雷電 (航空機)
三菱 J2M 雷電
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)。軍用機の命名規則 (日本)#大日本帝国海軍
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。
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)で若干数渡辺洋二によれば、主翼製造を日本建鐵、胴体製造を高座工廠で分担しており、米軍調査団の資料では約130機、高座工廠飛行機部技手の早川金治の回想では50~60機、海軍省と軍需省の資料の突合せでは約90機が高座工廠で生産された。が生産されたのみに終わった。
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。
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。
高度6,000 m まで5分30秒以内、上昇限度11,000 m 以上。
最高速(高度6,000 m)で0.7時間以上(正規)。
20 mm 機銃2挺、7.7 mm 機銃2挺。
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(火星二三型相当ただし水メタノール噴射装置も燃料噴射装置も搭載しない。性能は1速全開 1,680 馬力(高度 2,100 m)、2速全開 1,510 馬力(高度 5,700 m)と試算。)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伺える。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。さらに最大出力発揮時に激しい振動が発生して大問題となり、また速度向上のために層流翼への転換が決定、その改設計雷電は主翼の付け根部分が胴体と一体化しているため、翼断面の変更には胴体ごとの設計変更が必要になる。と飛行試験のため既に6カ月の遅れをきたしていた開発計画はさらに遅れていくことになる。
振動は低周期のものと高周期のものが指摘されたが、前者は発動機の二次振動とプロペラの四次振動による「うなり」が原因と判明、プロペラ減速比を0.54から0.5に変更し振動周期を一致させることで解決した。しかし高周期のものは原因がわからず、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。また試験中に引込脚の設計不備、整備不良に起因する帆足工大尉が殉職する墜落事故が発生したこともあり、この振動問題が解決されるまでに1年以上を要し雷電の実用化を大幅に遅らせることになった。
延長軸による振動の誘発これは事前に実機を使用した実験が行われたほど開発当初から懸念されていた。、発動機とプロペラの共鳴、発動機内での共鳴などが疑われたが、解析の結果、発動機の一次振動がプロペラ翼の曲げ方向二次振動と共鳴して機体の前後方向の振動となったのではないかと推測された。そこで空力特性を犠牲にプロペラ翼の厚みを増し、固有振動数をずらすことによってこれを解消したこれは発動機側に一次振動の抑制が図られていなかったためである。日本の複列発動機の主連棒は前後で180°配置となっていたが、これは一次振動が最も強まる配置であった。P&W R-2800をはじめとする欧米の発動機は主連棒を隣接配置として一次振動を解消、逆に強まる二次振動に対しては発動機回転数の倍速のバランサを設けることによって解消している。これらには高次振動に対するダイナミック・バランサが装備されていたが、日本では誉が限定的に装備したのみであった。。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。
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に装備されたが、。
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。
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枚羽根で増速比はプロペラ軸の3倍以上となり、これを回す分の馬力が削られた。
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)の方が少し抗力が低かった事が後から判明している。
表面積の広さに比例する摩擦抵抗にいおいて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胴体側に、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を防ぐ意図があった。
高速機であるため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、高揚力装置としての能力が高く空戦フラップとしても利用できるファウラー式を採用している。
