F-35BライトニングIIの短距離離陸/垂直着陸(STOVL)と機体の姿勢制御

F-35BライトニングII 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)

F-35シリーズのF-35BライトニングIIは、米国海軍の第5世代戦闘機で、優れた空力性能と統合されたアビオニクスを備える次世代のステルス機であり、短距離離陸/垂直着陸(STOVL)可能です。

ここでは、F-35BライトニングIIの短距離離陸/垂直着陸(STOVL)について、どの様に姿勢を制御しているか説明します。

F-35シリーズの違いは、以下の記事をご参照ください。

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F-35BライトニングIIの姿勢制御について

F-35BライトニングIIは、短距離離陸と垂直着陸が可能なSTOVL機です。

AV-8BハリアーIIの様に垂直離陸はできませんが、ホバリングは可能です。

ホバリング(空中に浮いている状態)で機体の姿勢を安定させるには、

  • 機体を持ち上げる力
  • 機体のバランスを保つ(機体が水平になるように維持する)力

をうまくコントロールする(バランスをとる)ことが必要です。

ホバリング(空中に静止する状態)は、機体を持ち上げると共に、下図に示すロール、ピッチ、ヨーの3つの回転のバランスをとり、機体を空中で静止させることです。

F-35BライトニングIIは、スイッチ1つで通常飛行時と垂直着陸のモードを切り替え、安定した姿勢を保つのはコンピュータが自動で制御しています。

  • AV-8BハリアーIIは、垂直離着陸時などの姿勢制御をパイロットが行います。

ホバリングする機体の回転軸

ホバリングする機体の3つの回転軸を下図に示します。

  • ロールは、機体の左右方向のバランスにより発生し、機体の左右の傾きです。
  • ピッチは、機体の上下方向のバランスにより発生し、機首を持ち上げたり下げたりする機体の前後方向の傾きです。
  • ヨーは、機体の平面内のバランスにより発生し、機首が左右に動く平面内の傾き(機首を左右に振る動き)です。
ホバリングする機体の回転軸のイメージ

ホバリングする機体の回転軸のイメージ

図1 ホバリングする機体の回転軸のイメージ

F-35BライトニングIIのリフトファンシステム

F-35BライトニングIIの短距離離陸、ホバリング、垂直着陸は、リフトファンシステムにより制御されています。

ここでは、以下のものをまとめてリフトファンシステムということにします。

  • リフトファン(ペガサスエンジンの出力をドライブシャフトでリフトファンに伝えます。)
  • 推力偏向ノズル(3ベアリング・スイーベル・モジュール)
  • ロールポスト

下図は、F-35BライトニングIIのリフトファンシステムのイメージ図です。

  • ロールポストは反対側にもありますが、下図では分かりにくくなるので省いています。
  • ホバリングしている時は、下図のリフトファンと推力偏向ノズルを下向きにし、左右のロールぽるストでロール軸のバランスをとります。
  • リフトファン、ロールポスト、及び、推力偏向ノズルの扉は、使用しない場合には閉まります。
F-35BライトニングIIのリフトファンシステム(その1)

210111-N-BT681-1049 PHILIPPINE SEA (Jan. 11, 2021) An F-35B Lightning II assigned to the 31st Marine Expeditionary Unit (MEU) lands on the flight deck of amphibious assault ship USS America (LHA 6). America, lead ship of the America Amphibious Ready Group, along with the 31st MEU, is operating in the U.S. 7th Fleet area of responsibility to enhance interoperability with allies and partners and serve as a ready response force to defend peace and stability in the Indo-Pacific region. (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist Seaman Jonathan Berlier)

図2 F-35BライトニングIIのリフトファンシステム(その1)

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>からの画像(加工しています。)

下図は、機体下面から見たリフトファンシステムです。

  • リフトファンからの推力は、ピッチ方向に41.75~104度の範囲を毎秒40度で向きを変えることができます。
  • 左右のロールポストは、機体のロール軸の制御を行います。
  • 推力偏向ノズルは、ピッチ方向に95度、ヨー軸方向は±12.25度の範囲で向きを変えることができます。
はかせ
はかせ

推力偏向ノズルは、3ベアリング・スイーベル・モジュールで向きを変えます。構造的にもおもしろい設計です。

F-35BライトニングIIのリフトファンシステム(その2)

