズとハーランド社で使用された最初の VTOL エンジンにつながりました。この航空機は、前方推力用の水平エンジン 1 つを含む 4 つの垂直リフト エンジンを使用しました。

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を研究するために設計されました。SC.1 は、1953 年 9 月に出された、補給省 (MoS) の垂直離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。設計は補給省に承認され、1954 年 10 月 15 日付の仕様 ER.143D を満たす 2 機 (XG900 および XG905) の契約が締結されました。SC.1 には、VTOL 機初の「フライバイワイヤ」制御システムも装備されていました。これにより、空気力学的表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・アビエーションの AP-100は、アレクサンダー・カルトヴェリが設計した、VTOL、ゼネラル・エレクトリック社製J85ターボジェットエンジン6基、核兵器搭載可能な攻撃戦闘機のプロトタイプコンセプトであり、胴体中央と尾部に3基のダクテッドファンを備え、 TFXプログラムの候補機となった。^{[20] [21] [22]もう一つの設計は可変翼を採用したA400 AVSであったが、複雑すぎると判断されたが、} AFVGの開発につながり、パナビア・トルネードの開発につながった。

ヤコブレフYak-38は、ソ連海軍の軽空母、貨物船、主力艦に搭載することを目的とした垂直離着陸機である。1970年代にヤコブレフ Yak-36実験機から開発された。ソ連崩壊前に、Yak-38 の後継機として超音速垂直離着陸機Yak-141が開発されたが、生産には至らなかった。^[23]

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V/STOL機の研究のベースとして使用した。2つのモデル（X1とX2）が製造されたが、高コストと政治的問題、およびドイツ空軍と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を超えるテスト飛行を行った。テスト機の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軽戦闘機および偵察機と、ドルニエDo 31 E-3（兵員輸送）輸送機であった。^[24]

LLRVはアポロ月着陸船の宇宙船シミュレーターでした。 ^[25]これは、月面着陸に反動エンジンに頼らなければならなかっ た月着陸船（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ました。^[26]これは、4つの回転ノズルを使用してさまざまな角度に推力を向けるブリストル・シドレー・ペガサスエンジンにつながりました。 ^{[27]これは、}ホーカーP.1127という機体と並行して開発され、その後ケストレルとなり、ホーカー・シドレー・ハリアーとして生産に入りましたが、超音速のホーカー・シドレーP.1154は1965年にキャンセルされました。フランスは、P.1154に対抗して、マッハ1に到達できるダッソー・ミラージュIIIのバージョンを開発していました。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、その後すぐに水平飛行でマッハ1.3に到達しました。

ハリアーは通常、STOVLモードで飛行し、一定の距離でより多くの燃料や兵器を搭載できる。^[4] V/STOLモードでは、VTOL機は垂直推力を使用して離陸する前に滑走路に沿って水平に移動する。これにより、推力だけでなく空気力学的揚力も得られ、より重い荷物を積んだ状態で離陸でき、より効率的になる。着陸時には、推進剤の重量が減るため機体は非常に軽くなり、制御された垂直着陸が可能になる。海軍空母でのハリアーのSTOL運用の重要な側面は、前方デッキが「スキージャンプ」のように高くなっていることで、離陸時に機体に垂直方向の運動量が追加される。^[28]

1981年3月の『ポピュラーサイエンス』の表紙には、「ティルトエンジンV/STOL - 飛行機のように高速で、ヘリコプターのように着陸」という一面特集記事のイラストが3つ掲載された。^[29] 2006年4月号には続編の記事が掲載され、「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」について触れていた。^[30]

2006年にイギリス海軍から退役したが^[31] 、インド海軍は2016年までシーハリアーを運用し続けており、 ^[32]主に空母 INS ヴィラートから運用している。ハリアーの最新型である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。アメリカ海兵隊、イタリア海軍、スペイン海軍はいずれも、アメリカとイギリスの派生型であるAV-8BハリアーIIを引き続き使用している。アメリカとイギリスの空軍でハリアーII/AV-8Bに代わるのは、ロッキード・マーティンF-35ライトニングIIのSTOVL派生型であるF-35Bである。^[33]

SpaceXは、再使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、低速度工学的側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。^[34]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。^{[35 ] 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。 [36] [37]}これはグラスホッパーリグの最後の予定されたテストでした。次は、テキサスでファルコン9再使用型（F9R）開発車両の低高度テスト、続いてニューメキシコ州で高高度テストが行​​われる予定です。

2015年11月23日、ブルーオリジンのニューシェパードロケットは、無人弾道試験飛行で宇宙に到達した後、初の垂直着陸に成功した。^[38] 2015年12月21日、スペースXの ファルコン9第一段は、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、着陸に成功した。^[39]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。^[40]

ヘリコプターは VTOL 形式であるため、垂直離着陸、ホバリング、前方、後方、横方向への飛行が可能です。これらの特性により、ヘリコプターは、固定翼航空機が通常は離着陸できない混雑した地域や孤立した地域でも使用できます。長時間効率的にホバリングできるのは、ヘリコプターの比較的長い、したがって効率的なローター ブレードによるもので、これにより、固定翼航空機やその他の垂直離着陸航空機では 2011年までは少なくとも同等には実行できなかったタスクをヘリコプターで実行できます。

