エンジニアリング操作性：F-22ラプターのスラストベクトル化ノズルがどのように機能するか

クイックリンク

• 航空機の排気ノズルの設計

• ベクトル化とその初期の使用を推力します

• F-22の推力ベクトル化

• スラストベクトル化の未来

すべての現代の戦闘機の中で、ロッキードマーティンのF-22ラプターがこれまでに生産された最高の戦闘機の1つであることを誰も否定することはできません。 F-22はステルステクノロジーの使用と世界初の5世代の戦闘機であるために最もよく知られていますが、ステルステクノロジーと同じくらい革新的なF-22のもう1つの側面があり、その推力ベクトル化ノズルがあります。

航空機の排気ノズルの設計

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航空機の排気ノズルは、排気ガスが排出されるエンジンの一部です。エンジンから出てくる排気の速度を高めるために先細になっており、航空機の設計に応じて、固定または可変ノズルのいずれかにすることができます。ほとんどの戦闘機には可変ノズルがあります。つまり、直径を調整できることを意味します。これにより、航空機は、可能なすべてのスロットル設定でジェットエンジンの性能を最大化できます。

これらの航空機でスロットル設定が増加すると、ノズルの直径が減少し、スロットル設定が減少すると、それに応じてノズルが開きます。これらのノズルは、可動部品とノズルを操作するために必要なアクチュエーターからの余分な重量を犠牲にします。ほとんどの場合、エンジニアは設計プロセスで航空機に重量を追加することを避けますが、戦闘機では、得られるパフォーマンスは余分な重量のペナルティに値することがよくあります。

航空会社が飛ぶ航空機など、より大きな亜音速タービンエンジン航空機では、排気ノズルは、調整可能なノズルを使用することに関与する重量を節約しながら、最も一般的なスロットル設定で最高の効率を提供するように設計された固定直径です。

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ベクトル化とその初期の使用を推力します

NASAによると、スラストベクトル化の定義は、「スラストの角度を変更する能力」として定義されます。 F-22ラプターは、スラストベクトル化を利用した最初の航空機ではありません。スラストベクターの一例は、AV-8Bハリアーです。

AV-8Bハリアー

ハリアーは、米国海兵隊と海軍によって戦闘機として使用されており、垂直に離陸して着陸できる航空機です。これは、下方に回転できる航空機の側面にユニークな排気ノズルのセットを持つことで達成されました。この下向きの推力は、航空機を垂直に地面から持ち上げるのに十分でした。 1980年代半ばに導入されたにもかかわらず、この航空機は今でも米国軍によって現在使用されています。

F-22 Raptorには、従来の戦闘機と同様に、航空機の尾部に変動するノズルがあります。これらのノズルには、排気ガスを上下に向けることができるという追加のエッジがあります。これらのノズルは、F-22航空機の推力ベクトル化の心であり、なぜそれがそのような致命的な航空機であるのかの一部です。

ラプターの排気ノズルが上下に調整されると、航空機の尾を反対方向に押します。それらが使用されると、彼らは航空機のピッチ態度を制御する際に航空機のエレベーターを増強します。これらのノズルは、航空機を制御するためにエルロン、ラダー、エレベーターに加えて使用されます。

写真：米国運輸省

F-22では、これらのノズルはどちらの方向にも20度移動できます。 F-22のスラストベクターシステムは、飛行機の飛行制御コンピューターによって完全に自動化されています。つまり、パイロットには、ノズルを動かすために使用する必要がある追加の入力またはレバーがありません。

パイロットがパイロットが飛ぶことを望む方向にコントロールスティックを移動すると、飛行機の飛行制御コンピューターは、それを実現するために必要に応じて飛行制御表面と排気ノズルを調整します。これにより、パイロットはフライトの他の側面に焦点を合わせることができ、パイロットが航空機の構造的制限を超えることができないため、より安全な操作も提供します。

写真：イリノイ州のD.ミラー。アメリカ|ウィキメディアコモンズ

スラストベクトル化のもう1つの利点は、ノズルの有効性が効果的に制御面を介した空気の流れに依存していないことです。従来の航空機制御表面は、基本的に、飛行中に流れる空気からの圧力を使用して航空機を移動するレバーです。これは、低速で、または空気の密度が低い高い高速では、それらの表面がレバレッジを獲得する圧力が少ないため、効果が低下することを意味します。スラストベクターノズルは、エンジンによって生成され、周囲の大気に依存していない排気ガスを使用しているため、この問題はありません。

F-22ラプターの排気ノズルで注目に値するもう1つの違いは、それらが丸くないことです。 F-22の長方形のノズルは、航空機の背面のレーダー署名を減らす目的でのみ、推力ベクトル化の要件ではありません。

ピアに対して使用されているベクトル化を推力します

F-22のスラストベクトルノズルとその2つのプラットとホイットニーF119エンジンの純粋な力の組み合わせにより、F-22はあらゆる航空機にとって非常に操作可能で恐ろしい敵です。 F-22には、F-22よりも小さい一般的なダイナミクスF-16を頻繁に追い越すことができ、それ自体が非常に操縦可能な航空機です。 F-22のスラストベクトルテクノロジーにより、より大きなF-22は、F-16よりも優れていても良くないほど良い性能を発揮できます。

スラストベクトル化の未来

F-22 Raptorの成功に伴い、スラストベクターの未来がどうなるか疑問に思う人もいます。ラプターは、スラストベクトル化で何ができるかの例ですが、すべての戦闘機にF-22のようなスラストベクトル化が装備される可能性は低いです。これの良い例の1つは、Lockheed-Martin F-35Bバリアントです。 F-35はF-22のような飛行中のスラストベクトル化を使用しませんが、米国海兵隊が使用しているF-35Bバリアントは、戦闘機が垂直に離陸して着陸できるようにするスラストベクターの形を使用します。

写真：米空軍

スラストベクトル化が将来実装される方法は、航空機の設計に厳密に依存するでしょう。垂直に離陸して着陸する能力は印象的な機能であり、F-22のスラストベクトル化設計よりも、設計にとってより重要な場合があります。どんなスラストベクターデザインが後に来ても、操作性の王としてF-22を退位させるには非常に印象的な航空機が必要です。