キ94 (航空機)
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/09/13 13:13 UTC 版)
キ94は、太平洋戦争末期における日本陸軍の計画による試作高高度防空戦闘機。全く形状の全く異なる二種の機体があり、キ94-Iは双細胴で操縦席の前後にエンジンを付けた双発単座機、キ94-IIは単発単座機である[1]。設計は立川飛行機。設計主務は長谷川龍雄技師。
開発の経緯
それまで練習機・九五式や、他社機の転換生産を主に手掛けていた立川飛行機であったが、1943年（昭和18年）前半、若手の長谷川技師を中心に戦闘機の自社開発に乗り出した。しかし主力戦闘機の分野では経験豊富な中島飛行機や川崎航空機と競合した場合、後発の立川が採用される可能性は低いと思われた。
すでにアメリカはB-29を1942年9月21日に初飛行させ実用段階に近づきつつあり、その存在を察知していた陸軍は高高度戦闘機キ87の試作を中島に命じていたが、高高度機であれば立川飛行機もロ式B型やキ74で経験を積んでおり与圧気密室では他社を上回るノウハウを持っていた[2]。
これら、先行メーカーに対抗できる技術領域を活用し対爆撃機用高高度戦闘機の開発を決定。2基のエンジンを胴体の前後に配置した串型双発、降着装置に前輪式を採用した双胴単座戦闘機として計画案を纏め上げ陸軍へ提案した。同年6月、陸軍の承認を得てキ94として試作指示を受ける。
キ94I
串型双発、双胴の特異な基本型は変わらず。主要な要求性能は以下の通り。
- 任務
- 高高度における敵機、とくに敵爆撃機の撃墜。
- 特性
- 高度上昇力に卓越し、とくに高高度性能に優れたもの。
- 最高速度
- 高度10,000mで水平最大速度750km/h。
- 上昇性能
- 実用上昇限度15,000m。
- 航続力
- 全力0.5時間、巡航2.5時間（増槽装備時+2.5時間）。
- 武装
- 大口径機関砲（20、30、40mmを検討）、防弾装備等。
- 耐久温度
- 耐熱地上 45度 耐寒マイナス 70度
なお試作1号機の完成期限は1944年（昭和19年）12月とされた。
試作を進める中で長谷川は、キ94と似た形態の局地戦闘機閃電を手掛けていた三菱を訪ね、河野文彦、佐野栄太郎の両技師から胴体による捩り荷重[注釈 1]に注意するようアドバイスを受けている（1943年9月）[3]。
後に陸軍側との打ち合わせに基づき一部要求性能が下方修正されるが爆装・自動操縦・機上索敵・気密室・排気タービン等の装備を追加して設計を進め、1944年（昭和19年）2月にモックアップ審査にこぎつけた。
審査そのものは順調に進展したが、2月末に行われた陸軍側との検討会にて脱出時に後方プロペラに巻き込まれる危険性やエンジンの生産等に問題ありとして設計中止、以降の方針は未定になる。更に設計上も排気タービンや中間冷却器の搭載スペース等に問題が山積していたこともあり事実上の計画中止となった。
また、1943年7月にはキ94Iの襲撃機型である「キ104」の試作指示も行われているが、キ94Iの計画中止に伴いこちらの計画も中止されている[4]。
キ94II
ところが1944年（昭和19年）3月末、陸軍から中島キ87の設計を流用し、気密室を装備した単発機として設計を再開するよう指示を受ける。しかし立川はキ87を基本型としたのでは充分な高高度性能が得られないこと、中島でも独自に気密室装備のキ87改造案を計画しており後発のキ94は不採用の可能性があることからこの指示を拒否、キ94開発の辞退を申し出た。
これに激怒した陸軍航空本部の駒村少将が直接立川に来社し、キ87改造案の推進を強く求める事態となるが、同時期に中島から気密室の技術供与を打診[注釈 2]されたことでキ87の開発が難航していると判断し、独自設計の単発機を開発する方針を固める。後日再び来社した駒村少将らとの協議の結果、キ87改造案は一旦棚上げされ独自案キ94IIの設計が開始された。
試作初期の要求性能は以下の通り。
- 最高速度
- 高度10,000mで最大水平速度750km/h。抵抗の軽減のため層流翼を採用する。
- 上昇性能
- 実用上昇限度15,000m。パイロットの負担軽減のため気密室を装備する。
- 航続力
- 全力0.5時間（高度8,000m）、巡航2.5時間（速度465km/hで高度4,000m、増槽装備時+2.5時間）
