未来の船舶　地面効果翼機（WIG:Wing In Ground-effect vehicle）

地面効果翼機の分類

1. 地上効果のみでの運航を認定された機体。
2. 地上効果の影響外で、地上から 150m を超えない限られた高さまで一時的に高度を上げることができると認 められた船舶。
3. 地上効果の外で、地上から150mを超える高さで飛行することが認定されている機体。

地面効果翼機の歴史

グライダーや飛行機は、上空を飛ぶときと、地上に近いところを飛ぶときとでは、飛行特性が明らかに違うというのが、理論と実践の一致した考え方であった。

飛行機世代なら誰でも、丁寧に紙飛行機を作ったことがあるだろう。

丁寧に重りをつけた紙飛行機を作ったものです。それは、ごく普通に滑空した後、地面に近づくと、水平飛行を始めるのに十分な効果があるように見えた。

まるで母なる大地が、私たちの飛行機が空気の抵抗と戦うのを助けようとするかのように。まるで母なる大地が、空気の抵抗に対抗する私たちのマシンを助けたいかのように。

自由飛行中の飛行機を観察することによって、次のような系統的な現象を観察することができた。低翼の飛行機は離陸が容易であること。ある種の重荷を積んだ飛行機は高度を上げることができない。低翼機の離陸のしやすさ、高度を上げられないこと、低翼機の着陸時の滑空力の持続性など。

この現象をもとに「ここに発明家の想像力が広大なフィールドを提供される」という提案を加えていた。地上の干渉は水平飛行に必要な動力を大きく減少させるので、ここに迅速で同時に経済的な移動の手段がある。常に地面との干渉範囲内にある飛行機を設計すればよい。この装置は、地面が凸凹しており、スキミングと呼ばれる高度で自由な操縦ができないため、一見すると危険な装置である。しかし、大型の航空機で、水上では、この問題は試みられるかもしれない・・・」。

ソ連における地面効果船開発 エクラノプラン(ekranoplan)

Ekranoplan_A-90_Orlyonok.jpg: Sergey Rodovnichenko from Moscow, Russiaderivative work: F l a n k e r, CC BY-SA 2.0, via Wikimedia Commons

モスクワ川にあるロシア海軍博物館の野外分館の一角に展示されているA-90オルリョーノク

ソ連のエクラノプラン計画は、ドミトリー・ウスティノフ国防相の支援を受けて続けられた。125トンのA-90オルリョーノク(A-90 Orlyonok)という、これまでで最も成功したエクラノプランの生産に成功した。この機体はもともと高速の軍事輸送機として開発されたもので、通常はカスピ海や黒海の海岸を拠点としていた。ソ連海軍は120隻のオルリョーノク級エクラノプランを発注したが、後にこの数字は30隻以下に減らされ、主に黒海とバルト海の艦隊に配備される予定であった。

Brian W. McMullin, Public domain, via Wikimedia Commons
アメリカ国立公文書記録管理局National Archives and Records Administrationが提供元で、
台帳番号 National Archives Identifier (NAID) 6399467です。
1980年代、ソビエトは沿岸防衛や水陸両用作戦に使用するため、さまざまなウィング・イン・グローバル・エフェクト・ビークルの試験を続けていました。この「オルラン」クラスは、翼が地表付近で作動する際に生じる空気力学的揚力の増加を利用したものである。これにより、重い荷物を長距離、特に水上で運搬する能力が大幅に向上し、水陸両用戦に適しています。

アレクセーエフの最初の設計に携わり、GEV設計の難しさを熟知していたドイツのエンジニア、ギュンター・イェルク(Günther Jörg)は、2枚の翼をタンデムに配置したGEV、イェルグ-IIを開発し、3番目の有人タンデム翼船「スキマーフォイル」と名付けられたのは、彼が南アフリカでコンサルタントをしていた時期に開発されたものである。これは、完全にアルミニウムで構成された初の4人乗りタンデム翼のフレアボートを、シンプルかつ低コストで設計したものであった。試作機は2007年7月4日から2013年までSAAFポートエリザベス博物館に展示されていたが、現在は個人で使用されている。

