可変後退翼

直線状の翼は、音速に近づくにつれて音速衝撃波が徐々に蓄積されるため、抗力が大きくなります。翼を後退角（後方または前方）にすることで、衝撃波の発生を遅らせ、全体の抗力を低減できます。しかし、後退角によって翼幅が狭くなるため、巡航効率が低下し、離着陸速度が高くなります。

固定翼機は、これら二つの要件の妥協点となるべきである。飛行中に翼の後退角を変化させることで、飛行の各段階に合わせて最適化することができ、より小型で高性能な機体を実現できる。しかし、考慮すべき欠点もある。翼が後退すると、揚力中心も移動する。そのため、翼根部のスライド機構や大型の尾翼安定板など、何らかの機構を組み込んで、翼の後退角の変化を補正し、水平飛行を維持する必要がある。後退角補正機構やトリム機構の重量増加は、性能向上分を相殺するだけでなく、その複雑さゆえにコストとメンテナンス費用も増加する。

翼の旋回軸を外側に移動させ、翼の一部のみを後退させることで、トリムの変化は減少するが、同時に翼幅の変動とそれに伴う運用上の柔軟性も減少する。

イギリスのエンジニア、バーンズ・ウォリスは、高速飛行のための革新的な航空機構成を開発しました。彼はこれを従来の固定翼飛行機とは異なると考え、翼制御式エアロダインと名付けました。飛行船の安定性に関する彼の以前の研究は、非常に小さな偏向によって航空機の機体に及ぼすことができる高い制御力を彼に印象づけていました。彼は、可変翼を備えた単純な魚のような胴体を考案しました。他の制御面は必要ありませんでした。翼の微妙な動きによって飛行方向を制御する小さな偏向を誘発することができ、トリムは、異なる速度での揚力中心の位置の変化を補償するために後退角を調整することによって維持されました。^{[ 1 ] [ 2 ]}

超音速飛行には、単純な魚形よりもデルタ翼型の揚力体の方が適している。トリムに必要な翼後退角と超音速巡航に最適な角度の間にも矛盾が生じる。ウォリスは、推力線を維持するために、通常はエンジンなどの質量を翼端に移動させ、翼が後退するにつれてそれらを旋回させることでこの問題を解決した。非対称なエンジン停止状態では、残りのエンジンを旋回させて推力線を圧力中心に近づけ、非対称性を許容できるレベルまで低減することができた。^{[ 1 ]}

左舷翼と右舷翼を同じ方向に後退させる必要はなく、斜め翼のように片方を後方に、もう片方を前方に後退させても構わない。

翼の後退角をわずかに非対称に変化させることも、翼制御式空力装置の原理の根幹をなすものであった。

可変後退角の最も初期の用途は、飛行機を水平飛行にトリムすることでした。1931年のウェストランド・ヒル・プテロダクティルIVは尾翼のない設計で、わずかに後退した翼は飛行中に小さな角度で後退角を変えることができました。^{[ 3 ]}これにより、独立した水平安定板がない場合でも縦方向のトリムが可能になりました。^{[ 4 ]}この概念は後にバーンズ・ウォリスの翼制御式エアロダインに組み込まれました。^{[ 5 ]}

第二次世界大戦中、ナチス・ドイツの研究者たちは、遷音速飛行における後退翼の利点と、低速飛行における欠点を発見した。メッサーシュミット Me P.1101は、翼の後退角を変化させることの利点を調査するために開発された実験的なジェット戦闘機であった。 ^{[ 6 ]}地上で 30、40、45 度の 3 つの位置の間でのみ調整可能なその後退角機構は、テストのみを目的としており、戦闘作戦には不向きであった。^{[ 6 ]}しかし、ヨーロッパ戦勝記念日までに、唯一の試作機は 80 パーセントしか完成していなかった。^{[ 7 ] [ 8 ]}

紛争終結後、部分的に完成したP.1101は回収され、米国に輸送され、ベル・エアクラフト社によって詳細に調査された。しかし、文書の不足と構造上の損傷のため、^{[ 9 ] [ 8 ]}ベル社は機体を完成させることを断念した。代わりに、飛行中に後退角を変更できる翼を備えたベルX-5として知られる類似の機体が製造された。翼が後退すると、翼根も前方にスライドし、揚力中心を一定の位置に維持した。^{[ 10 ]}このスライド式の可変後退翼は、 1952年にグラマンXF10Fジャガーの試作機で飛行した。しかし、F10Fの飛行試験は、エンジン出力の不足や操縦性の著しい問題など他の要因により、受け入れられないことが判明した。^{[ 11 ] [ 12 ]}

