最高速度マッハ3世界最速のジェット機SR-71ブラックバード

SR-71ブラックバードは、米空軍の偵察機です。1988年頃だと思うのですが、沖縄でSR-71がゆっくりと旋回しながら降りていくのを実際に見たことがあります。真っ黒な機体でしかも遠目にみても随分大きな機体だと思っていました。

今回調べてみると、SR-71の全長は約33m、F-15イーグルが約20m、F/A-18スーパーホーネットが約18mなので、かなり大きな機体です。

また、今回改めて調べてみると、SR-71ブラックバードは、NASAによる研究開発のためにも使われていました。

すでにSR-71は退役となていますが、NASAのWebサイトの情報を主に調べました。

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SR-71ブラックバードとは

1990年代、NASAがドライデン(現アームストロング)で高速・高高度航空研究のためのテストベッドとして2機のSR-71ブラックバードが使用されました。

この中に、米国空軍からNASAに貸与されたSR-71AとSR-71B(トレーナー用)が含まれていました。

なお、SR-71ブラックバードについては、以下の情報を主にまとめています。

NASA Armstrong Fact Sheet: SR-71 Blackbird
SR-71 Blackbird Project Summary: Two SR-71 aircraft were used by NASA as testbeds for high-speed, high-altitude aeronautical research. The aircraft, an SR-71A a...

※写真についてはリサイズとトリミングをしています。

ブラックバードの設計・開発の歴史

SR-71は、A-12やYF-12を含むブラックバードシリーズの最新鋭機であり、通称スカンク・ワークス(現在はロッキード・マーチン社の一部として知られている)により設計されました。

A-12やYF-12は、SR-71につながる試作機や開発機に相当します。

ブラックバードとして開発が始まり、SR-71が初飛行するまでの経緯は以下の通りです。

  • 1950年代後半
    ブラックバードは、A-12偵察機として秘密裏に設計
  • 1962年4月
    初飛行
  • 1976年まで
    この年まで機密扱い
  • 1964年2月
    YF-12A型迎撃機(SR-71の派生機)の存在が公表
  • 1964年12月
    SR-71初飛行

SR-71は1964年12月の初飛行後、退役、復活配備、NASAでの運用などを経て現在は退役しています。

SR-71のNASAを含めた運用期間や退役ついては、見つかりませんでした。

ブラックバードは世界最速、世界最高の飛行性能を誇る航空機です。

ブラックバードは以下の想定で設計されていました。

  • 音速の3倍超えのマッハ3.2(3,916 km/h)
  • 最大巡航高度25,908 m(25.9 km)
はかせ
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航空機というよりロケットや宇宙船のレベルです。

写真で見るSR-71

SR-71は極限の環境において偵察機として運用されていました。

SR-71は機体サイズも大きく、その特異な形状はステルス機の様にも見えます。SR-71のステルス性については、確認できなかったので省いています。

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ステルス機の対レーダーのための形状ではなく、文字通り空気を切り裂いて飛ぶために必要な形状でもあると考えています。

以下、何枚かの写真でSR-71の特長を説明します。

下図は、飛行中のSR-71です。

  • ジェットエンジンの先端部分はスパイクコーンと呼ばれ、衝撃波対策のため前後方向に移動します。
  • 垂直尾翼が胴体中央側に傾き、主翼や機体が薄い形状となっています。

図1 飛行中のSR-71

下図は操縦席の写真です。

  • 操縦席は前後方向に設置されています。
  • SR-71は大型の機体なのですが、写真では操縦席は戦闘機よりも狭いように感じます。
  • ちなみにパイロットスーツは、スペースシャトルなどの宇宙用に近い重装備です。(詳細は未確認です。)

図2 SR-71の操縦席

下図は駐機中のSR-71を正面から捉えた写真です。

以下の特長が分かると思います。

  • 2基の巨大なエンジン
  • 内側に傾いた垂直尾翼
  • 薄い翼形状

図3 SR-71の正面

SR-71のエンジンと性能(パフォーマンス)