ギュンター・イェルクは、1963年からドイツの航空機産業の専門家であり、アレクサンダー・リピッシの同僚でもある。1960年に始まった地上効果物理学における翼の基礎知識、およびさまざまな条件や設計での基本的なテストの結果をもとに設立された。イェルクは30年以上にわたって、サイズも素材も異なる15種類のタンデム翼のフレアボートを製作し、テストを行ってきた。

10年近い研究開発期間を経て、以下のタンデム翼フレアボート（TAF）が完成させた。

TAB VII-3：最初の有人タンデムW.I.G型イェルク、ダルムシュタット工科大学にて製作中、Akaflieg

TAF VII-5：有人タンデム翼のフレアボート2号機、木製の2人乗り

TAF VIII-1：ガラス繊維強化プラスチック（GRP）とアルミニウムで作られた2人乗りのタンデム翼のフレアーボート。旧ボーテック社で6機生産された小型フレアボート。

TAF VIII-2: 4人乗りフルアルミ製タンデム翼型フレアボート（2隻）、GRP製タンデム翼型フレアボート（3隻）。

TAF VIII-3：アルミ製とGRP製を組み合わせた8人乗りのタンデム翼のフレアボート。

TAF VIII-4: アルミニウム製12人乗りタンデム翼型フレアボートとGRP製部品の組み合わせ

TAF VIII-3B：カーボンファイバー複合材を使用した6人乗りのタンデム翼のフレアボート

より大きなコンセプトは 25人乗り、32人乗り、60人乗り、80人乗り、そして旅客機の大きさまで大きくなります。

これらのタンデム翼のフレアボートはモーターボートとして登録され、タイプA WIGに分類されます。1984年、イェルクは未来の交通機関として「フィリップ・モリス賞」を受賞した。1987年、ボーテックカンパニーを設立。2010年に彼が亡くなった後、彼の娘で元アシスタントのIngrid Schellhaasのもと、Tandem WIG Consultingという会社で継続されています。

日本における地面効果翼機の開発

2004年に、中国運輸局と日本財団の支援で中国小型船舶工業会・中国舶用工業会が設計、福島造船鉄工所が製造した地面効果翼実験艇「あかとんぼ」（6総トン、全長9.3m、定員7名）が発表された。法規制の点から完全に離水せず艇体の一部は常に水面に接した状態での航行だったが、最高速度40ノットを出すことができる光速水上タクシーとして開発されていたが、実用化には至らなかった。
日本財団図書館　調査開発艇水上タクシー「あかとんぼ」実験航行実施報告書 
日本財団図書館　調査開発艇水上タクシー（写真）

アメリカの地面効果翼機の開発

コリンズ X-112

コリンズ・ラジオ社の特許　US3190582A

コリンズX-112は、1960年代初頭にアメリカでアレクサンダー・リピッシュが厚い逆デルタ翼のコンセプトを試すために設計した2人乗りの地上効果型実験機である。

リピッシュの水上用地上効果車エアロフォイル・ボートの開発は、アメリカのアイオワ州シーダーラピッズにあるコリンズ・ラジオ社の航空部門に勤務していたときに始まったものである。Collins X-112は、このコンセプトをテストするために作られた。

Airfoil Boatは逆デルタ翼、すなわち平面が三角形で前縁がまっすぐで掃引されていない翼を持つ航空機である。 強い上反角と組み合わせることで、安定した地上効果飛行を実現する具体的にはピッチ安定で、スパンの約50%までの高度で地上効果飛行でき、荒海上での運用が可能であると主張されている。これは、エクラノプランの低アスペクト比の正方形翼がスパンの10%程度で地上効果を残し、湖や川の穏やかな水域に限定されるのと対照的である。

