垂直離着陸機

垂直離着陸機（すいちょくりちゃくりくき、英: Vertical Take-Off and Landing Aircraft, 略称：VTOL）またはVTOL機、ブイトール機、ヴィトール機は陸上滑走をせずにヘリコプターのように垂直に離着陸できる飛行機である。
回転翼機であるヘリコプターは慣例的に垂直離着陸機（VTOL機）には含めない。

特徴と分類

ヘリコプターは空中でのホバリングが可能である。そのため、離着陸場所を比較的自由に選べるなどの利点がある。しかし、回転翼端が音速を超えると衝撃波が発生し揚力を失うため、速度の上限が370km/h前後に存在し固定翼機ほどの高速性はない。また前進効率は固定翼機に劣るため、移動距離あたりの燃費効率が劣る。一方で固定翼機は、離着陸の際に十分な距離を持つ滑走路（ただし必要距離は機体によって大きく異なる）が必要となり、運用に制限がある。そのため、距離の長い滑走路が存在しない場所への高速飛行という要求を満たすために、固定翼機の高速性とヘリコプターの場所を選ばない離着陸性を兼ね備えた、垂直離着陸機（VTOL機）が開発された。
垂直離着陸機（VTOL機）の離着陸時には、ヘリコプター同様に強力に下方へ空気を押し出す力の反作用で浮力を得るため、相応に強力な動力が必要である。そのため離着陸専用の動力を持つ機体も存在する。離陸後に水平飛行する時には、固定翼機同様に主翼によって生み出される揚力を利用し高度を保ち、動力は前進運動のために用いられるため、ヘリコプターよりも高速度が得られ、移動距離あたりの燃費効率が高い。
垂直離着陸機（VTOL機）に類似するものとして、STOVL機（Short take-off and Vertical Landing aircraft、短距離離陸垂直着陸機）が存在する。これは離陸時に短距離を滑走し、着陸時に垂直着陸するものである。しかしながら、垂直離着陸機（VTOL機）であっても滑走により主翼から発生する揚力を利用して離陸した方が搭載重量が稼げて燃料消費も有利であるため、可能な限り離陸時には滑走を行なうのが普通である。よって垂直離着陸機（VTOL機）を名乗りながらも実際には短距離離陸垂直着陸機（STOVL機）として運用されている例が多く、垂直離着陸機（VTOL機）とは別個の機体として短距離離陸垂直着陸機（STOVL機）が存在するわけではない。ただし稀に短距離離陸垂直着陸機（STOVL機）としての使用が不可能、つまり垂直離陸しか不可能な垂直離着陸機（VTOL機）も存在する。
一方で垂直離着陸機（VTOL機）は、滑走しての離陸は可能であっても、滑走しての着陸は不可能なケースがほとんどであり（降着装置が着陸時の衝撃に耐えられないため）、垂直離着陸機（VTOL機）を短距離離着陸機（STOL機）として運用するケースは皆無である。
プロペラまたはローターの角度を飛行中に変えられるようになっているものを特にティルトローターと言い、ティルトローターを備えた航空機をティルトローター機と呼ぶ。

