最先端理論で固めた複葉機を考えてみる

愛知は九試水上観測機での敗北を忘れていなかった。

九試で愛知が送り出したＡＢ１３は、構造こそ木造部分が残った複葉水上機であったが、洗練された空力設計から、同じ発動機を搭載した三菱機に比して数段優れた速度を発揮し、格闘性能こそ三菱機に劣ったが総合的に甲乙つけがたい性能を示し、三菱機が安定不足で苦しんだ事もあって採用は（愛知主観では）確定的だったのだが、自社の新型発動機に換装した三菱機は増大した馬力もあって（愛知主観では）採用確定であった愛知機を覆して制式採用を奪ってしまったのであった。

そう、もしも愛知にも同じ発動機があったならば、零式水上観測機はあんな（愛知主観では）不細工な三菱ではなく、流麗な愛知機になっていたはずであった。

愛知は、この屈辱を忘れてはいなかった。

以降、十二試水上偵察機では色々と苦労もしたが（かなり姑息な手段で）三座機は勝ち取り、二座機は採用ならずとなったが、更なる発展型の開発を受注し、愛知は着々と正式採用機種を増しつつあったのである。

例え空技廠の出店と陰口を叩かれようとも、横須賀工廠愛知出張所と呼ばれようとも、彼らは自社（と、空技廠の技術指導）の技術と開発力は日本随一のものであるとの確信を持っていたのであった。

今回の水上戦闘機開発に於ては、あの九試水観の意趣返しの機会でもあったのだ。

愛知は自社でライセンス生産を始めつつあったＤＢ６０１ことアツタ２０型を発動機にすることで、当時としては中々に優れた出力と、何よりも徹底的に空力を洗練させる事が可能であると判断したのである。

勿論、自社製造の発動機であるから、そのフィッティングや細かい仕様変更も随意であった。

自社で発動機を扱う事の重要性と優位は九試で嫌という程味わったのだ。今回は、愛知がそれを他社に見せつける番であるはずである。

★: まあ、言い分は判りますけどね。
☆: ＤＢ使って空力洗練して、それで高速性能ですか？
Ｓ: アツタ２０はつまりＤＢ６０１で、ＤＢ搭載戦闘機は出来次第だけど580～620km/hぐらいは出してるよね？
★: ええ、そうですね。
Ｓ: この競作での本命対抗は史実の強風だけど、あれを陸上化して誉積んだ紫電が600弱、強風と同系の火星積んだ雷電が600前後、しかも火星２０番台でだ。ＤＢ６０１搭載機は空冷1500～1800馬力級の戦闘機と概ね同じぐらいか、上手くすればもうちっとが狙えると、そういう事になる。
★: つまり、ＤＢ搭載水上戦闘機は強風よりもいけるはずだと？
Ｓ: うむ。で、海軍の彗星を見てくれ、あんなにでかくて複座で、それであんなに速い。
☆: 零戦よりも速いですねぇ
Ｓ: つまり、彗星を単座にしてコンパクトにすれば、もうちっと出るな？
★: まあ、キ61以上も狙えますね。
Ｓ: じゃあ、それにフロートつけても550とかは狙っても良いよね？
★: ちょっと甘いと思いますが、まあ、概ね理解します。
☆: 目標値ならそんなところですねー。
Ｓ: だったら複葉で500ってのは悪くない数字じゃないか？
☆: えっと・・・・あははーっ、佐祐理はお馬鹿な子なので良く判りません～
★: もう、既になんか騙されてるような気がします・・・・。

愛知は複葉でもＡＢ１３で見せたように空力を洗練すれば単葉機にさほど劣らない速度性能は発揮できると判断していた。

これは非力なＡＢ１３が、それでも単葉の九六式艦上戦闘機とあまり変らない速度を発揮したことからも頷けるものがある。

ならば、このＡＢ１３にＤＢ発動機を搭載したならば？

840馬力、高度3200mの光１型から、970馬力、高度4500mのアツタにしたら？

愛知の試算では450km/h以上が期待できると出たのである。

勿論、これはＤＢにあわせた機体の洗練等は施していない。あくまでも馬力だけの計算である。

数字のカラクリは両発動機の全開高度差である。3200mと4500mでは１割程空気抵抗が変わってくるのだ。即ち馬力と大気密度から1.3倍程優位になるので450km/h以上という数字になったのである。

