【零式艦上戦闘機】帝国海軍屈指の万能艦載機 ゼロ戦誕生までのお話 | 大日本帝国軍 主要兵器
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零式艦上戦闘機誕生物語

零戦シリーズ零戦と戦った戦闘機達
零戦+防弾性-Xのif考察零戦と防弾性の葛藤

太平洋戦争では最終的に悲惨な結末を迎えた日本でしたが、開戦当初は連合軍を圧倒する、上層部ですら想定していないほどの勝ちっぷりを見せつけていました。
しかしある時を境にこの立場は一気に逆転し、日本はあらゆる面で劣勢に立たされました。
いずれも戦争の在り方を激変された航空機の存在が要因でした。
そしてその航空機の大黒柱となったのが、大日本帝国海軍が開発させた「零式艦上戦闘機」です。
対となる陸軍の「一式戦闘機『隼』」とともに、太平洋戦争全期間を通して働き続け、今でも日本の戦闘機の代名詞としてその名が色褪せることはありません。

海の兵器としては【大和】、陸の兵器としては【九七式中戦車 チハ】がいずれも大日本帝国軍の代表格になるでしょうが、いずれも輝かしい実績があるとは言えません。
しかし「零式艦上戦闘機」「一式戦闘機『隼』」は、日本の酸いも甘いも全て知る存在です。
中でも「零式艦上戦闘機」は使い勝手の良さと後継機開発の遅れという相反する理由から異常な数の派生型を擁する特殊な存在でした。

これまでの公開から、「零式艦上戦闘機」について、誕生までの経緯と開発、そして「零式艦上戦闘機」主要及び各派生型の性能、特徴、その他もろもろで内容を大幅強化いたしました。

  1. もっと遠く、もっと軽やかに、そしてもっと速く(当社比)
  2.  イ.エンジン、プロペラ
  3.  ロ.軽量化
  4.  ハ.機体の設計
  5. 十二試艦上戦闘機 初飛行と改良
  6. 奥山益美が遺した、進化しすぎた十二試艦戦の盲点
  7. 2人目の犠牲者を胸に、ここに零式艦上戦闘機成る

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もっと遠く、もっと軽やかに、そしてもっと速く(当社比)

まず「零式艦上戦闘機」、最も浸透している略称は「ゼロ戦」でしょう。
日本独特の暦の数え方である「皇紀」(神武天皇即位の年を元年とする暦)、この皇紀2600年の節目に制式採用されたのがこの「零式艦上戦闘機」です。
ちなみに同年陸軍では偵察機が制式採用されていますが、陸軍のほうは「一〇〇式司令部偵察機」と、名前の付け方が異なっています。

連合軍は「零式艦上戦闘機」のコードネームを「Zeke」としていましたが、少なくとも現場では「Zero」「Zero Fighter」と呼んでおり、世界的に見れば「零式艦上戦闘機」「ゼロ戦」と略すのが多数派です。
しかし本機の読みは「れいしき艦上戦闘機」のため、単純に略せば「レイ戦」となります。
そのため国内では「ゼロ戦」の他に「レイ戦」とも呼ばれていて、どちらも間違っていません。
ゼロが英語読みであるからという敵性語云々については一部の民間人や団体が訴えていただけで、特に戦争に直接関与している軍から英語が消滅したら全く機能しなくなります。
メートル法が浸透した中でいきなり尺貫法に戻せるわけもないですし、それだと開発コードである「A6M2」なども全部振りなおしです、やってられません。

「零戦」の呼称がいつから浸透したのかという点についてですが、運用する軍内部では「零戦」に限らず長い武装は略称で呼ぶものです。
特に「零式」とつく機体は海軍で大量に発生しています。
「零戦」を筆頭に、「零式水上偵察機」「零式小型水上機」「零式水上観測機」「零式輸送機」と、制式採用された「零式」は海軍機で5種類もあるのです。
「零式」だけではどれを指すのかもちろんわかりませんので、「零戦」とか「零水」のように略すようになるのは自然の流れでした。

