軍用機の設計思想
また、胴体に掛かる力は重心から主翼取付部までに特に集中し、構造強度(ひいては重量)を最適化できる。そのため、多くの機体では水平尾翼と垂直尾翼を機体の後端に設けている。デメリットとしては、
機体重量以上の揚力を主翼が発生させる必要があり、抗力が増大する
水平尾翼が負の揚力を常に発生させるため、ここでも抗力が発生する
この2点より飛行機としての効率は前翼式より低下し飛行に必要な出力も多くなる。特に後者は機体全体で見た場合、浮揚するための揚力を食いつぶしていることでもあり、純粋に損失でしかない。しかし、安定性を得るための取引としてCCV設計が実用化される前は仕方のないものとされていた。
音速前後では風圧中心が前後し、また揚力の発生メカニズムが亜音速では翼周辺の渦を利用したものから超音速では流体が翼下面に当たる反力を利用した形に近くなる。この事から主翼の後流も激しく変化し、尾翼付き機では激しいタックアンダーやピッチアップを発生し安定を失う事がある。直線翼の場合、風圧中心が亜音速では前縁から25%付近だったものが、音速で0%付近に、超音速では50%付近に移動する。そのためたとえタックアンダーやピッチアップを抑えこむことに成功しても、モーメントの関係で超音速の水平尾翼は下向き揚力を大きくしなくてはならない。
この音速前後の風圧中心移動が比較的少なく安定しているのがデルタ翼とされている。
ただし無尾翼デルタの場合は尾翼に相当する部分として翼後部で負の揚力を発生させる必要があり、やはり効率を稼ぎにくい事と、高揚力装置を持てないことから離着陸距離が長くなることが欠点である。
重心位置が後退した場合は安定性を失い、飛行が出来なくなる。重心位置が極端に前方に移った場合も水平尾翼で機首下げを打ち消せなくなり、飛行不可能になる。民間機では燃料タンクは重心付近に置かれ燃料消費が安定に影響しないよう配慮されていることが多いが、軍用機は加えてドロップタンクや爆弾、機銃弾を搭載し、戦場で消費、投下するため、これも設計において十分考慮すべき点である。そのため多くの機体ではこれらの搭載物は重心付近に置かれている。これら兵装を重心付近に置けない場合、あるいは重心と風圧中心が離れている設計で機外兵装を搭載する場合、安定性にマージンを確保する必要がある。
重心位置の変動に気を使う航空機として、忘れられがちであるが空挺投下を行う輸送機も挙げられる。投下口への兵員・車両等移動、そして投下と一気に重心位置が変動するため、尾翼面積を大きく取る必要がある。 また、被弾機会が多い近接航空支援機などは尾翼の一部を失っても安定を保てるよう設計する事が望ましい。
その一方で安定性は運動性とトレードオフの関係であり、安定性が過剰な機体は運動性が低下するため、双方のバランスを取ることも設計の大事なポイントとなる。運動性を要求される戦闘機や、レシプロ機時代の急降下爆撃機、雷撃機の設計は、他の機種より安定性を妥協した設計にする例が多い。
一番単純な例として、1Gの水平釣り合い飛行を継続する場合を想定してみる。後述するCCV設計以前に行われていたコンベンショナルな形式の飛行機の場合、以下の条件が必要となる。
各翼の揚力の合成ベクトルが、重心点からの重量ベクトルと吊り合うこと
風圧中心が重心より後ろに存在すること
風圧中心が重心より前に存在する場合、微小な横すべりを起こしただけで風見鶏のように回転してしまい、事実上飛行できない。これを風見安定の不足という。 同じことは水平面だけでなく垂直面でも言える。
機体の中で最も空気力を受ける部分は揚力を発生させ機体重量を支える主翼であり、主翼の風圧中心は重心より後ろに置く必要がある。 そして、この事は重心と揚力とのベクトルが吊り合わないことを意味するため、重心の前方に揚力を発生させる前翼が必要か、主翼の後方に下向きの揚力を発生させる水平尾翼、あるいはその両方が必要な事を意味する。
しかし、前翼で揚力を負担させることは機体全体の風圧中心が前進することであり、風見安定を補償するために重心を前進させるか、大きな垂直尾翼を設ける必要があり、前者はますます大きな前翼を要求し設計が発散する。後者は抵抗の増大につながる。また、重心位置によっては胴体の強度を要求される。 これに対し、主翼後方に水平尾翼を設けるためには後部胴体が必要となるが、これは風圧中心がさらに後退することを意味し、安定性を確保できる。
第二次大戦の戦勝国は核爆弾を実用化させ、冷戦時代に突入した。仮想敵国の中枢へ爆撃を行える戦略爆撃機が多数開発され、これらの配備が抑止力を象徴するようになった。しかし、予算を取り合う競合関係にある陸軍、海軍がこの事態を座視しているわけもなく、陸軍は弾道ミサイルを、海軍は当座に艦上攻撃機の核運用能力を実用化し、続いて潜水艦発射弾道ミサイルを実用化してこれに対抗した。
こうして戦略爆撃機、弾道ミサイル、潜水艦発射弾道ミサイルは核の三本柱を形成した。
時代の経過と共に地対空ミサイルの発達によって爆撃機の侵攻は困難を生じると考えられるようになり、三本柱の中で戦略爆撃機だけが大幅に立場を失うことになった。このため敵領空への侵入なく核攻撃を行える手段として空対地ミサイルを搭載するようになり、これが万能兵器であるとみなされるようになった。