隠れた最先端技術、米国の航空母艦のカタパルトによる発艦

空母のカタパルト 航空機の技術
出典:US NAVY(米国海軍)のWebサイトからの画像(加工しています)

空母の艦載機として個人的に思いで深い機体は、初代トップガンの主役機F-14トムキャット、2代目トップガンの主役機F/A-18スーパーホーネットです。

そしてこれからの艦載機の主役になるのがF-35ライトニングIIシリーズで、空母(航空母艦)のカタパルトで運用可能なF-35Cと短距離離陸/垂直着陸可能なF-35Bがあります。

ここでは、基地の滑走路ではなく、海上かつ空母甲板におけるカタパルトを使った艦載機の発艦と、アレスティング・フックを使った着艦、及び、カタパルトについて、米国海軍のWebサイトの情報を主に写真で説明します。

空母のカタパルト発艦を高校物理の運動としてシミュレーションした例については、以下の記事をご参照ください。

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空母からの発艦と着艦のイメージ

空母からの発艦と着艦についての説明の前に、艦載機と空母(飛行甲板)について説明します。

F-35CライトニングIIについて

発艦(着艦)する艦載機の例としてF-35CライトニングIIを取り上げます。

  • F-35CライトニングIIは、F-35Aよりも主翼が大きく、かつ、飛行甲板や格納庫などでの移動やスペース効率を上げるため主翼を曲げることができます。
  • F-35CライトニングIIの最大離陸重量は、約32,000 kg(32トン)です。
F-35CライトニングII

220122-N-EE352-1750 PHILIPPINE SEA (Jan. 22, 2022) ) Sailors taxi an F-35C Lightning II, assigned to the “Argonauts” of Strike Fighter Squadron (VFA) 147, on the flight deck of Nimitz-class aircraft carrier USS Carl Vinson (CVN 70), Jan. 22, 2022. Operating as part of U.S. Pacific Fleet, Vinson is conducting training to preserve and protect a free and open Indo-Pacific region. (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist Seaman Leon Vonguyen)

図1 F-35CライトニングII

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>から。

ニミッツ級空母について

カタパルトを装備する空母の例として、ニミッツ級空母を取り上げます。

下図左側に写っている機体が、空母から発艦したF-35CライトニングIIです。

  • CVN 72(Nimitz-class aircraft carrier USS Abraham Lincoln)
はかせ
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この写真からは、空母は大きいな(F-35CライトニングIIは小さいな)というイメージを受けます。

ニミッツ級空母:(その1)

220122-N-IN633-1181 PHILIPPINE SEA (Jan. 22, 2022) An F-35C Lightning II takes off from Nimitz-class aircraft carrier USS Abraham Lincoln (CVN 72) during training with Japanese Maritime Self-Defense Force (JMSDF), Jan. 22, 2022. Operating as part of U.S. Pacific Fleet, units assigned to Carl Vinson and Abraham Lincoln Carrier Strike Groups, America and Essex Amphibious Ready Groups, alongside JMSDF, are conducting training to preserve and protect a free and open Indo-Pacific region. (U.S. Navy photo by Intelligence Specialist 1st Class Jeremy Faller)

図2 ニミッツ級空母:(その1)

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>から。

下図は、上図と同じくCVN 72(Nimitz-class aircraft carrier USS Abraham Lincoln)の写真です。

  • ニミッツ級空母の全長は332.85m、最大幅(飛行甲板の幅)は76.8mです。
  • カタパルトは、飛行甲板前方に2基、アングルド・デッキに2基あります。
はかせ
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この写真からは、飛行甲板上に艦載機がないせいもあると思いますが、ずいぶん広そうに見えます

ニミッツ級空母:(その2)

230120-N-LM220-1016 PACIFIC OCEAN (Jan. 20, 2023) The Nimitz-class aircraft carrier USS Abraham Lincoln (CVN 72) conducts an ammunition transfer with the Nimitz-class aircraft carrier USS Carl Vinson (CVN 70) during a replenishment-at-sea with USNS Henry J. Kaiser (T-AO 187), Jan. 20, 2023. Abraham Lincoln is underway conducting routine operations in U.S. 3rd Fleet. (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 3rd Class Clayton A. Wren)

図2 ニミッツ級空母:(その2)

