VTOL 垂直離着陸機・STOL 短距離離着陸機 V/STOL 垂直/短距離離着陸機
2024年1月5日
2024年10月9日
無人航空機の技術の周辺・延長線上にあるVTOL
ヘリコプターやV/STOL（vertical/short take-off and landing aircraft）は、短距離離着陸能力を持ち、必要に応じて垂直離着陸も可能な飛行機です。離着陸滑走による翼の揚力を利用して、完全な垂直離着陸時よりもはるかに多くの燃料や人員・貨物を積むことができます。ただし、垂直離陸時に燃料消費が大きく、実際は短距離離陸することが多く、最近ではその表記もSTOVL［Short Take-Off and Vertical Landing］(ストブル)とすることが多くなっているようです。無人航空機（ドローン）や空飛ぶクルマなどの話題の際にしばしば登場する「VTOL」「eVTOL」 関連についてまとめました。
Hawker Siddeley Harrier Hawker Siddeley Harrier GR.1
San Diego Air & Space Museum Archives, Public domain, via Wikimedia Commons
VTOL【ブイトール】垂直離着陸機
VTOL（vertical take-off and landing）とも呼ばれます。全く滑走を行わず、ほぼ垂直に離着陸できる航空機を言います。飛行船や気球などの軽航空機や回転翼機（ヘリコプター）を含む場合もありますが、狭義にはヘリコプターを除いた固定翼機や回転翼機でもヘリコプター以外のティルトローター機などを指すことが多いです。離着陸用に垂直方向の推力を与えるジェットエンジンや回転翼を別に備えるもの、または水平飛行用のエンジンの推力の方向を90°変向して垂直飛行用と兼用させるものに大別されます。滑走路を必要としない利点はありますが、一般の飛行機に比べて積載量や航続距離が小さく、操縦も複雑になります。軍用機で実用され、旅客機も開発されています。
STOL【ストール、またはエストール】短距離離着陸機
STOL（short take-off and landing aircraft）は、離着陸の際の滑走距離が通常の飛行機に比べて短く、狭い飛行場でも発着可能な飛行機を指します。離着陸距離に明確な決まりはありませんが、一般には必要滑走路長（安全上の余裕も含めて）が600m程度のものを指します。高揚力装置として、プロペラの後流をフラップによって下方に曲げるプロペラ後流変向、ジェット排気をフラップにあてて曲げるEBF（externally blown flap）、ジェット排気を翼の後縁から斜め下方に吹き出すIBF（internally blown flap）、上下2段のフラップの間にジェットを吹き出すオーギュメンターウィングなどのパワードリフト・システムが利用されます。
V/STOL【ブイエストール】垂直/短距離離着陸機
V/STOL（vertical/short take-off and landing aircraft）は、短距離離着陸能力を持ち、必要に応じて垂直離着陸も可能な飛行機です。離着陸滑走による翼の揚力を利用して、完全な垂直離着陸時よりもはるかに多くの燃料や人員・貨物を積むことができます。ただし、垂直離陸時に燃料消費が大きく、実際は短距離離陸することが多く、最近ではその表記もSTOVLとすることが多くなっているようです。
CTOL【シートール】
CTOL（conventional take-off and landing）は、滑走して通常の方法で離着陸する固定翼機を指します。STOL（短距離離着陸）機やVTOL（垂直離着陸）機と通常の固定翼機との対比として用いられる概念です。
eVTOL【イーブイトール】電動垂直離着陸機
eVTOL（electric Vertical Take-Off and Landing ) は、電力を使用して垂直にホバリング、離陸、着陸するさまざまな VTOL (垂直離着陸) 航空機です。 この技術は、電気推進（モーター、バッテリー、燃料電池、電子コントローラー）の大幅な進歩と、より環境に優しく、より静かな飛行を可能にする都市部のエアモビリティのための新しい航空機のニーズの高まりのおかげで生まれました。 電気およびハイブリッド推進システム (EHPS) で、航空機の運用するには、コストを削減する可能性もあります。
歴史
