YF-22 (航空機)

コンセプト定義

1981年、アメリカ空軍は、F-15 イーグルとF-16 ファイティングファルコンの後継機となる新型制空戦闘機である先進戦術戦闘機（ATF）の構想と要求仕様の検討を開始した。この後継機は、ソ連のMiG-29 フルクラムやSu-27 フランカー戦闘機をはじめとして、A-50 メインステイ早期警戒管制機（AWACS）や、高度化した地対空ミサイルシステムの開発と拡散など、世界的に出現する脅威によって、重要度の高いものとなった。ATFは、複合材料、軽量合金、高度なアビオニクスと飛行制御システム、強力な推進システム、ステルス技術など、将来有望な戦闘機設計の新技術を活用する予定であった^[1]。

アメリカ空軍は1981年5月に航空宇宙産業界に対し、将来の先進的な戦闘機がどのようなものになるかを探るためのATF情報提供依頼書（RFI、Request For Information）を送付し、その後、結果を分析するためのコンセプト開発チーム（CDT、Concept Development Team）を設置した^[2]。最終的に「シニアスカイ」というコードネームが付けられたATFは、当時まだ空対空および空対地任務の両方を考慮した要求定義の途上であり、その結果、業界からの回答には相当なばらつきがあった。ロッキード社の最初のコンセプト案は、特に大型の航空機であったCL-2016であり、その大きさから「バトルクルーザー」というニックネームを付けられた。それは、SR-71あるいはYF-12に似ており、大型のデルタ翼と胴体から離れたナセルに搭載されたエンジンを備え、ロッキード社によれば「ミサイラー」と呼ばれたミサイル・プラットフォームとしてSR-71やYF-12と同様に高度な運用速度と上昇限度を持つ予定であった^[3][4]。

1983年、ATFコンセプト開発チームはライト・パターソン空軍基地に拠点を置くシステム・プログラム・オフィス（SPO、System Program Office）となった。航空宇宙企業や戦術航空軍団（TAC）との協議を経て、CDTおよびSPOはF-15の後継機として優れた運動性能、すなわち優れた速度と機動性を備えた制空戦闘機に要求を絞り込んだ^[5]。さらに、SPOは、ハブ・ブルー/F-117「シニアトレンド」やB-2爆撃機または「シニアアイス」となる先進技術爆撃機（ATB、Advanced Technology Bomber）プログラムなどの「ブラック・ワールド」プロジェクトにおけるアメリカ空軍の経験から、戦闘機のような速度と機動性を維持しながらも、生存性を高めるためのステルス性をますます重視し始めた^[6]。ステルス性が中核的な要件となったため、カリフォルニア州バーバンクにあるスカンクワークス部門のバート・オズボーンが率いるロッキード社の設計チームは、当初のSR-71のような「バトルクルーザー」コンセプトから離れ、代わりに同社のF-117ステルス攻撃機に似た設計案の作成に着手した。しかし、ロッキード社がF-117の設計に使用したものと同様の「エコー」コンピュータ・プログラムを使用した結果得られた多面体形状は、戦闘機には不向きな非常に劣悪な空力性能を設計にもたらすことになった。ロッキード社はコンセプト検討段階において全体を通して低迷し、競合する契約業者の中でも最下位に位置づけられてしまった^[3]。

実証および検証

1984年11月までに、SPOは要求事項をさらに絞り込み、運用要求事項（SON、Statement of Operational Need）を発表した。要求事項では、離陸重量22,700 kg（50,000 lb）の戦闘機が求められ、ステルス性、機動性、アフターバーナーなしの超音速巡航（スーパークルーズ）に重点が置かれ、ミッション半径は亜音速/超音速混合で930 km（500 nm、580 mi）、亜音速で1,300 - 1,480 km（700 - 800 nm、806 - 921 mi）になると予想された^[7]。1985年9月、アメリカ空軍は、実証および検証（Dem/Val）のために、多数の航空機製造チームに技術提案依頼書（RFP）を送付した。ATFの厳しい技術要件に加え、Dem/Valではシステム・エンジニアリング、技術開発計画、リスク軽減にも重点が置かれた。上位4つの提案は、プログラム費用を削減するために後に2案に絞り込まれ、それらを最終候補としてDem/Valが進められることになった。当初は試作機の要件はなかった。当時、アメリカ空軍は750機のATFを、1985会計年度（FY）のドル換算で3,500万ドル（2024年換算で約8,640万ドル）の単価で調達することを想定していた^[3][7][8]。さらに、コスト削減のためにアメリカ空軍と協力するよう議会から圧力をかけられたアメリカ海軍は、当初はオブザーバーとしてATFプログラムに参加したうえで、最終的には1988年に、F-14 トムキャットの後継機となるべき海軍先進戦術戦闘機（NATF）として、ATFとして選定された設計の派生型を採用することを発表した。アメリカ海軍は546機の調達を要求した^[9]。