この「零戦」ですが、もちろん「零戦」の前には別の戦闘機がおりまして、「九六式艦上戦闘機」が昭和10年/1935年2月に初飛行に成功しております。
海軍機としては初めて全金属製低翼単葉機を採用した機体で、また空気抵抗を減らすために、一般的だった張り線+薄翼から張り線を採用しない厚翼を取り入れるなど、革新性という面では「零戦」を上回っています。

「九六式艦戦」は複葉機の「九五式艦上戦闘機」に代わる存在で、単葉機開発が欧米に比べて遅れていた日本にとっては陸海共に単葉機の導入が急がれていました(陸軍の「九五式戦闘機」も複葉機)。
「九六式艦戦」「九五式艦戦」よりも50km/hも最高速度が速く、運動性能も抜群で、安定感に優れていた複葉機をそれ以外の要素で圧倒しました。
この「九六式艦戦」の設計責任者が、のちに「零戦」の設計にも携わる堀越二郎技師でした。

以下の「昭和十一年度 航空機種及性能標準」は、「零戦」を指すものではなく、「海軍は艦上戦闘機にこういう性能が必要だと考えている」という表です。
なので「零戦」の根底にはこの考えがあるわけです。
この表は結構重要で、用途と特性、増槽の巡航6時間から読み解くと、「艦上戦闘機とは長時間艦隊や基地周辺を飛行、偵察、防衛できる戦闘機である」ということがわかります。
つまりこの時は、長距離爆撃などの護衛につくなんて一切考えれていません。
空母にしろ陸上にしろ、役目はほとんど局地戦闘機ですし、その大量の燃料もずーっと上空を守るためです。

昭和十一年度 航空機種及性能標準(艦上戦闘機)
用 途1. 敵攻撃機の阻止撃攘
2. 敵観測機の掃討
特 性速力及び上昇力優秀にして敵高速機の撃攘に適し、且つ戦闘機との空戦に優越すること
航続力正規満載時全力1時間
機関銃7.7mm×2 700発
機関砲20mm×2 60発
通信力電信300浬、電話30浬
実用高度3,000m乃至5,000m
その他1. 離着陸性能良好なること。離艦距離 合成風力10m/sにおいて70m以内
2. 増槽併用の場合6時間以上飛行し得ること
3. 促進可能なること
4. 必要により30kg爆弾2個携行し得ること

そして「九六式艦戦」をさらにグレードアップさせるという要求が、翌年の昭和12年/1937年に再び堀越技師所属の三菱重工業とライバルである中島飛行機に持ち込まれました。
「九六式艦戦」は高性能ではあったのですが、初の単葉機ということもあって何でもスーパー強くしろという要求ではありませんでした。
ですが「九六式艦戦」で成功したことにより、ついに全部スーパー強くしろ要求が三菱に突き付けられたのです。

性能標準では具体的な速度までは出ていませんが、このあと昭和12年/1937年10月にはある程度の性能要求も含む「十二試艦上戦闘機計画要求書」が提示されました。
これが堀越技師「ないものねだり」と言い切った、短所、つまり妥協要素がない新しい艦上戦闘機の性能です。
ただ、こちらの要求書が堀越技師と彼の右腕だった曾根嘉年技師の記録、そして「零戦秘録」の資料でちょっと違いがあるようですので、全部載せます。
スマホの人は横向け推奨。

堀越著書:堀越二郎・奥宮正武共著「零戦」、堀越二郎著「零戦 その誕生と栄光の記録」
曾根資料:杉田親美著「三菱海軍戦闘機設計の真実 : 曽根嘉年技師の秘蔵レポート」
零戦秘録:原勝洋編 「零戦秘録 零式艦上戦闘機取扱説明書」

