雷電 (航空機)

雷電（らいでん）は、大東亜戦争（太平洋戦争、第二次世界大戦）後期に大日本帝国海軍が運用した局地戦闘機（乙戦）。略符号はJ2M。

帝国陸軍の戦闘機とは異なり、「雷電」の名称は愛称ではなく制式名称であり、乙戦の場合は「雷」または「電」の字を含むことと定められていた。連合軍のコードネームはJack（ジャック）。

日中戦争（支那事変）の戦訓により陸上基地防空のため、速度、上昇力、火力を重視して開発されたが、初飛行後の不具合解消に手間取り実用化が遅れ、生産は縮小され生産数は比較的少数にとどまった。しかし南方や本土における防空戦闘に投入され、一定の戦果を挙げている。

 概要 
大型爆撃機の迎撃を主任務とする局戦に要求される性能は、爆撃機が飛行している高度に短時間で到達する上昇力、敵爆撃機に追い付く速力、そして一瞬のチャンスに敵爆撃機へ致命傷を与え得る火力の三つである。これらを重視して開発されたのが雷電である。雷電の開発は困難で時間がかかり、任務に就いた後でも全ての技術的な問題が解決された訳ではなかった。戦歴を通してエンジンに起因する問題を終始抱えており、三菱で476機、高座海軍工廠（神奈川県高座郡相模原町（現・座間市）、跡地は現在日産自動車座間事業所）および日本建鐵（千葉県船橋市、2015年1月に解散。跡地には現在イオンモール船橋が存在）で若干数が生産されたのみに終わった。

 開発 
支那事変時、中華民国空軍の爆撃機隊により陸上基地に被害を受けた海軍は、十二試艦上戦闘機（零式艦上戦闘機）試作一号機を領収した直後の1939年（昭和14年）9月に三菱単独指名で「十四試局地戦闘機」（以下、「十四試局戦」と略）を提示、翌1940年（昭和15年）4月に「十四試局地戦闘機計画要求書」を交付した。

計画書に記載されていた海軍の要求値は、概ね以下の様なものであったとされる。

 最高速度
 高度6,000 m において325ノット（約601.9 km/h）以上。340ノット（約629.7 km/h）を目標とする。
 上昇力
 高度6,000 m まで5分30秒以内、上昇限度11,000 m 以上。
 航続力
 最高速（高度6,000 m）で0.7時間以上（正規）。
 武装
 20 mm 機銃2挺、7.7 mm 機銃2挺。
 その他
 操縦席背面に防弾板を装備すること。

これを受けた三菱では零式艦上戦闘機と同じく堀越二郎を設計主務者とした設計陣を組み、開発に取り組んだ。

1940年（昭和15年）7月下旬から設計作業が本格化し、12月26日に第1次木型審査（実物大模型による審査）、翌1941年（昭和16年）初頭にかけて第2次、第3次審査が行われた。2月からは実機製作用図面の出図と部品製作が始まり12月に1号機の組み立てが完了、2度の構造審査を経て1942年（昭和17年）2月28日に1号機完成となった。3月20日に初飛行し、三菱テストパイロットによる試験飛行の後に5月下旬からは海軍による性能試験が行われた。その後8月末までにかけて、十四試局戦（J2M1）の試作機は合計8機が製作されている。

この中で、1942年（昭和17年）2月2日に海軍と三菱の合同で十四試局戦の性能研究会が開かれている。この会で提出された性能推算書によれば、火星一三型を搭載する J2M1（十四試局戦）の最大速度は 323 ノット（598 km/h）、MK4C性能向上型（火星二三型相当）を搭載する J2M2（十四試局戦改）の最大速度は 342 ノット（633 km/h）となっており、十四試局戦1号機初飛行以前のこの時点で要求性能の未達と性能向上型の製作が考慮されていたことがうかがえる。また同年4月の曽根嘉年技師のノートには J2M2 3号機以降も含めた表面仕上げに関する記述があり、性能試験が行われる以前から性能向上型に製作を移行する予定だったことがわかる。

