推力偏向

多軸推力偏向エンジンノズルの動き

推力ベクトル制御（TVC）としても知られる推力ベクトル制御は、航空機、ロケット、またはその他の乗り物がエンジンまたはモーターからの推力の方向を操作して、乗り物の姿勢または角速度を制御する機能です。[ 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な手段となります。排気ベーンとジンバルエンジンは、1930年代にロバート・ゴダードによって使用されました。

航空機において、この方法は当初、垂直離着陸（ VTOL）または短距離離着陸（STOL ）を可能にする手段として、上向きの垂直推力を提供することを目的としていました。その後、戦闘状況において推力偏向を利用することで、従来型エンジン搭載機では不可能な様々な機動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、旋回を行うためにエルロンやエレベーターなどの空力操縦翼面のみに頼る必要があります。一方、偏向を使用する航空機は操縦翼面を使用する必要がありますが、その程度は軽減されます。

ロシアの情報源に由来するミサイル文献では、推力偏向はガスダイナミックステアリングまたはガスダイナミックコントロールと呼ばれています。[ 4 ]

方法

ロケットと弾道ミサイル

異なる推力ジンバル角度によって発生するモーメント
ノズルを作動させて推力を方向転換するロケットの動きのアニメーション

通常、ロケット ノズルの推力ベクトルの作用線は機体の質量中心を通過し、質量中心の周りで発生する正味トルクはゼロです。主ロケット推力ベクトルを質量中心を通過しないように偏向させることで、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。作用線は一般にロール軸とほぼ平行に向いているため、ロール制御には通常、2 つ以上の別個にヒンジで接続されたノズルを使用するか、フィンやロケット エンジンの排気プルーム内のベーンなど、主推力を偏向させるまった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生成しているときにのみ可能です。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メカニズムが必要です。

推力偏向は4つの基本的な手段によって達成できる：[ 5 ] [ 6 ]

  • ジンバルエンジンまたはノズル
  • 反応性流体注入
  • 補助「バーニア」スラスター
  • 排気ベーン（ジェットベーンとも呼ばれる）

ジンバル推力

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制御することで実現されます。これは、タイタンIIのツイン第一段モーターのように燃焼室全体とエンジン外側のベルを動かすこと、あるいは燃料ポンプと酸化剤ポンプを含むエンジンアセンブリ全体を移動させることを含みます。サターンVとスペースシャトルはジンバルエンジンを採用しました。[ 5 ]

固体燃料弾道ミサイル用に開発された後期の方式では、電動アクチュエータまたは油圧シリンダーを用い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、中央に穴の開いたボールジョイント、または耐熱材料で作られたフレキシブル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高出力の駆動システムを必要とする。トライデントC4およびD5システムは油圧駆動ノズルを介して制御される。STS弾道ミサイルシステム（SRB）はジンバル式ノズルを採用した。[ 7 ]

推進剤噴射

固体燃料弾道ミサイルに用いられる推力偏向制御のもう一つの方法は液体噴射である。この方法では、ロケットノズルは固定されているが、ミサイル後端周囲に設置されたインジェクターから排気流に液体が導入される。液体がミサイルの片側だけに噴射されると、その側の排気流が変化し、その結果、その側の推力に差が生じ、ミサイルにかかる正味の力が非対称となる。これは、ミニットマンIIやアメリカ海軍の初期の潜水艦発射弾道ミサイル（SLBM）で用いられた制御システムである。

バーニアスラスター

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される。バーニアスラスタは、専用のターボポンプを持たず、一軸ジンバル回転が可能な小型の補助燃焼室である。アトラスミサイルやR-7ミサイルに使用され、 R-7の後継機であ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、新規設計ではほとんど使用されていない。バーニアスラスタは、宇宙空間での機動に使用される固定式の独立型ロケットエンジンである 反応制御システムスラスタとは異なる。