十二試艦上戦闘機計画要求書
要 目堀越(10月5日)曾根(12-10メモ書き)零戦秘録
用 途掩護戦闘機として敵軽戦闘機よりも優秀なる空戦性能を備え、迎撃戦闘機として敵の攻撃機を捕捉撃滅しうるもの攻撃機の阻止撃攘を主とし、尚観測機の掃討に適する艦上戦闘機を得るに在り攻撃機の阻止撃攘を主とし、尚観測機の掃蕩に適する艦上戦闘機を得るにあり
大きさ全幅12m以内全幅12.000m
全長10.000m
全高3.700m
全幅12.0メートル
全長10.0メートル
全高3.7メートル以内成るべく小なること
装備発動機三菱瑞星一三型か三菱金星四六型を使用のこと昭和12年9月末迄審査終了の発動機
最大速力高度4,000mで270ノット(500km/h)以上高度3,000~5,000mで270ノット(500km/h)以上高度4,000メートルに於いて270ノット以上(高力馬力にて)
上昇力高度3,000mまで3分30秒以内高度3,000mまで3分30秒以内
5,000mまで5分30秒以内
3,000m迄3分30秒以内
5,000メートル迄5分30秒以内
航続力正規状態:高度3,000mで公称馬力で1.2乃至1.5時間
過荷重状態:落下増槽込み高度3000mで公称馬力で1.5時間乃至2.0時間、巡航速力で6時間以上
正規満載:高力馬力1.2時間以上
過荷:高力馬力1.5時間以上、巡航滞空6時間以上
正規満載に於いて高力馬力1.2時間
過荷重状態に於いて高力馬力1.5時間、巡航速対空6時間以上
尚計画上余裕ある場合は極力最高速の工場を計るものとす
離陸滑走距離向かい風の風速12m/秒で70m以下。無風時(概ね陸上からの離陸)はこの2.5倍内外合成風力12m/秒で70m以下合成風力毎秒12メートルに於いて70メートル以内
着陸速度58ノット(107km/h)以下58ノット(107km/h)以下58ノット以下
滑走降下率3.5m/秒乃至4m/秒毎秒3.5ないし4.5メートル
空戦性能九六式二号一型艦上戦闘機に劣らぬこと
銃 装20mm機銃 2挺
7.7mm機銃 2挺
「プロペラ」回転圏外に翼上20mm固定機銃二挺を装備すると共に、胴体附近迄に7.7mm機銃二挺を装備したる単座機20ミリ固定機銃、数量2、重量44.50キログラム(プロペラ回転圏外翼上装備)
7.7ミリ固定機銃、数量2、重量24.60キログラム(胴体付近に装備)(抜粋)
爆 装60kg又は30kg爆弾 2発
無線機九六式空一号無線電話機
ク式三号無線帰投装置
九六式空一号無線電話機と電動直流発電機空1号、数量各1、重量20.0キログラム(抜粋)
その他酸素吸入装置、消火装置など試製長波送信機、八九式2型改1落下傘、消火装置(抜粋)
強 度A状態(急引起しの後期):荷重倍数7.0 安全率1.8
B状態(急引起しの初期):荷重倍数7.0 安全率1.8
C状態(急降下制限速度にて):荷重倍数2.0 安全率1.8
D状態(背面飛行よりの引起し):荷重倍率3.5 安全率1.8




この条件が三菱と中島に対する正式な要求書となりました。
三者の記録は過不足がありますがおおむね一致しています。
ただエンジンに関しては明確な違いがあります。
「零戦 その誕生と栄光の記録」では「十二試艦上戦闘機計画要求書」はかなり読みやすく書き換えられているので、ちょーっとここで「金星」と「瑞星」のどっちかって書いているのは疑わしいです。

しかしそれよりももっと大事な違いがあります。
それは一番最初の「用途」で、堀越著書では掩護戦闘機として云々とありますが、曾根資料ではその表記はなく、前年の性能標準のままです。
「零戦」の在り方を決定づけた重要な要素がここで食い違っているのはいったいどういうことでしょうか。