1942年（昭和17年）5月に行われた性能試験では十四試局戦（J2M1）の最大速度は 310 ノット（574 km/h）程度と推算をさらに下回り、また10月に完成した十四試局戦改（J2M2）1号機の最大速度も 10 ノット（18 km/h）程度の向上しか見られない有様だった。

 振動問題 
空力優先でプロペラ延長軸を使う本機は振動では不利となるため発動機架に非連成方式（デカップリング方式）を採用、設計段階から振動対策をとっていた。にもかかわらず J2M1（火星13型+ハミルトン3翅プロペラ）では見られなかった異常な振動が J2M2（火星23型+VDM4翅プロペラ）から発症する。火星23型発動機は日本初となる水メタノール噴射を採用しており、各気筒の不均一燃焼が疑われ対策を講じたが根本的改善にはならなかった。飛行テストを担当する帆足大尉によれば振動には2種類あり「回転やブーストによらず常にゴツゴツと感じる低周波の振動（300/分）」および「高回転で起きる高周波のビー振動」であった。振動計とオシログラフで解析した結果、低周波振動については発動機からくる曲軸の2倍の速さ（発動機2次）の振動とプロペラの4倍の速さ（プロペラ4次）の振動が減速比0.54と非常に近いために起こるうなり振動であると判明。対策として振動の周期を一致させ、うなりを解消できる減速比0.5のファルマン式ギア（多量生産には不向きであった）を準備、高周波振動の方は発動機次振動で、特に高回転で非常に顕著である事から推力式単排気管が疑われたが、集合排気管に換えても変化は無かった。1943年2月21日に待望の減速比0.5の機体を柴山操縦士が初飛行し「振動皆無の如し」と報告、関係者を喜ばせるもケルメット軸受けが焼き付いてしまい試験は継続不能になる。2台目の減速比0.5火星発動機の完成は遅れ4月24日に前回と同じ柴山操縦士がテストした所、低周波のゴツゴツ振動は無くなったが高周波の振動が我慢ならないほどに酷くなっていた。原因がわからず、防振ゴムの改良等の対策にも関わらず解消にはほど遠い状態であった。振動波形を分析した山室宗忠技師（三菱）は、発動機次と発動機2次の2つ振動は位相が重なる時期が決まっており、プロペラの1回転と同期可能な点に着目し4本あるプロペラブレードの内、1本の基部にバンド式の不平衡オモリを取付て振動を抑える試験を実施、振動を減少させる事に成功したが、それでも射撃照準への影響が無視出来ないレベルで残った。これは戦闘機としては致命的であり、責任を感じた山室技師は飛行中の振動を体感するため帆足大尉が操縦する胴体後方に乗り込んで同乗テストにも臨み、設計者の堀越技師とも相談のうえ不平衡オモリの増加（1500g/cm→2500g/cm）を決定。このテストのため1943年6月16日に帆足大尉が離陸するが脚を引き込んだ直後に機首を下げて墜落、殉職してしまう。手詰まりに陥った山室技師はプロペラ振動を疑い、空技廠から松平精技師の応援も得て確認の作業に入る。発動機次の振動は発動機の爆発力によって励起されるプロペラの曲げ振動に起因すると考えられ、簡単な計算の結果、プロペラ軸のたわみを考慮に入れるとプロペラの2次型の振動が2300回転で共鳴している事がわかった。そして松平技師が重大な発見をする。減速比0.5で最初に飛んだ試験「振動皆無の如し」と報告された時のプロペラが雷電用の物ではなく、より剛性の高い紫電用のプロペラであった事を突き止め、再びこれに交換して飛んでみると異常振動は解消していた。目立って減少したのは発動機次の振動よりも発動機1次振動の方で関係者を驚かせた。発動機1次の振動源は主として発動機の捩り方向にあり、プロペラ軸を通してプロペラ翼の曲げ振動の励振力となる。これによってプロペラ翼は傘を開いたり閉じたりするような振動をし、機体には前後方向の振動として伝わる。プロペラの剛性が高ければ振動は運転範囲外で起きるため問題にならない。ただしプロペラ断面の厚さを増す事になるためプロペラ効率は低下した。飛行性能すなわちプロペラ効率を重視して薄いプロペラ断面を使うには発動機の捩じり方向の1次振動を抑える必要があり、二重星型発動機の前後列の主接合棒を180度（日本が従来から採用する方式）にするよりも、隣同士にする方が数倍減少するという E.S.Taylor および G.P.Bentley の研究が日本でも知られていた。しかしその場合「副接合棒の複傾斜のために上下方向に発動機2次の振動が大きくなる」とする田中敬吉博士の研究も存在し、発動機の軸受け荷重が激増、火星では約2トン増えると計算された。上下方向の発動機2次の振動を打ち消すためには曲軸とは逆方向に2倍の速さで回転する2次不平衡量が必要であり、現に米国のダブルワスプ、デュプレックスサイクロンは前後列の主接合棒を隣接配置にした上で、逆回転2倍速の不平衡量を曲軸の前後端に実装していた。これの追加装備は発動機の大改造となり、火星での導入は見送る他なかったが、誉の主接合棒を隣接配置として彩雲でテストしたほか、海軍の強い要望でハ43（MK9A）に導入すべく佐々木一夫技師らが2次不平衡量の設計に着手している（試作には至らずに終戦）。