eVTOL のコンセプトは、2009年11月に NASA Puffin eVTOL コンセプトでの、一人乗りの電動垂直離着陸機のテクノロジーコンセプトと飛行中のコンセプトを紹介したビデオが広まり、 これに続いて、2010年1月に航空力学に関する VFS 専門家会議で、最初の Puffin 論文が発表されました。このコンセプトは、NASA で開発された分散型電気推進 (DEP) と呼ばれる新技術を利用したものです。 2014年に「新しい飛行コンセプトの実現に関する変革的垂直飛行コンセプト共同ワークショップ」において、垂直飛行協会とアメリカ航空宇宙研究所 (AIAA) によって正式に導入されました。それ以来、航空機メーカーの間で eVTOL に対する関心が大幅に高まり、様々な企業もこの技術に取り組むようになりました。この流れは、アーバン エア モビリティ (UAM) の概念を空想の概念から、現実的な数多くの開発プロジェクトによって開発・前進させるのに役立ちました。
アメリカでは、米国連邦航空局 (FAA) は、2009年に、「particular Part 23-Amendment 64」 eVTOL が含まれています。
ヨーロッパでは、 欧州連合航空安全局（EASA）は、2019年7月に、 SC-VTOL-01 : VTOL 航空機の特別条件を発行しました。 eVTOL の内容が含まれています。
V/STOL機の一覧
【推力偏向スラスト機】Vectored thrust
- Hawker P.1127/Kestrel/Harrier （ホーカー P.1127／ハリアー）：ファンおよびジェット排気の推力偏向スラスト用の回転ノズルを4個装備
【ティルトジェット機】Tilt-jet
- EWR VJ 101：マッハ2を目指した戦闘機、マッハ1.04を記録したが実用化はされませんでした。
- Bell XF-109 ベル XF-109：アメリカ海軍向けのVTOLティルトジェット戦闘機のプロトタイプ
- Bell 65 ベル 65
Artist's concept of the Bell D-188 ("XF-109") VTOL tiltjet fighter proposal for the United States Navy.
Bell Aircraft Corporation, Public domain, via Wikimedia Commons
Bell Aircraft Corporation, Public domain, via Wikimedia Commons
【ティルトローター機】Tilt-rotor
- AgustaWestland AW609 (originally Bell 609) アグスタウェストランド AW609 旧ベル 609
- AgustaWestland Project Zero technology demonstrator アグスタウェストランド プロジェクト・ゼロ ：技術実証機
- Bell XV-3 ベル XV-3
- Bell XV-15 ベル XV-15
- Bell-Boeing V-22 Osprey ベル・ボーイング V-22 オスプレイ ：XV-15のスケールアップ版
An MV-22 Osprey vertical-lift aircraft is refueled before a night mission in central Iraq.
Chief Mass Communication Specialist Joe Kane, Public domain, via Wikimedia Commons
- Bell V-280 Valor ベル V-280 バロー
【ティルトウイング機】Tilt-wing
- Curtiss-Wright X-19 カーチス・ライト X-19 4発の回転プロペラを持つティルトウィング機
- Canadair CL-84 Dynavert, カナディア CL-84 ダイナバート：2発のターボプロップを装備したティルトウイング
- LTV XC-142 LTV XC-142 4発のティルトウイング（連結シャフトを有するターボプロップ）
NASA, Public domain, via Wikimedia Commons
- Bell X-22 ベル X-22 方向を変えられるダクテッド・プロペラを装備する、V-22よりもやや小型の試作輸送機
- Hiller X-18 ヒラー X-18
【推力／揚力分離型機】Separate thrust and lift
- Dornier Do 31 ドルニエ Do 31 ベクトル・ノズルおよびリフト・エンジンを装備したジェット輸送機
- Kamov Ka-22 カモフ Ka-22 固定翼付き回転翼輸送機は、垂直離着陸できるヘリコプターと巡航飛行時には固定翼機としての能力を併せ持つ
- Lockheed XV-4 Hummingbird ロッキード XV-4 ハミングバード
- Dassault Balzac V ダッソー バルザック V （「V」は垂直を意味する。ミラージュ IIIの改修型機）
Dassault Mirage IIIV during flight-testing, in 1965.