この謎は翌年1月17日に開催された「十二試艦戦官民合同研究会」にて明らかにされます。
資料全文を書くとさすがに長文なので、肝心な部分だけ抜粋します。

十二試艦戦計画要求補足事項
1.目的:攻撃機の阻止撃攘を主とし、尚観測機の掃討に適すること(同時に戦闘機との空戦に於いて優越する艦上戦闘機なるを要す)
4.性能:(2)要求速力及び上昇力を略々(ほぼほぼ)満足せば航続力の向上を計ること。

つまりここにきて初めて敵戦闘機を倒すための能力と、航続距離はできるだけ伸ばしてほしいということが要求されたわけです。
そして同時にここから速度>航続距離という優先順位もはっきりします。
恐らく堀越技師の著書ではこの2つの要求をまとめて表しているのでしょう。

堀越技師はこの補足を含めた要求に対して「この要求書は、当時の航空界の常識では、とても考えられないことを要求していた。もし、こんな戦闘機が、ほんとうに実現するのなら、それはたしかに、世界のレベルをはるかに抜く戦闘機になるだろう。しかし、それは全くむしのよい要求だとも思われた。」と述べており、つまりこの要求がもし達成されれば、それは間違いなく世界最強の戦闘機に他ならないということです。
ただ、この要求の前、具体的には昭和11年/1936年5月に海軍は三菱と中島に対してヒアリングを行っていて、海軍が居丈高に何も言わせねぇと要求書を押し付けてきたわけではありません、無茶は言ってますが。

中島は「九六式艦戦」で三菱に敗北したものの「九七式戦闘機」では勝利、そしてこの「零戦」は双方全金属単葉機の経験を得てから初めての対決となったのですが、この海軍の要求に対して中島は開発を途中で断念してしまいます。
逆に三菱は少し前から進んでいた「十一試艦上爆撃機(九九式艦上爆撃機)」の試作を中止してこっちに集中することにしました。
海軍の要求は、簡単に言うと

1.航続距離(対空時間)をめっちゃ伸ばして(燃費向上、燃料タンク増強)
2.上昇力高めて(出力向上)
3.速度上げて(出力向上)
4.運動性能は「九六式艦戦」より落ちちゃダメ(重量増を極限、操作性の向上)

というものです。
これらはいずれも他の要素を阻害する要求で、
・高速化を求めればエンジンが大型化し、主翼も広くなるため運動性能や空気抵抗、航続距離に影響が出る(そもそも日本のエンジン開発は歴史も浅く馬力に限界がある)
・航続距離を伸ばすためには抵抗を少なくして燃料を多く搭載できるようにする必要がある。そのためには機体の大型化により最高速度や運動性の犠牲が伴う。また抵抗を減らすために主翼が細長くなり高速性を阻害する
・運動性を高めるには機体を小型化し、翼面荷重を減らす必要があるが、そうするとエンジンサイズや搭載燃料を制約し、加えて空気抵抗が増えるので最高速度や航続距離が落ちる
など、あちら立てればこちらが立たぬという事態になるわけです。

特に昭和11年の性能標準ではなかった「掩護戦闘機として敵軽戦闘機より優秀な空戦性能を備え」という目的、すなわち長大な航続距離が強烈な足かせとなりました。
これがなければ「零戦」の活躍はなかったでしょうが、これがなければ「零戦」設計に多少の余裕があったこともまた事実です。

まず掩護戦闘機と迎撃戦闘機は役割が異なります。
掩護戦闘機は護衛ですから、守護対象の航空機が別に存在し、その大半が爆撃機や攻撃機です。
後述することにも関連しますが、この敵を直接攻撃する機体と同じ航続距離は必須です。
一方で迎撃機は攻めてきた敵を倒すのが仕事ですから、航続距離は大した事がなくてもいいわけです。
なので迎撃機(局地戦闘機)は運動性や最大速度、上昇力にリソースを割いて、航続距離は捨ててもいい項目でした。
ですがこの要求だと、最強の迎撃機の航続距離を伸ばせと言っているようなものなので、度外視されていた項目を最高レベルまで引き上げるとなるとそりゃ大変なわけです。

