タグ：紫電

2020年07月10日

〈考察⑫〉誉エンジン搭載機の運転制限前後の性能を推定する

はじめに
過去記事『〈考察⑧-2〉紫電の性能について』にてあるコメントを頂きました。「誉搭載機の運転制限前後の性能が単純な割り算の3乗根になっているのでは？」という推察です。

一般に、速度を2倍にしたいなら馬力を8倍にしなければならないと言われます。ただし、飛行機の場合は高度による空気密度の変化があるため単純な3乗根の計算では正確な数字は出ません。

そこで、自分なりに誉エンジン搭載機の運転制限前後の性能を推定してみようと思ったのが今回の記事のきっかけです。これからも皆様の感想やコメントをお待ちしております。たいへん励みになります。

基本の計算式
という訳でいろいろと調べてみたところ、航空機の水平速度は以下のような計算で求めることができるようです。(手書きで恐縮ですが、一番見やすいと思ったのでこうしました)

まずは、堀越・奥宮『零戦』に記載されている雷電の数値を使って計算の練習をしてみます。

これによると、馬力は高度5450mで1450PS、抗力係数は0.0265、プロペラ効率は0.74で最高速度は314ktという計算となっています。なお、雷電の翼面積は20.05m^2です。また、高度5450mでの空気密度は0.7013kg/m^3とします(ここから拾いました)。

そうすると、
V^3=8813*(1.225/0.7013)*(0.74*1450)/(0.0265*20.05)
=31088193...
となり、
V=314.43...
というわけで314ktという数字を導き出すことができました。

それじゃあこんな感じで進めていきます。
なお、誉エンジン各型の公称2速性能は以下のようなものとします。
ハ45-11(誉11型)　1440PS@5700m
ハ45-12(誉12型)　1495PS@6550m
ハ45-21(誉21型)　1625PS@6100m

紫電改の性能を推測する
まずは紫電改の性能から。
本機はハ45-11搭載時に高度5600mで321ktを発揮したと仮定したうえで、まずはη/Cxを求めます。
321^3=8813*(1.225/0.689871)*(1440/23.5)*η/Cx
η/Cx≒34.5

このη/Cxを使って、馬力や高度などの条件を変えながら計算していきます。
なお今回はエンジン(プロペラ)を換装して最高速度に変化があってもη/Cxは変わらないものとしています。

ハ45-12装備時
V^3=8813*(1.225/0.620821)*(1495/23.5)*34.5
V≒337kt(624km/h)@6550m

ハ45-21装備時
V^3=8813*(1.225/0.652828)*(1625/23.5)*34.5
V≒340kt(630km/h)@6100m

という訳で、ハ45-12装備時の紫電改は620km/h少々は出せそうです。実際に運転制限下の紫電改試作機が620km/hを発揮したことがあるようですが、この計算結果を見る限り誉12型相当の運転条件であった可能性が高そうです。
一方で運転制限解除後の誉21型搭載機の計算結果は630km/hに留まっています。操縦参考書記載の644km/hという数字はやや過剰とも考えられます。

紫電の性能を推測する
続いて紫電です。
ハ45-11搭載時に高度5900mで315ktを出したと仮定した場合、計算したところη/Cxは約31.5となりました。そのうえで、
ハ45-12装備時は約327kt(606km/h)@6550mという数字が、
ハ45-21装備時は約330kt(611km/h)@6100mという数字が得られました。

以前の記事で紫電の最高速度については325kt(602km/h)というものもあると紹介しましたが、誉12型搭載時の計算結果にかなり近いことが分かります。
なお、運転制限を解除しても紫電の速度は当初の計画値から40km/hほど遅く、しかも運転制限下の紫電改とさして変わらないことが分かります。

疾風の性能を推測する
今度は四式戦闘機「疾風」です。
疾風はハ45-12搭載時に高度6550mで624km/hを発揮したと仮定したうえでη/Cxを計算してみると、約30.9という数字になりました。

そこで、ハ45-21装備時の最高速度を求めてみると、約341kt(632km/h)@6100mとなりました。
疾風試作機が運転制限ではない運転条件で、高度6120mで631km/hを発揮したとされていますから、計算値と実測値とがよく合っているようです。