その上で、空冷発動機よりもずっと小さい前面投影面積をもつ液冷機ならば、更なるゲインが得られるし、空技廠で鋭意開発中の新鋭艦上爆撃機のように高度な最先端の数値解析と層流理論を用いるならば、より空気抵抗を軽減する事が可能であろう。

ＡＢ１３をベースにした複葉単座戦闘機は500km/hを充分に狙えるであろうと結論付けられたのである。

★: 相変わらず口からでまかせを・・・。
☆: はい、佐祐理が思うにはですね、素直に洗練された単葉液冷でなら500以上でて凄く高性能な水上戦闘機になると思いますっ
Ｓ: やだよ、そんなの零戦と同じぐらいの速度で、武装が同じぐらいで、上昇力と運動性が零戦以下の、つまり今ある戦闘機にも勝てない二級以下の戦闘機だ。そんなの、それこそ二式水戦で充分。そんな三流ヘッポコ飛行機を新規に作る意味は無い。
★: 二式水戦をヘッポコ呼ばわり・・・。
Ｓ: 元々艦上戦闘機で水上機ではない機体で、しかもアツタより１割ほど馬力の小さい発動機を積んだ二式水戦に、いくら既存機ベースとはいえ生粋の水上機で馬力が勝ってるんだ。あれがヘッポコに感じられるような機体でなかったら無意味だぜ。志だけでも高く持ってないとな。

Ｓ: つまり500出るなら、それで良いじゃんと。
★: 複葉にして、速度を諦めて、その代わりに運動性？
Ｓ: そゆことだ。他には優れた離着水性能や、翼幅の圧縮による格納製の改善も図ってる。
☆: でも複葉にしたら、いくら彗星なみの空力洗練でも、500は厳しいんじゃないですかあ？
Ｓ: うん、そこで先ずは胴体のデザインは彗星の試作型や晴嵐みたいな感じに徹底的にシェイプアップした。
★: ラジエータが無いですね、浮舟の支柱があるから胴体下にも置けませんし・・・。
Ｓ: 下翼前縁に置いた。高圧水冷だからラジエータがコンパクトなんで出来た技だね。
☆: 航続力は結構要求されてますけど、胴体のタンクだけで間に合わないと思いますよぅ
Ｓ: 下翼の前縁はラジエータ、残りをタンクにした。複葉なんで上翼があるので、気休めでは有るが他の飛行機よりは被弾率は少しだけマシだし、そう悪い防御性能ではないと思う。他の防弾機能は性能標準の戦闘機に準拠したレベルで、まあ、優れてるという程ではないけど、当時としては充実した装備だな。