機体は、連続的な高速飛行により発生する熱に耐えられるように、ほぼ完全にチタンやその他の特異な合金で作られていました。

ブラックバードは、マッハ3で一度に1時間以上巡航することができます。この時、ヒートシンク温度が315度を超えるため、熱実験のためのユニークな研究プラットフォームとなりました。

ブラックバードに搭載されているジェットエンジンは、次の様なものでした。

  • プラット&ホイットニー製J58軸流ターボジェット 2基
  • アフターバーナー付
  • 1基当たり14,742 kgfの推力を発生

下図は「LASREポッド(実験装置)」の飛行前の点検中の写真です。

  • エンジンの巨大さがわかると思います。
  • スパイクコーンの先端部が非常に鋭い形状です。

LASREポッドについては、後述しますが、以下の写真では次の様な説明がありました。

  • 偏向板(黒くて長い形状)の上に置かれているのは、ハーフスパンのリフティングボディ模型とリニアエアロスパイクロケットエンジン(白い部分)です。
  • 偏向板(黒くて長い形状)の中には、推進剤タンクや計装機器が収納されており、実験用のマウントとなっています。
  • ポッド全体の重さは7,000kg弱です。

図4 SR-71のLASREポッドの飛行前点検

マッハ3の飛行では、全推力の少なくとも20%がエンジンそのものを推進させる(飛ばす)ために使われてしまいます。

エンジンについての特長は次の通りです。

  • 高速巡航中の全推力のバランスは、エンジンインレットのユニークな設計と各エンジンナセルの前部にある可動式の円錐状のスパイクによって生み出されました。
  • この条件では、インレットに入った空気はエンジンをバイパスして、直接アフターバーナーやエジェクタノズルに送られ、ラムジェットの役割を果たしていました。
はかせ
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SR-71の速度によりスパイクコーンの位置が変わりますが、ジェットエンジンとしての空気や燃料の流れも変わる設計となっているようです。

下図は、SR-71が離陸時の写真です。

  • アフターバーナーで一気に加速します。
  • 前後方向に設置されている操縦席の位置関係が分かります。

図5 SR-71離陸時:アフターバーナーON

SR-71の主な諸元

SR-71の主な諸元は以下の通りです。

  • 全長:32.73 m
  • 全幅:16.94 m
  • 全高:5.63 m(車駐機の地面からラダーの上まで)
  • 総離陸重量:52,253 kg(36,414 kgの燃料重量を含む)

空力制御面(操舵)は、垂直尾翼と、外翼とエンジン排気ノズルの間の後縁にあるエレベータで構成されています。

下図は、LASREを搭載したSR-71の略図です。サイズをm(メートル)に変換しています。

図5 SR-71(LASRE搭載時)の略図

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SR-71のNASAでの運用実績

NASAは1990年代に4機のSR-71を飛行させています。

4機の内2機は研究用に、2機は偵察任務のためのSR-71の空軍での再起動をサポートするために使用されました。

  • 再起動とは:空軍は1990年にブラックバードを退役させましたが、数年後に再度飛行させることになりました。

NASAのクルーによるSR-71運用については以下の通りです。

  • SR-71A
    • 1990年2月15日、SR-71A(61-7980/NASA 844)ドライデンに到着
    • 1992年まで保管され、1999年10月9日の最終飛行まで研究プラットフォームとして使用
    • 1990年3月19日、SR-71A(61-7971/NASA 832)ドライデンに到着
    • 1995年に初号機が再就役したため、空軍に戻された。
    • SR-71A(61-7967)とともに空軍のプログラムをサポートするためにNASAのクルーによって飛行
  • SR-71B(トレーナー機)
    • 1991年7月25日、SR-71B(61-7956/NASA 831)ドライデンに到着
    • 1997年10月まで研究プラットフォームとして、またクルーの訓練や習熟のために使用
  • 最終飛行
    • 1999年10月9日(土)、エドワーズAFBのエアショーでSR-71(NASA 844)の最終飛行
  • 動態保存から博物館へ
    • NASA SR-71はその後、飛行可能な状態で2002年まで保管
    • その後、博物館に送られました。