一方でハ45-11装備時の性能も計算してみると、約322kt(596km/h)@5700mという数字が出てきました。
実は、個人的には疾風にもハ45-11搭載機がいたのではと考えています。なぜなら、陸軍の技術関係者のメモに疾風の最高速度が583km/hとか595km/hなどという数字が見られるからです。どうにも遅すぎるこの速度は、ハ45-11を装備していたからだと考えると辻褄が合うのです。

ところで、乙型試作機が高度6000mで660km/hを出したという原資料不明の話があります。しかし、今回の計算結果では30km/hほど足りません。集合排気管が単排気管になり、プロペラ直径が10cm伸びたところで30km/hの差を埋めることはできるのでしょうか？少し疑問が残ります。

おわりに
これで今回の考察は以上となります。なお今回の計算結果は多くの仮定を含んだあくまで「推測」であってある種の「遊び」の域を出ません。それでもいくつかの示唆を得ることはできるのではないかと思っています。皆さんも今日紹介した計算式を使って遊んでみてはいかがでしょうか。
今回も最後までお読みいただきありがとうございました。

タグ：: #紫電改; #疾風; #紫電

2020年05月16日

〈考察⑧-2〉紫電の性能について

前回『紫電の性能について』記事内にて、米軍鹵獲文書で紫電は「高度6000mにて325kt(602km/h)を発揮する」との記述があると紹介しましたが、それを補足する資料を新たに見つけたので報告します。

これはとある航空機搭乗員候補生の航空術の授業のノートの記述なのですが、日付はおそらく1944年11月、「新鋭機ニツイテ」という項目の中で、紫電の性能は
　一速　305kt(565km/h)　max
　二速　325kt(602km/h)　max
となっていました。

このデータの信ぴょう性についてですが、決して低くはないと考えています。なぜなら、他の機体の最高速度について、零戦52型は300～305kt(556～565km/h)、雷電は320kt(593km/h)、紫電改は一速310kt(574km/h)、二速329kt(609km/h)となっているからです。

これらの数値は今まで本ブログ内で紹介してきた数値とかなり一致するものです。但し、上昇力については紫電も紫電改も6000mまで5分40秒と書かれているなど、検証を要する部分も残されています。

この授業があったとされる1944年11月という日付を信じるならば、紫電の初飛行からはほぼ2年が、紫電改については約1年が経過しており、とりわけ紫電は制式採用され実戦も経験しているはずです。そのような時期に紫電の最高速度は602km/hと認識されていたことは注目に値すると考えます。

願わくばその速度を発揮する高度が分かれば搭載発動機を推測することができたのに、と思ってしまいます。また、機体のコンディションも気になるところです。

最後に、米軍の太平洋艦隊が発行した諜報誌「Weekly Intelligence Bulletin」の1944年7月21日号のとある１文を紹介して終わりたいと思います。(全文は国会図書館デジタルライブラリーで見ることができます。)

ここでも、紫電の最高速度は鹵獲したノートによると325ktであると書いてあります。なんとかこの原文を見つけてみたいものです。

今回は短いですが以上となります。最後までお読み頂きありがとうございました。

ABSTRACT IN ENGLISH
I found a description that says N1K1-J's maximum speed is 305kt at 1st speed supercharger alt. and 325kt at 2nd in a notebook dated November 1944 which had belonged to a navy airman student.
This description is reliable, I think, because there are also other navy fighters top speed data in the notebook and they are very close to what we are familiar with.
Also, I attached an image of "Weekly Intelligence Bulletin" by U.S. Pacific Fleet dated 21 July 1944, which says "a captured notebook credits Shiden with a top speed of 325 knots".
I wish I can see the notebook itself too.