ロッキード社はファセット・デザインにおけるATFコンセプトの探索中において成績が悪く、またノースロップ社の曲面デザインにATBを奪われたため、1984年にファセットを放棄し、曲面形状を取り入れ始めた。当初、同社の解析ツールではそのような形状を計算できなかったが、カリフォルニア州ヘレンデールの試験場におけるレーダーレンジ試験での実証結果が良好であったため、ロッキード社は滑らかで曲面形状のステルス機を設計することに自信を持ち、その結果、空力特性が大幅に向上することになった。ロッキード社が徐々に曲面形状を解析できるようになると^{[注 2]}、Dem/Valに提出された最終設計である構成番号090Pは、矢じりのような前部胴体形状、後退角のついた台形翼、4枚の尾翼、レーダーに映りやすいエンジン正面を隠すS字型の吸気ダクト、内蔵回転式ミサイル発射機を備えていた^[3]。機体の設計変更に加え、ロッキード社はATFの取り組みに多くの技術人材と人員を投入し、シャーマン・マリンをプログラム・マネージャーに任命、退役空軍大将アルトン・D・スレイ率いるグループのレッドチームによる提案書の検証を積極的に受けた^[10]。その結果、提案書は大幅に改善され、特にシステム・エンジニアリングのボリュームが大きくなった^[11]。

ATF RFPは、最初のリリース後にいくつかの変更が加えられた。SPOは、ハブ・ブルー/F-117とATB/B-2に関するロッキード社およびノースロップ社との協議の末、1985年12月に全方位ステルス性の要件を大幅に引き上げることにした。飛行技術実証機の試作機の要件は、1986年5月に追加された。これは、国防総省の調達慣行を調査するためにロナルド・レーガン大統領によって設置された連邦委員会であるパッカード委員会の勧告によるものであった^[12][13]。1986年7月に7社が入札に応じた^{[注 3]}。各企業が独自に行うことになるであろう莫大な投資が予想されたため、SPOは複数の企業でチームを組むことを奨励した。提案書の提出後、ロッキード社、ボーイング社、ジェネラル・ダイナミクス社の3社は、提案した設計案が採用された場合、その設計案を開発するためのチームを結成した。ノースロップ社とマクドネル・ダグラス社の2社も同様の合意をもってチームを結成した^[15]。

1986年10月31日、ステルス機業界の二大巨頭であるロッキード社とノースロップ社がそれぞれ1位と2位に選ばれた。シャーマン・マリンは、ロッキード社がトップに立てたのは、他の契約業者が重視していなかったシステム・エンジニアリングの提案のボリュームが大きかったことが要因だと述べた。ロッキード社、ボーイング社、ジェネラル・ダイナミクス社の3社とノースロップ社、マクドネル・ダグラス社の2社の2チームは、1985会計年度のドル換算で6億9,100万ドル（2024年換算で約17億1,000万ドル）の契約を獲得し、50か月の実証および検証フェーズを経て、両チームは試作機の飛行試験に臨むことになった。SPOはロッキード社の機体をYF-22、ノースロップ社の機体をYF-23とそれぞれ命名した。プラット・アンド・ホイットニーとゼネラル・エレクトリックは、それぞれYF119とYF120という名称で競合する試作推進システムの開発契約を先行して獲得していた^[16][17][18]。飛行できる試作機の要件は政治的圧力により後から追加されたものであったため、その試作機は競争飛行試験を実施したり、量産機を代表したりすることを目的としたものではなく、コンセプトの実現可能性を実証し、リスクを軽減するための「ベスト・エフォート」の機体となることになっていた^{[注 4][8]}。