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>から。

カタパルトによる艦載機の発艦イメージ

F-35Cとニミッツ級空母の諸元から、

  • F-35CライトニングIIの最大離陸重量は、約32,000 kg(32トン)
  • ニミッツ級空母の全長は332.85m、最大幅(飛行甲板の幅)は76.8m
  • カタパルトの長さは約100m

空母から発艦は、

  • 重量約32,000kg(32トン)のF-35Cを、カタパルトを使い約100mで、時速200km/h以上に加速させる。

ことになります。

「離陸(take off)」と言わず、「空母からの発艦(launch)」ということから、「30トンの重量物を、カタパルトの約100mで時速200km/h以上に加速させるイメージだと考えています。

はかせ
はかせ

カタパルトの具体的なスペックは分からないのですが、発艦を物理現象として考えて見ると頭の体操になります。

アレスティング・フックによる艦載機の着艦イメージ

F-35Cとニミッツ級空母の諸元から、

  • F-35CライトニングIIの最大離陸重量は、約32,000 kg(32トン)
  • ニミッツ級空母の全長は332.85m、最大幅(飛行甲板の幅)は76.8m

映画トップガンの着艦シーンのイメージに影響されていると思いますが、空母への着艦を、空母を見つける、次に、空母に着艦するという2段階に分けてイメージしてみます。

艦載機から広い海の上(洋上)の空母を見ると、全長300m超の島の様な空母も非常に小さくしか見えません。

空母に近づき着艦する場合、自機はもちろんのこと空母も動いていますし、気象条件の影響も受けています。空母に近づくということは、高度を下げて海面上に近づくことになり、気流などの変化もあり、どの程度の影響かは分かりませんが、陸上基地の滑走路への着陸とは大きく違うと考えています。

しまも、広いはずの飛行甲板上がクリアな状態はまれで、着艦した艦載機や発艦準備中など他の艦載機も置かれているなど、着艦する場所は限られています。

そしていよいよ着艦となり、そのイメージは滑走路への着陸とは大きく異なります。

  • 艦載機の空母への着艦は、機体後部のアレスティング・フックを甲板上に張られたアレスティング・ワイヤに引っ掛けて強制的に制動(ブレーキ)をかけて止めます。
  • 映画の着艦シーンで、着艦時に瞬間的にフルスロットルをするのは、アレスティング・フックを捉えられなかった場合、再度離陸するために必要なためです。
  • 非常時には、クラッシュ・バリアといわれるネットを使います。

艦載機の脚は非常に頑丈にできていますが、これは、発艦時のカタパルトによる急加速や着艦時の衝撃に耐えるためです。

写真で見るF-35CライトニングIIの発艦

空母からカタパルトによるF-35CライトニングIIの発艦を見ていきます。

下図は、発艦準備中のF-35CライトニングIIの写真です。

  • 下図右側の奥に、主翼を折り曲げたF-35Cを確認できます。
F-35C:発艦準備(その1)

220422-N-JC401-1150 PhHILIPPINE SEA (April 22, 2022) Two F-35C Lightning II’s, assigned to the “Black Knights” of Marine Fighter Attack Squadron (VMFA) 314, prepare to launch from the flight deck of the Nimitz-class aircraft carrier USS Abraham Lincoln (CVN 72), April 22, 2022. Abraham Lincoln Strike Group is on a scheduled deployment in the U.S. 7th Fleet area of operations to enhance interoperability through alliances and partnerships while serving as a ready-response force in support of a free and open Indo-Pacific region. (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist Seaman Apprentice Julia Brockman)

図3-1 F-35C:発艦準備(その1)

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>から。

下図は、カタパルトに主脚が固定されたF-35CライトニングIIの写真です。

  • 脚を縮めた状態でカタパルトに固定されます。
F-35C:発艦準備(その2)

220508-N-VI910-1487 PHILIPPINE SEA (May 8, 2022) An F-35C Lightning II, assigned to the “Black Knights” of Marine Fighter Attack Squadron (VMFA) 314, prepares to launch from the flight deck of the Nimitz-class aircraft carrier USS Abraham Lincoln (CVN 72) while the ship is underway in the Philippine Sea. Long range maritime strikes capabilities such as these allow the U.S. Navy to find, fix, and target well beyond typical organic sensor capabilities across the Indo-Pacific. This capability, among others, serves as a deterrent to aggressive or malign actors and supports a free and open Indo-Pacific. (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 3rd Class Javier Reyes)