- 武装
- 30mm機関砲×1または2、20mm機関砲×2
- エンジン
- 可能な限り高出力のものに、これも最大の排気タービンを採用する。
その他、工作の容易化・機械的信頼性の確保が求められた。
同年5月、キ87とのプロペラ装備に関する比較検討が行われ大直径プロペラを備えるキ94IIの優位が明らかになるなどして、翌6月にはキ87改造案は取り下げられ、独自案の採用が承認された。
さらに、その後モックアップ審査・排気タービンに関する研究会を挟み、最終的に1944年（昭和19年）11月、陸軍から増加試作機36機の正式発注を受ける。納期は昭和20年8月末とされた。1945年（昭和20年）1月には軍需省の方針で海軍の烈風との競争試作とすることが定められている。
しかし、米軍による爆撃が激化する中で試作機の製造は遅々として進まず、同年7月末ようやく試作1号機の組み立てが完了。翌8月8日には地上運転に成功するが、8月17日の飛行試験に向けて不具合箇所の改修作業中に終戦を迎えた。
技術的特徴
B-29撃墜を目標に掲げ高高度・高速性能を実現するため、大出力の排気タービン付きエンジンや気密室等の高高度装備をキ94Iでの失敗を教訓として空間的余裕のある機体に搭載したため、総重量7tに及ぶ大型機となった。
主翼には長谷川技師の独自研究による層流翼型「TH翼」を採用。このTH翼は翼断面の後方まで厚みがあり後縁に半径を持つのが特徴で、フラップの機構・武装や燃料の搭載スペースの確保にも有効だった。ただしエルロンの断面は通常の尖った後縁としたため上面図で見ると後方に突出している[6]。フラップは速度低下を嫌い抗力の小さいザップ式を装備。また、主翼表面の平滑さを保つため厚く丈夫な外板を使用して縦通材を廃し、リベットを減らしてスポット溶接を多用したので工作の容易化にもつながった。
プロペラは1943年4月に初飛行した四式戦闘機向けとして開発されていた「ペ32」を採用した。これはフランスのラチェ社の電動式ガバナーを搭載するモデルをライセンス生産権を得ていた日本国際航空工業が改良したものである[7]。ブレードは直径4 mで6翅と4翅の2案が検討されており、モックアップでは6翅を使用したが実機では4翅を使用した（四式戦は直径3.05mの4翅）。強制冷却ファンの駆動には約50馬力を消費した[8]。
気密室は直径 0.9m、長さ 1.4 m、容積約 0.95m3の円筒形で、前部風防と一体になったものが胴体内に組み込まれている。被弾時の急減圧を考慮し発動機過給 1速時に与圧高度 6,000 m相当、2速時で 9,000m相当[9]に抑えたため、簡単なパッキンを備えたスライドキャノピーで密閉が保たれたが、酸素ボンベとの併用が必要だった。与圧には排気タービンで圧縮された高温高圧の空気を使用。同時に風防の曇り止めや暖房にも利用された。排気タービンの位置もキ87が胴体の側面に取付けたのに対し、胴体下面にバランスよく配した。
燃料タンクは16ミリ厚の防漏ゴム袋式（メタノールタンクは12ミリ厚）であったが、乗員の防弾装甲は前面のみで20mm徹甲弾を防ぐ事を目標としていた[10]。
武装は30mmと20mm機関砲各2門を翼内に搭載。高空での安定性を確保し射撃精度を高めるために胴体の形状を上から見て細く、横から見て太い縦長にし、垂直尾翼も背の高い大面積の物を使用した。胴体の最大幅は 1.4m、最大高は 1.8m（風防を除く）[11]。
他にも排気管の余熱を利用した機関砲凍結防止の暖房も備え、滑油冷却器・中間冷却器とも空気密度が低く熱が奪われにくい高高度に対応して大容量の物を使用するなど、立川が持つ高高度機の経験を活用した設計がなされた。
TH翼型
長谷川龍雄が「電車の吊り革の環」を見ていて思いついたというこの翼型は、1942年3月の日本航空学会誌上で発表された層流翼の発展型である[12]。一般的な翼型は後縁が尖っているのに対し、厚みを残して半円（前縁半径の約三分の一程度[13]）で終わるのが特徴で、最大厚さ位置を層流翼よりもさらに後方として層流域を拡げ、表面摩擦抵抗を低減すると共に、最大厚さ位置から後縁に至る傾斜勾配も緩やかとなり後縁の境界層流を安定させる効果も発揮した[14]。さらにこの翼型は空力特性の解析計算が可能であり[注釈 3]、またパラメーターを変化させてプロットした翼型を空力特性で比較し、機体に応じた最適な翼型を選択できるため時間と労力の節約にもなった[15]。さらに長谷川龍雄は圧縮性の問題において、層流翼型が旧来翼型より有利である事を1943年に発表しており[注釈 4]、特にLB翼型、TH翼型が衝撃波失速で優れた特性を持つ事が計算で示されている[16]。これは当時で言えば急降下限界速度、機体強度だけでは超えられない空力的な限界を高める手段であった。