歴史

1928年にはニコラ・テスラがフリーバー(Flivver)と言う名前の空中輸送装置の特許を得たが、それが垂直離着陸の最初期に当たる。なお、これは現代のティルトローターに近いものであった。第2次世界大戦後期、連合軍からの爆撃に常にさらされることになったドイツは、滑走路なしで運用できる迎撃機の開発を急いだ。ドイツの各航空機企業はハインケル ヴェスペやハインケル レルヒェ、フォッケウルフ トリープフリューゲルなどを提案したが、いずれも実用化されずに終戦を迎えている。
これら航空機は、いずれも「機体を立てて」の垂直離着陸方式を取っており、戦後に連合国も、近いシステムでの実用化を目指し、アメリカはXFY・XFV-1を製作し、フランスはC450コレオプテールを開発した。しかしXFY以外は垂直離着陸に成功せず、XFVは一応は飛行にも成功したものの、性能と実用性に問題があり（超音速戦闘機の時代において、いまだ亜音速未満であった）実用化には至っていない。これら、機体を立てて垂直離着陸を実現しようという方式は、テイル・シッター方式とよばれる。一番の問題とされたのは垂直着陸時にパイロットがミラーを利用してでしか地面を見る事ができないため、垂直着陸が非常に困難なことであり、この方式での垂直離着陸機の実用化は無理であるという結論に至った。
1953年、イギリスのロールス・ロイスは、スラスト・メジャリング・リグ(en)とよばれる物を開発した。「空飛ぶベッドの骨組み(flying bedstead)」とよばれたこの代物は、まさにベッドの骨組みのような風貌であり、外見的にも航空機とは言いがたい代物であったが、これに使用されたエンジンの思想は、ショート SC.1(en)に使われたエンジンに引き継がれている。さらにこのシステムは、画期的な推力偏向式のジェットエンジンであるロールス・ロイス ペガサス・エンジンの開発へつながった。ペガサス・エンジンは推力偏向可能なノズルを4ヶ所持ち、単発でも安定を保って垂直離着陸を可能とした。
イギリスはこのペガサスエンジンを装備するホーカー P.1127の開発を進め、1960年にはホバリング飛行に成功している。さらにその発展型であるホーカー・シドレー P.1154を計画したが、これは試作直前にキャンセルされた。しかし、ホーカー P.1127の開発は続けられ、改良型であるケストレル、そして、それの実用型であり、世界初の実用垂直離着陸機であるハリアーを生み出した。ハリアーは多くの国に採用され、開発国のイギリスを含め、正規空母が導入できない海軍において、軽空母をもって代替する際の搭載機として用いられた。
アメリカはイギリスが開発したハリアーにいち早く関心を示し、強襲揚陸艦の搭載機として海兵隊が採用した。さらには発展型のハリアー II を開発し、元の開発国であるイギリスに逆輸出されるに至っている。1960年代から1970年代にかけて、大型空母の代替として制海艦構想が生まれ、搭載機としてマッハ2級の超音速戦闘機XFV-12を開発したが、結局実用化には至らず、制海艦構想も実現しなかった。ただしその構想は、強襲揚陸艦を必要時に空母の代替として運用するという形で活かされ、また他国の海軍の軽空母に影響を与えた。
NASAは1977年にXV-15(en)というティルトローター機を開発した。ニコラ・テスラのフリーバーから始まり、1950年代にはXV-3やXV-15といった実験機で実験が続いていたこの方式は、JVX計画により本格的な実現に向けた開発が始まった。これには以前から同システムの実験機を開発していたベルなどが開発に携わっている（V-22の原型ともいえるX-22もベルが製作）。この計画はV-22（愛称オスプレイ）として結実し、同機体は現在配備が進められている。また民間機としては、この方式のノウハウを多く保有するベルがBA609を開発、初飛行に成功している。アメリカではほかに、シコルスキーがS-72という機体を開発している。Xウイングともよばれるこの機体はヘリコプターと固定翼機のあいのこといった機体であり、ヘリコプターとほぼ同様の形で垂直離着陸を行った。また、ボーイングが開発したX-50もこれに近い形を取った航空機であるが、カナード・ローター/ウィング(CRW) という形式を取っている。
1960年代には、フランスがミラージュIIIを基にして、ミラージュIII Vバルザック Vという機体を開発した。この機体は音速飛行が可能であり、水平飛行でマッハ1.3という速度を出すことができた。同機体は1966年3月に垂直離陸から水平飛行への移行に成功した。しかし水平飛行用と垂直上昇用に別のエンジンを用い、かつ垂直上昇用エンジンを8基搭載するという、極めて実用性に乏しい機体であり、あくまで試験機であり、実用化はされていない。
同じ頃、アメリカではXC-142という機体も開発されているが、試作された5機は全て事故を起こしている。
1号機はテイルローター関係の事故で3人死亡などである。この機体の事故原因は致命的な欠陥ではなく充分に改良が可能だった。だが、ベトナム戦争が緊迫していたために、実用化には至らなかった。
1960年代から1970年代初頭にかけて、西ドイツはF-104を基にして、実験機であるVJ 101を開発し、X-1、X-2という2機の試作機が作られた。翼端に搭載されたエンジンそのものを90度方向転換して垂直上昇し、かつコックピット直後のリフトエンジンを併用する方式である。この機体は音速飛行が可能であったが、コスト高と政治的な都合から実用化されなかった。西ドイツは同時期にVAK 191B軽戦闘機、ドルニエ Do 31輸送機といった、VTOL機を開発しているが、いずれも量産には至ってはいない。
東側では、ソ連がYak-38を実戦配備した。これは実験機であるYak-36を実用化したものであり、ソ連のキエフ級航空巡洋艦などの艦載機として設計生産された。この機体のエンジンは前述のペガサスエンジンと異なりノズルは2ヶ所しか持たず、安定して垂直上昇するには別にリフトエンジンを2基が必要であった。また当初はSTOVL機能を有していなかった。この方式は水平飛行時にはデッドウェイトを生み出すという欠点があり、またVTOL性能自体が安定性が悪く、生産された200機中20機以上がVTOL時の事故で失われたとされる。また、ソ連は後継としてYak-141を開発した。Yak-38同様のリフトエンジン併用式だが、メインエンジンは一段と優れた推力偏向ノズルを備え、超音速戦闘機として一流の能力を持っていたが、ソ連崩壊によって予算がなくなったこと、試作機が事故で喪失したことなどを理由として生産されずに終わった。ソ連崩壊後のロシアでは新型空母向けにV/STOL機を開発しているとされているが、詳細は不明である。
アメリカが開発中のF-35Bは、同一機体の派生型に垂直離着陸機能を付与するというものだが、一部燃料タンク部分を廃して垂直離着陸のための装備を付加するという方式で、航続距離以外は他の型（A/C型）にさほど劣らぬ能力を持つ予定である。メインエンジンに推力偏向ノズルを持つ点では、従来の他の多くの垂直離着陸機と同じだが、リフトエンジン併用ではなく、メインエンジンから伸びたシャフトで駆動されるリフトファンを用いる方式である。ジェットエンジンは静止時の効率は低いものであるため、垂直上昇にファンを用いればより効率は高くなる。
個人向けのVTOL機としては、ポール・モーラーがスカイカーというものを開発している。skycar（空飛ぶ車）は現状浮かぶことはできているが、水平飛行への移行試験が完了していない上、有人での飛行も行っていない。
ほかには、地球外での使用を想定したものの中にもVTOL機が存在する。LLRV(Lunar Landing Research Vehicle)というもので、滑走路や平面が存在しない地形での、VTOLによる運用を想定している。