胴体は平らな側面と丸みを帯びた甲板で構成されたオーソドックスなものであった。機首に搭載された単発エンジンは25馬力（19kW）と非常に低出力であった。コックピットは2つあり、主翼の上に配置されていた。後縁の付け根の後方では、胴体下部が強く盛り上がり、背の高い幅広のフィンとラダーが搭載されている。X-112は、T字尾翼を持ち、エレベータを搭載している。厚い翼型の主翼は低くマウントされ、それぞれ先端フロート（ポンツーン）を持ち、強い上半角とあいまって胴体は水面から十分に浮いていた。各フロートには、ロール制御用のエルロンが取り付けられたウィングレットが搭載されていた。また、胴体下部が上昇する部分に格納式の水舷が取り付けられており、水面上での方向制御が可能であった。

1963年に行われたテストでは、エアフォイルボートは他の高速モーターボートと同じように水面を滑走するように操作されたことから始まった。時速36マイル（58km）程度まで速度が上がると、X-112はラムエアークッションまたは地面効果機として水面から上昇するようになった。最高時速77マイル（124km）の単独フリーフライトが行われ、2人乗りのテストも行われた。これらの条件下で、「完全に満足できる」安定性と制御特性が報告された。 Airfoil Boatが証明され、X-112のミッションは完了し、コリンズ・ラジオ社を去ったリピッシュは、後継機であるファイバーグラス製でより強力なX-113をドイツのRhein-Flugzeugbau社とともに設計・製造した。

ボーイング　ペリカン（Boeing Pelican ULTRA [Ultra Large Transport Aircraft]）

ボーイング・ペリカンULTRAは、当初は軍事用として使用され、その後、世界最大の貨物センターで使用される商業貨物機として使用される可能性がある大容量の輸送機である。 ペリカンは民間輸送を目的としていないが、最大3千人を運ぶ商業旅客機に変更することができる
ペリカンの設計プロセスは 2000 年初めに始まった。ボーイング社のファントム・ワークス部門の設計者が、数千人の部隊、武器、軍事機器、および食糧を戦争や戦闘現場に迅速に移動するというアメリカ軍の目的[5]、例えば 3,000 人の部隊と 7,300 t の装備を持つ陸軍旅団を従来は 3 ～ 6 ヶ月必要だったが 96 時間（4 日）以内で展開する成功例の解決に向けて取り組み始めたときであった。特に国防総省は、陸・空・海を問わず、100万ポンド（450トン）の貨物を移動できる車両を要求していた。アメリカ陸軍が大型飛行船や飛行船と飛行機のハイブリッドを研究していることを知っていたボーイング・ファントム・ワークスは、少なくとも3つの既知の設計案を社内で検討した。大型飛行船またはディリブル飛行船、小型だが前進しながら動的揚力を生み出す幅広飛行船、そして700フィート (213 m) の翼を持つ低空を飛ぶ大型飛行船の３つの候補と、さらに高速外航船と海上着陸効果車両を検討したがこれらは却下された。

ボーイングファントムワークスは、その解決策として、高垂下型翼を持つ陸上用地上効果機を選択した。2001年10月、T字尾翼、上向き（正反角）ウィングレット、中列着陸装置の追加、胴体後部の積載ランプなど、最終的に省略された設計要素を除き、ペリカンの基礎となる地面効果機に関する特許を申請した。また、胴体の開口部寸法は、高さ16フィート（4.9m）、幅24フィート（7.3m）、長さ100フィート（30m）以上、翼幅は300フィート（91m）以上とされている。胴体の長さは420 ft (128 m)、翼幅は480 ft (146 m)で、最終的なペリカンの構成に近いものとなった。

US6848650B2 - Ground effect airplane - Google Patents

2002年5月、ボーイングは、地上効果機が空気抵抗を最小にしながら水の接触を避けるのを助けるための可変スイープ、下向き（負の上稜線、または上反角）ウィングレットの特許を申請した。特許図面には円筒形の胴体が示されており、これは当時加圧航空機が検討されていたことを示すかもしれないが、最終的にペリカンは非加圧胴体であった。翌月、陸軍はボーイングを機体の発案者として明示することなく、2002年の変革ロードマップにおいて戦略的対応力を高めるための新技術としてペリカンを挙げた。 7月にはスコット空軍基地の米国輸送司令部チームリーダーが長距離の部隊や装備を移動するための実用的ソリューションとしてペリカンを挙げている。 一方、設計者は平均離陸重量が350、600、1000万ポンド（160、270、450万キログラム、1600、2700、4500トン）、翼長が380、500、620フィート（120、150、190メートル）の3種類の航空機サイズを評価している。