図3-1 F-35C:発艦準備(その2)

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>から。

下図は、F-35CライトニングII発艦時の写真です。

  • 黄色の上着の人(カタパルト・オフィサー)がパイロットに合図を送ります。
  • カタパルトは蒸気を利用したピストン方式で、漏れた蒸気を確認できます。
F-35C:発艦(その1)

210905-N-IW069-1297 PACIFIC OCEAN (Sept. 5, 2021) An F-35C Lightning II, assigned to the “Argonauts” of Strike Fighter Squadron (VFA) 147, launches from the flight deck aboard Nimitz-class aircraft carrier USS Carl Vinson (CVN 70), Sept. 5, 2021. Carl Vinson Carrier Strike Group is on a scheduled deployment in the U.S. 7th Fleet area of operations to enhance interoperability with allies and partners while serving as a ready-response force in support of a free and open Indo-Pacific region. (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist Seaman Isaiah Williams)

図3-2 F-35C:発艦(その1)

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>から。

下図は、カタパルトで一気に加速している写真です。

  • 白い水蒸気は、カタパルトを動かす力となっている蒸気です。
  • カタパルトの力とF-35CライトニングIIの推力とのバランスなど、空母運用に必要な隠れた技術力の1つだと考えています。
F-35C:発艦(その2)

220222-N-MM912-1031 PHILIPPINE SEA (Feb. 22, 2022) An F-35C Lightning II assigned to the “Black Knights” of Marine Fighter Attack Squadron (VMFA) 314 launches from the flight deck of the Nimitz-class aircraft carrier USS Abraham Lincoln (CVN 72). The Abraham Lincoln Carrier Strike Group is on a scheduled deployment in the U.S. 7th Fleet area of operations to enhance interoperability through alliances and partnerships while serving as a ready-response force in support of a free and open Indo-Pacific region. (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 3rd Class Michael Singley)

図3-2 F-35C:発艦(その2)

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>から。

下図は、空母から離れた離艦時の写真です。

はかせ
はかせ

動画を見ると、カタパルトにより急速に加速した後、ふわっと浮き、その後加速して飛び立っていきます。

F-35C:発艦(その3)

220503-N-VI910-1038 PHILIPPINE SEA (May 3, 2022) An F-35C Lightning II, assigned to the “Black Knights” of Marine Fighter Attack Squadron (VMFA) 314, launches from the flight deck of the Nimitz-class aircraft carrier USS Abraham Lincoln (CVN 72). The Abraham Lincoln Carrier Strike Group is on a scheduled deployment in the U.S. 7th Fleet area of operations to enhance interoperability through alliances and partnerships while serving as a ready-response force in support of a free and open Indo-Pacific region. (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 3rd Class Javier Reyes)

図3-2 F-35C:発艦(その3)

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>から。

写真で見るF-35CライトニングIIの着艦

アレスティング・フックによるF-35CライトニングIIの空母への着艦を見ていきます。

下図は、空母に着艦するF-35CライトニングIIの写真です。

  • F-35C後部のアレスティング・フックを確認できます。
  • 甲板上の複数のアレスティング・ワイヤーは、甲板から浮いています。
  • 空母への着艦は、着陸するというより、機体後部のアレスティングフックを、空母甲板上のアレスティングワイヤー(複数本ある)めがけ叩きつけて引っ掛けるイメージです。
F-35C:着艦(その1)

220601-N-MM912-1068 PHILIPPINE SEA (June 1, 2022) An F-35C Lightning II, assigned to the “Black Knights” of Marine Fighter Attack Squadron (VMFA) 314, makes an arrested landing on the flight deck of the Nimitz-class aircraft carrier USS Abraham Lincoln (CVN 72), June 1, 2022. Abraham Lincoln Strike Group is on a scheduled deployment in the U.S. 7th Fleet area of operations to enhance interoperability through alliances and partnerships while serving as a ready-response force in support of a free and open Indo-Pacific region. (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 3rd Class Michael Singley)

図4 F-35C:着艦(その1)

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>から。

下図は、アレスティング・ワイヤーで急制動をかけている写真です。

  • 前脚が浮いています。
F-35C:着艦(その2)