San Diego Air and Space Museum Archives, Public domain, via Wikimedia Commons
- Ryan XV-5 ライアン XV-5 翼の中のファンがエンジンの排気ガスで駆動される。
- VFW VAK 191B VFW VAK 191B ハリアーに類似した攻撃戦闘機であるが、翼およびリフト・エンジンが小型化され、超音速飛行が可能である。試験飛行は行ったが、運用開始には至らなかった。
- Yakovlev Yak-38 ヤコヴレフ Yak-38
- Yakovlev Yak-141 ヤコヴレフ Yak-141
- Short SC.1 ショート SC.1
【超音速機】Supersonic
数多くの超音速V/STOL機が提案や製造の段階まで進みましたが、実際の飛行試験に至らなかった例が多く存在します。その中で、2016年に実用化されたF-35Bは、初めてかつ唯一の実用的な超音速V/STOL機です。以下にいくつかの具体的な例を挙げてみましょう。
- Bell D-188A ベル D-188A スイベル・エンジンを使用してマッハ2の速度を目指す試みでしたが、実際の飛行は行われず、モックアップのみが存在しました。
- EWR VJ 101 EWR VJ 101 マッハ2を目指す超音速戦闘機であり、マッハ1.04の速度記録を達成しましたが、実用化には至りませんでした。
- Dassault Mirage IIIV ダッソー ミラージュ IIIV マッハ2を目指したデルタ翼の戦闘機で、リフト・エンジンを使用した初めての超音速VTOL機として知られています。試験飛行でマッハ2.03の速度を記録しましたが、実用化はされませんでした。
- Hawker Siddeley P.1154 ホーカー・シドレー P.1154 マッハ1.7の速度を達成する超音速ハリアーの概念でしたが、完成には至りませんでした。
- Rockwell XFV-12 ロックウェル XFV-12 複雑な「ブラインド・カーテン」状の翼を持つ超音速V/STOL機でしたが、自重を支える能力に限界があり、飛行試験には至りませんでした。
これらの例は、超音速V/STOL機の開発が技術的に困難であることを示しています。
An Artist's impression of a Rockwell XFV-12 landing on a ship. One XFV-12 was built. Ground testing began in 1977 but the aircraft never flew and was canceled in 1981.
U.S. Navy, Public domain, via Wikimedia Commons
船に着陸したロックウェル XFV-12 の想像図。 XFV-12 は 1 機製造され、 地上試験は1977年に始まりましたが、航空機は飛行することはなく、1981年に中止されました。
- Yakovlev Yak-141 ヤコヴレフ Yak-141 リフト・エンジンに加えてスイベル・テールパイプを備えていました。この設計により、垂直離着陸能力を持つだけでなく、スラストの向きを制御して高い機動性を実現しました。
- Lockheed Martin X-35B / F-35B ロッキード･マーチン X-35B / F-35B 推力偏向ノズルを有するエンジン（プラット・アンド・ホイットニー F135）に加えて、シャフト駆動されるリフトファンを装備しています。この革新的な設計により、短距離離陸、超音速飛行、そして垂直着陸の能力を1つのソーティー（ソール）で実現することができる初めての航空機として注目されています。
【短距離離陸着陸機】STOL（エストール）
低騒音STOL実験機 飛鳥科学技術庁航空宇宙技術研究所（NAL、現 JAXA航空技術部門）が1962年（昭和37年）から1989年（平成元年）にかけて開発したSTOL（短距離離着陸）飛行実験機で、当時の航空事情からジェットエンジンの低騒音化の問題も同時に解決させるため、低騒音ファンジェットSTOL開発のための基礎技術確立の目的で、研究開発された実験機でした。
航空自衛隊の使用しているC-1輸送機を原型として、航空宇宙技術研究所のSTOLプロジェクト推進本部と、川崎重工内に設置されたSTOL実験機開発チーム（NASTADT）によって、設計作業が進められました。
飛鳥に採用された純国産のFJR710・600Sエンジンは、通産省工業技術院の大型プロジェクト制度で開発されたFJR710の発展型で、純国産の高バイパス比エンジンを採用していました。また、USB（Upper Surface Blowing）という技術でエンジン排気を主翼上面に吹き出し、USBフラップによって排気を下向きに曲げる方式で、通常の2倍から3倍の揚力を発生させることができました。
実験機であるため、製造は1機のみ製造されました。名称は公募により、「飛鳥（あすか）」に決定されました。
飛鳥が初飛行したのは1985年（昭和60年）10月28日で、1989年（平成元年）3月までに、97回、167時間10分の飛行実験が行なわれました。
【短距離離陸・垂直着陸機】STOVL（ストーブル）
STOVL（Short Take Off and Vertical Landing.）短い滑走路から離陸し（重い積載物を持たない場合は垂直に離陸し）、垂直に着陸できる（つまり滑走路がない）固定翼機のことをいいます。