ペリカンは2002年7月のファーンボロ国際航空ショーで正式に一般に紹介された。ボーイングはペリカンの高度を2,000から3,000フィート (610 mから914 m)までとし、翼幅を262フィート (80 m)に制限して、既存の滑走路や誘導路で使用できるようにしたと発表した。 [しかし、いずれのパラメータもペリカンの最終的な仕様よりも大幅に小さく、ボーイングの当初の特許では折りたたみ式の翼を採用していたが、ニュース報道では折りたたみ機構については触れられておらず、記載されている翼幅が展開可能か展開時か折りたたみ時の幅かは不明であった。一方、ボーイング社はペリカンの理論上の最大積載量を2,700 tと言及しており、これは最終的に指定された最大積載量を大幅に上回り、実際には最終的な最大離陸重量とほぼ等しいものであった。ボーイングはペリカンについて、アメリカ陸軍が「海を渡る船を倒す」解決策として評価しており、アメリカ国防高等研究計画局（DARPA）と共同で研究しているとしながらも、本格的な概念研究はあと5-8年後に開始し、就航まで少なくとも20年待たねばならないと述べている。

ボーイングは社内報の2002年9月号でペリカンにスポットを当てた記事を掲載し、翼幅500フィート（152m）、翼面積1エーカー以上（4,047平方メートル）など、最終仕様の詳細を明らかにした。積載量1,270トン、高度20,000フィート（6,100 m）以上の飛行サービス天井、小型積載物の航続距離は飛行モードにより6,500～10,000海里（7,480～11,500マイル、12,000～18,500キロメートル）であること、などの最終仕様を発表した。また、ペリカンはM-1エイブラムス戦車を17両移動させることができるとし、C-17グローブマスターIII輸送機、CH-47チヌークヘリコプター、アドバンスド・シアター・トランスポートとともに、同社のアメリカ軍向けモビリティソリューションの一部として提供されると述べている。 この記事は国際的なメディアの報道を集め、ボーイング・ファントム・ワークスが設計の成熟を続ける中で（中型車オプションの選定を含む）、この航空機に関する追加の詳細が、翌年にかけて新聞や、一般科学誌、航空業界の印刷物と研究会議に登場しはじめた。 2002年11月には、ボーイング社も地上操縦、横風着陸、横風離陸の際に（ペリカンのような）大型多輪操舵機を制御する自動システムに関する特許を申請している。

ボーイングによれば、ペリカン航空機技術は陸軍と空軍内のモビリティ構想を評価する意思決定者の間で支持者を獲得し始めており、海軍もハイブリッド超大型飛行船（HULA）により関心を向けていたものの興味を示していた。軍がこの航空機を使用し、大洋横断貨物輸送市場における航空輸送のシェアが1パーセントから2パーセントに増加した場合（現在の海上輸送の99パーセントに対して）、市場は2020年までに1000機以上をサポートできるとボーイング社は主張している。ペリカンの開発継続は、2015年から2020年にかけて軍が必要とする将来のモビリティコンセプトと能力を記述する、アメリカ陸軍の先進モビリティ概念研究（AMCS）の結果が良好であることに依存しているとボーイングは述べている。

2003年後半にはボーイングファントムワークスのホームページや技術展示会でペリカンが紹介されていた。2003年12月にアメリカ陸軍はAMCSレポートを発表したが、ペリカンは評価対象として最も有望な未来のモビリティプラットフォーム8機の中に含まれていなかった。 この挫折にもかかわらず、2004年のボーイングは同機の地味な教育的・伝道的宣伝を続けた。2004年のファーンボロ航空ショーで、ボーイングはペリカンが風洞試験に入り、同機の使用上限が25000フィート (7,600 m) に引き上げられたと発表した。