220730-N-CH260-1273 PACIFIC OCEAN (July 30, 2022) An F-35C Lightning II, assigned to the “Black Knights” of Marine Fighter Attack Squadron (VMFA) 314, makes an arrested landing on the flight deck of the Nimitz-class aircraft carrier USS Abraham Lincoln (CVN 72). The Abraham Lincoln Carrier Strike Group is underway conducting routine operations in the U.S. 3rd Fleet. (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 3rd Class Kassandra Alanis)

図4 F-35C:着艦(その2)

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>から。

下図は、アレスティング・ワイヤーで急制動をかけている正面からの写真です。

F-35C:着艦(その3)

221213-N-LM220-1881 PACIFIC OCEAN (Dec. 13, 2022) An F-35C Lightning II, assigned to Strike Fighter Squadron (VFA) 125, makes an arrested landing on the flight deck of the Nimitz-class aircraft carrier USS Abraham Lincoln (CVN 72). Abraham Lincoln is currently underway conducting routine operations in U.S. 3rd Fleet. (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 3rd Class Clayton Wren)

図4 F-35C:着艦(その3)

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>から。

下図は、停止した写真です。

  • アレスティング・ワイヤーにアレスティング・フックがまだ引っ掛かっています。
  • 前脚は、甲板に接地しています。
F-35C:着艦(その4)

220420-N-VI910-2072 PHILIPPINE SEA (April 20, 2022) An F-35C Lightning II, assigned to the “Black Knights” of Marine Fighter Attack Squadron (VMFA) 314, makes an arrested landing on the flight deck of the Nimitz-class aircraft carrier USS Abraham Lincoln (CVN 72). The Abraham Lincoln Carrier Strike Group is on a scheduled deployment in the U.S. 7th Fleet area of operations to enhance interoperability through alliances and partnerships while serving as a ready-response force in support of a free and open Indo-Pacific region. (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 3rd Class Javier Reyes)

図4 F-35C:着艦(その4)

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>から。

空母のカタパルト

下図は、前輪を固定するカタパルト部分の写真です。

  • カタパルトは、艦載機の前輪を上記の力で一気に加速させます。
F-35C:カタパルト(その1)

190712-N-NI812-0278 190712-N-NI812-0278 PACIFIC OCEAN (July 12, 2019) Sailors move an F-35C Lightning II assigned to the Argonauts of Strike Fighter Squadron (VFA) 147 on to a steam-powered catapult on the flight deck of the aircraft carrier USS Nimitz (CVN 68). Nimitz is currently underway conducting routine operations. (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 2nd Class Ian Kinkead/Released)

図5 F-35C:カタパルト(その1)

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>から。

下図は、メンテナンス中のカタパルトの写真です。

  • 蒸気圧を利用したピストン2基からなります。
  • CVN 74(Nimitz-class aircraft carrier USS John C. Stennis)
はかせ
はかせ

2本の蒸気ピストンを使ったシンプルな構造ですが、繰り返し30トンもの重量物を射出する信頼性の高い設計だと思います。

F-35C:カタパルト(その2)

BR087 161209-N-BR087-043 PACIFIC OCEAN (Dec. 9, 2016) Sailors remove deck plates on USS John C. Stennis’ (CVN 74) bow catapult for maintenance. John C. Stennis is underway to conduct routine training in the 3rd Fleet area of responsibility. (U.S. Navy photo by Petty Officer 3rd Class Cole C. Pielop / Released)

図5 F-35C:カタパルト(その2)

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>から。

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まとめ

空母の艦載機として個人的に思いで深い機体は、初代トップガンの主役機F-14トムキャット、2代目トップガンの主役機F/A-18スーパーホーネットです。

そしてこれからの艦載機の主役になるのが、空母(航空母艦)のカタパルトで運用可能なF-35Cと短距離離陸/垂直着陸可能なF-35Bになります。

ここでは、基地の滑走路ではなく、空母からのカタパルトを使った艦載機の発艦と、アレスティング・フックを使った着艦、及び、カタパルトについて、米国海軍のWebサイトの情報を主に以下の項目で説明しました。

  • 空母からの発艦と着艦のイメージ
    • F-35CライトニングIIについて
    • ニミッツ級空母について
    • カタパルトによる艦載機の発艦イメージ
    • アレスティング・フックによる艦載機の着艦イメージ
  • 写真で見るF-35CライトニングIIの発艦
  • 写真で見るF-35CライトニングIIの着艦
  • 空母のカタパルト
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