この機体に搭載予定のアツタ発動機はフルカン流体接手式による無段変速過給器を備えている。

無段変速の利点は、全開高度以下で無駄に過給器を回さないで済む事による駆動損失の解消と、無駄に回した大過給圧による吸気温度の上昇を回避できることである。

同条件のブーストで運用する限り、２段変速の機械式過給器は変速切り替えの煩雑さに加えて、構造的にどうしても馬力の山と谷が生じる。

即ち、機械式過給器の発動機は、運転条件に関わらず、フルカンによる無段変速過給器を備えた発動機よりも実馬力で同等以下になるのである。

★: １速および２速の全開高度近辺以外ではフルカンのほうが実馬力で勝るんですか・・・
Ｓ: 馬力損失もさることながら、吸気温度の差が相当出てくるんだそうな、これは当然だけど異常燃焼とかの問題にも繋がる訳で、その気になって定格を超えてオーバーブーストさせる時にも差として現れる。つまり機械式過給器で運用するならフルカンは正しい。
☆: でも、これを見ると二段式は更に上に来てますよー。
Ｓ: そう、二段式の場合は全開高度の高い、つまり圧縮比の高い過給器を低空では使わないので、吸気温度と駆動損失を避けられる。また多段式にすることで最終的な過給器の圧縮比を稼げる訳で結果的に全開高度も上げられる。フルカンでも全開高度を6000とか7000に出来たら、２段式に勝る実効性能を期待できるし、何だったらフルカンによる多段式でも良いね。
★: 実際に独逸ではやろうとしてますね・・・。でも出来なかったのでは？
Ｓ: まあ、多段は吸気をどう取りまわして次ぎの過給器に送るかとか色々ある訳で、独逸みたいな側面配置の過給器はだ、発動機の吸気管に過給した混合気を送り込むときには吸気管の曲がりが一回減らせるので有利なんだけど、複数の過給器を繋げるとなると非常に厄介だったというのがあるのと、多段てのは実は効率では良くないんだ。過給器の効率は100％じゃないから、複数をつなげたら級数的に効率は悪化する。だから、できるならでっかくて全開高度の高い単段過給器を備えて、それを無段変速であらゆる高度に合わせられるようにした方が本当は望ましい。
☆: だから、DB605やアツタ30では過給器を大きくして全開高度を上げたんですねっ
Ｓ: そゆことになるね、でもフルカンは構造的に変速できる範囲がそんなに無いんだ。だから高高度でも低高度でもパーペキってのは無理。しかも、流体接手のオイルの発熱や、フルカンの駆動ロスとかもある。でも、とりあえずそこらの機械式一段過給器よりも有利なのは言うまでもないことだな。

あらゆる高度で安定した馬力を発揮でき、しかも高出力。これは戦闘高度を選ばないと言う事である。速度と言うイニシアティブを失った水上機にとって、敵の土俵でも十二分な機動性を保証する無段変速発動機というのは大きな助けになる筈である。

また全開高度を超えた高度でも馬力低下を局限するために、大きな吸気口を発動機側面に備え、飛行速度とペラ後流による動圧を利用して吸気の補助に用いる事も行っている。これによって発動機の全開高度を超えた高度5000mでも、まだ充分な出力を発揮できると愛知では計算していた。

★: でも液冷発動機は期待の空力は極限できても、ラジエータの抵抗が無視できません。
Ｓ: うん、一般にラジエータの抵抗は二つの数字で表される。つまりラジエータの抵抗と、熱交換器であるラジエータから吐き出される熱量による推力だ。勿論推力は殆ど微々たる物でしかないけど、一応存在すると言うのも事実。
★: となると、ラジエータの抵抗極限と同時に、ラジエータが吐き出す熱量を稼ぐ？
Ｓ: まーさか、そんなん数値としては無いも同じだから気にしなくていい。でも、忘れるなよ、ラジエータから出てくる空気は暖かくて速い。だから、流すなら機体上面に流すのが正しい。腹の下なんかに置きたくないということだね。また幾つかの実験式や理論式から見るとだ、冷却機の前は開けていて、出口を絞ったものが、最終的な抵抗効率では優位になるらしい。これらをあわせて考えると？
★: 開口部は大きく、出口が小さい・・・・彗星とかですね。
Ｓ: 別にＰ－４０でも良い。またプロペラの流れを活用するという意味では、例えば独逸の液冷機なんかでやってるような、一見空冷ぽいものなんかも良い。まあ、あれはカウルが渦流作るのと、冷却機からの出口側の流し方（奥行き）を上手く取らないと効率が悪いらしいけど。実は機首に設けるのは下手に胴体なんぞにつけるよりも良い方法なんだ。
☆: でも、Ｐ－４０やタイフーンは、あんまし良い方法だったとは言われませんよぅ。
Ｓ: そりゃ機体全体の空力デザインとの整合性の問題だね。同じように機首に冷却機積んだ彗星は良好な性能を発揮してるでしょ？
☆: はややー・・・。
Ｓ: で、話を進めよう。冷却性能と冷却機抵抗だけで考えるなら、彗星やＰ－４０風に機首につけても良い。だけど機体全体のデザインからしたら他の手段も考えられる。例えばＰ－３９は主翼前縁から吸気して、主翼の上面から吐き出してる。なんとこいつは総合的な冷却機抵抗率が他の一般的な飛行機の半分から２／３って数字になってる。これは注目すべきだな。
★: でも、Ｐ－３９は冷却空気の吸気ラインが長くて絞込みもあり、必ずしも最善ではないと思います。あれは高速飛行していないと上手く冷えないのでは・・・。
Ｓ: そうだね、だから先に言ったように、開口部は大きいと嬉しい。
でもＰ－３９でやった主翼上面に温かい空気を流すというのは良い方法で、しかも、これは戦前から何度か工夫されてきた手段でもある。Ｐ－３９は空気抵抗極限のために開口部を絞りすぎたのが宜しくなかったかも知れない点だが、基本的なところは非常に良いとおもう。
☆: じゃあ、じゃあ・・・えっと、主翼前縁に大きめの開口部を備えて、それで冷却空気を取り入れて、吐き出し口を主翼上面にしたら、一番効率的には・・・・。
Ｓ: できれば、主翼上面の層流が崩れだす頃、つまり後縁側に近いところで吐き出すと面白いかも知れない。何の事は無い、モスキートあたりでやった手法で珍しい物では無いね。