 量産開始 
振動問題解決の過程で潤滑油温の過昇による潤滑油冷却器の容量増大、視界不良に対する風防拡大等が実施されている。

制式採用を待たずに1943年（昭和18年）9月から量産が始められ、試製雷電として海軍への引渡しが始まったが、部隊配属後も高高度において定格通りの出力が出ない、電動式の引込脚が動かないなど問題が多かった。高高度での出力低下は全開高度を引き上げた火星二六型への換装などで一応の解決を見たが、電動機構の不調は最後まで解決しきれないままであった。試製雷電が雷電一一型として制式採用されるのは、計画要求書交付から実に5年後の1944年（昭和19年）10月である。1944年（昭和19年）後半より既存機や新造機の双方に対して高高度で有利（最高速度の面では不利）な付け根までブレードの太いプロペラに変更するという対策が施されている。

 特徴 

 エンジン 

速度と上昇力を確保するためには大馬力エンジンが必要であり、本来大型機用に開発された大直径ではあるが大馬力の「火星」が選定されている。大直径を補うために採用された紡錘形の胴体（後述）に適合するよう延長軸とプロペラ軸直結の強制冷却ファンを追加した火星一三型が用意されている。強制冷却ファンは機首の断面積を絞ったことによるエンジン冷却用空気流入量の減少による冷却効率の悪化を補うための装備である。ちなみに高度獲得のため最大出力で上昇を継続する場合、エンジンの発熱に対し登坂のため速度も出ずカウルフラップを大きく開いて冷却維持に努める事になるが、カウルフラップの最大開度を比較すると同じ三菱の零戦が30度なのに対し強制冷却ファンを持つ本機は15度である。

十四試局戦改（J2M2）以降では火星二三甲型を装備した。これは水メタノール噴射装置によって出力を引き上げた二〇型に延長軸と増速式の強制冷却ファンを装備し燃料噴射装置を備えたものである。また雷電三三型（J2M5）および二三型（J2M7）で装備された火星二六甲型は、過給器増速比を増して全開高度を引き上げたものである。なお、火星エンジン自体は電動慣性始動器に対応したエンジンではあるが、雷電では発動機搭載方法の関係で手動慣性始動器が装備されている。

なお雷電の火星エンジンは空中で一旦停止してしまうと再始動が困難なため、各燃料タンクをギリギリまでは使わず、早めに次のタンクに切り替えていた。これは航続力にはマイナスだったが、無用な機体損失を避けるためやむを得なかった。