STOVL（ストーブル）の定義として、1991年以降、NATOでは、
これには、ホーカー・シドレー・ハリアーやF-35B ライトニング IIなどが含まれます。空母では、スキージャンプを組み合わせて使用され、推力ベクトルを使用して垂直離着陸をすることがあります。
「短距離離陸・垂直着陸機とは、離陸滑走開始後450m（1500フィート）以内に15m（50フィート）の障害物をクリアでき、かつ垂直に着陸できる固定翼機である。」とされています。
空母上では、非カタパルトアシストの固定翼短距離離陸は、推力ベクトルの使用によって達成され、これは滑走路の「スキージャンプ」と組み合わせて使用されることもあります。STOVL（短距離離陸・垂直着陸）機を使用することで、垂直離着陸機（VTOL）に比べてより大きな積載量を確保しつつ、短い滑走路で運用することが可能です。最も有名な例は、ホーカー・シドレー・ハリアーとシー・ハリアーです。これらは技術的にはVTOL機でありながら、燃料や武装のために離陸時に余分な重量がかかるため、実際の運用上はSTOVL機と見なされています。同様に、F-35BライトニングIIも試験飛行でVTOL能力を実証しましたが、運用上はSTOVL機として活用されています。
STOVL機の運用において、VTOL機と比較して大きな積載能力を持ちながらも、短い滑走路での運用が可能です。アメリカ、イギリス、イタリア、スペインなど、複数の国がSTOVL機を運用する空母を保有しており、その利点を活かしています。
【月面着陸研究機】LLRV（Lunar Landing Research Vehicle）
また、アポロ計画時代の月面着陸訓練を行うために使用されたのがLLRV（Lunar Landing Research Vehicle）です。アポロの月面着陸船の飛行と着陸に必要な操縦技術を研究・分析するために開発されました。LLRVは、垂直方向を向くようにジンバルに取り付けられたジェットエンジンを使用し、月の低重力環境下での飛行と着陸をシミュレートしました。アポロの最終段階での手動操縦を訓練するために使用され、アポロ宇宙飛行士の訓練に貢献しました。また、アポロ10号やアポロ17号の司令官もLLTVの訓練を受けており、月面着陸の成功に向けた重要な役割を果たしました。
Lunar Landing Research Vehicle (LLRV)
1964年エドワーズ空軍基地で飛行中の月面着陸研究機（LLRV）1号機
NASA, Public domain, via Wikimedia Commons
このLLRVは、アポロ計画が1960年に進行していた際、月面に降下する際のプロファイリングを行うシミュレータを求めていたNASAによって製作されました。その際、電子シミュレータ、テザー装置、そして野心的なドライデン社の貢献によるフリーフライングビークルという3つのコンセプトが浮かび上がりました。これらのコンセプトはいずれも本格的なプロジェクトとして進展しましたが、最終的にはNASA飛行研究センター（FRC）が開発した着陸研究機（LLRV）が最も重要なものとされました。LLRVは、月の低重力環境下でアポロ月着陸船の飛行と着陸に必要な操縦技術を研究・分析するために使用されました。これによって、アポロ宇宙飛行士は実際の月面着陸に向けた訓練を行い、成功裏にアポロ計画を遂行する基盤を築くことができました。
Ingenuity（インジェニュイティ） Mars Helicopter
Credit:NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS
https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA25881
「インジェニュイティ」は、火星で運用されている、小型の自律型ヘリコプターです。
これを火星で飛行させるには、地球の約1/3と小さい火星の重力や、95%が二酸化炭素の薄い大気の影響で、適切な揚力を得るのは非常に困難です。大気密度は地球海面の約1/100で、火星の大気の密度は地球の高度27,000mに相当する薄さです。このため、通常のヘリコプターが到達できない高度環境で飛行させる必要があります。インジェニュイティのローターは2400-2900rpmの高速回転が必要で、地球の約10倍の速度ということになります。
これを火星で飛行させるには、地球の約1/3と小さい火星の重力や、95%が二酸化炭素の薄い大気の影響で、適切な揚力を得るのは非常に困難です。大気密度は地球海面の約1/100で、火星の大気の密度は地球の高度27,000mに相当する薄さです。このため、通常のヘリコプターが到達できない高度環境で飛行させる必要があります。インジェニュイティのローターは2400-2900rpmの高速回転が必要で、地球の約10倍の速度ということになります。
このヘリコプターは、NASAの複数施設が共同設計し、技術実証を目的としており、高度3-5mで最大90秒間の飛行を5回行う計画でした。NASAの火星2020ミッションの一部として、2021年2月に火星に着陸した探査車「パーセヴィランス」と共に運ばれました。2021年4月にパーセヴィランスから展開され、同月19日に初飛行に成功しました。技術実証後、より実用的な飛行を開始し、予想を上回る性能と耐久性を示し2023年12月時点で70回の飛行を行っており、総飛行時間は127.7分になっています。