設計の進展

開発作業は3社のチーム全体でほぼ均等に分担される予定であった^{[注 5]}。ロッキード社の提案が勝者の1つに選ばれたため、同社はプログラム・パートナーのリーダーシップを引き継ぐことになった。同社はバーバンクで前部胴体、コックピット、ステルス・エッジ処理を担当し、カリフォルニア州パームデールで最終組み立てを行う予定であった。一方、主翼と後部胴体はワシントン州シアトルのボーイング社が製造し、中央胴体、兵装庫、尾部、降着装置はテキサス州フォートワースのジェネラル・ダイナミクス社が製造する予定となっていた^[21]。3社のチームはまた、政府契約の授与に加えて、Dem/Val期間中にATFの取り組みに合計6億7,500万ドル（2024年換算で約15億4,000万ドル）を投資する予定であった^[22]。パートナー企業は設計経験と提案を持ち寄った。ボーイング社の設計は、機首下部に吸気口、台形翼、V字尾翼（高速運用により十分な動圧が発生するため、追加の操縦翼面は不要と判断された）、そして迅速な搭載のために弾薬をパレットに載せた内部兵装庫を備えた、大型で全長が長い機体であった。ジェネラル・ダイナミクス社の設計は、機動性とスーパークルーズに最適化された胴体とデルタ翼、肩部吸気口、唯一の尾翼面として大型で単一の垂直尾翼、胴体中央部に兵装庫を備えた小型機であった。単一の垂直尾翼は、全方位ステルス性を損なう空力的な妥協点であった。しかし、チームの精査の多くは、ロッキード社の構成番号090Pに集中した。これは、ロッキード社が詳細な設計よりも仕様開発やトレードオフ分析などのシステム・エンジニアリングに重点を置くものであったため問題が多く、非常に未熟なものであったためであった。それでも、構成番号090Pは3社のチームが改良に取り組んだ最初の出発点となった^[23]。

実証および検証期間中、SPOは契約者であるチームとシステム要件レビュー（SRR、System Requirement Reviews）を実施し、性能とコストのトレードオフ研究の結果を利用することでATFシステムの仕様を策定し、重量とコストの大きな要因でありながら価値が低いと思われる要件を調整または削除した^[24]。例えば、ミサイル（ベースラインのAIM-120Aで表される）^{[注 6]}を8基内蔵する要件は6基に緩和された。3社のチームは設計を継続的に改良し、実証および検証終了までに18,000時間の風洞試験、レーダー・レンジでの模型のポール・テストによるRCSの測定、数値流体力学（CFD）およびコンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアなどの分析的および実証的手法を幅広く活用した。1987年初頭までに、設計は構成番号095に進展し、回転式ミサイル発射機を平坦な兵装庫に置き換えて容積と抗力を削減し、前部胴体と前縁付け根延長部の形状を再輪郭化して平面面積を減らし、制御不能なピッチアップ・モーメントを防止することにした。この頃、設計案は2つのファミリーに枝分かれした。500のプレフィクスを持つ構成は、全規模開発に引き継がれる完全なシステム設計、つまり推奨システム・コンセプト（PSC、Preferred System Concept）を表し、1000のプレフィクスを持つ構成は、同じ外部エアフレーム形状を表すが、飛行試験用の計器を備えた試作機として製造されるように設計されている。したがって、構成番号095はそれぞれ595と1095となった^[23]。