1940年代後半、イギリスのエンジニア、LE ベインズは可変後退翼の研究を始めた。彼は揚力中心を安定させるために尾翼の形状も変化させる方法を考案した。スライド機構は必要なく、代わりに翼の後流が可変尾翼と相互作用して必要なトリム変更を行う。1949年と1951年に、ベインズはこの研究に関連する特許を出願した。^{[ 13 ] [ 14 ]}設計は物理モデル化の段階に達し、一連の風洞試験を受けたが、当時の予算制約のためとされる理由で、イギリス政府はこの研究に資金援助を提供しなかった。

ベインズとは別に、イギリスのエンジニアであるバーンズ・ウォリスも、高速飛行の経済性を最大化するために、翼制御エアロダインと呼ばれる、より革新的な可変形状コンセプトを開発していた。彼の最初の研究はワイルドグース計画であった。^{[ 5 ]}その後、バーンズはスワローを考案した。 ^{[ 5 ]}これはブレンデッドウィングの尾翼のない航空機で、ヨーロッパとオーストラリアの間を10時間以内に往復できると想定されていた。後に、スワローは、RAFのV爆撃機の1つである亜音速のビッカース・ヴァリアントの後継機として、超音速機としてますます注目されるようになった。[ 15 ] 1950^年代には、スワローのいくつかのモードが、マッハ2までの速度での6フィートの縮尺モデルを含む、有望なテストを受けた。しかし、1957年にイギリス政府はウォリスの研究を含む多くの航空プログラムへの支援を撤回することを決定した。^{[ 16 ] [ 15 ]}

こうした支援の欠如にもかかわらず、スワローはしばらくの間、国際的な注目を集めた。1958年後半、NATOの相互兵器開発計画との協力により研究努力が一時的に再開され、ウォリスの可変翼の研究はすべてアメリカと共有された。^{[ 15 ]}航空作家のジェームズ・R・ハンセンによると、アメリカの航空宇宙エンジニアのジョン・スタックは、 NASAの多くのエンジニアと同様に、このコンセプトに熱心だったが、米国国防総省はプロジェクトにリソースを投入することに反対していた。^{[ 17 ]}ウォリスはNASAのラングレー研究所と協力して、可変後退角戦闘機の設計研究を行った。彼が開発した旋回機構を使用していたが、NASAはトリムと操縦性の問題を軽減するために、従来の水平安定板の実装も主張した。これはもはやウォリスが構想していた翼制御式エアロダインではなかったが、彼やベルのどちらよりも実用的な解決策であることが証明された。ツバメの研究により、コンパクトな折りたたみ式尾翼部やカナード翼の採用など、いくつかの新しい構成が生まれた。^{[ 18 ]}

バーンズの研究は、超音速STOL戦闘爆撃機に関するOR.346に対応した翼制御エアロダインを含む、数多くのさらなる研究を促し、その後BACとして、海軍ER.206を満たすタイプ583とNATO NBMR.3を満たすタイプ584という2つの提案を提出した。どちらもV/STOL要件である。^{[ 1 ]} 1960年、モーリス・ブレナンはフォランド・エアクラフトにチーフエンジニア兼ディレクターとして入社し、すぐに可変翼の経験を活用し始めた。^{[ 19 ]}そのため、そのような翼は同社のフォランド・ナット軽戦闘機と組み合わされ、2つの異なるコンセプト（1つは尾翼なし、もう1つは従来の尾翼を使用）で、Foと命名された多目的戦闘機/攻撃機/練習機となった。 147. 機体側面と翼下面のトラックを組み合わせた独自の翼後退機構を備えており、翼の内端に配置された油圧駆動のボールねじによって作動した。 ^{[ 20 ]}翼は20度から70度まで後退させることができた。70度の位置では、翼端に取り付けられたエレボンによって縦方向の制御が維持され、20度の位置で後退させた場合は、格納式のカナード装置によって完全な自動安定化を使用してこれが提供された。カナードによってトリム機能を提供することで、大きな尾翼の必要性がなくなった。 ^{[ 21 ]} Fo. 147は、高速飛行によって発生する熱の蓄積によってのみ制限されるマッハ2を超える速度が可能であったと主張された。^{[ 22 ]}最終的に、RAFが将来有望な可変翼練習機にほとんど関心を示さなかったため、このコンセプトは試作段階まで開発されることはなかった。^{[ 22 ]}

1960年代には、可変翼機の量産化を目指す最初のプログラムが開始された。米国では、TFX（戦術戦闘機実験）プログラムでそのような構成が採用され、その結果、複数の役割を担うことを目的とした大型双発機、ジェネラル・ダイナミクスF-111が開発された。 ^{[ 23 ] [ 24 ]} F-111は可変翼を備えた最初の量産機であり、地形追従レーダーやアフターバーナー付きターボファンエンジンなどの他のシステムとともに、当時の革新的な技術であった。^{[ 25 ] [ 26 ]}

