リフティングボディ

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』

代表的なアメリカのリフティングボディ機であるX-24A。

リフティングボディ（英：Lifting body）とは、航空機もしくは宇宙船（特に宇宙往還機）において機体を支える揚力を生み出すように空気力学的に工夫された形状を有する胴体のことである。遷音速から超音速域での飛行時に特に大きな抗力発生源となる通常の固定翼機型の翼を廃し、その分必要になる浮揚力を胴体から賄うために利用されることが多く、1960年代に開発されたアメリカの実験機M2シリーズやX-24(en:Martin-Marietta X-24)などが本形態を採用した代表的機体である。

[編集] 概要

固定翼機では胴体に取り付けられた翼（主翼）によって大部分の浮揚力を生み出しているが、この翼は揚力発生機構であると同時に最大の抗力発生源でもある。特に有翼型宇宙往還機（スペースシャトル等）において、帰還時の滑空には大きな揚力を生む広い翼が必要であるものの、打ち上げの加速時には翼は非常に邪魔な存在となる。なぜなら大気圏中における高速飛行時には空気摩擦抵抗によって尖った形状の部位に局所的な応力及び熱が集中するからであり、胴体から飛び出した翼には特に大きな負荷がかかり、それが機体の致命的な損傷を招く可能性もある^[1]。そのような事情により、翼をより小さく、出来ればなくしたいというモチベーションが生まれ、リフティングボディの研究の素地となってきた。

ところで一般的に流体中に置かれた物体にはそれがどのような形状であってもある程度の揚力が発生するが、流体力学的に何ら工夫されていない形状では揚力に比して抗力が大きく、その物体を浮揚させるだけの揚力を得ることは困難である。そこでリフティングボディでは胴体を滑らかに、なるべく丸く整形することで抗力を可能な限り減少させ、かつ積極的に揚力を生み出すような形状（一種の翼型）にまとめている。このような工夫によって極力翼を小さくし、揚力と抗力の妥協を図っている。もちろんリフティングボディは一般的な翼に比べて浮揚力を生み出すには不利な形状であるため、一定の速度（低速時）においてはそれらに比べ発生揚力が大きく下回る。しかし、超音速や極超音速といった特殊環境下では発生抗力の小ささ故にむしろ通常の翼の性能を上回り、機体を支えるのに十分な揚力を供給することができる。

狭義の「リフティングボディ」は上記のようなコンセプトの基に作られたアメリカの一連の実験機のことを指すが、「浮揚力を発生させる胴体」という字義的な意味で慣用的に使用される場合も多く、通常の翼を有していても胴体で意図的にある程度の浮揚力を発生させている機体をリフティングボディ機に含めることもある。なお、機体全体が翼（薄翼）となっている全翼機とはその形態や応用目的の違いから区別されることが多い。また近年提唱されているブレンデッドウィングボディ（Blended Wing Body、略称BWB）と一見共通する部分もあるが、両概念の提唱や実証を行っているNASAやアメリカ空軍ではそれらを別個のものとして扱っている。

[編集] 主な歴史

左からX-24A、M2-F3、HL-10。

X-24から引き継いだリフティングボディを採用したX-38の三面図。

風洞実験中のX-43の模型。

既述の通り「リフティングボディ」が固有名詞的に用いられる場合はNASAやアメリカ空軍の実験機群のことを指すが、以下ではそれに拘らず広い意味でリフティングボディとして言及されている機体も紹介する。

最初期に現れたリフティングボディ機はアメリカの航空機設計家ビンセント・ブルネリ(en:Vincent Burnelli)が1921年に開発したRB-1である^[2]。RB-1は胴体幅が広く、その機軸にそった縦断面が分厚い翼型をしている特異な外観の複葉機であり、胴体で発生する揚力が機体の浮揚に貢献する設計となっていた。以後もブルネリは同様の航空機を設計したが、その多くは必要となる浮揚力の半分程度を胴体で発生させるというものであった。ただしブルネリの設計は後述するNASAの実験機のように高速性を狙ったものではなく、浮揚力の増大による効率の改善と搭載量の増加を意図したものであり、それは現代のBWBに通じるものであった^[3]。

リフティングボディがその狭義の概念と代表的な形態を確立するのは1950年代に本格的な宇宙開発が開始された後のことである。当時の宇宙船は大気圏への再突入時に滑空性と操舵性が考慮されていないカプセル型のものであったが、1950年代半ばにNACA（NASAの前身）のエームズ研究所が通常の飛行機と同様の着陸によって基地へ帰還できるような宇宙船の発案を行い、リフティングボディの概念が形成されることとなった。

