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可変後退翼は、俗に「スイング ウィング」とも呼ばれ、飛行中に変更して後退させ、その後元の直線位置に戻すことができる飛行機の 翼、または翼のセットです。航空機の形状を変更できるため、可変形状航空機の特徴です。
直線翼は低速飛行には最も効率的ですが、遷音速または超音速飛行用に設計された航空機の場合、翼が後退角であることが不可欠です。これらの速度で飛行するほとんどの航空機は、通常、固定後退角の翼（後退翼またはデルタ翼）を備えています。これらは高速飛行用の単純で効率的な翼設計ですが、性能上のトレードオフがあります。1つは、失速速度が上昇し、長い滑走路が必要になることです（複雑な高揚力翼装置が組み込まれていない場合）。もう1つは、亜音速巡航中の航空機の燃料消費量が、後退角のない翼よりも高くなることです。これらのトレードオフは、海軍の空母搭載航空機で特に深刻です。可変後退角翼を使用すると、パイロットは、低速か高速かに関係なく、その瞬間の航空機の速度に最適な後退角を使用できます。より効率的な後退角を利用できるため、翼の機械的な後退機構によって課される重量と容積のペナルティが相殺されます。より複雑でコストがかかることから、主に軍用航空機に実用的です。
1940年代から1970年代にかけて、実験用および量産用の多数の航空機が導入されました。可変後退角翼を装備する量産機の大部分は、ミコヤン・グレヴィチ MiG-27、ツポレフ Tu-22M、パナビア トルネードなどの攻撃指向の航空機でした。この構成は、ミコヤン・グレヴィチ MiG-23、グラマン F-14 トムキャット、パナビア トルネード ADVなどのいくつかの戦闘機/迎撃機にも使用されました。 1980年代以降、飛行制御技術と構造材料の進歩により、設計者は航空機の空力と構造を細かく調整できるようになり、必要な性能を達成するために可変後退角が必要なくなったため、このような航空機の開発は縮小されました。代わりに、翼の前縁と後縁の両方にコンピューター制御のフラップが設けられ、飛行状況に合わせて翼のキャンバーまたは翼弦を自動的に増減させます。この技術は可変ジオメトリの別の形です。
特徴
可変スイープ
直線の後退角のない翼は、音速に近づくにつれて、音波の衝撃波が徐々に増大するため、大きな抗力が発生します。翼を後方または前方に斜めにすると、衝撃波の発生が遅れ、全体的な抗力が減少します。ただし、これにより、特定の翼の全体的な翼幅も減少するため、巡航効率が低下し、離着陸速度が速くなります。
固定翼は、これら 2 つの要件の妥協案でなければなりません。飛行中にスイープを変えることで、飛行の各段階を最適化し、より小型の航空機でより高性能を実現できます。ただし、考慮しなければならない欠点もあります。翼がスイープすると、揚力の中心も一緒に移動します。スライド式の翼根や大型の尾部安定装置などの何らかの機構を組み込んで、変化を調整し、水平飛行を維持する必要があります。スイープとトリムの機構によって重量が増すと、パフォーマンスの向上が損なわれ、複雑さによってコストとメンテナンスが増加します。
翼のピボットを外側に移動し、翼の一部のみをスイープすることにより、トリムの変化は減少しますが、翼幅の変化とそれに伴う運用の柔軟性も減少します。
翼制御式航空機
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た。彼はこれを従来の固定翼航空機とは異なるものとみなし、翼制御式エアロダインと呼んだ。彼は飛行船の安定性に関する以前の研究で、非常に小さな偏向によって航空機の胴体に高い制御力をかけることができることを印象づけていた。彼は可変翼を備えた単純な魚類型（魚のような）胴体を考案した。他の制御面は不要だった。翼の微妙な動きで小さな偏向を引き起こし、飛行方向を制御することができた。一方、異なる速度で変化する揚力中心の位置を補正するために後退角を調整することで、トリムを維持した。[1] [2]
超音速飛行には、単純な魚類よりもデルタ平面形状の揚力体の方が適している。また、トリムに必要な翼後退角と超音速巡航に最適な角度との間に矛盾が生じる。ウォリスは、推力線を維持するために、質量、通常はエンジンを翼端まで移動し、翼後退時にエンジンを旋回させることでこの問題を解決した。非対称のエンジンアウト状態では、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、非対称性を扱いやすいレベルまで減らすことができる。[1]
非対称スイープ
左舷翼と右舷翼を同じ方向に後退させる必要はありません。 斜め翼の場合のように、一方を後方に後退させ、他方を前方に後退させることができます。
スイープを少しずつ非対称に変化させることも、翼制御航空機の原理の基本でした。
歴史
起源
可変後退角の最も初期の使用は、水平飛行のために飛行機をトリムすることだった。1931年のウェストランド・ヒル社のプテロダクティルIVは尾翼のない設計で、軽度の後退角を持つ主翼は飛行中に小さな角度で後退角を変えることができた。[3]これにより、独立した水平安定装置がなくても縦方向のトリムが可能になった。[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取り入れられた。[5]