この分野での先行にもかかわらず、F-111の開発は長期にわたり、F-111Aモデルの飛行試験は1973年にようやく終了した。^{[ 27 ]} 1968年には、F-111の翼の取り付けポイントに亀裂が発見され、この問題は翌年のF-111の喪失の原因ともされている。^{[ 28 ]}そのため、取り付けポイントは構造的に再設計され、設計と製造品質の両方について集中的な試験を受けた。^{[ 29 ]}米海軍向けに計画されていたF-111Bは、機体の重量と性能の問題、および海軍の戦闘機の要求を満たしていないことから、1968年に中止された。^{[ 30 ] [ 31 ]} FB-111A戦略爆撃機モデルなど、いくつかの派生型は、航続距離と積載能力を向上させるために翼が延長されていた。^{[ 32 ]} F-111の翼には、後退角に合わせて自動的に調整される旋回式パイロン（各翼の下に2つずつ）が装備されていた。パナビア・トーネードやスホーイSu-24などの後続の可変翼機も同様の装備を備えていた。

ソビエト連邦でも、軍事計画担当者が同様の要求を策定し、ソビエト航空力学局であるTsAGIが可変翼に関する広範な研究を行った。TsAGIは、主に翼支点間の距離（全翼幅に対する割合で表される）が異なる2つの異なる設計を開発した。支点間隔を広げることで、翼後退角の変化による負の空力効果を軽減するだけでなく、着陸装置や兵装パイロンに使用できるより大きな固定翼部分も確保できた。実際、これは多かれ少なかれ既存の機体に適用可能であり、ソビエトはそれに応じて、スホーイSu-17（以前の後退翼のスホーイSu-7をベースにしたもの）などを採用した。しかし、広い支点間隔の制約は、可変翼の利点を技術的な困難さを軽減するのと同様に減少させることだった。

そのため、ソ連の「白紙」設計による新規開発は依然として望ましいものであった。このため、ツァギはF-111にやや似た、より狭い間隔の配置を考案した。この設計は、規模は異なるものの、ミコヤン・グレビッチMiG-23戦闘機とスホーイSu-24戦術爆撃機に採用された。両機とも1960年代末頃に試作機として飛行し、1970年代初頭に就役した。1962年、ツポレフの設計チームは、最近導入されたツポレフTu-22爆撃機に改善の余地があることを認識し、可変翼を組み込んだ大幅に再設計された派生型の開発に着手した。これは、高速での効率性を向上させるというよりも、Tu-22の操縦性の悪さを改善することを目的としていた。^{[ 33 ] [ 34 ]} 2014年現在100機以上のツポレフTu-22M戦略爆撃機が使用されている。^{[ 35 ]}

1950年代後半から1960年代初頭にかけて、イギリスは超音速低空戦略爆撃機であるBAC TSR-2を開発していた。この機種の後期型には可変翼が装備される予定だった。 ^{[ 36 ]}しかし、1965年4月1日、TSR-2の開発は、主にプログラムのコストが急騰したため、飛行試験段階で中止された。^{[ 37 ] [ 38 ]} TSR-2の後継機として、航空省は当初、アメリカのジェネラル・ダイナミクスF-111Kのオプションを設定した。^{[ 39 ] [ 40 ]} F-111Kはより安価であると宣伝されていたが、^{[ 41 ]}これも1968年1月にコストを理由に中止された。^{[ 42 ]}

TSR-2 の中止後、BAC は可変翼機の開発作業をウォートンに移し、そこで P.45 軽攻撃/練習機を AST 362 に提出した。この作業は、可変翼攻撃機を開発するための英仏共同プログラム、英仏可変翼機(AFVG) につながった。この多用途機は可変翼を備え、攻撃、偵察、迎撃の役割を果たすことを目的としていた。^{[ 43 ] [ 44 ]}しかし、1966 年という早い時期に、フランスの航空機メーカーであるダッソーは、可変翼ミラージュ Gとミラージュ F1という 2 つの競合する社内プロジェクトに取り組んでいたため、AFVG を積極的に妨害し始めた。^{[ 45 ]}航空作家のデレク・ウッドによれば、ダッソー社とフランス空軍はともにAFVGに熱心ではなく、前者は独自の可変翼機の開発を望んでおり、後者は同機が将来の装備計画に合致しないと判断していた。^{[ 44 ]} 1967年6月、フランス政府は表向きはコストを理由にAFVG計画からの撤退を発表した。^{[ N 1 ] [ 47 ]}