エームズ研究所の案を初めて実行に移したのはドライデン飛行研究所のデール・リード(Dale Reed)率いるチームであり、1962年から機体の試作を行った。そうして翌1963年、外皮に合板を使ったグライダーであるM2-F1が完成し、自動車や輸送機に曳航されて空力特性のテストが行われた。さらに同年、M2-F1で得られたデータを基に大出力ロケットエンジンXLR-11を搭載した全金属製の後継機M2-F2の製作が開始され、1966年にノースロップの手によって完成し、B-52に懸架されて空中分離・滑空試験が行われた。このM2-F2は1967年に着陸事故を起こしてひどく損傷したものの、事故の教訓から機体後部中央に垂直安定板を新設したM2-F3(en:Northrop M2-F3)として生まれ変わり、より安定性の高い機体となったことが確かめられた。

また同時期にNASAのラングレー研究所が設計し、ノースロップが製造したHL-10(en:Northrop HL-10)は1970年に有人リフティングボディ機の最高速度（高度約27,000mでマッハ1.86）を記録した。一方、1960年代末から70年代初頭にNASAとアメリカ空軍の共同でM2シリーズを元に開発された大気圏再突入研究用の実験機X-23（en:X-23 PRIME、高速試験用の無人機）及びX-24（低速試験用の有人機）はスペースシャトル開発やその後のXプレーンに繋がる有用なデータを残した。

さらに比較的最近では1997年にスケールド・コンポジッツにより製作された宇宙ステーションからの帰還機（Crew Return Vehicle、略称CRV）のテストモデルであるX-38(en:X-38)もX-24と同様のリフティングボディを採用し、パラシュートとパラフォイル（パラグライダーと同様）を使った安全な滑空と着陸の試験のために使用されていた。実はこれに先立つ1990年頃にも同様のコンセプトの基にHL-20(en:HL-20 Personnel Launch System)というリフティングボディ機が計画され、フルスケールの機体モデルを用いた乗員の乗降テストや居住性に関する調査が行われている。また単段式宇宙往還機(SSTO)の要素技術の一つであるスクラムジェットエンジンを備えた無人高速実験機X-43もリフティングボディ形態であり、2001年から試験を行い2004年にはマッハ9.8を記録した。

この他、アメリカ以外の国の宇宙往還機の設計案にもリフティングボディが取り入れられることが多く、例として2007年現在開発が進行中のロシアのクリーペルや欧州宇宙機関のホッパー(en:Hopper (spacecraft))などがある。また1990年代初頭にアメリカの航空技術者バーナビー・ウェインファン(Barnaby Wainfan)により開発されたホームビルト飛行機のファセットモービルや、2007年現在ドイツで開発中の水素燃料を用いた複座ジェット機スマートフィッシュ(en:Smartfish)などがリフティングボディ機として言及されている。

[編集] 開発例

ロシアで開発中の宇宙往還機クリーペルの設計案の一つ。

ドイツで開発中の航空機スマートフィッシュの構想図。

HL-10 - M2シリーズと同時期にノースロップが製造しNASAのラングレー研究所により実験された機体。
HL-20 - PLS（Personnel Launch System）のコンセプトの基に計画された地上・宇宙ステーション間の人員輸送機で、経済性と安全性の両立を主眼に実現可能性の検討が行われたが、1991年以降目立った動きはない。
M2-F1、M2-F2、M2-F3 - NASAにおけるリフティングボディ機の端緒となった機体シリーズ。
X-23 プライム - 大気圏再突入時の高速状態における機体の熱負荷や飛行特性を調べるために開発された無人実験機。アブレータに関する有用なデータを残した。
X-24 - X-23に対して低速時の飛行特性や着陸性能を調べるために開発された有人実験機。外形の異なるA型とB型がある。
X-30 NASP - 大気圏外の軌道を飛行するスペースプレーンのテストベッドであったが、実機の完成を見る前に開発は終了した。
X-33/ヴェンチャースター - スペースシャトルの後継となる単段式宇宙往還機の技術実証機だが、技術的課題によるトラブルと資金不足により機体完成には至らなかった。
X-38 スペースタクシー - 国際宇宙ステーションからのより大人数（7名）の帰還を実現するために製作された連絡用の機体のテストモデル。
X-43 ハイパーX - 単段式宇宙往還機の要素技術であるスクラムジェット推進の高速無人試験機。
クリーペル - ロシアで開発中の宇宙往還機。
スマートフィッシュ - ドイツで開発中のマグロをモチーフにした水素燃料式の小型飛行機。
ファセットモービル - ステルス攻撃機 F-117に似た外観を持つホームビルト飛行機。
ホッパー - ヨーロッパで開発中の宇宙往還機。