タグ：: #紫電

2020年03月22日

〈考察⑧〉紫電の性能について

はじめに
　紫電11型は1,000機を超えるその生産数の割には存在感の薄い機体になってしまっています。後継の紫電改があまりにも有名になりすぎてその陰に隠れてしまっており、その性能についてもよく整理されているとは言い難いでしょう。
　今回はその紫電11型の性能について考えていきたいと思います。

紫電11型とは？
　いつも通り簡単な機体説明から参ります。紫電を開発した川西航空機は97式大艇や2式大艇などの傑作飛行艇を世に送り出した水上機を得意とするメーカーで、飛行場の整備されていない太平洋上の島々のための水上戦闘機を開発するよう海軍に命じられます。これは開戦前の1940年のことで、この計画は十五試水上戦闘機と呼ばれました。
　ところが本機は太平洋戦争の開戦には間に合わず、「強風」として制式採用されたのは既に水上戦闘機が必要ではなくなった43年になってからでした。結局大事なときに活躍したのは零戦を水上戦闘機に急遽転用した二式水戦でした。
　一方川西側でも水上機だけの生産では会社の経営は苦しくなるだろうと考えており、開発の進んでいた強風の設計を流用して短期間で陸上戦闘機を開発することを41年12月海軍に提案。本命の雷電の保険としての意味合いもあって仮称一号局地戦闘機として計画は了承され、翌42年12月に1号機が完成しました。搭載していた誉エンジンが当初の馬力を出せず予定性能には全く届かなかったものの、少なくとも零戦よりは高速で武装も強力であったことから43年8月から量産に入りました。
　機体は強風の設計を流用した中翼配置でした。そのため主脚がどうしても長くなってしまい伸縮機構が取り付けられましたが、これに起因する故障がかなり多かったようです。
　武装は20mm機銃4門と重武装で、当初は翼内に1門、翼下にガンポッド形式で1門を各翼に装備していましたが、改修型である紫電一一乙型ではすべて翼内装備となっています。
　最終的に千機以上が生産されフィリピンの戦いや沖縄戦、本土防空戦に参加しましたが、優勢な敵軍を前に終始苦しい戦いを強いられました。

計画性能値
それでは性能の話に入っていきます。まずは計算上の計画性能値から。

最高速度　298kt(552km/h) @ 0m
　　　　　353kt(654km/h) @ 6,000m
上昇時間　2,000mまで 1'45"
　　　　　6,000mまで 5'50"
実用上昇限度　　12,100m
絶対上昇限度　　12,250m

この数字は公式の取扱説明書に記載されているものです。
もしこの数値通りの性能が発揮できていれば超優秀機なのですが、実際はそうではありませんでした。

実測性能
計画に反し、実際のテストの結果は以下のようであったと伝えられています。

最高速度　290kt(537km/h) @ 3,000m
　　　　　308kt(570km/h) @ 5,600m
上昇時間　6,000mまで 7'00"
実用上昇限度　　10,000m

　これが何号機で計測されたものなのかは不明で、そのため単排気管や補助冷却器の有無などは分かりませんが、ここまでの計画値割れの原因は誉エンジンのせいと考えられます。
離昇2000馬力の誉21型搭載として計算されていましたが、実際には運転条件を落として離昇1820馬力とした誉11型を装備していました。
〈参考：http://warbirdperformance.livedoor.blog/archives/2874860.html、http://warbirdperformance.livedoor.blog/archives/3700030.html〉
他にも予定になかった翼下ガンポッドの追加や工作の不良などが性能不足の原因として指摘されています。

他にも、海軍の性能表には315kt(583km/h)@5,900mという数値(6,100mという数値もあり)も残されており、こちらがよく知られている紫電11型の最高速度ではないかと思います。このデータについても機体のコンディションが全然分からないのですが、エンジン運転制限下での実測数値であることにまず間違いはないと思われます。
(25/6/28追記：誉20型の運転制限なのか誉10型を搭載していたのかは不明。)

それ以外の性能値
　上記に紹介した以外にもいくつか数値を見つけました。ひとつは別冊航空情報『設計者の証言上巻』で紫電の設計者菊原静男氏がさらーっと書いている「高度6,000mで320kt(593km/h)」という数字です。※添付画像参照