愛知は、この機体で幾つモノ革新的な技術を投入した。勿論、その多くは空技廠の指導によるものである。

高圧水冷: 液冷機は一般にエチレングリコール溶液を冷却水に用いる（沸点が高いので）だがエチレングリコールは吸湿性が高く、引火性があり、オマケにゴムを侵す（耐油ゴム等が必要）ので配管等のパッキンも痛める。それぞれはさほど大きな問題がある訳ではないが、これだけ重なると厄介でもある。そこで加圧水冷却にすることで、エチレングリコール溶液を用いたのと同等以上の高沸点にすることで、冷却機容積の小型化を図った（これは彗星でも発動機が同じなので同様に用いられている）
層流翼の採用: 層流翼理論は未だ完成していないので、胴体と原型ＡＢ１３から改設計せざるを得なかった下内翼部（冷却機、20mm機銃、燃料タンクが納まる）に層流翼形式を意識した翼型を採用し、他部位は可能な限りの薄翼として空気抵抗を極限した。
全金属応力外皮構造: 既に一般的となったモノコック構造であるが、原型となったＡＢ１３は木金混成であった。これを全金属応力外皮とするに当たっては、最新の数値計算理論を用いる事で、徹底的な軽量化と形状の洗練を狙った。
ファウラーフラップ: 複葉機であるので、本来は大仰なフラップの必要性は余りないのだが、高速を追求した結果として翼面荷重が複葉機としては大きく、また単純なフラップは冷却機と燃料タンクに容積を食われた結果、充分な面積を確保できないと判断された。
推力式排気管: 発動機の排ガスを推力に応用する事は以前から研究されていたが、最新の理論解析から、想定速度域を500km/h以下として、比較的狭い速度域に焦点を合わせることで非常に効率の良い推力排気管を装備する事にした（代わりに高速領域ではさほど大きな推力は出ないが、推力そのものは飛行速度とも相関するので悪化する訳ではない）
プロペラの工夫: 定速ペラは吸収馬力こそ最善であるが、全ピッチにおいて最善の効率を発揮する訳ではない（それは当然のこと）本機では敢えて最高速度ではなく300～400km/hの領域で最良の効率を発揮できるようなプロペラを採択した。これは空戦でも多用するであろう領域であると同時に、高めの巡航速度での燃料消費率を改善する事も期待している。

以上のように、この機体は、当時明らかになりつつあった、新世代の理論と機能をいち早く取り入れている。

また、本機がここまで多数の先進的な技術を取り入れる事が出来た背景には、密接な関係を持つ空技廠で同じ発動機を搭載した艦上爆撃機彗星が先行して開発に入っていたこと（機体デザインから各種レイアウトにいたる多くを参考にしている）と、同時期に愛知では１４試複座水偵瑞雲の開発も並行しており、そこからの各種フィードバックも受けられた事が上げられるであろう。

★: なんといっても、水上機としての性能を狙ったおかげで単浮舟ですし、オマケに複葉。これでは普通の引き込み脚を配置するのは大変です。
Ｓ: 実は単浮舟だったんでラジエータも主翼に置かざるを得なかったという理由もある。
★: だいたい、この小さい下翼にラジエータとタンクと20mm機銃を入れてるんですから、脚入れる空間も厚みも無いです。
☆: こうなると胴体に・・・でも、それでも入れる場所無いですね