排気ベーン

V-2ロケットエンジンのノズルのグラファイト排気ベーン

ロケットエンジンで推力偏向を行う最も初期の方法の1つは、エンジンの排気流にベーンを設置することであった。これらの排気ベーンまたはジェットベーンは、エンジンのどの部品も動かさずに推力を偏向させることができるが、ロケットの効率を低下させる。ノズルジンバルではできない、1つのエンジンだけでロール制御を可能にするという利点がある。V -2はグラファイトの排気ベーンと空力ベーンを使用しており、V-2から派生したレッドストーンも同様であった。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ロケットとネクソロケットは、ジェットベーンの現代的な例である。ジェットベーンは、溶融を防ぐために耐火物で作るか、積極的に冷却する必要がある。サファイアは銅の高い熱容量と熱伝導率を利用して固体の銅ベーンを使用し、ネクソは高い融点を利用してグラファイトを使用したが、積極的に冷却しないとジェットベーンは著しく侵食される。このことは、ジェットベーンの非効率性と相まって、新しいロケットでの使用をほとんど不可能にしています。

戦術ミサイルと小型発射体

AIM-9X サイドワインダーなどの小型の大気圏内戦術ミサイルの中には、飛行制御面を採用せず、代わりに機械式の羽根を使用してロケット モーターの排気を片側に逸らすものもあります。

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（ミサイルが高速に達する前の低速移動時）でも自力で方向転換できる。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速度が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距離を短縮することができる。例えば、エリクスやPARS 3 LRなどの対戦車ミサイルは、この理由で推力偏向を利用している。[ 8 ]

推力ベクトル制御を使用するその他の発射体:

航空機

ローターが従来の垂直配置になっている飛行機と、ヘリコプターのようにローターが水平配置になっている飛行機の図。
V-22オスプレイのティルトローター。離陸後、エンジンは90°回転する。

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エンジンを搭載し、排気流を偏向させています。この方式により、機体の中心線に対して最大90度まで推力を偏向させる設計が可能です。航空機がVTOL運用に推力偏向を使用する場合、エンジンは通常の飛行ではなく垂直揚力に適したサイズにする必要があり、重量が増加します。アフターバーニング（またはバイパス気流中のプレナムチャンバー燃焼、PCB）は組み込むのが難しく、離着陸時の推力偏向には実用的ではありません。これは、非常に高温の排気が滑走路面を損傷する可能性があるためです。アフターバーニングなしでは、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を方向転換します。この設計は、内部の柔軟な部品のねじれや、エンジン間のドライブシャフトによる動力伝達など、機械的な複雑さが非常に厄介です。現在のティルトローター機のほとんどは、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飛行をすると、必ず一方のローターがもう一方のローターよりもわずかに早く渦輪状態に入り、機体は予期せぬ急激なロールを起こします。

第一次世界大戦前のイギリス陸軍の飛行船デルタには、回転式プロペラが取り付けられていた。

推力偏向は飛行船の制御機構としても使われている。初期の応用例はイギリス陸軍の飛行船デルタで、1912年に初飛行した。[ 16 ]その後、1916年に初飛行したイギリスの硬式飛行船HMA（陛下の飛行船）第9r号[ 17 ]や、1930年代に空中航空母艦として使用されたアメリカ海軍の硬式飛行船USSアクロンとUSSメイコンにも使用され、同様の形の推力偏向は現代の非硬式飛行船の制御においても今日特に有用である。この用途では、荷重の大半は通常浮力によって支えられ、推力の偏向は航空機の運動を制御するのに使われる。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・ディルであった。

推力偏向装置を組み込んだジェット機の設計図は、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したため、政府の関心は薄れた。

現在研究されている流体推力偏向ノズル（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強制的に空気を送り込むことで、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、質量とコストが小さい（最大50%削減）、慣性が大きい（制御応答が高速かつ強力）、複雑性が高い（機械的に単純で、可動部品や可動面が少ない、あるいは全くないため、メンテナンスの負担が少ない）、そしてステルス性に優れたレーダー断面積を持つという利点がある。このノズルは、多くの無人航空機（UAV）や第6世代戦闘機に採用される可能性が高い。

ベクターノズル

2つの位置にある関節ノズルの図。1つ目はまっすぐな状態で、2つ目は90度曲がった状態です。
ジェットエンジンの推力偏向ノズル
超機動性を実現する推力偏向ノズルを備えたスホーイSu-35S。

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で実現されます。極端な場合、ジェットをヨー、ピッチ、ロールに偏向させることで、必要な力とモーメントが生成され、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が可能になります。TVFCは、主要な空力面が失速する飛行エンベロープ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、 STOVL航空機のホバリング中および、空力面が効果を発揮しない50ノット未満の速度でのホバリングと前進間の遷移中の制御が含まれます。 [ 21 ]