第二次世界大戦中、ナチスドイツの研究者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は実験的なジェット 戦闘機であり、翼の後退角を変えることの利点を調査するために開発されたものであった。[6]地上で 30 度、40 度、45 度の 3 つの位置の間でしか調整できない後退角機構はテストのみを目的としており、実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% しか完成していなかった。[7] [8]
発達
戦争の終結後、部分的に完成したP.1101が回収され、米国に輸送され、ベル・エアクラフト社によって詳細に研究された。しかし、文書の不足と構造上の損傷があったため、[9] [8]ベルは機体自体の完成を断念した。代わりに、飛行中に後退角を変更できる主翼を備えた、ベルX-5として知られる類似のコピーが製造された。主翼が後退すると、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年にプロトタイプのグラマンXF10Fジャガーで飛行した。しかし、F10Fの飛行テストは、エンジン出力の不足やかなりの操縦性の問題など、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であるLEベインズが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える方法を考案した。スライド機構は必要なく、代わりに翼の伴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年から1951年にかけて、ベインズはこの研究に関連する特許を申請した。[ 13] [14]設計は物理モデリングの段階に達し、風洞試験を徹底的に行ったが、当時の予算制約のためイギリス政府はこの研究に資金援助しなかった。[要出典]
ベインズとは独立して、イギリスの技術者バーンズ・ウォリスも、高速飛行の経済性を最大化するために、より急進的な可変形状コンセプトを開発していた。彼はこれを翼制御エアロダインと呼んだ。彼の最初の研究はワイルド・グース計画だった。[5]その後、バーンズはスワロー[5]を考案した。これは、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た、ブレンデッド・ウィングの無尾翼航空機である。後に、スワローは、イギリス空軍のV爆撃機の1つである亜音速のヴィッカース・ヴァリアントの超音速後継機になる可能性があるとますます考えられるようになった。 [15] 1950年代には、スワローのいくつかのモデルが、マッハ2までの速度で、6フィートのスケール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]
このような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を通じて研究努力が一時的に復活し、ウォリスの可変形状研究のすべてが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技術者ジョン・スタックはNASAの多くの技術者と同様にこのコンセプトに熱心だったが、米国防総省はこのプロジェクトにいかなる資源も投入することに反対した。[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翼戦闘機の設計研究を行った。彼が開発したピボット機構を採用していたが、NASAはトリムと操縦性の問題を緩和するために従来の水平安定装置の実装も主張した。それはもはやウォリスが思い描いていた翼で制御する航空機ではなかったが、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。スワローの研究では、コンパクトな折りたたみ式尾翼とカナードの採用など、いくつかの新しい構成が生まれました。[18]
バーンズの研究は、超音速STOL戦闘爆撃機のOR.346に対応した翼制御エアロダインを含む、多くのさらなる研究に影響を与え、その後、BACとしてさらに2つの提案、海軍ER.206を満たすタイプ583とNATO NBMR.3を満たすタイプ584（どちらもV/STOL要件）が提出されました。[1] 1960年、モーリス・ブレナンがフォーランド・エアクラフト社に主任技術者兼ディレクターとして入社し、すぐに可変形状翼の経験を活用し始めました。[19]したがって、そのような翼は同社のフォーランド・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つは無尾翼、もう1つは従来型の尾翼を使用する）の多目的戦闘機/打撃機/練習機としてFoと命名されました。 Fo. 147は胴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、翼の内側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度まで後退可能で、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度の位置では引き込み式のカナード装置によって制御され、完全な自動安定化が行われた。カナードを介してトリミング機能を提供することで、大型の尾翼の必要性が排除された。 [21] Fo. 147は、高速飛行によって発生する熱の蓄積によって制限されていたが、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、このコンセプトはプロトタイプ段階まで開発されず、RAFは将来の可変ジオメトリートレーナーにほとんど関心を示さなかった。[22]