インジェニュイティの機体
胴体は長方形で、寸法は136mm×195mm×163mm。その下に直径1.21mの反転回転する2枚のローターが取り付けられています。このローターは、それぞれ独立した制御機構によりピッチが調整されています。宇宙船並みの強度設計がなされ、打ち上げ時の振動や衝撃に耐えられるようになっています。4本の384mmの着陸脚で支えられていて、ローター上にはバッテリーを充電するソーラーパネルが取り付けられています。全高は0.49mです。
2002年の研究で、火星探査用の自律型ロボットヘリコプターが可能であると提案されました。火星の厳しい地形を越えて現地を移動できることなど、有用性が指摘されました。1967年に月面探査機が短時間ホップして別地点へ移動した例も参考にされたそうです。
NASAの火星2020ミッションにより、火星大気で初のヘリコプター飛行を実証したロボットヘリコプターとなり、パーセヴィアランスから展開され、当初は30日間で最大5回の飛行が計画されていました。1回あたり最大90秒間、高度3-5mを飛行でき、理論上は約50m移動可能です。自律制御により飛行し、着陸後はパーセヴィアランスと直接通信しています。
参考：
V/STOL - Wikipedia
VTOL - Wikipedia
STOVL - Wikipedia
Lunar Landing Research Vehicle - Wikipedia
Mars Helicopter - NASA Mars
eVTOL - Wikipedia
NASA Puffin (evtol.news)
ヘリコプター 垂直飛行協会
The Vertical Flight Society
近年、主要なヘリコプターメーカー各社は、ブランド名や社名から「ヘリコプター」の言葉を外しつつあります。それぞれが、ティルトローター機やコンパウンドヘリなど、ヘリコプター以外の垂直離着陸(VTOL)機や、eVTOL機の開発や製造を進めています。これらのことから、「ヘリコプター」という言葉を用いることが、事業内容とマッチしなくなっているとも言えるからではないでしょうか。
ヘリコプターやその他の VTOL 航空機技術の理論と実践の進歩を促進するための団体の
アメリカ ヘリコプター協会：American Helicopter Society (AHS)（1943年設立）も
2012年に「American Helicopter Society International」とInternationalをつけた名称に変更されましたが、その後、ヘリコプターだけでなくティルトローターや複合ヘリなど、すべての垂直離着陸機を含む、名称にする為2019年に垂直飛行協会： Vertical Flight Society(VFS) に改名されました。
ヘリコプターやその他の VTOL 航空機技術の理論と実践の進歩を促進するための団体の
アメリカ ヘリコプター協会：American Helicopter Society (AHS)（1943年設立）も
2012年に「American Helicopter Society International」とInternationalをつけた名称に変更されましたが、その後、ヘリコプターだけでなくティルトローターや複合ヘリなど、すべての垂直離着陸機を含む、名称にする為2019年に垂直飛行協会： Vertical Flight Society(VFS) に改名されました。
ヘリコプター（helicopter） の語源・由来
1861年、考古学者のフランスのギュスターヴ・ポントン・ダメクール（vicomte Gustave Ponton d'Amécourt）が発明に、ギリシャ語で「渦巻き」や「螺旋」を意味する「ヘリックス（hélix）」と、「翼」を意味する「プテロン（pterón）」の二つの言葉をを組み合わせ、フランス語で「エリコプテール（hélicoptère）」と命名し、それが、英語になった「ヘリコプター（helicopter）」が広まっていったようです。
ヘリコプターは略して「ヘリ」と言うため、「ヘリ・コプター」の区切りと思われがちだが、語源からすると区切りは「ヘリコ・プター」という事になります。
この「ヘリコプター」という言葉の初出は1861年8月3日で、イギリスにおける特許明細書に書かれた。フランスにおける特許出願は1861年4月3日になされ、1862年7月16日に特許番号49.097として認可されたものとされています。
参考
Gustave de Ponton d’Amécourt – Wikipedia
https://de.wikipedia.org/wiki/Gustave_de_Ponton_d%E2%80%99Am%C3%A9court
Collection de mémoires sur la locomotion aérienne sans ballons / publiée par le Vte de Ponton d'Amécourt | Gallica (bnf.fr)
https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k6213643q/f21.item.texteImage