AFVG 計画が頓挫したにもかかわらず、設計は BAC によってより大型の攻撃指向の可変ジオメトリ航空機に改良された。英国可変ジオメトリ (UKVG) 航空機として再指定されたプロジェクトを支援するために、BAC に保留契約が発行された。^{[ 48 ] [ 49 ]} 1967 年 11 月、BAC は UKVG 提案に関するパンフレットを発行した。さまざまな提案が、複数の異なるエンジンの使用をカバーするために発行される予定だった。ロールス ロイス/MAN ターボ RB153ターボファン エンジン 2 基を搭載したデモンストレーター機の迅速な生産も検討された。^{[ 49 ]} UKVG への単独の資金調達は非現実的であったため、英国政府は NATO 加盟国内でパートナーを探し、^{[ N2 ]}共通の NATO 攻撃機の開発と調達の概念を推進した。 1968年7月、イギリス、西ドイツ、イタリア、オランダ、ベルギー、カナダの間で覚書が締結された。^{[ 51 ]}この覚書は最終的に多国籍多用途戦闘機（MRCA）プロジェクトの開始につながり、パナビア・トーネードという形で攻撃、偵察、迎撃任務用の可変翼機の開発に成功した。^{[ 50 ] [ 52 ] [ 53 ]}

AFVGの取り組みに続いて、ダッソー・アビエーションは試作戦闘機ミラージュGを製作し、1968年にミラージュG4とG8の2機を完成させた。^{[ 54 ]}さらに、ダッソーはアメリカの製造会社リン・テムコ・ヴォートと協力してLTV V-507を開発し、これはアメリカ海軍のVFXプロジェクトに提出された。^{[ 55 ]} VFXの提出物の中から、アメリカ海軍は1970年代にキャンセルされたF-111B艦隊迎撃機の代替としてグラマンF-14トムキャットを調達した。F-14はF-4ファントムIIよりも機敏な戦闘機であり、F-111とは異なり、可変翼は速度範囲全体にわたって自動的に調整され、旋回中も動かすことができた。さらに、翼は近接空中戦でのタイトな「バット」ターンのために前方に後退させることができ、ダッシュ速度のために後方に後退させることもできた。^{[ 56 ] [ 57 ]}

ロックウェル社は、より大規模な先進有人戦略爆撃機（AMSA）計画で可変翼を採用し、B-1 ランサー爆撃機を開発した。この計画は、極めて低い高度での高速巡航効率と高速超音速侵入速度の最適な組み合わせを提供することを目的としていた。B-1 の可変後退翼は、離着陸時に比較的高い揚力を提供すると同時に、高速ダッシュ中に抗力をほとんど発生させない。^{[ 58 ]}翼を最も広い位置に設定したとき、この航空機は B-52 よりもかなり優れた揚力と出力を持ち、B-1 ははるかに幅広い種類の基地から運用することができた。^{[ 58 ]}ロックウェル社は 1970 年 1 月に提案書を提出し、ボーイング社とジェネラル・ダイナミクス社の入札と競合した。^{[ 59 ] [ 60 ]} B-1 の開発は、ますます脆弱になってきた B-52 とより高性能な先進技術爆撃機（ATB）の間のつなぎとして 1981 年 10 月に承認された。^{[ 58 ] [ 61 ]} 1986年10月1日に初期運用能力が達成され、B-1Bは核警戒態勢に入った。^{[ 62 ] [ 63 ]}

ソビエト連邦は、可変翼を備えた大型戦略爆撃機の開発も選択した。1970年代初頭、当初航空機160Mと命名されたツポレフの設計は、延長されたブレンデッドウィングレイアウトを特徴とし、 Tu-144の要素の一部を取り入れ、ミャシシチェフM-18とスホーイT-4の設計と競合した。^{[ 64 ]}ツポレフTu-160と命名されたこの機体は、1987年4月にウクライナSSRのプリルキ空軍基地に所在する第184親衛重爆撃機連隊で運用を開始した。^{[ 65 ]}この機体は、2020年現在、最大かつ最重量の戦闘機であり、使用されている最速の爆撃機であり、これまで飛行した中で最大かつ最重量の可変翼機である。^{[ 66 ]}

ボーイング社がFAAの超音速輸送機研究に応募した2707型機では、可変後退翼が採用され、最終的に採用された。しかし、設計段階でいくつかの構成変更を経て、最終的にカナード翼が追加され、設計が重くなりすぎて必要な燃料を積載するのに十分なペイロードが確保できないことが明らかになった。この設計は後に、より一般的な尾翼付きデルタ翼を採用するために放棄された。^{[ 67 ]}

1970年代に緩和安定性飛行制御システムが登場したことで、固定翼機の多くの欠点が解消された。Tu-160以降、可変翼機は新たに製造されていない。

2015年、ロシア国防省は、現行機の老朽化と、最終的な後継機であるPAK DAプロジェクトの開発が長期化する可能性が高いことを理由に、Tu-160の生産を再開する計画を発表した。^{[ 68 ]} 2021年に生産が再開され、29年ぶりに新しい可変翼機が生産されることになった。^{[ 69 ] [ 70 ]}