なお、米海軍のF7Uカットラス（1948年9月29日初飛行）がTH翼に似た翼型（Blunt trailing edge）を使っているが、これも衝撃波失速で起こる激しいバフェッティングを避けるための処理で[注釈 5]、翼厚の大きい機体が遷音速域で安定して飛行するための過渡的な翼型である[17]。
また戦後、米国のNASAが開発した遷音速翼型「スーパークリティカル翼」の特許出願がNASAによって日本で申請されたが、TH翼型の論文が証拠のひとつとなり阻止に成功している[注釈 6][18]。もし特許が成立していたら日本の航空機産業界は特許に抵触する類似の翼型は使えず、ライセンス契約を結ぶしかなかった。
名称に冠した”TH”について長谷川は「立川 飛行機」また「龍雄 長谷川」のどちらの解釈でも結構です。と書き残している[19][注釈 7]。
主要諸元
| 型式名 | キ94Ⅰ 計画値[20] | キ94Ⅱ 計画値[21][11] |
|---|---|---|
| 形式 | 串型双発・低翼・単葉・引込脚 | 単発牽引・低翼・単葉・引込脚 |
| 全長 | 13.5 m | 12.0 m |
| 全幅 | 15.0 m | 14.0 m |
| 全高 | 4.61 m（地上3点静止） | |
| 翼面積 | 28.0m2 | |
| 翼弦長[22] | 中央翼弦 3.52m
仮想翼端 1.53m |
中央翼弦 2.9m
仮想翼端 1.36m |
| 翼型 | 中央 T.H.346-8454（翼厚17%、矢高2.8%）
継目 T.H.346-755045（翼厚14%、矢高2.8%） 翼端 T.H.346-75505（翼厚10%、矢高2.0%） | |
| 主翼取付角 | 3.0度 | |
| 捩り下げ角 | 幾何学的 1.5度
空力的 0.6度 | |
| 上反角 | 6度（翼弦30%基準線にて） | |
| フラップ角[11] | 離昇 15度
着陸 47度（エルロン 18度） | |
| 重量 | 全備 8800～9400 kg | 自重 4860 kg
全備 6450 kg |
| 乗員数 | 1名 | |
| 燃料 | 胴体タンク容量 840L／搭載量 830L
翼内タンク容量左右各 200L／搭載量195L 落下タンク左右各 300L メタノールタンク 容量 280L／通常 200L | |
| 発動機 | ハ-211ル 空冷複列星型18気筒エンジン×2
離昇出力 2200HP×2 |
ハ-44-12ル 空冷複列星型18気筒エンジン
離昇出力 2500HP×1 |
| 最大速度 | 780 km/h /高度10000 m | 712 km/h /高度12000 m |
| 巡航速度 | 430 km/h /高度8000 m | 440 km/h /高度9000 m |
| 上昇時間 | 10000 mまで9分56秒 | 10000 mまで16分20秒～17分38秒
12000 mまで22分26秒～24分13秒 14000 mまで50分20秒～53分27秒 |
| 実用上昇限度 | 14000 m | 14100 m |
| 武装 | 37mm機関砲×2 30mm機関砲×2
50kg爆弾×2 |
ホ5 20mm機関砲×2（200発）
ホ155-II 30mm機関砲×2（100発） |
戦後のキ94
唯一完成していた試作1号機は、米軍の接収を受け米本土に移送されたが、飛行試験は行われなかった。その後1号機の所在は不明となり、エンジンも主翼も脱落し雨ざらしになった機体の残骸の写真を残すのみとなる。
脚注
注釈
- ^ 主翼から後方にだけ伸びる側胴は尾翼を含め揚力中心よりずっと後方に重心があり、これとバランスを取るために中央胴体は前を重くするように突き出して取付られる。結果、中央胴体と側胴を繋ぐ主翼には、あべこべの荷重によって捩り荷重が常にかかり続けており、操縦桿を引いて昇降舵を使えばさらにそれが強まる。