プロジェクト停止

2005年、米国議会が軍事機動性のために提案された11の空輸・海上輸送プラットフォームを評価した報告書において、ボーイング・ペリカンは2016年の就航に向けて、実現可能性が低いと評価され、実現可能性があるとされた6つのプラットフォームの後にランク付けされました。この評価により、報告書は、2015年の時間枠までに就航のために航空機を生産する能力についてのボーイングの以前の懸念を本質的に再確認した。
ボーイングは、2005年半ばに貨物コンテナ処理と自動高度測定に関連するいくつかの特許を申請したものの、このレポートが発行された後、航空機に関する他の公的発表は行われなかった。2006年4月までに、ボーイングの内部文書に関する報告書は、長期的な航空機の焦点は主に従来サイズの低コストで環境効率の高い旅客機であり、ボーイングペリカンについての言及はなかったことを示した。 同機の唯一の不可欠なローンチカスタマーであるアメリカ軍からの大型受注の確率が低下したため、ボーイングは静かにペリカン計画のさらなる開発を打ち切った。

アメリカ国防高等研究計画局 DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency)　リバティリフターLiberty Lifter 

リバティリフターが目指すのは、重量物輸送の革新。

大型水上飛行機のコンセプトは、長期間の運航、安価な生産、高度な制御を想定している。
2022/5/18

DARPAは、海上での戦略的・戦術的輸送が可能な長距離・低コストのXプレーンの設計・製造・飛行により、作戦物流能力の飛躍を実証するリバティ・リフター・プロジェクトを立ち上げた。この新しいコンセプトは、既存の貨物機を拡張し、海上からの革新的な重量物運搬能力を証明することを目的としています。

この飛行機は、非常に大きく重い荷物を迅速かつ柔軟に戦略的に運搬する能力と、水中での離着陸能力を併せ持つと想定しており、乱流の水面近くでの高度な制御飛行と中高度での持続的な飛行を可能にする構造になっている。また、低コスト設計・建設の思想で製造される予定だ。現在の海上輸送は大量のペイロードを効率的に輸送できるが、脅威に対して脆弱で、機能的な港を必要とし、輸送時間が長くなる。従来の航空輸送ははるかに高速ですが、海上作戦を支援する能力は限られています。さらに、今日、そのような航空機は積載量の制限を受けたり、長い滑走路を必要としたりする。

航空機が地上や水上を翼幅の長さ以上飛ばない「ウイング・イン・グラウンド効果」で飛行するように作られた航空機の開発が試みられた歴史がある。最も有名な例は、ソビエトの "エクラノプラン "である。この機体は高速で滑走路に依存しないが、穏やかな水域に限定され、操縦性も限られていた。

「リバティリフタープログラムの第一段階は、このユニークな水上飛行機の航続距離、積載物、その他のパラメータを定義するものです」と、DARPAの戦術技術オフィスのプログラムマネージャーであるアレクサンダー・ワラン氏は言います。「この新しいDARPAプログラムによって構想された革新的な進歩は、拡張された海上作戦中に戦闘員に新しい能力を提供するX-planeのデモ機を展示することになるでしょう。

既存の車両や運用コンセプトの欠点に対処するため、リバティリフタープログラムは3つの主要な課題に取り組むことに重点を置いています。

1. 拡張された海上作戦 低速での高揚力により離着陸時の波浪衝撃荷重を軽減し、波浪力を吸収する革新的な設計ソリューションにより、乱気流海域での運用に重点を置く。さらに、混雑した環境での高速走行時の車両衝突のリスクにも対処します。さらに、陸上でのメンテナンス作業なしに、数週間にわたる海上での運用を目指します。
2. 低コストでの本格的な生産 精巧で軽量なコンセプトよりも、低コストで製造しやすい設計を優先して建設します。材料は、従来の航空機製造よりも安価で、大量に購入できるものでなければなりません。
3. 複雑な飛行および海面制御。大きな波を避け、離着陸時の空力・水力相互作用を処理するための高度なセンサーと制御スキームが開発される予定です。

Liberty Lifter Aims to Revolutionize Heavy Air Lift