[編集] 利点と欠点

リフティングボディには既述のように翼による抗力を減少させる効果が第一にあるが、応力や熱に弱い薄翼をなくすことで機体の剛性を高めることができるという利点もある。一方、通常の固定翼機に比べて機体の安定性は悪く、特に低速域では気流が剥離することによる失速が起こりやすくなっている。この安定性の不足のためにM2-F2は着陸事故を起こし、それを受けてM2-F3では横方向の安定性を高めるために機体中央後部に垂直安定板が追加された。またHL-10やX-24も機体中央後部に安定板を有し、さらに機体左右後部の垂直安定板を機体の外側に向けて傾けることで安定性の改善を図っていた。

[編集] 全翼機との違い

代表的な全翼機XB-35。広い翼自体が胴体を兼ねている。

BWBの概念実証機X-48B(en:Boeing X-48)。翼と胴体の内部構造的な違いはあるが、外見的には両者が連続しており境界の区別がつかない。この他著名な機体では戦闘機 F-16がBWB機として言及されることがある。

全翼機は機体全体を翼とすることで円筒形の胴体や尾翼による抗力及びその重量をなくして高効率を目指した形態であるが、リフティングボディ機は胴体で積極的に揚力を生み出し通常翼を廃した分の抗力低減により高速性を重視した機体が多く、その基本コンセプトは異なる。また代表的な全翼機である試作爆撃機 XB-35とNASAの一連の実験機（X-24等）を比べればその外観の差異は一目瞭然である（翼ありきか胴体ありきかの違いとも言えるし、尾翼の有無も決定的である）。

また、これまでの開発史を概観した場合、例外はあるものの全翼機とリフティングボディ機の機体規模や使用速度域には明確な違いがあり、応用される分野や目的は異なっている。主に全翼機は大気圏中で一般的に適用される速度域（音速以下）を想定しており、その効率（燃費）の良さやステルス性を活かした大型機（爆撃機）としてアメリカを中心に研究開発が行われてきた経緯がある。一方、狭義のリフティングボディは主に音速以上で飛行する航空機の機体にかかる負荷を減らし、十分な滑空性を持たせるために利用されてきた。

しかし、両者とも機体面の広い領域で有効な浮揚力を発生しているという点では共通しており、厳密な定義による区別がある訳ではない。またどちらも航空機の形態としては普及しておらず、採用例が限られているために一般的な分類法を論じることが難しいという側面もある。なお全翼機から発展したBWBは胴体と翼が融合した形態であり、見方によっては機体全体が胴体のようにも見える点がリフティングボディ機との類似を感じさせる。

[編集] 脚注

^ このような事実は小型のデルタ翼を有するスペースシャトルの設計を批判する材料ともなっている。なおスペースシャトルの胴体はある程度の揚力を発生するリフティングボディではあるが、大気圏中で浮揚に必要になる揚力の大部分は機体後部に取り付けられた翼から得ている。
^ Burnelli's Lifting Bodies A Photographic Chronology - ブルネリが設計した航空機の一覧とその写真もしくはイラストがある。
^ 実際、1940年以降にブルネリが構想した航空機は現代型のBWBに漸近している。なおブルネリの設計は全翼機に分類されている場合もある。

[編集] 関連項目

ウィキメディア・コモンズには、リフティングボディ に関連するマルチメディアがあります。

[編集] 参考文献

en:Lifting Body - リフティングボディ機の開発史は主に左記の英語版ウィキペディアの頁を参照している。
Dennis R. Jenkins, Tony Landis, and Jay Miller, "AMERICAN X-VEHICLES Centennial of Flight Edition An Inventory—X-1 to X-50," Monographs in Aerospace History No. 31, 2003, pp.30-32,38,42,48,61.

カテゴリ: 航空工学 | 航空機の形態

See also ebooksgratis.com: no banners, no cookies, totally FREE.