SR-71の空中給油

SR-71も空中給油により飛行時間を延ばすことばできます。

図6 SR-71とKC-135による空中給油

SR-71の極限の飛行環境を利用した様々な研究

今回改めて調べてみてしったのですが、SR-71は極限の環境(高高度、超音速)で飛行したため、次の様なブラックバードは様々な分野の研究や実験を行うための優れたプラットフォームにもなりました。

  • 航空力学
  • 推進力
  • 構造物
  • 熱保護材料
  • 高速・高温計測
  • 大気圏の研究
  • ソニックブーム(超音速飛行時に生じる衝撃波により起こる大規模な衝撃音)の特性評価など

ドライデンでのSR-71の研究は、NASAの高速航空研究プログラムの一環であり、他のNASAの研究センター、他の政府機関、大学、民間企業が参加しています。

SR-71研究プロジェクトから得られたデータは、将来の超音速/超人機や推進システムの設計者の助けとなっているのでしょう。

レーザー式大気データセンサー(収集システム)

NASAのSR-71で最初に行われた主要な実験の一つに、レーザー式大気データセンサーがあります。

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センサー単体というよりはセンサーを含むデータ収集システムと思われます。

このセンサーは、気圧の代わりにレーザー光を用いて、迎角や横滑りなどの対気速度や姿勢のデータを取得していました。

SR-71の飛行により、将来の超音速航空機が飛行するであろう高度24,384m以上の上空における大気粒子の存在に関する情報も得ることができました。

レーザー式大気データセンサーの特長は、次の通りです。

  • 航空機の底部から投影された6枚のレーザー光を使用しています。
  • 微小サイズの大気粒子が2本のビームの間を通過すると、方向と速度が測定され、標準的な速度と姿勢の基準に変換されます。

科学カメラプラットフォーム

1993年3月、NASAのジェット推進研究所の科学カメラプラットフォームとして、SR-71を使用した一連の飛行の第1回目が、カリフォルニア州パサディナ(Pasadena)で行われました。

機体のノーズベイから上向きの紫外線ビデオカメラを使うことで、地上にいる天文学者には大気圏の影響により観測できない波長データを記録することができました。

また、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の研究者は、SR-71を使い荷電した塩素原子をオゾン層の保護と再生に利用する調査をしました。

「IRIDIUM」の開発のためのテストベッド

SR-71は、NASAの商用化支援プログラムの一環として、商用衛星をベースにした即時無線個人通信ネットワーク「IRIDIUM」の開発のためのテストベッドとして使用されました。

IRIDIUMシステムは、モトローラの衛星通信部門によって開発され、開発テストの間、SR-71は地上の送信機と受信機の代理衛星として機能しました。

はかせ
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衛星電話として知っていたIRIDIUMがここで出てくるとは思いませんでした。米国の科学技術や研究に対する国力や思想の違いを感じます。

ソニックブーム(衝撃波による大音響)対策の研究

SR-71は高速飛行が可能であるため、科学者たちは音速を超える航空機により発生する、鋭い雷鳴のように地上で聞こえるソニックブームによる過剰な圧力を低減する方法を研究するプロジェクトに参加しました。

航空機設計者は、この研究で得られたデータをもとに、ソニックブームの「ピーク」を減らし、地上で発生する衝撃波により起こる大規模な衝撃音(startle effect)を最小限に抑える努力をしています。

はかせ
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ソニックブームは、日本語で説明すると難しくなりますが、映画やアニメで見たことがあるかもしれません。

音速を超えて(マッハ1以上)飛行すると、飛行機の通過後に衝撃はが発生し、地表に近い場合には地表の構造物を破壊することもある現象のことです。この時の衝撃音は正直なところ言葉での説明が難しいです。

熱荷重試験

1972年2月から1973年7月まで、ドライデンの高温荷重研究所(High Temperature Loads Laboratory)(現在の熱構造研究施設(the Thermostructures Research Facility))では、YF-12A(SR-71の試作機の1つ)を1機使用して熱荷重試験を行いました。

結果として得られたデータは、構造荷重、材料、熱分布を扱う理論的な予測方法やコンピュータモデルの改善に役立ちました。

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LASRE実験装置

1997年と1998年に、NASA/ロッキード・マーチンのリニアエアロスパイクSR-71実験装置(LASRE:Linear Aerospike SR-71 Experiment)がSR-71に搭載されました。