ただし前述の通り主翼断面は当初の設計では通常翼型であり、十四試局戦改(J2M2)の試作中に層流翼型への設計変更が行われた。そのため主翼に関する飛行試験を全てやり直さねばならず、雷電実用化の遅れの一因となっている。さらに層流翼型が実機で額面通りの性能を発揮するには特に前縁部をごく平滑に仕上げなければならないことが後に確かめられており、当時の薄板セミモノコック構造では期待された性能を発揮できなかった。層流翼の問題は他国でも発生しており、P-51ではノースアメリカンがNACAと共同開発した層流翼(NAA/NACA 45–100)を採用したことで速度性能が優れ高速時にも運動性能が低下しない利点があったが、失速特性が悪く低速での格闘性能は低かった。このため開発時には大型の風洞で実験を繰り返して形状を最適化、生産時にはリベットをパテで埋めて削るなど表面処理を徹底、マニュアルで失速時の挙動や着陸時の注意事項を詳細に解説するなどの対策を取っている。
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。
少数ではあるが30mm機銃を装備した機体が存在し、実戦に参加している。
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。
フラップと脚の駆動には油圧ではなく電動機構を採用した。構造が複雑化しやすく油漏れの要因にもなる高圧油配管を廃することで生産性と信頼性を向上させる意図があった。
大馬力エンジンを装備し、更に大火力を持つ雷電は海軍の大きな期待を集め、1943年(昭和18年)頃には零戦に替わる海軍の主力戦闘機として大増産計画が立てられた。この計画では雷電の増産に併せて零戦は減産し、1944年(昭和19年)には三菱は零戦の生産を終了(中島飛行機では空母搭載用の零戦を僅かに生産)して雷電のみを生産する予定であったが、上記の諸問題により実用化が遅れたことから計画は白紙に戻され、雷電はほぼ同時期に実用実験が行われていた紫電改と比較され、特に紫電改に比べ対戦闘機戦闘能力が低いことが指摘された。
海軍における新型機の審査を受け持つ横須賀航空隊は、両者の試作機を比較テストした上「紫電改は対戦闘機戦闘も可能だが、雷電は零戦と組み合わせなければ性能を活かすのは難しい」と結論し、雷電の生産を中止して紫電改の生産に集中すべきだという報告書を海軍航空本部に提出した。しかし、期待された紫電改も誉発動機の不調に悩まされており、その解決に要する間隙を埋める機体が必要であったこと、また雷電の太い胴体はアメリカ陸軍航空軍のB-29爆撃機に対抗するために必須と考えられていた排気タービン過給器(ターボチャージャー)と中間冷却機(インタークーラー)の搭載に有利と考えられたことから、少数ではあるが生産と改良型開発の継続が決定され、拠点防衛部隊を中心に配備されることになった。
最初の雷電配備部隊として、バリクパパンにある日本の油田防衛部隊である第三八一海軍航空隊が編成されたが、雷電の生産がはかどらないため零戦を装備してスピンガンに進出している。後にスピンガンへ空輸された雷電を受け取った第三八一航空隊は、製油所から豊富に産出される高品質燃料を使って訓練を積み、短期間ではあるが油田攻撃に飛来するアメリカ軍や、イギリス空軍のB-24、P-38、P-47を迎撃して少なくない戦果を挙げた。その他の部隊では、本土防空専任部隊として編成された第三〇二航空隊(厚木)、第三三二航空隊(岩国、鳴尾)、第三五二航空隊(大村)台湾の台南航空隊(台南)に主として配備され、特に神奈川県厚木飛行場所属の小園安名大佐率いる第三〇二航空隊の乙戦(雷電)隊は、東京・京浜地区に侵入するB-29爆撃機迎撃で最も戦果を挙げた。雷電隊の赤松貞明中尉は厚木基地でのエース・パイロットであった。
変わったところでは、輸送機部隊であった第一〇〇一海軍航空隊(第二鈴鹿)において、第一・第二鈴鹿飛行場に併設されていた三菱重工三重工場で製造・整備された雷電を実戦部隊に空輸するまでの間、一〇〇一空隊員が載ってB-29爆撃機の迎撃にあたった。1944年(昭和19年)12月に名古屋空襲が始まると臨戦態勢に付き、佐々木原正夫飛曹長がB-29を1機撃墜したほか、宮田房治中尉の三号爆弾による攻撃などの戦闘記録を残している。
十四試局地戦闘機(J2M1)
火星一三型を搭載した試作型。初期は曲面ガラスを使用した背の低い風防を装備していたが、後に背を高くして視界を改善。武装は翼内20 mm 機銃2挺、胴体7.7 mm 機銃2挺。
十四試局地戦闘機改/試製雷電(J2M2)
発動機を水メタノール噴射装置と燃料噴射装置を追加した火星二三甲型に換装、排気管を集合式から推力式単排気管に変更し、20 mm 機銃を銃身の長い九九式二号銃三型に換装した型。主翼上下面に大型のドラム弾倉を覆うための涙滴型の突出部がある。
一一型(J2M2)
十四試局戦改/試製雷電の生産型。生産途中から機首下部の潤滑油冷却器用空気取入口、翼内タンクに自動消火装置を追加。20 mm 機銃を二式30 mm 機銃に換装した機体も少数存在する。
二一型(J2M3)