生産
1960年代には、可変翼航空機の大量生産に向けた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、ジェネラル・ダイナミクス社製のF-111が開発された。これは、複数の役割を果たすことを目的とした大型の双発航空機である。 [23] [24] F-111は可変翼を備えた最初の量産航空機であり、地形追従レーダーやアフターバーナーを装備したターボファンエンジンなどの他のシステムとともに、当時としては革新的な技術であった。[25] [26]
この分野での有利なスタートにもかかわらず、F-111の開発は長期化しました。F-111Aモデルの飛行テストは1973年にようやく終了しました。[27] 1968年、F-111の翼取り付けポイントに亀裂が発見され、翌年のF-111の喪失もこの問題に起因するとされています。[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徹底的なテストが行われました。[29]アメリカ海軍向けのF-111Bは、機体の重量と性能の問題、および海軍の戦闘機要件を満たしていないため、1968年にキャンセルされました。[30] [31] FB-111A戦略爆撃機モデルなどのいくつかの派生型は、より長い航続距離と荷重運搬能力を実現するために細長い翼を特徴としていました。[32] F-111の主翼には旋回式パイロン（各主翼の下に2つ）が装備されており、自動的に後退角を調整した。パナビア・トルネードやスホーイSu-24などの後継機にも同様の装備が採用された。[要出典]
ソ連でも、軍事計画者が同様の要件を策定し、ソ連の航空力学局TsAGI が可変形状翼に関する広範な研究を行うことになった。 TsAGI は、翼のピボット間の距離 (全翼幅のパーセンテージで表す) が主に異なる 2 つの異なる設計を考案した。 翼間隔を広くすることで、翼の後退角の変化による空力的な悪影響が軽減されただけでなく、着陸装置や物資のパイロンに使用できる大きな固定翼セクションも提供された。 これは実際、ほぼ既存の機体に適応させることができ、ソ連はそれに従って、スホーイSu-17 (以前の後退翼の スホーイ Su-7をベースとした) を開発した。 ただし、翼間隔が広いことの制約により、技術的な困難さが軽減されるのと同程度に可変形状の利点が減ってしまった。[要出典]
そのため、ソ連の新しい「白紙」設計を生産することが望まれていた。このため、TsAGIはF-111に似た、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・グレヴィチMiG-23戦闘機とスホーイSu-24戦術爆撃機に採用され、どちらも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、導入されたばかりのツポレフTu-22爆撃機に改良の余地があることを認識して、可変形状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、高速での効率性を高めるというよりも、Tu-22の操縦性の悪さに対処することを目的とした。[33] [34] 2014年現在、[アップデート]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年代前半にかけて、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。この機種の後継機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高騰により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を選択肢に入れた。[39] [40] F-111Kはより安価であると宣伝されていたが、[41]これもコストを理由に1968年1月に中止された。[42]
TSR-2のキャンセル後、BACは可変形状の作業をウォートンに移し、そこでP.45軽攻撃機/練習機をAST 362に提出した。この作業は、可変形状攻撃機である英仏可変形状航空機（AFVG）を開発するための英仏共同プログラムに組み込まれた。この多目的航空機は可変形状翼を装備し、攻撃、偵察、迎撃の役割を果たすことになっていた。[43] [44]しかし、早くも1966年にフランスの航空機メーカーであるダッソーは、可変形状ミラージュ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を積極的に弱体化させ始めた。[45]航空作家デレク・ウッドによると、ダッソーとフランス空軍はAFVGにあまり熱心ではなかった。前者は独自の可変形状航空機の開発を望み、後者はその機種が将来の装備計画に合わないと判断したためである。[44] 1967年6月、フランス政府は表面上はコストを理由にAFVGプロジェクトからの撤退を発表した。[N 1] [47]