構成番号595/1095の詳細な重量分析により、マニューバ・パラメータを名目上満たすことはできたとしても、4,100 kg（9,000 lb）の重量超過であることが1987年半ばまでに明らかになった^[23]。重量が増加する可能性が高く、妥協も見込めないため、3社のチームは1987年7月に完全に新しい設計でやり直すことを選択し、ロッキード社は新しい設計エンジニアリング・ディレクターとしてリチャード・カントレルを派遣した^{[注 7][27]}。さまざまなレイアウトが検討され、3か月の集中的な作業の末、3社のチームは1987年後半に、肩に取り付けられた吸気口と、ジェネラル・ダイナミクス社の設計に似たダイヤモンドのようなデルタ翼、および4枚の尾翼を備えた新しい設計、構成番号614/1114を起点として選択することにした。特に、ダイヤモンドのようなデルタ翼の空力特性は、元の台形後退翼型に近づき、翼根弦が長いため構造重量が大幅に軽減された。設計は1987年の残りの期間と1988年5月までの期間を費やし、構成番号632/1132がYF-22として確定した。変更点には、尾翼表面の形状をダイヤモンド状にし、別のSRR後の逆推力装置の要件削除に伴い、ウェーブ・ドラッグを減らすために前部と後部の胴体を再輪郭化することが含まれる^[28][29]。ただし、試作機の推力偏向ノズルには逆推力装置の一部が残っていたため、試作機の後部胴体が必要以上に大きくなってしまった。最終的に、目標であった22,700 kg（50,000 lb）の離陸重量は、ロッキード社とノースロップ社の両チームにとって依然として達成不可能であることが判明し、重量要件は27,200 kg（60,000 lb）までに緩和され、必要なエンジン推力は133 kN（30,000 lbf）から156 kN（35,000 lbf）クラスに増加することになった^[30]。YF-22の構成は、試作機の製造を開始するための再設計後比較的すぐに未成熟な状態で固定されたが、3社のチームは構成とPSC設計をF-22に進展させ続け、本格的な開発を進めていった^[23]。

先進的な機体および推進装置の設計に加えて、ATFは、パイロットの状況認識を高め、作業負荷を軽減するためのセンサー融合用の統合アビオニクス・システムを必要とした。これは、センサーおよびアビオニクス機能の飛躍的な向上を必要とした。アビオニクスの開発は、広範なテストとプロトタイプ作成によって特徴付けられ、地上研究施設および飛行する研究施設によって支援され、ボーイング社がアビオニクスの統合を担当することになった。YF-22は機体とエンジンの技術実証機であったため、ミッション・システム・アビオニクスは搭載されなかった。ボーイング社は、アビオニクス・グラウンド・プロトタイプ（AGP、Avionics Ground Prototype）を製作し、ミッション・システムによって改造を施したボーイング757をアビオニクス開発用の飛行研究施設として提供した。この航空機は後にフライング・テストベッドと名付けられた^[31][32]。SPOも同様に、契約業者とのSRRの結果としてアビオニクスの要件を調整した。サイド・スキャン・レーダーと赤外線捜索追尾システム（IRST）は基本要件から除外され、将来追加される可能性のある規定となり、1989年にSPOは全規模開発の基本提案に、航空機のアビオニクス1機あたり900万ドル（1985会計年度ドル換算で約2,220万ドル）の上限を設けた^[23]。

正式にYF-22Aと命名された試作初号機は、1990年8月29日にパームデールでロールアウトした^[21][33]。この機体は、第二次世界大戦期のロッキード社製戦闘機P-38 ライトニングにちなんで非公式に「ライトニングII」という名称が付けられ、この名称は1990年代半ばにアメリカ空軍が量産型F-22を正式に「ラプター」と命名するまで使われ続けた^[34]。ロッキード・マーティン F-35^{[注 1]}は、後の2006年にアメリカ空軍から正式に「ライトニングII」という名称を与えられた^[35]。

アメリカ海軍仕様

アメリカ海軍のF-14 トムキャットの後継機となるNATFは、マッハ2クラスの速度を維持しながらも、航空母艦への着艦速度をATFよりも遅くすることが求められたため、ロッキード社のチームのNATF設計グループは、空母運用に適した特性を実現する設計にたどり着くために、いくつかの構成を検討した。ボーイング社は固定翼設計を主張し、ジェネラル・ダイナミクス社は可変翼を支持した。内部競争と広範な風洞試験の結果、3社のチームは1989年8月に可変翼を採用することとした。この設計では、推力偏向ノズルと4枚の尾翼は維持されていた^[36]。結果として、この機体は空軍のATFよりも重く、複雑で、高価になることになってしまった^[37]。ロッキード社のチームは1990年12月にF-22の全規模開発提案とともにNATFの設計案を提出したが、海軍はその後まもなくコストを理由にこのプログラムから撤退してしまった^[36]。