下図は、LASREを搭載したSR-71の飛行写真です。

図7 LASREを搭載したSR-71

下図は、1988年3月、SR-71にLASREを搭載して行われたコールドフロー試験の写真です。

図8 SR-71のLASREによるコールドフロー試験

LASREは、リニアエアロスパイクエンジンの8つのスラストセルを搭載したリフティングボディのハーフスパン模型で、SR-71の背面に取り付けられ、高速・高度での飛行中に使用されました。

何を言っているのか分かりにくいのですが、図4を図8として再掲します。

LASREポッドとは、

  • 偏向板(黒くて長い形状)の上に置かれているのは、ハーフスパンのリフティングボディ模型とリニアエアロスパイクロケットエンジン(白い部分)です。
  • 偏向板(黒くて長い形状)の中には、推進剤タンクや計装機器が収納されており、実験用のマウントとなっています。
  • ポッド全体の重さは7,000kg弱です。

図9 SR-71のLASREポッド

LASREポッドは空飛ぶ風洞のように動作し、実際の飛行における空力データを収集することができました。

X-33への利用:将来の再利用可能なロケット設計に向けて

LASRE実験から得られた情報は、ロッキード・マーチン社が将来の再利用可能なロケットの設計に役立ちました。

これにより、ロッキードはX-33先端技術実証プロジェクトのリフティングボディとリニアエアロスパイクエンジンの組み合わせの性能を理解することができました。

下図は、NASA/ロッキード・マーチン社のSSTO(Single-Stage-To-Obit)再利用可能なロケット(RLV:Reusable launch vehicle)が地球上の高い軌道上にある様子を描いたものです。

  • X-33は、RLVのための技術実証機を目指していた。
  • RLV技術プログラムは、NASAと産業界の協力協定
  • RLV技術プログラムの目標は、宇宙へのアクセスコストの大幅な削減を可能にし、新たな宇宙サービスの創出と提供、および米国の経済競争力を向上させるその他の活動を促進すること

図10 X-33の構想図(その1)

下図は上図同様にX-33の構想図です。

  • NASAは、1999年3月から12月までの間、X-33先進技術実証試験機の設計・製作・飛行をロッキード・マーチン社に依頼しました。
  • ハーフスケールのX-33は、リフティングボディの形状、新しい「エアロスパイク」ロケットエンジン、頑丈な金属製の熱保護システムを特徴とすることを期待
  • 再利用可能なロケット(RLV)に必要な新技術を飛行中に実証することが期待
  • X-33は、ロケットのように垂直に打ち上げられ、飛行機のように水平に着陸し、高度約50マイル、マッハ11以上の速度で飛行することが期待されていました。
  • 本格的なRLVが実現すれば、信頼性が飛躍的に向上し、ペイロードを1ポンド(約1万ドル)から1,000ドル(約1,000円)で宇宙に投入することができるようになる見込みでした。
  • 残念ながら、2001年にNASAはこのプログラムへの資金提供を停止しました。

図11 X-33の構想図(その2)

X-33先端技術実証プロジェクトに関する試験

ロッキード・マーチンが将来の再利用可能なロケットの空力性能を決定するために使用していた計算予測ツールを検証するために、飛行中のデータを提供することでした。

NASA、Rocketdyne(現ボーイング社)、Lockheed Martin Linear Aerospike SR-71 Experiment(LASRE)の3社による共同実験は、ドライデン飛行研究センターで7回の初期研究飛行を完了しました。

主な成果を列挙します。

  • 初めの2回のフライトは、SR-71の後部に搭載されたLASRE装置(ポッド)の空力特性を決定するための飛行試験
  • その後の5回のフライトでは、実験そのものに焦点を当てた。
    • 2回のフライトでは、ガス状のヘリウムと液体窒素を実験室内で循環させ、配管システムに漏れがないかどうかのチェックや、エンジンの動作特性をテスト
    • 残り3回のフライトでは、液体酸素をエンジンに循環させた。