　それ以外にも、米軍が戦地で鹵獲したノートによると「44年4月に最終試験が予定されており、誉10シリーズエンジンを装備し、高度6,000mで325kt(602km/h)を発揮する」との記載があります。(JICPOA BULLETIN No.94-44 1944/5/2)
　このノートの原文を見たことはないのですが、菊原氏やこの記述を見ると、今まで思われていたよりも紫電はスピードが出るようです。考えてみると、紫電改が運転制限下で620km/hを出すことができたなら紫電が600km/h近い速度を出すことができていても不思議ではないはずです。

まとめ
　まとめに入っていきましょう。紫電の性能はエンジンの運転制限によって計画値を大きく下回ってしまいましたが、今まで思われていたよりもスピードを出すことができていた可能性があります。
　ここで戦後に出版された書籍での紫電のデータについてひとこと。海軍が公式にまとめた性能表がいろいろなソースのつぎはぎとなっていて、最高速度が583km/hなのに上昇時間が6,000mまで5分50秒、上昇限度が12,100mとなっているせいで戦後の出版物もこの数値を紹介しているものが多いです。ここまで読んで頂いた皆様にはお分かりかと思いますが、計画値とそうでないものの区別はしっかりとつけるよう注意しなければなりません。
　『丸メカニック』記載の紫電の上昇時間は「強風」のデータというとんでも落とし穴もありますから、本記事では信頼できるデータを提供できるように頑張っていきます。
　また、紫電の上昇性能について6,000mまで7分50秒とする出版物もいくつか見られます。実は私はこれにも少し疑問を持っています。というのも戦時中の一次資料にこの数値を見つけることができないからです。もしかすると、5分50秒という数字が「妙に良すぎる」と思った誰かが紫電改の6,000mまで7分22秒という数字を見て「紫電改よりも良いはずがないから」と7分50秒の誤記だと勘違いしたのかもしれません。しかしながら紫電の全備重量は紫電改よりも軽いので(海軍性能表なら紫電3900kg・紫電改4000kg。取説なら紫電3750kg・紫電改3800kg)、同じエンジンで同じ翼面積なら紫電の方が上昇性能が良くても別におかしくはないと思います。実際6000mまで7分というデータが残っていますから。

　さて、今回の記事はこんな感じですが、紫電の性能については未知の部分が多く、まだまだ調査を進めていくつもりです。次回がいつ書けるか分かりませんが、気長にお待ちいただければと思います。

タグ：: #紫電

2019年10月12日

【和訳】紫電をテストした連合軍パイロットの評価

パイロットの評価

　ジョージ11はある連合軍佐官パイロットにより飛行された。以下は彼の評価である。

　コクピットのレイアウトは、全般的に、全ての飛行計器がよくまとまっており非常に良く、容易に読み取ることができる。
　タキシングと地上操作は貧弱なブレーキのために悪い。フット・ブレーキは狭い形式のラダー・バーに装備されており、上手く動作しない。方向舵はタキシング時に効果的でない。
　離陸は振れる傾向もほとんどなく通常である。滑走は短く飛行機は約105マイル(169km/h)で容易に地面を離れる。初期上昇は素晴らしい。
　上昇はエンジン回転数2350RPM、+100ブースト、計器速度140マイル(225km/h)にて非常に良好である。定常上昇率は高度8000フィートでおよそ2200フィート毎分を示す。
　この飛行機は失速から計器360マイル(579km/h)まで試験された。方向舵は軽く、試験された全ての速度域で有効である。昇降舵もまた軽く、試験された全ての速度域で有効である。補助翼は効果的であるが、320マイル(515km/h)までの全ての速度域でやや重い方である。横転率は良好である。360マイルにては、補助翼は非常に重く横転率も良くない。方向舵と昇降舵が補助翼よりもずっと使いやすく軽いという点で操作系統はアンバランスであり、軽すぎて非難されるかもしれない。
　この飛行機の安定性は巡航速度において素晴らしいと思われる。
　この飛行機は機動性も曲技飛行にも良好であるとは認められない。320マイル以下では良好な横転率であり昇降舵も軽いため、良く曲がるが、操作はアンバランスで操縦桿は高すぎるし前方に遠すぎる。ロールとインメルマンは実施されたが、この飛行機ではきれいに行われない。
　タキシング時の視界は尾輪式の戦闘機としては良好である。視界は離陸、上昇、水平飛行と着陸にて良好である。
　速度計測が11000フィートでフルスロットルと8500フィート二つの高度で、どちらも1速過給機にて行われた。