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AFVG計画が崩壊したにもかかわらず、その設計はBACによってより大型の攻撃指向の可変形状機へと作り直された。プロジェクトを支援するためBACに対して保留契約が発行され、このプロジェクトは英国可変形状（UKVG）機として再指定された。[48] [49] 1967年11月、BACはUKVG提案のパンフレットを発行し、複数の異なるエンジンの使用をカバーするために様々な提案が出されることになった。ロールスロイス/MANターボRB153ターボファンエンジン2基を搭載したデモ機の早急な製作も議論された。[49] UKVGへの資金提供のみでは非現実的だったため、英国政府はNATO加盟国内でパートナーを探し、[N 2] NATO共通の攻撃機の開発と調達の概念を推進した。1968年7月、英国、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目的戦闘機（MRCA）プロジェクトの立ち上げにつながり、攻撃、偵察、迎撃任務のための可変形状航空機であるパナビア・トーネードの開発に成功した。[50] [52] [53]
AFVGの取り組みに続いて、ダッソー・アビエーションはミラージュGという試作戦闘機を製作し、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業リン・テムコ・ヴォート社と共同でLTV V-507を開発し、米海軍のVFXプロジェクトに提出した。[55] VFXの提出により、米海軍は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、F-111とは異なり、可変後退翼は速度範囲に応じて自動的に調整され、旋回中でも動かすことができた。さらに、近接戦闘でのタイトな「バット」ターンのために翼を前方に後退させることができ、ダッシュ速度のために翼を後方に後退させることができた。[56] [57]
ロックウェルは、 B-1ランサー爆撃機を生み出した、はるかに大型の先進有人戦略爆撃機（AMSA）プログラムに可変ジオメトリを採用した。これは、高速巡航効率と超低高度での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し、高速ダッシュ中にほとんど抗力を発生しない。[58]翼を最も広い位置に設定した場合、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はより幅広い基地から運用することができた。[58]ロックウェルは1970年1月に提案書を提出し、ボーイングとジェネラル・ダイナミクスの入札に対抗した。[59] [60] B-1の開発は、ますます脆弱になっていたB-52と、より能力の高い先進技術爆撃機（ATB）との間の暫定的なものとして、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は核警戒態勢に置かれました。[62] [63]
ソ連も可変翼を備えた大型戦略爆撃機の開発を選択した。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の要素をいくつか取り入れ、ミャシシェフM-18やスホーイ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は、 1987年4月にウクライナソビエト社会主義共和国のプリルキ空軍基地にある第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、現役最速の爆撃機であり、史上最大かつ最重量の可変後退翼機である。[66]
陳腐化
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可変後退翼は、FAAの超音速輸送機2707の調査にボーイングが応募した際に採用された設計として選ばれた。しかし、設計段階でいくつかの構成を経て最終的にカナード翼が追加され、最終的にこの設計は重すぎて必要な燃料に対して十分な積載量が不足することが明らかになった。この設計は後に放棄され、より従来的な尾翼付きデルタ翼が採用された。[67]
1970 年代に緩和された安定飛行制御システムの登場により、固定翼構成の欠点の多くが解消されました。Tu-160 以降、新しい可変後退翼航空機は製造されていません。
2015年、ロシア国防省は、現行機の老朽化と、その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]生産は2021年に再開され、29年ぶりに新型可変スイープ機が生産されることになった。[69] [70]
可変後退角航空機の一覧
参照
ウィキメディア・コモンズには、可変後退翼に関連するメディアがあります。
参考文献
注記
- ^航空雑誌 「フライト・インターナショナル」によると、ダッソーはAFVGプログラムから可変形状構成に関する貴重なデータを入手しており、コストの問題を口実に資金とデータを自社のVGプロジェクトに流用した可能性がある。[46]
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