単発機のように単一の推進ジェットを用いて推力ベクトル制御を行う場合、ローリングモーメントを発生させることができない可能性がある。例えば、アフターバーナー付き超音速ノズルでは、ノズルの機能はスロート面積、出口面積、ピッチベクトル制御、ヨーベクトル制御である。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構成では、出口面積を独立して制御することはできない。[ 20 ]

CAFCを補完するためにTVFCを導入すると、航空機の機動性と安全性が最大限に高められます。戦闘による損傷でCAFCが機能不全に陥った場合でも、安全性が向上する可能性があります。[ 20 ]

TVFCを実現するために、様々な機械式および流体式のノズルが適用可能である。これには、固定式または形状可変式のコンバージェントノズルおよびコンバージェントダイバージェントノズルが含まれる。また、固定ノズル内に回転カスケード[ 22 ]や回転出口ベーン[ 23 ]などの可変機構を備えるものも含まれる。これらの航空機用ノズルの形状は、2次元（2D）から軸対称または楕円形まで様々である。TVFCを実現するために必要なノズルの数は、CTOL機では1個、STOVL機では最低4個である。[ 21 ]

定義

飛行中の実験用推力偏向機3機。左から右へ、F-18 HARV、X-31、F-16 MATV
軸対称
円形の出口を持つノズル。
従来型空力飛行制御（CAFC）
ピッチ、ヨーピッチ、ヨーピッチロール、または方向舵、フラップ、エレベーター、および/またはエルロンを使用した空気力学的偏向による航空機制御のその他の組み合わせ。
収束拡散ノズル（CD）
一般的にノズル圧力比（NPR）が3を超える超音速ジェット機で使用されます。エンジンの排気は収束部で膨張してマッハ1を達成し、次に発散部で膨張して出口面で超音速を達成します。低NPRではそれ以下になります。[ 24 ]
収束ノズル
一般的に、npr < 3の亜音速および遷音速ジェット機で使用されます。エンジンの排気は収束部を通して膨張し、出口面でマッハ1を達成します。低nprではマッハ1以下になります。[ 24 ]
有効ベクトル角
任意の瞬間におけるジェット気流の中心線の平均偏向角度。
固定ノズル
不変形状の推力偏向ノズル、または偏向中に一定の幾何学的面積比を維持する可変形状の推力偏向ノズル。これは民間航空機ノズルとも呼ばれ、旅客機、輸送機、貨物機、その他の亜音速航空機に適用可能なノズル推力偏向制御を表す。
流体推力ベクトル制御
二次空気源（通常はエンジンコンプレッサーまたはファンからのブリードエア）を使用して排気流を操作または制御すること。[ 25 ]
幾何学的ベクトル角
ノズルの幾何学的中心線（ベクトル制御時）。ノズルの幾何学的スロート部以降でベクトル制御されるノズルの場合、この中心線は実効ベクトル制御角度と大きく異なる可能性があります。
3ベアリングスイベルダクトノズル（3BSD [ 21 ]）
エンジン排気ダクトの３つの角度付きセグメントはダクトの中心線を中心に互いに回転し、ノズル推力軸のピッチとヨーを生成します。[ 26 ]
3次元（3D）
多軸またはピッチとヨーの制御が可能なノズル。[ 20 ]
推力偏向（TV）
フレキシブル ノズル、フラップ、パドル、補助流体力学、または同様の方法の実装により、ジェットを体軸から遠ざけるように偏向させます。
推力偏向飛行制御（TVFC）
ピッチ、ヨーピッチ、ヨーピッチロール、または一般的には空気吸入ターボファンエンジンから発生する推力の偏向による航空機制御のその他の組み合わせ。
2次元（2D）
正方形または長方形の出口を持つノズル。2次元とは、幾何学的形状に加えて、単軸またはピッチのみで制御される自由度（DOF）を指すこともあり、後者の場合は丸型ノズルも含まれます。[ 20 ]
2次元収束発散（2-D CD）
ピッチのみを制御する戦闘機の正方形、長方形、または円形の超音速ノズル。
可変ノズル
可変形状の推力偏向ノズル。偏向時にノズル有効面積比を一定に維持、または可変にすることができる。これは、アフターバーナーを備えた戦闘機やその他の超音速航空機に適用されるノズル推力偏向制御を代表しているため、軍用機ノズルとも呼ばれる。収束部は、収束スロート面積と所定の関係に従って、発散部によって完全に制御することができる。[ 20 ]あるいは、スロート面積と出口面積を独立して制御することで、発散部を正確な飛行条件に適合させることができる。[ 20 ]