　　圧力高度　　　　　8500ft　　　　11000ft
　　スロットル開度　　部分的　　　　全開
　　吸気圧力　　　　　150mm 100mm
　　ＲＰＭ　　　　　　2600 2660
　　気筒温　　　　　　220度 220度
　　油温　　　　　　　70度 75度
　　外気温　　　　　　約12度約12度
　　指示対気速度　　　248mph 245mph

　この飛行機は素晴らしい離陸、上昇、高速性能及び視界を持つが、パイロットの立場からはジャック(雷電)に劣る。優秀な飛行機に乗ったときに通常得られるような信頼の感情をパイロットに印象づけることはない。

長所は
1. 良好な視界
2. 良好な安定性
3. 良好な離陸特性
4. 良好な性能
5. 良好な計器配置
6. 自動プロペラ・スロットル管制
7. 高い急降下耐性

短所は
1. 貧弱な失速および加速失速特性
2. ブレーキとラダー・ブレーキ動作
3. 弱い主脚
4. バランスの悪い操作系統
5. 高速時に重い補助翼

ソース　TAIU "Operational JAP Fighters" Aug/1945 p.23~24

以下原文

PILOT'S EVALUATION

The GEORGE 11 was flown by an Allied field grade pilot and his evaluation is given below.

Cockpit layout, in general, is very good with all flight instruments well grouped together and can be read with ease.

Taxiing and ground handling is poor due to poor brakes. The foot brakes are fitted on a narrow type rudder bar and do not operate well. Rudder is not effective for taxiing.

Takeoff is normal with little tendency to swing; the run is short and the airplane leaves the ground easily at about 105 MPH. Initial climb is excellent.

Climb is very good at 2,350 RPM and +100 mm., indicated speed is 140 MPH. The stabilized rate of climb indicates approximately 2,200 feet per minute at 8,000 feet.

Airplane was tested from the stall up to 360 MPH indicated. The rudder is light and effective at all speeds tested. The elevator is light and effective at all speeds tested. Ailerons are effective but slightly on the heavy side at all speeds up to about 320 MPH. The rate of roll is good. At 360 MPH, the ailerons are very heavy and rate of roll is not good. The controls are unbalanced,in that the rudder and elevator are much handier, and lighter than the ailerons and may be criticized as being too light.

Stability of this airplane at cruising speed can be considered excellent.

This airplane cannot be considered good for either maneuverability or acrobatics. It has a good rate of roll below 320 MPH., and light elevators, so that it turns well but the controls are unbalanced and stick is too high and too far forward. Rolls and Immelmans were executed but airplane does not do them nicely.

Vision for taxiing is good for a conventional gear-type fighter. Vision is good for takeoff, climb, level flight, and landing.

Power speed points were obtained at two altitudes, 11,000 feet throttle wide open, and at 8,500 feet, both in low blower.

Pressure Altitude 8,500* 11,000
Throttle Opening Part Wide Open

Manifold Pressure 150 mm. 100 mm.

R.P.M. 2,600 2,660
Cylinder Head Temp. 220° C. 220° C.
Oil Temperature 70° C. 75° C.
Free Air Temp. App. 12° C. 12° C. App
Indicated Air Speed 248 MPH 245 MPH

This airplane has excellent takeoff, climb, high speed and good vision, but is inferior from a pilot's standpoint to the JACK. It does not impress the pilot with that feeling of confidence which one normally gets in a good substantial airplane.

Its favorable features are:

1. Good vision.

2. Good stability.

3. Good takeoff qualities.

4. Good performance.

5. Good instrument layout.

6. Automatic propeller throttle control.

7. High diving speed.

Its unfavorable features are:

1. Poor stalling and accelerated stalling characteristics.

2. Brakes and rudder brake action.

3. Weak landing gear.