あまり話題になりませんが、この全体的な「十二試艦戦」の要求は、果たして何を未来に見てなされたのでしょうか。
確かにこの性能、「支那事変」にはマッチしましたし、どころか太平洋戦争でも特に前半において大半の性能は有利に働きました。
しかし一方で世界の潮流はエンジン出力の大幅な増加であり、日本で言えば空冷エンジンの大型化は避けられませんでした。
防弾性はまだしも世界の戦闘機の歴史や最新開発機を見ても、流れは高速化、そして機銃数の増加でした。
果たしてこの要求はこの潮流に追いつこうとして出されたものか、はたまたこの流れには乗らず独自の特色でこれらに対抗するという決意のもとで出されたのか。
そして対中戦を意識したものか、対米戦を意識したものか。

蛇足でしたが、艦船では世界でも三本の指に入った日本ですが、車輌はひよっこ、航空機も独り立ちはできましたが「九六式艦戦」でも格闘性能だけは高いものの世界がビックリするほどではない状態で、世界の航空機開発にこれ以上溝を開けられてはならないという危機感から、要求はどうしても過剰になってしまったのです。
事実、日本では「九六式艦戦」は次世代への入り口となった革新的な戦闘機でしたが、同時期に初飛行を果たしたアメリカ海軍の「F3F フライングバレル」には相手が複葉機であるにもかかわらず最高速度で劣っており(「九六式艦戦」406km/hに対して「F3F」425km/h)、武装も航続距離も同じく敗北。
ですが作る側からしたら、次の戦闘機は何でもできるスーパーマンにしてほしいという要求だったので、嘆息しか出ないわけです。
堀越技師は設計1年、試作6ヶ月、1年で試験と改造、最後の6ヶ月で量産体制の構築という、足掛け3年の事業だと計算してこの超難題に取り組みました。

ひとまず三菱はこの要求を持ち帰り研究を進めましたが、この跳躍的な要求の裏には、日本が陥っていた新たな問題が大きく関わっていました。
この計画要求書が出される数ヶ月前、7月から「支那事変」が勃発しました。
そしてこの「支那事変」前から、爆撃機の性能が向上し、武装した爆撃機に対しては身軽な戦闘機であっても対抗できないのではないか、という「戦闘機無用論」が世界で議論され始めていて、日本も理由は様々あるものの戦闘機の重要性が低下していました。
その中で「九六式陸上攻撃機」は航続距離の短い護衛の「九六式艦戦」を就けずに渡洋爆撃を実施します。

その後も「九六式陸攻」による単独の爆撃や、空母から護衛を付けずに「九四式艦上爆撃機」「九二式艦上攻撃機」で空襲を実施しましたが、ところがどっこい「戦闘機無用論」なんて机上の空論で、そこそこ丈夫で速いし大丈夫だと思っていた「九六式陸攻」がかなりの被害を出してしまいました。
中国が保有するソ連製の「I-15」「I-16」は最新ではありませんでしたが数はちゃんと用意されていて、練度の差はあれど護衛がないのであれば別に防弾にリソースを割いていない爆撃機ぐらい難なく落とせるわけです。
艦爆艦攻ももちろん護衛がない中で敵戦闘機に突っ込むわけですから無事で済むわけがありません。
これにより「戦闘機無用論」は勢いを失い、一方で「九六式艦戦」に足りない航続距離を強化した新しい戦闘機で長距離移動をする陸攻を護衛する必要に迫られたのです。
ただこの航続距離要求と「九六式陸攻」の被害増大はタイミングこそほぼ同時期ですが、戦闘機の航続距離はもっと前からいずれ増やさねばならんと話し合われていたので、たまたま状況と要求がマッチしただけとも言われます。