Ｓ: これは尻尾の形状にも理由がある。機尾を着地させるツモリの無い水上機は尻尾のすぼめ方とかも強度よりも空力前提で考えていて、ここを接地させるのは宜しくない。
★: で、機体側の応力を受け止めるのは主浮舟の支柱部分ですね。ここが一番強度があって、着地時もここで受け止めるようにすれば機体側の改修が最小限にはなります。でも、それで前輪式？
Ｓ: つまりこういう絵になる。
脚書き込みＳＵＤＯ
★: えっと・・・。前輪も後輪もほぼ同じところから生えてる？
Ｓ: そう、美汐の言ったように支柱のところになるね。
☆: でもこれで、どうやって引き込めるんですか？
Ｓ: こうなる↓
脚書き込みＳＵＤＯ
★: えっと、後輪は・・・？
Ｓ: カメラの三脚と同じようになってる。つまり、後ろの左右二輪は斜め横に出ているんだ。
☆: なるほど、それで、それを捻るようにして後方に持ち上げて、胴体に格納するんですね。
Ｓ: これはドイツの飛行機なんかで幾つか実例がある。アームが長いのが問題だけど、構造的には結構簡単だ。
★: フックが出てますが・・・・
Ｓ: うむ、零戦並みの速度と、零戦と同等の武装をして、零戦よりも離着陸性能と運動性が良くて、零戦よりも格納容積が小さい戦闘機。これは小型空母に雑要兼用として載せるのに良いのではないかな？前輪式は、こういった機首の長い液冷機の地上状態での視界運用性に大きく寄与する訳で、恐らく補助戦闘機としては中々いけるものになると思うよ。
☆: ちょっと補助戦闘機としては発動機が豪華ですし、元の要求が要求だから仕方が無いですけど足も短めですね。局地防空・・・あ、空母の防空とかなら間に合う・・・。むううーーーー

☆: でもでも、机上の空論は兎も角として、これ、性能は如何なんでしょう？
Ｓ: そだねえ、450は出るよ、500は目標数値ではあっても、届くかどうかは微妙なんじゃないかな。
★: で、運動性は複葉ですから鬼レベル。液冷ではありますが、この図体と馬力でこの翼なら上昇力も有りそうですね。
Ｓ: ついでにいうと、フルカンだから全開高度の上でも下でも結構な性能が得られる。だからたぶん零戦とやっても6000mとか海面高度なら速度でもそう負けないだろう。勿論格闘なら圧勝だろう。まあ急降下加速は複葉だし良いとはいえないだろうが。そう捨てたものでもないだろう。それにアツタ３０が出てくれば、それを装備すれば500は超えるだろう。
★: この飛行機、上下にエルロンあるんですね。
Ｓ: この翼幅だしね、たぶんロールは凄く速い。真面目に格闘なら最凶だ。それに500弱の速度はつまり隼並で、これが１７年中に戦力化できれば、結構便利なんじゃないかな。
☆: ネックはアツタの信頼性ですねっ
Ｓ: 俺は悪いという話は聞いた事はあるけど、実際の数字でこれだけ悪いという数字は見た事が無くて、他の発動機と大して変らないか良いぐらいという数字も見た事がある。たぶん補給や整備環境次第だろう。そして、これらはより整備性の改善したアツタ３０の登場と装備化で良くなる事も見えてるから、大した問題じゃないね。
☆: となると、ネックは発動機生産。彗星と取り合いになっちゃいますね。
Ｓ: うん、まあ、水上戦闘機は大した数を使うわけでもないし、間に合うだろう。

☆: というわけでっ、佐祐理んと
★: えっ、えっ・・・み、美汐んが、お送りしましたっ。
Ｓ: 今回も性能推算からネタに関しては、warbirdsのＩＲＣのメンツにお世話になりました。妙なネタはＢＵＮさんとまなかじさんに依存し、そして、この無茶苦茶かっこいー絵は無理を言って巣田さんに描いてもらいました。有難うございますです。

愛知十五試水上戦闘機 薙風

愛知十五試水上戦闘機　薙風