NATF-22

ロッキード社のチームによる海軍先進戦術戦闘機（NATF）の設計案は、「NATF-22」または「F-22N」と呼ばれることもあり（この設計案は正式には命名されなかった）、アメリカ空軍版とは多くの点で異なっていた。NATFは、マッハ2クラスの速度を維持しながらも、空母運用のためにF-22よりも遅い着陸速度が必要であったため、可変後退翼が組み込まれる予定であった。さらに、アメリカ海軍はスーパークルーズよりも艦隊防空のための滞空時間を重視していたが、可変後退翼は航続距離をも向上させた^[36][37]。胴体の形状はアメリカ空軍版と似通っていたが、降着装置とアレスティング・フックは空母着艦のために強化される予定となっていた。これらの変更により、より重く、より複雑で、より高価な航空機となるはずであった。4枚の尾翼、推力偏向ノズルはそのまま残され、アビオニクスは当初F-22とほぼ共通となる予定であったが、対水上攻撃などの海上任務用に追加のセンサーやミッション・アビオニクスの搭載も計画されていた。設計上は同様の兵装庫配置となる予定であったが、AIM-152 AAAM、AGM-88 HARM、AGM-84 ハープーンなどの兵装搭載能力も拡張して付加される予定であった^[47][48]。

ロッキード社のチームは1990年12月にF-22の全規模開発提案とともにNATF-22の設計案を提出したが、アメリカ海軍は1990年後半から1991年初頭にかけてNATFプログラムからの撤退を開始し始め、コストの高騰により1992会計年度までにNATFを完全に放棄したため、この設計案はDem/Valを通過して全規模開発、またはエンジニアリングおよび製造開発（EMD、Engineering and Manufacturing Development）に進むことはなかった。ロッキード社とボーイング社は、可変後退翼や胴体の形状など、この設計案のいくつかの要素を海軍の先進攻撃機（A-X）プログラムに提案したいくつかのコンセプトに活用し、後に戦闘機機能を追加した先進戦闘攻撃機（A/F-X）プログラムとなり、中止されたA-12 アベンジャーIIの後継となった。しかし、結局A/F-Xも冷戦後の予算圧力による1993年のボトムアップ・レビューの結果、中止されることになってしまった^[49][50]。

評価

GE YF120エンジンを搭載したYF-22Aの初号機（PAV-1、機体番号87-0700、N22YF）は^[51][52]、1990年9月29日にテスト・パイロットのデビッド・L・ファーグソンの操縦でパームデールから初飛行した^[21][53]。18分間の飛行中、PAV-1は最高速度250 kt（460 km/h、290 mph）、高度3,800 m（12,500 ft）に達し、エドワーズ空軍基地に無事に着陸した^[52]。飛行後、ファーグソンは、YF-22のテスト・プログラムの残りは「超音速と亜音速の両方での機体の操縦性に集中する」と述べた^[52]。YF-22Aの2号機（PAV-2、機体番号87-0701、N22YX）は、P&W YF119エンジンを搭載し、10月30日にチーフ・テスト・パイロットのトーマス・A・モーゲンフェルトの操縦で初飛行を実施した^[21]。

飛行試験プログラムでは、YF-23とは異なり、YF-22では兵装の試射と60度の高迎角（高アルファ）の飛行が実施された^[54]。プログラムの要件ではなかったが、機体は内部兵装庫からAIM-9 サイドワインダーとAIM-120 AMRAAMを試射した^[54][55]。また、飛行試験では、推力偏向ノズルを備えたYF-22が低速機動時にF-16の2倍以上のピッチレートを達成し、60度を超えるトリム・アルファで飛行する優れた高迎角特性も備えていることを実証した。ゼネラル・エレクトリック製エンジンを搭載した試作初号機PAV-1は、1990年11月3日にスーパークルーズで最大速度マッハ1.58を達成し、プラット・アンド・ホイットニー製エンジンを搭載した2号機PAV-2は、1990年12月27日にスーパークルーズで最大速度マッハ1.43を達成した。アフターバーナーを用いた最高速度はマッハ2.0を超えていた^[56][57]。飛行試験は1990年12月28日まで続けられ、その時点で累計74回の飛行を完了し、91.6時間の飛行時間を蓄積することができた^[18][58]。飛行試験の後、契約チームはATFの全規模開発の提案を提出し、ロッキード社のチームによるPSC F-22の設計は大幅に改良され、コンペティションに提出するために構成番号は638に進展した^[59]。