- ^ 中島飛行機から幹部が訪れ、立川飛行機の気密室設計の技術者数名と中島の製図工員（人数は書いておらず応相談か）のトレードを申し出たという。[5]
- ^ 後縁が尖った一般的翼型は解析計算が複雑で特異点を持つために誤差も大きいが、TH翼型には特異点が無くフーリエ級数を使った微分方程式で精度の高い解析ができた
- ^ 日本航空学会創立十周年記念大会での講演
- ^ 翼弦の70%位置の翼上面の点と翼後端の点を結ぶ線と、翼弦線（前端→後端線）との交差角を浅くするのが目的。バフェッティングを防ぐには直線翼で4度以下、後退翼でも6度以下にする必要がある。
- ^ 日本航空宇宙工業会 技術委員会・特許小委員会・翼型分科会報告書「NASA 亜音速用の翼型特許願に関する検討」1979年
- ^ 1996年 日本学術振興会「民生技術への転換」
- ^ 落下タンクの外側に懸吊され両者を同時装着できる
出典
- ^ 渡辺洋二『未知の剣』、文春文庫、2002年、158ページ
- ^ 山﨑明夫、長谷川龍雄（監修）『幻の高高度戦闘機キ94』三樹書房、2002年、42-44頁。
- ^ 山﨑明夫、長谷川龍雄（監修）『幻の高高度戦闘機キ94』三樹書房、2002年、121-122頁。
- ^ 佐原晃『日本陸軍の試作・計画機 1943〜1945』イカロス出版、2006年、50頁。ISBN 978-4-87149-801-2。
- ^ 『幻の高高度戦闘機キ94』山﨑明夫 長谷川龍雄（監修） 三樹書房、2002年、52頁。
- ^ 山﨑明夫、長谷川龍雄（監修）『幻の高高度戦闘機キ94』三樹書房、2002年、61,巻頭折込図頁。
- ^ やまももの木は知っている ヤマハ発動機創立時代のうらばなし - ヤマハ発動機の技と術 - ヤマハ発動機
- ^ 山﨑明夫、長谷川龍雄（監修）『幻の高高度戦闘機キ94』三樹書房、2002年、64頁。
- ^ 山﨑明夫、長谷川龍雄（監修）『幻の高高度戦闘機キ94』三樹書房、2002年、62,96-99頁。
- ^ 山﨑明夫、長谷川龍雄（監修）『幻の高高度戦闘機キ94』三樹書房、2002年、60,79-81頁。
- ^ a b c 山﨑明夫、長谷川龍雄（監修）『幻の高高度戦闘機キ94』三樹書房、2002年、62頁。
- ^ 山﨑明夫、長谷川龍雄（監修）『幻の高高度戦闘機キ94』三樹書房、2002年、23頁。
- ^ 山﨑明夫、長谷川龍雄（監修）『幻の高高度戦闘機キ94』三樹書房、2002年、22頁。
- ^ 山﨑明夫、長谷川龍雄（監修）『幻の高高度戦闘機キ94』三樹書房、2002年、31-35、206頁。
- ^ 山﨑明夫、長谷川龍雄（監修）『幻の高高度戦闘機キ94』三樹書房、2002年、23、210-211頁。
- ^ 山﨑明夫、長谷川龍雄（監修）『幻の高高度戦闘機キ94』三樹書房、2002年、36-37頁。
- ^ 田中幸正『航空工学概論』地人書館、1985年、49頁。
- ^ 山﨑明夫、長谷川龍雄（監修）『幻の高高度戦闘機キ94』三樹書房、2002年、204-206、211頁。
- ^ 山﨑明夫、長谷川龍雄（監修）『幻の高高度戦闘機キ94』三樹書房、2002年、206-211頁。
- ^ 秋本実『大いなる零戦の栄光と苦闘』グリーンアロー出版社、1995年、316頁。
- ^ 秋本実『大いなる零戦の栄光と苦闘』グリーンアロー出版社、1995年、322-324頁。
- ^ 山﨑明夫、長谷川龍雄（監修）『幻の高高度戦闘機キ94』三樹書房、2002年、巻頭折込図面頁。
- ^ 山﨑明夫、長谷川龍雄（監修）『幻の高高度戦闘機キ94』三樹書房、2002年、95頁。
参考文献
- 前間孝則『マン・マシンの昭和伝説 上 航空機から自動車へ 』
- 碇義朗『幻の「亜成層圏戦闘機」開発物語』
- 潮書房『丸』1994年3月号 No.575 p67～p77
- 碇義朗『幻の戦闘機』光人社NF文庫、2003年、72-81頁。
- 松葉稔 作図・解説『航空機の原点 精密図面を読む10 日本陸軍戦闘機編』（酣燈社、2006年） ISBN 4873572223 p146～p157
- 渡辺洋二『未知の剣 陸軍テストパイロットの戦場』(文春文庫、2002年) ISBN 978-4167249120
外部リンク
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