武装を翼内20 mm 機銃4挺(ベルト給弾)に強化、胴体燃料タンクを自動防漏式に変更した主生産型。試作名称は「試製雷電改」。20 mm 機銃を二号銃に統一した二一甲型(J2M3a)も試作された。最も多く生産された(三菱だけで約280機)。
三二型(J2M4)
排気タービン過給器を搭載した高高度型で、三菱と空技廠で試作が行われた。
三菱機は二一型をベースとし発動機を火星二三型丙に換装、発動機架を200 mm 延長、潤滑油冷却器を発動機覆前部に移動、カウリング開口部拡大などかなり手が加えられたのに対し、空技廠機は一一型、後に三一型をベースとし最低限の改造で排気タービンを搭載した。第二一海軍航空廠でも簡易改造型の製作が行われており、排気タービンの搭載位置は全て発動機直後の胴体右側面である。
完成した機体は厚木の三〇二空、大村の三五二空にて実戦投入されたが、尾翼のバフェッティング(胴体側面に整流板を取り付けることで解決)、重量バランスの悪化、着陸速度の増大など問題が多く大量生産は断念された。
三三型(J2M5)
発動機を火星二六型に換装、機首下部の潤油冷却器用空気取入口を半埋め込み式とし、風防の高さを50 mm 、幅を80 mm 増し、風防前部の胴体上面を斜めにそぎ落とし視界改善を実施した型。高高度性能を確保するため、機械式過給器用の空気吸入通路が拡大されている。大戦末期に少数ながら三〇二空や三三二空等に配備された。二一型・三一型と同様、20 mm 機銃を二号銃に統一した三三甲型(J2M5a)も試作された他、20 mm 機銃4挺を五式30 mm 機銃2挺に換装した機体も少数存在する。
三一型(J2M6)
二一型に三三型と同じ視界改善だけを実施した型。昭和19年(1944年)末以降の三菱生産機は主にこの型式。二一型・三三型と同様、20 mm 機銃を二号銃に統一した三一甲型(J2M6a)も試作された。
二三型(J2M7)
二一型のエンジンを火星二六型に換装した型。機首下部の潤滑油冷却器用空気取入口は半埋め込み式だが、風防と胴体形状は二一型と同じ。高座工廠で生産予定であったが極少数機が完成したのみ。
陸軍が計画していた機体。メーカーへの要求が二転三転する中で、小改造による十四試局戦の陸軍型となっていた時期が存在する。
日本軍のパイロットが低速での運動性が高い機体に慣れていたこともあり、着陸などの低速時に前触れなく失速する雷電では墜落事故が多発し、格闘戦に向かない雷電は不評であったが、日本軍機の中では高速・高高度での運動性が確保されているため爆撃機の迎撃では一定の評価を受けている。
戦中戦後にテスト飛行したアメリカ軍のパイロットには好評であった。これは紡錘形の胴体によって日本機にしてはコックピットが広く、大柄なアメリカ人にとっても乗り心地が良かったからと言われる。日本では問題視された着陸性能の悪さも、アメリカの基準ではさして問題とされなかった。
フィリピンでアメリカ軍に接収された二一型初期生産機(製造番号3008号機)である鹵獲機「S12」を用いたテストでは、最高速度671 km/h(高度5,060 m)、上昇力5分10秒/高度6,100 m と日本側の諸元値を大幅に上回る結果を残している(試験環境における燃料は、92オクタンの燃料に水メタノール噴射を組み合わせたものである。試験時の重量は、7,320 lb(3,315 kg)であり、これは180 kg ほど軽い。旧日本海軍でいう「軽荷重量」のデータである。増槽を装備した重量8,130 lb(3,682 kg)のOverload状態でも、385 mph 弱(383 mph として616 km/h)と海軍航空本部の公称速度を上回る数値を出している)。
イギリス軍もフィリピンに残された2機を接収して日本人に操縦させテスト飛行を行っているが、特に興味は引かれず本国へは持ち帰らなかった。
2013年(平成25年)には戦時中に少年工として雷電製造に携わった台湾人への叙勲が行われ、少年工たちは2000年(平成12年)に雷電をモチーフにあつらえたそろいのネクタイを締めて式典に集った。
フィリピンで鹵獲された第三八一航空隊所属の二一型「81-124号機(製造番号3014号機)」がアメリカ・カリフォルニア州チノのプレーンズ・オブ・フェイム航空博物館に静態保存されている。塗装は太平洋戦争後に再塗装されたもので、胴体は三五二空戦闘六〇一小隊長機の稲光マークを模した塗装が施されているが、機番は三〇二空(厚木)所属を示す「ヨD-1158」になっている。
高座海軍工廠で製造されたとみられる部品が2020年(令和2年)1月17日、座間市役所へ寄贈された。
アメリカの調査団関係者が持ち帰った後に日本に戻った計器板も現存している。
渡辺洋二『局地戦闘機「雷電」』文春文庫 2005年 ISBN 978-4167249137
世界の傑作機 No. 61『三菱海軍局地戦闘機雷電』文林堂 1996年11月 ISBN 978-4893190581
碇義朗『迎撃戦闘機「雷電」―B29搭乗員を震撼させた海軍局地戦闘機始末』光人社NF文庫 2006年 ISBN 978-4769822622
林篤志『台湾少年工 戦闘機を作った子どもたち』日本橋出版 2022年 ISBN 978-4434302206
『丸』74巻2号 潮書房 2021年2月