一方、長いローターブレードは、後退するブレードの失速によって横方向の不安定性が生じるため、従来のヘリコプターの最高速度を時速約 250 マイル (400 km/h) に制限します。

オートジャイロは、ジャイロプレーンまたはジャイロコプターとも呼ばれます。ローターは動力を与えられておらず、機体が前進するときに気流の中で自由に回転するため、機体は推力を得るために従来の動力装置を必要とします。オートジャイロは本質的に VTOL 機能を備えていません。VTO では、ローターを補助ドライブで速度まで回転させる必要があり、垂直着陸にはローターの運動量とピッチを正確に制御する必要があります。

ジャイロダインは複合ヘリコプターまたは複合ジャイロプレーンとも呼ばれます。ジャイロダインには、ヘリコプターの動力付きローターと、オートジャイロの独立した前方推進システムがあります。離着陸時以外は、ローターは動力なしで自動回転します。設計によっては、揚力を高めるためにスタブ ウィングが含まれる場合もあります。

サイクロジャイロまたはサイクロコプターには、従来の翼と同様に、軸と表面が気流に対して横向きになっている回転翼があります。

パワーリフトを実現するための設計は数多くあり、設計によっては複数の設計を使用するものもあります。パワーリフトを実現するための独自の設計機能を備えた実験的な設計も数多くあります。

転換式飛行機はヘリコプターのようにローターリフトで離陸し、前進飛行中に固定翼リフトに移行します。この例としてはベルボーイングV-22オスプレイがあります。

ティルトローター機またはプロペラ機は、VTOL のためにプロペラまたはローターを垂直に傾け、次に主翼を固定したまま水平方向に前方に傾けて翼による飛行を行います。

ティルトローターのコンセプトに似ていますが、ダクトファンが付いています。ベル X-22に見られます。

ティルトウィングは、プロペラまたはローターが従来の翼に固定されており、アセンブリ全体を傾けて垂直飛行と水平飛行を切り替えます。

テールシッターは、離着陸時には機尾に垂直に座り、水平飛行時には機体全体を前方に傾けます。

推力ベクトル制御は、ジェットエンジンやロケットエンジンで使用される技術で、エンジンの排気方向を変化させます。VTOL では、排気を垂直推力と水平推力の間で変化させることができます。

ティルトローターのコンセプトに似ていますが、プロペラの代わりにターボジェットまたはターボファン エンジンを使用します。

リフト ジェットは、VTOL 操作に揚力を提供するために使用される補助ジェット エンジンですが、通常の翼飛行時には停止されることがあります。Yak -38は、リフト ジェットを採用した唯一の量産航空機です。

リフトファンは、従来の固定翼または胴体の大きな穴にリフトファンが取り付けられた航空機の構成です。V/STOL 操作に使用されます。

この航空機はファンを利用して揚力を得て離陸し、前進飛行中に固定翼の揚力に切り替わります。いくつかの実験機が飛行しましたが、量産に入ったのはF-35 Lightning IIだけです。

コアンダ効果を利用して VTOL を実現する航空機は、推力偏向のように空気の方向を変えることができますが、ダクトを通して空気の流れを誘導するのではなく、空気の流れを既存の表面（通常は機体）に沿って誘導するため、材料と重量が少なくて済みます。

アブロ・カナダ VZ-9 アブロカー、または単に VZ-9 は、アブロ・エアクラフト社が開発したカナダの VTOL 機で、中央部に空気を吹き込み、その空気を放物線状で弓状の空飛ぶ円盤に似た上面を下方に導くというこの現象を利用しています。コアンダ効果により、気流は最も近い表面に引き寄せられ、表面が気流から遠ざかる方向に変化したにもかかわらず、その表面に沿って動き続けます。この機体は、気流を下方に向けることで揚力を生み出すように設計されています。

ジェトプテラ社は、コアンダ効果を利用した流体推進と呼ばれる技術に基づく航空機の提案ラインを発表した。同社は、ボックスウィング設計のオスワルド効率数値が1.45であると主張している。他の主張としては、効率の向上、30%の軽量化、複雑さの軽減、最大25dBAの低騒音化（無調）、短い翼、スケーラビリティなどがある。^{[41] [42]ジェトプテラ社によると、このアプローチにより、静止状態またはホバリング状態で}ターボファンと比較した場合、2.0を超える推力増強比と50%の燃料節約が実現できるという。その排出物は、上面吹き出し構造に使用して、揚力係数を8.0を超える値に 高めることができる。

• X-35Bデモンストレーターの飛行、STOVL構成への移行、垂直離陸、空中給油、垂直ホバリングおよび着陸
• X-35Bデモンストレーターの垂直着陸

• V/STOL 不幸の輪 アーカイブ 2008-09-15 at the Wayback Machine – V/STOL 航空機のタイムライン アーカイブ 2014-07-14 at the Wayback Machine、ページ 5
• 「ティルトプレーンVTOL航空機」。ww7.tiltplane.com 。 2021年4月29日閲覧。