昭和13年/1938年4月13日、すでに要求書が提示されてから半年が経過しており、「十二試艦戦計画説明審議会」の場で堀越技師は「格闘力」「速度」「航続距離」のうち優先すべきものを1つ上げてほしいとお願いします。
曾根技師の資料を加味して考えると、海軍としては少なくとも速度>航続距離であることははっきりしていました。
それでもあえて問うたのは、やはりもともとが相当難しい要求のため実戦経験者の意見で踏ん切りをつけたいという思いがあったのかもしれません。

航空廠実験部の柴田武雄少佐は、現地での経験から航続距離の延長を強く訴えます。
結局足が短ければ戦闘機も護衛の役目を果たせないのが現実で、そしてこの航続距離不足によりどれだけの仲間と機体を失ったかは身を持って知っている、どれだけ格闘性能が高くても宝の持ち腐れであるという主張です。
柴田少佐「九六式艦戦」以上の格闘性能はパイロットの腕で補うとし、腕ではどうにもならない航続距離や速力アップを「零戦」に求めました。

一方で第二連合航空隊航空参謀の源田実少佐は、すべてを強化してほしいがあえて1つとなると格闘性能だ、他は我慢しなければならないと訴えます。
これで双方要求する内容が真っ二つになってしまい、堀越技師は頭を抱えます。
別に2人がいがみ合っていたわけではありません、むしろ2人は同期でお互いに切磋琢磨し合い、戦闘機乗りの双翼とも言える存在でした。
そんな2人でも意見が綺麗に分かれるということは、「九六式艦戦」は過去最高の出来であったものの、戦訓や今後の展望を鑑みるとすべてがあと一歩足りない性能だったことがわかります。
ただ別の視点を入れてみると、この2人の言葉はいずれも「支那事変」対応機であり、果たしてこれが「新型艦載機」としてもっと広い視野で述べたものかと言われるとNOになるでしょう。

今になって振り返ってみれば柴田少佐の言葉のほうが戦闘機の行く末を捉えていたのですが、残念ながらこれは機体の設計を行う面々に訴えてもどうこうできるものではなく、エンジン開発の問題でしたし、速度重視の設計になっていても「金星」より「栄」のほうがトータル面で勝っていたので限界は一緒だったでしょう。
この他前線部隊の第十二航空隊から「空戦最重視、航続距離は短くてもいい、重たくて初速が遅く、精度の悪い20mm機銃は要らないから機銃の数を増やしてほしい」という要求もありましたが、ここまで整えてきた設計に自信を持ちつつあった堀越技師は海軍を説得。
海軍も機銃の件はともかく航続距離の短縮は以ての外だったので、今の設計を維持完成させることで同意を取り付けました。

幸か不幸か「零戦」が終戦まで戦い続けることができたのはこの20mm機銃の存在もかなり大きいので、ここで20mm機銃を降ろさなかったのは正解でした。
多機銃化はアメリカやイギリスが採用しているので現場の声は戦況とマッチしていたかもしれませんが、馬力の乏しい日本の戦闘機が機銃まで貧弱にすると「隼」のように後々苦しい戦いになったことでしょう。

昭和14年/1939年3月16日、相当な難産となった「十二試艦戦」の試作1号機が完成します。
この「零戦」のたまごについて、大きく「エンジン」「軽量化」「設計」の3項目について説明いたします。

エンジン、プロペラ

ここからは制式採用された機体として「零戦」を指す場合を除いて「十二試艦戦」と呼称します。

日本の技術力で世界の進化スピードについていくことができていなかったエンジン開発ですが、当然航空機だけでなく車輌に搭載するエンジンの性能も貧相なものでした。
この点は結局最後の最後まで解消されず、離昇2,000馬力の「誉」は安定感に欠け、「ハ43」は量産前に戦争が終結し、運用実績が豊富な高馬力エンジンは「金星六二型」の離昇1,500馬力が最大でした。

堀越技師「ないものねだり」と口にはしましたが、彼が「十二試艦戦」を作り上げる上で最も重要だと考えたのはエンジンとプロペラでした。
つまり設計側ではなく搭載するマシンがこの機体の実現可能不可能を分けると考えていました。
ということは、超難関ではあるもののエンジンとプロペラがちゃんと揃えばこの要求は不可能なことではないという自信を持っていました。