Test flight completed after F-35B modifications A Marine Corps F-35B Lightning II completes its first short takeoff and vertical landing check flight at Hill Air Force Base, Utah, June 18, 2015. The aircraft was undergoing a functional check flight following modifications at the Ogden Air Logistics Complex. (U.S. Air Force photo/Alex R. Lloyd)

図2 F-35BライトニングIIのリフトファンシステム(その2)

出典:USAF(米国空軍)のWebサイト<Home > News > Photos>からの画像(加工しています。)

下図は、機体下面から見たリフトファンシステムです。

  • リフトファンを使用する時には、補助インテークも使用します。
F-35BライトニングIIのリフトファンシステム(その3)

220405-N-CZ759-1103 PACIFIC OCEAN (April 5, 2022) An F-35B Lightning II aircraft attached to Marine Fighter Attack Squadron (VMFA) 122 launches from the flight deck aboard amphibious assault ship USS Tripoli (LHA 7), April 5, 2022. VMFA-122 is embarked aboard Tripoli as part of the U.S. Marine Corps’ Lightning carrier concept demonstration. The Lightning carrier concept demonstration shows Tripoli and other amphibious assault ships are capable of operating as dedicated fixed-wing strike platforms when needed, capable of bringing fifth generation Short Takeoff/Vertical Landing aircraft wherever they are required. (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 2nd Class Theodore Quintana)

図2 F-35BライトニングIIのリフトファンシステム(その3)

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>からの画像(加工しています。)

写真で見るF-35BライトニングIIの機体制御垂直離陸

F-35BライトニングIIの機体制御(姿勢制御)について、写真を使い説明します。

実際の機体制御(姿勢制御)は、図2に示したリフトファンシステムによりバランスをとっています。

ホバリング

F-35BライトニングIIは、リフトファン、推力偏向ノズル、及び、2つのロールポストの推力によりホバリングをします。

なお、機体の姿勢制御に必要な推力の調整は、コンピュータにより自動制御されています。

下図に示すピッチ軸の姿勢は、リフトファンと推力偏向ノズルの推力の向きを調整しているようです。

  • 単純化して考えると、リフトファンと推力偏向ノズルの2つの推力でバランスを取ることになるので、実際には左右のロールポストを含めた協調制御となっているのではないかと推測しています。
F-35BライトニングIIのリフトファンシステム:ピッチ方向

190427-M-DE426-027 BEAUFORT, S.C. (April 27, 2019) Pilots assigned to Marine Fighter Attack Training Squadron (VMFAT) 501 fly the F-35B Lightning II during the Marine Corps Air Station (MCAS) Beaufort Air Show, April 27, 2019. MCAS Beaufort hosts the air show in order to bring the community together and demonstrate U.S. Marine Corps Aviation Combat Element and Marine Air-Ground Task Force capabilities. (U.S. Marine Corps photo by Warrant Officer Bobby J. Yarbrough/Released)

図3-1 F-35BライトニングIIのリフトファンシステム:ピッチ軸

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>からの画像(加工しています。)

下図に示すロール軸の姿勢は、左右のロールポストにより制御されています。

  • リフトファンと推力偏向ノズルで機体を浮かせて、ロールポストで姿勢を保っていると考えると分かりやすいと思います。
F-35BライトニングIIのリフトファンシステム:ロール軸

USS America (LHA 6) Flight Operations An F-35B Lightning II aircraft from the Marine Fighter Attack Squadron (VMFA) 121, lands on the flight deck of the forward-deployed amphibious assault carrier USS America (LHA 6), while sailing in the East China Sea, January 17. America, lead ship of the America Amphibious Ready Group, is operating in the U.S. 7th Fleet area of operations. U.S. 7th Fleet is the U.S. Navy’s largest forward-deployed numbered fleet, and routinely interacts and operates with allies and partners in preserving a free and open Indo-Pacific region. (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 2nd Class Thomas B. Contant)

図3-2 F-35BライトニングIIのリフトファンシステム:ロール軸

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>からの画像(加工しています。)

推力偏向ノズルと短距離離陸、通常飛行、垂直着陸

F-35BライトニングIIが、短距離離陸、通常飛行、及び、垂直着陸すると気温推力偏向ノズルの位置を写真でみていきます。

下図は、F-35BライトニングIIが短距離離陸する時の写真です。

  • 強襲揚陸艦USS Tripoli(LHA 7)から発艦するところです。
  • 推力偏向ノズルが、下がった状態です。(推力偏向ノズル下の扉が開き、ノズル下部が見えています。)
  • ロールポストの扉も開いています。
F-35BライトニングIIのリフトファンシステム:短距離離陸