プロペラのピッチ変更機構は、当初ドイツVDM社開発の電動式ガバナー搭載モデルを住友金属（現・日本製鉄）がライセンス生産したものが用いられた。これはピッチの変更速度はハミルトン・スタンダード開発の油圧式に劣るが変更角度が大きいため適応する高度域が広くなるという利点があった。しかし故障が多発したため、十四試局戦改（J2M2）以降はハミルトンの油圧機構を組み込んだ折衷型を使用した。

なおプロペラ枚数は十四試局戦（J2M1）が三翅(直径3.2ｍ)、十四試局戦改（J2M2）以降は四翅（直径3.3ｍ）である。また後期では高空性能改善のため幅広のものが装備された。

強制冷却ファンは十四試局戦（J2M1）が直結22枚羽根、十四試局戦改（J2M2）以降は増速式14枚羽根で、プロペラ軸回転数の3.18倍に増速され、これを回す分の馬力が削られた。

 胴体 

火星の直径は 1,340 mm と、零戦に搭載された栄と比べて 200 mm 近く大きい。そこで空気抵抗を可能な限り減少させるために、エンジンに延長軸を装着してプロペラを前方に出した上で機首の断面積を絞り込み、エンジンよりも後ろの操縦席付近で最も太くなる紡錘形の胴体が採用された。これは空技廠の風洞実験データに基づいており、同時期に開発が進んでいた十五試水上戦闘機でも採用されているが、実機のレイノルズ数では層流を維持できず風洞模型のような効果は出なかった。また風防は前面を曲面ガラスとした上で高さをごく低くし、形状もファストバック型として抗力減少を図った。

ただし代償として前下方及び後方、側下方視界が悪く、曲面ガラスによって風景が歪んで見えるという問題が発生したため、十四試局戦改（J2M2）以降ではそれ以前と比較して機首を 205 mm 短く、風防をやや高くして前面ガラスの平面部を増やし、側面ガラスを下方向に大きくする設計変更が行われている。量産後も三三型（J2M5）、三一型（J2M6）でさらに風防の高さを幅を増し、風防前の上部胴体を斜めにそぎ落とす改設計が行われたものの速度低下をきたし、高座工廠は視界改善策を行わない二一型（J2M3）の胴体のまま生産を続けた。

なお三三型（J2M5）、三一型（J2M6）で行われた視界改善策について古峰文三は、1944年（昭和19年）度に基地航空隊主力機として大量生産される予定だったためであり、高座工廠生産機に視界改善策が導入されなかったのは減産が決定（主力機化の断念）していた状態で既に稼働している量産ラインを阻害しないためであるとしている。

胴体部だけの風洞模型を用いた実験では、紡錘形の胴体そのものの抗力は低かった。だが、実際の飛行機では、プロペラ後流が絞り込むように流れるため、エンジン後方から胴体を絞っていく設計（例えば二式単座戦闘機やフォッケウルフ Fw190）の方が少し抵抗が小さかった事が後から判明している。堀越自身も紡錘形胴体について『実際の利益は当時の理論ほどには著しくなかったようで、600km/h付近から空気の圧縮性が目に見えて効いてくるという説も、少し誇張された議論であったことが後になって判明した』と著書に記し、空技廠を発端とする残念な錯誤であった事を暗に示唆している。

表面積の広さに比例する摩擦抵抗においては雷電の太い胴体は損であり、外気流より流れが速いプロペラ後流圏内ではその影響が強まる。また主翼と胴体の干渉抵抗は、正面から見た主翼と胴体側面のなす角度が大きいほど有利で、Me262、Do17、F6F、XP67等はこれを汲んだ設計だが、楕円断面の胴体に低翼とした雷電はこの角度が狭く翼胴の干渉抵抗が大きい。