1991年4月23日、空軍長官ドナルド・ライスにより、ロッキード社のチームがATFコンペティションの勝者として発表された。ロッキード社のチームは技術面で高く評価され、リスクが低いとみなされ（YF-22は競合機よりも飛行時間と出撃回数が大幅に多かった）、プログラム管理がより効果的であると考えられていた^[60][61]。両設計ともすべての性能要件を満たすか、それを上回っていた。YF-23はステルス性が高く、速度が速かったが、YF-22は機動性に優れ、機敏であった^[62]。航空専門誌では、ロッキード社の設計は海軍のNATFにもより適応性が高いと見なされていたと推測されたが、アメリカ海軍は1992会計年度までにNATFを放棄していた^[54][63]。初号機PAV-1の場合は退役したが、その代わりに2号機PAV-2はコンペティション後も出撃し、累計39回の飛行でさらに61.6飛行時間を蓄積していた^[54]。1992年4月25日、2号機はパイロットの操縦ミスによる振動が原因で、着陸復行中に機体に深刻な損傷を受けた。修理は受けたものの、その後飛行することはなく、代わりに静的試験機として使用されることになった^[64][65]。1991年には、650機のF-22が生産される予定であった^[66]。

F-22の生産

ロッキード社がATFコンペティションで勝利したため、1991年8月に全規模開発、つまりエンジニアリングおよび製造開発（EMD）契約を獲得することに成功した。当初の契約金額は約110億ドル（2024年換算で約225億ドル）であり、最終的に運用可能な機体の生産に進むことができるようになった。EMD/量産設計はさらに改良され、構成番号は645へと進展した^[23][67]。EMDでは当初、単座のF-22Aが7機、複座のF-22Bが2機請求されていたが、開発コストを節約するために後者は最終的にキャンセルされることになり、注文内容は単座のみに変更された。1997年4月9日、これらの最初の機体である「スピリット・オブ・アメリカ」がロールアウトした。この式典で、F-22は正式に「ラプター」と命名された。資金が限られていたため、当初1996年半ばに予定されていた初飛行は1997年9月7日に実施された^[64]。F-22の飛行試験は2005年まで続き、2005年12月15日にアメリカ空軍はラプターが初期作戦能力（IOC）に達したと発表した。ソ連崩壊と当時の国防総省が対反乱作戦に注力していたため、F-22の生産は195機（うち運用モデルは187機）にとどまり、2011年には生産終了となってしまった^[68][69]。

YF-22は、設計が比較的未熟であった構成番号632/1132から最終的な構成番号645へと進むにつれて、EMD/量産型F-22とは多くの点で異なっていた。当初は垂直尾翼が小さかったために操縦が難しかったF-117 ナイトホークとは異なり、YF-22はロッキード社によって尾翼面積が過剰に大きく設計されていた。そのため、同社は量産型のF-22の尾翼サイズを20 - 30 %縮小した。ロッキード社とそのパートナーは、空力特性、強度、ステルス性を向上させるために、主翼と水平尾翼の後縁の形状を再設計し、主翼と水平尾翼の後退角を48度から6度縮小することにした。レーダー性能と空力特性を向上させるために、レドームと胴体の形状が変更された。専用のエアブレーキを廃止する代わりにフェザリング制御面が採用され、飛行制御法則を用いてフラップとエルロンを反対方向に偏向させて抗力を増大させることにした。システムの配置と構造設計が改良された。最後に、パイロットの視界を改善するために、キャノピーが178 mm（7 in）前方に移動され、エンジンの吸気口が356 mm（14 in）後方に移動された^[9][70][23]。