220614-M-BH827-1119 PHILIPPINE SEA (June 14, 2022) A U.S. Marine Corps F-35B Lightning II aircraft with Marine Fighter Attack Squadron (VMFA) 121 launches from the flight deck of the amphibious assault carrier USS Tripoli (LHA 7) during Valiant Shield 2022 (VS22), June 14, 2022. Exercises such as Valiant Shield allows the Indo-Pacific Command Joint Task Force the opportunity to integrate forces from all branches of service to conduct long-range, precise, lethal, and overwhelming multi-axis, multi-domain effects that demonstrate the strength and versatility of the Joint Task Force and our commitment to a free and open Indo-Pacific. (U.S. Marine Corps photo by Sgt. Jackson Ricker)

図4-1 F-35BライトニングIIのリフトファンシステム:短距離離陸

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>からの画像(加工しています。)

下図は、F-35BライトニングIIが通常飛行している時の写真です。

  • 推力偏向ノズルとロールポストの扉が閉じています。
  • 車輪の扉がまだ完全に閉じていませんので、最後に閉じるようです。
F-35BライトニングIIのリフトファンシステム:通常飛行

200818-M-LP762-1069 MCAS IWAKUNI, Japan (Aug. 18, 2020) A U.S. Marine Corps F-35B Lightning II aircraft assigned to Marine Fighter Attack Squadron (VMFA) 121 conducts flight operations at MCAS Iwakuni, Japan, Aug 18, 2020. VMFA-121 is the first forward deployed Marine F-35B squadron, capable of providing close air support and conducting strike missions in support of a free and open Indo-Pacific. (U.S. Marine Corps photo by Cpl. Lauren Brune)

図4-2 F-35BライトニングIIのリフトファンシステム:通常飛行

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>からの画像(加工しています。)

下図は、F-35BライトニングIIが垂直着陸する時の写真です。

  • 推力偏向ノズルが下向きに曲がっています。
  • ウェポンベイの扉が開いています。
  • 推力偏向ノズルの開いた扉を確認できます。
  • フラップと水平尾翼も下がった状態です。
F-35BライトニングIIのリフトファンシステム:垂直着陸

210402-M-JO217-2269 MARINE CORPS AIR STATION IWAKUNI, Japan (April 2, 2021) A U.S. Marine Corps F-35B Lightning II aircraft with Marine Fighter Attack Squadron (VMFA) 242 lands at Marine Corps Air Station Iwakuni, Japan, during a joint training evolution with Marine Corps, Navy, and Air Force assets, April 2, 2021. The training enables joint force training in counter air operations and strengthens relationships between U.S. Marine Corps, Navy and Air Force units in the Indo-Pacific region. (U.S. Marine Corps photo by Lance Cpl. Tyler Harmon)

図4-3 F-35BライトニングIIのリフトファンシステム:垂直着陸

引用先:US NAVY(米国海軍)のWebサイト<Home > Resources > Photo Gallery>からの画像(加工しています。)

参考資料

リフトファンシステムについて、Lockheed Martin社の以下の資料を参考にしています。

F-35 Air Vehicle Technology Overview(10.2514/6.2018-3368)」

AIAA AVIATION Forum

June 25-29, 2018, Atlanta, Georgia

2018 Aviation Technology, Integration, and Operations Conference

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まとめ

F-35シリーズのF-35BライトニングIIは、米国海軍の第5世代戦闘機で、優れた空力性能と統合されたアビオニクスを備える次世代のステルス機であり、短距離離陸/垂直着陸(STOVL)可能です。

ここでは、F-35BライトニングIIの短距離離陸/垂直着陸(STOVL)について、どの様に姿勢を制御している、以下の項目で説明しました。

  • F-35BライトニングIIの姿勢制御について
    • ホバリングする機体の回転軸
    • F-35BライトニングIIのリフトファンシステム
  • 写真で見るF-35BライトニングIIの機体制御垂直離陸
    • ホバリング
    • 推力偏向ノズルと短距離離陸、通常飛行、垂直着陸
  • 参考資料
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