プロペラ効率を抗力係数で割った数値 η/Cd について、内藤子生は「高速飛行値」と呼び、山名正夫は「最大速度時の η/Cd は高速性能から見た飛行機の洗練度を示す」と書いている。この数値はグラフ化されており、雷電の数値は液冷彗星、彩雲、零戦、空冷彗星、流星に劣っている。

 主翼 
主翼の翼型には1940年代当時、高速機に有利として着目され始めていた層流翼を翼根側に、外翼側を従来翼型とした半層流翼を採用している。これは当時、層流翼は失速特性が良くないとされたためで、外翼をより失速特性の良好な従来翼型とすることで翼端失速／不意自転を防ぎ、2度の翼端捩じり下げと合わせ気流剥離が翼根側から始まる安全な失速特性を得ている。

ただし層流翼は表面の凹凸にデリケートで、塗装膜の気泡や昆虫の衝突による付着物でも後方三角形状に層流が崩れ、乱流に遷移して摩擦抵抗が増加する。偵察機 彩雲も同じく層流翼型を採用しているが主翼の外板を厚くし鋲数も減らして表面の凹凸を最小限に抑え、主脚も桁前ではなく桁間に引き込んで前縁部の強度を上げている。残念ながら雷電ではこの点に留意した設計にはなっていないが重量の増加は見ずに済んだ。

主翼面積は零戦二一型と比べて約10％小さくなっており、全幅が1.2m短縮されたために中・高速域では零戦よりも横転性能は良好だったといわれる。引き換えに日本海軍機としてはかなりの高翼面荷重となったため、フラップは九六艦戦や零戦が装備した単純なスプリット式ではなく、より高い揚力係数を発揮するファウラー式を採用。手動の空戦フラップとして使用できるよう設計され、操縦桿上部の引金状のボタンでフラップを出し入れする。計器盤の右側にフラップ角度表示計があり、これを見ながら 0度～16度 の範囲にセットできるが、紫電改の包絡線フラップのように最適な角度に自動調整されるものではなくパイロットが任意に操作する仕組みである。フラップの出し入れに要する時間は「出 2～3秒 / 入 1.8～2.5秒」で、操縦桿の頂部にはボタンをロックする「動/止」ツマミがあり空戦時以外は「止」位置でロックしておく。離着陸で使用する時の最大下げ角度は 50度で、電圧９ボルト0.8馬力の駆動モーターで800回転（6～7秒）を要する。空戦フラップとして使用する場合を含めモーターが過熱して焼損の恐れがある時はブザーが鳴ってパイロットに警告する。

 武装・防弾 

一一型までの武装は零戦と同じく翼内に20mm機銃2挺、胴体に7.7mm機銃2挺であったが、二一型以降は胴体の7.7mm機銃を廃止し20mm機銃4挺を翼内に装備している。しかし二一型の開発時期と九九式20mm機銃の生産が短銃身の一号銃から長銃身の二号銃に移行する時期が重なり、二号銃を必要数確保出来ない恐れがあったために外翼側に一号銃、内翼側に二号銃を混載するという妥協案が採られている（紫電一一型の初期生産型も、二号銃ではなく一号銃を装備している）。一号銃と二号銃は同じ九九式ながら構造がかなり異なり、また弾薬包も互換性がないため、機銃そのものの整備や補給に支障をきたし、また弾道にバラツキが出るなどという結果となった。なお、B29への直上方攻撃時、視界の悪さから目標が胴体に隠れて照準が困難になるのを改善するため20mm機銃を4度上向きに調整したという。

1944年11月には翼内武装を二式30mm機銃2挺とした二一型が302空に2機配備され、12月3日の迎撃戦で杉滝巧上飛曹がB29に前下方攻撃をかけて空中分解させている。1945年春には五式30mm機銃2挺を装備した三三型も1〜2機が同空に配備されたという。

防弾装備として操縦席背後に8mm厚防弾鋼板を装備している他、一一型以降は翼内タンクに自動消火装置を装備、二一型以降は前部風防内に防弾ガラスを追加し、胴体タンクを自動防漏式としている。