ノズル制御の方法

幾何学的面積比
ベクターリング中、スロートから出口までの幾何学的面積比を一定に保ちます。ベクターリング角度が増加するにつれて、有効スロートは狭くなります。
有効面積比
ベクターリング中、スロートから出口までの有効面積比を一定に保ちます。ベクターリング角度が増加すると、幾何学的なスロートが開きます。
差分面積比
一般的には、質量流量の関数として最適な有効面積を予測することにより、ノズルの拡張効率を最大化します。

推力偏向の方法

タイプI
ベースフレームが幾何学的なスロートの前で機械的に回転するノズル。
タイプII
ベースフレームが幾何学的なスロート部分で機械的に回転するノズル。
タイプIII
ベースフレームが回転しないノズル。代わりに、出口後部に機械的な偏向ベーンまたはパドルを追加することで、ジェットの偏向が可能になります。
タイプIV
逆流または並流によるジェット偏向（衝撃波ベクトル制御またはスロートシフトによる）[ 25 ]補助ジェット流。二次流体噴射を用いた流体ベースのジェット偏向。[ 25 ]
追加タイプ
上流排気ダクトがダクト中心線を中心に互いに回転するくさび形のセグメントで構成されているノズル。[ 21 ] [ 26 ] [ 27 ]

運用例

航空機

シーハリアーFA.2 ZA195前方（コールド）ベクトルスラストノズル

2D推力偏向の一例として、ホーカー・シドレー・ハリアーやその派生型であるAV-8BハリアーIIに搭載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ます。西側諸国の生産型戦闘機における機動性向上のための推力偏向の普及は、アフターバーナーと2D推力偏向を備えたプラット・アンド・ホイットニーF119ターボファ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年に実用化されるまで待たなければなりませんでした。[ 28 ]

推力偏向ノズルを装備して離陸するイギリス海軍の F- 35B 。

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従来型のアフターバーナー付きターボファン (プラット・アンド・ホイットニー F135) を使用しているが、アメリカ海兵隊、イギリス空軍、イギリス海軍、イタリア海軍で共同使用するために開発された派生型 F-35B には垂直に取り付けられた低圧シャフト駆動リモートファンも組み込まれており、着陸時にエンジンからクラッチを介して駆動される。このファンとメインエンジンのファンの排気は両方とも推力偏向ノズルによって偏向され、揚力と推進力の適切な組み合わせを提供する。これは戦闘中の機動性向上のために考案されたものではなく、VTOL運用のみを目的としており、F-35A と F-35C では推力偏向はまったく使用されていない。

スホーイSu-30MKIは、インドがヒンドゥスタン航空機有限会社でライセンス生産したもので、インド空軍で現役運用されている。TVC（後燃焼式ターボファンエンジン）により機体の操縦性は高く、高迎え角でも失速することなくほぼゼロ対気速度で飛行でき、低速でもダイナミックな曲技飛行が可能である。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、エンジン縦軸に対して32度外側（水平面内）に設置されており、垂直面内で±15度傾けることができる。これによりコルクスクリュー効果が生じ、機体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化された研究では、ボーイング727や747のような現存する旅客機に推力偏向装置を追加して壊滅的な故障を防いでおり、実験機X-48Cは将来ジェット操縦される可能性がある。[ 30 ]

他の

推力偏向を使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、スウィングファイアなどの小型の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、超機動性を実現する高速ウォータージェット操舵という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、そして米海軍の沿海域戦闘艦が挙げられる。[ 30 ]

推力偏向航空機の一覧

推力偏向には、主に2つの利点があります。VTOL/STOLと機動性の向上です。航空機は通常、どちらかの利点を最大限に引き出すように最適化されますが、もう一方の利点も活かされます。

VTOL能力について

より高い操縦性のために

2次元のベクトル化

3次元のベクトル化

GE 軸対称ベクトル排気ノズル、 F-16 MATVに使用

STOL能力について

傾斜STOLノズルを備えたグラマンYA2F-1イントルーダー

飛行船

ヘリコプター

参照

参考文献

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