転換式航空機

メインエンジンのノズルの噴射やプロペラの主軸の方向を変え、推力を離着陸時には下方に、水平飛行時には後方に変更するもの。ジェットエンジンの垂直離着陸機としては、もっとも一般的なものである。純粋に推力偏向式エンジンのみを用いる例は少なく、後述のリフトエンジンと併用する場合が多い。
当初は飛行特性を固定翼機から回転翼機へ転換できることから『転換式航空機（Convertible Aircraft）』と呼ばれていたが、FAAでは1997年からパワード・リフトというカテゴリーに分類した。

リフトエンジン

水平飛行用のエンジンとは別に、垂直離着陸専用のエンジンを持つもの。複合推進式とも呼ばれる。
フランスが開発したバルザック Vは、水平飛行と垂直離着陸にそれぞれ専門のエンジンを用いるが、前記の推力偏向式のエンジンとリフトエンジンを併用する場合が多い。リフトエンジンは水平飛行時にはデッドウエイトとなり性能低下を招くが、短時間の駆動で用が足りるため、同じ推力の通常のジェットエンジンよりも小型軽量化が可能であり、ある程度はこの欠点は緩和される。
ジェットエンジンは静止時の効率が悪いという欠点があり、リフトエンジンにジェットエンジンを用いるのは、その点で問題がある。F-35Bはメインエンジンから伸びたシャフトで駆動されるリフトファンを用いることで小型化を図っている。