その他、

  • 地上では2回のエンジンのホットファイヤーを実施
  • 最終的な高温燃焼試験飛行は、試験装置から液体酸素が漏れたために中止

となっています。

LASRE試験について

LASRE実験装置は、

  • 20%の縮尺
  • フィンのないリフティングボディ(X-33)のハーフスパンモデル
  • 90度回転し8つの推力セルを備えたエアロスパイクエンジンを搭載
  • 模型、エンジン、カヌーを合わせて「ポッド」と呼ばれました。
  • ポッド全体の長さは12.5mで,重さは6,486 kg

この実験では、再利用可能なロケットのエンジンのプルーム(plume:空気流のこと?)が、特定の高度と速度でリフティングボディの形状の空気力学にどのような影響を与えるかを決定することに重点を置いていました。

エンジンプルームと空気力学的な流れの相互作用は抗力を発生させる可能性があります。

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NASAと米国空軍の共同プログラム

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SR-71の退役を巡る、米国空軍とNASAによるSR-71の運用のことです。

科学技術だけでなく生命科学を含めた研究開発に使われたそうです。

空軍が2機のSR-71をドライデンに貸与した時点で、センターではすでに10年間のブラックバードの運用経験がありました。

1969年12月から1979年11月までの間、NASAと米国空軍の共同プログラムで、高速・高高度飛行の能力と限界について学ぶことを目的として、3機が同施設で飛行しました。

最初の2機は、当初のA-12の設計を基に計画された迎撃機のYF-12Aの試作機で、最終的にはSR-71偵察機へと発展しました。

その後も追加配備が計画されていましたが、1971年にYF-12Aの1機を事故で失いました。

3機目となるSR-71Aは、管理上YF-12Cと呼ばれました。

NASAの研究者たちはYF-12を使い、

  • 空力・熱負荷
  • 空気抵抗
  • 表面摩擦
  • 熱伝達
  • 機体と推進システムの相互作用
  • 入口制御システムの改良
  • 高高度乱流
  • 境界層流
  • 着陸装置の動力学
  • 汚染研究のためのエンジン廃液の測定
  • 騒音測定
  • 整備監視・記録システムの評価

など、さまざまな実験を行いました。

YF-12の多くの飛行で、医学研究者は、

  • 持続的な高速飛行を行うクルーの生理学的および生物医学的側面に関する情報

を得ました。

また、YF-12プログラムからの研究データにより、将来の軍用機や民間機の設計と性能を向上させる分析理論や風洞試験技術を検証しました。

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音速の3倍超えのマッハ3.2(3,916 km/h)で、最大巡航高度25,908 m(25.9 km)というリアルな環境での試験だったということで、そのスケールの大きさに驚きました。

まとめ

SR-71ブラックバード、偵察機として使われすでに退役していますが、マッハ3.2(時速約4,000km/h)、最大巡航高度25,908m(約26km)と、航空機として世界最速、最高の飛行性能を誇ります。

また、今回改めて調べてみてその性能によりNASAでは実験装置(環境)としても利用されていたことを知りました。

米国の科学技術についての思想や実際の取り組みについても驚きました。

ここでは、以下の項目について説明しました。

  • SR-71ブラックバードとは
    • ブラックバードの設計・開発の歴史
    • 写真で見るSR-71
    • SR-71のエンジンと性能(パフォーマンス)
    • SR-71の主な諸元
  • SR-71のNASAでの運用実績
    • SR-71の空中給油
  • SR-71の極限の飛行環境を利用した様々な研究
    • レーザー式大気データセンサー(収集システム)
    • 科学カメラプラットフォーム
    • 「IRIDIUM」の開発のためのテストベッド
    • ソニックブーム(衝撃波による大音響)対策の研究
  • 熱荷重試験
    • LASRE実験装置X-33への利用:将来の再利用可能なロケット設計に向けて
    • X-33先端技術実証プロジェクトに関する試験
    • LASRE試験について
  • NASAと米国空軍の共同プログラム
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振動制御を学んだおかげで、モデリングと制御系設計、実験・計測、CAEと幅広く学び、出会いとチャンスにも恵まれ工学博士になりました。
CAEが珍しくない今だからこそ、実験やリアルなモノづくりの体験がより重要になっていると考えています。

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