ティルトローター

垂直離着陸機において、エンジン（とプロペラ）の方向を転換する方式のもの。推力転向式とも呼ばれる。
垂直離着陸時（と低速飛行時）には、上方を向いたプロペラは、ヘリコプターのローターのように用いられる。そのため、通常のプロペラ機よりかなり直径が大きなプロペラを用いる（ただしローターとみなせば、通常のヘリコプターよりは小型となる）。

ティルトウイング

垂直離着陸機において、エンジン（とプロペラ）のみならず、主翼も同時に方向転換するもの。後流偏方式とも呼ばれる。

コレオプター

コレオプター(Coleopter)は垂直離着陸機の一形式で胴体の尾部にダクテッドファンを備える。全体的に見て尾部に樽の様な外観のファンを備え、小型の操縦席が先端部にある。大半のダクテッドファンの設計と同様にコレオプターは離着陸時に尾部から接地する。代表的な機種は1950年代にフランスのスネクマが開発したC450やアメリカのHiller VXT-8である。
最初のコレオプターの概念は第二次世界大戦中にドイツで考案された。大戦末期の1944年、飛行場が破壊されて使用不能になってもどこからでも離着陸の可能なVTOL迎撃機の開発が検討された。ハインケル社ではWespeとLercheを提案した。Wespeはベンツの2,000 hpターボプロップエンジンを使用する案だったが実現せず、Lercheは2基のDB 605をピストンエンジン動力とした。両方とも実現しなかった。
第二次世界大戦後、大半のVTOLの研究はヘリコプターを中心として行われたがその一方で単純な回転翼の限界が明らかになりジェットエンジンの噴射を直接利用する方法等、他の方法の開発へ開発方針が転換された。スネクマは1950年代にアターVolantシリーズの一環として開発を進めた。最終的に環状翼を持つC450が開発され1959年5月6日に初飛行したが、7月25日に不安定な特性により、大破して開発は打ち切られた。
アメリカでも同様にヒラーヘリコプター社がCharles Zimmermanによって独自に設計された複数のダクテッドファン式のVTOLの開発を進めていた。いくつかの初期の成功の後、陸軍は大きさと重量を増やすように要求を転換したことにより新しい安定性の問題が生じた。これらは全体的に大きさと出力が必要だったが満足のゆく結果は得られなかった。その一方でヒラー社は海軍にコレオプターの設計の概念を提案した。この結果Hiller VXT-8が提案されたがこれはスネクマの設計に似ていたがジェットエンジンではなくプロペラを使用していた。しかしながら、導入されたタービン式のUH-1のようなヘリコプターと比較してピストンエンジン式のVXT-8は著しく性能が劣っていたため、海軍は興味を失った。モックアップのみが完成した。

テイルシッター

テイルシッターは垂直離着陸機の一形態でマクドネルダグラスDC-Xデルタクリッパーのように尾部を下にして離着陸する。この種の航空機として最も有名なのがライアン・X-13である。プロペラ式ではロッキードXFV-1とコンベアXFY-1がある。艦載機としてF-16のテイルシッターが調査され風洞実験用模型が作られた。それは機首が折れ曲がる構造だった。
ナチスドイツの空軍でも同様にテイルシッター計画としてフォッケウルフ トリープフリューゲル(回転翼)戦闘機があった。この計画は翼端の小型ジェットエンジンを噴射することにより主翼を回転させる構造でいわば主翼そのものがプロペラになっていた。完成はしなかったが構造上、通常の着陸は不可能で困難が伴ったと考えられる。
テイルシッターの飛行において離陸時に垂直から水平、着陸時に水平から垂直への遷移飛行では操縦が困難であった。また着陸時に操縦者が地面を直接見る事が困難であり、操縦が極めて難しかった。また着陸時に地面に対して完全な垂直姿勢を保つ事が要求され、手動操縦でも自動制御でも困難であった。着陸時の視界の問題は、機体姿勢に関わらず操縦席を傾けて水平を保つ事で、ある程度の解決がみられたが、他の問題は解決困難であり、実用化しなかった。
構造上、回転翼にサイクリックピッチ機構がなければ垂直時の機体制御は困難で、回転翼の反動を打ち消すために同軸反転プロペラが必要とされこれらが構造の複雑化を招く。近年は単段式宇宙輸送機や惑星探査機、UAVなどで試みられている。