さて、「九六式艦戦」は搭載エンジンが競合相手である中島の「寿」でしたが、最多生産となった四号に搭載されている「寿四一型」が650馬力でした。
一方でチラッと出てきた「F3F」は最新機が950馬力のエンジンを積んでいて、やはり性能の差がありました。
最大速度500km/hとなりますと、エンジンの出力は妥協する余地がありません。
とはいえ実はこの最大時速500km/hという数字、中島が辞退する前に280ノット(518km/h)で見積を出しています。
世界最高レベルのを速度をなんていわれたそれこそ無茶です、580km/hぐらいはいります、当時のエンジンじゃ絶対無理。
もちろん「栄」を搭載することが前提になっていますが、この500km/hという数字は、優先度は航続距離よりも高く簡単には届かないけど、ちゃんと実現可能な範囲の速度だったことがわかります。

当時の三菱には「瑞星」と「金星」があり、どちらのエンジンにするか検討したみたいな書かれ方の資料もありますが、すでに書きましたがちょっとこれは怪しい。
海軍の中では「瑞星」と「栄」の比較検討を行っていたので、選択権が三菱にあった可能性は低そうです。

ひとまず選択肢があったとして、最大出力は「瑞星」より「金星」のほうが上回っていました。
しかし「金星」はでかいという問題がありました。
三菱製の「九六式陸攻」には「金星」が使われていますが、これは当然機体がでかいから搭載できるのであって、艦上戦闘機という運用と求められた性質上、この「金星」を「十二試艦戦」に搭載するのは設計に大きな影響をもたらすことははっきりしていました。

空冷エンジンはエンジンを冷やすために直径を大きくせざるを得ませんが、そうなると機体のサイズも大きくなり、空気抵抗も重量も大きくなり、それを支える部材の数も増えるなど、エンジン本体の重量の何倍もの差が生まれます。
抵抗が大きすぎるとせっかくの馬力増も相殺されるので、本当に無駄にでかくなるだけになります。
「金星」を搭載したら機体の重量は3,000kg程度になると想定され、「九六式艦戦」の1,600kgに比べて倍近くなります。
これでは機体の運動性もパイロットの操作性も明らかに落ちてしまいます。

一方「瑞星」ですが、これはもともと戦闘機などの小型機の為に設計されたエンジンでしたから、「十二試艦戦」向けのエンジンとも言えます。
最大出力は当然「金星」には劣るものの、概算では「瑞星」搭載機の重量は2,300kgと、「九六式艦戦」と比較して700kg増、逆に「金星」搭載に比べても700kg減と、見事に中間になっています。
「金星」を搭載するよりもバランスに秀でるため、「十二試艦戦」の設計は「瑞星」を搭載することで決定しました。
馬力不足は設計で補うという決意の表れとも言えますが、この判断が成功だったか失敗だったかは今でも議論の種になっています。

「瑞星一三型」は離昇780馬力を発揮する一般的な空冷星型エンジンで、「九六式艦戦四号」の「寿四一型」が空冷星型9気筒に対し、「瑞星一三型」は複列星型14気筒と、シリンダーの数が多くなっています。
そして星が2列並ぶわけですから当然全長は単気筒のエンジンよりも長くなるわけです。
空冷エンジンは構造が単純で、乱暴に言えば気筒が増えれば増えるほど馬力が出ます。
二重から4列、14気筒や18気筒といった感じで星型エンジンは進化をしていきました。
「富嶽」の元となる「Z機」の設計案では空冷4列星型36気筒の「ハ五〇六型」というエンジンの計画も立っていますし、三菱も「富嶽」用として星型「ハ五〇」という二重星型22気筒というエンジンを実際に完成させています(現存)。

話が逸れましたが、エンジンの出力を無駄なく発揮させるために、プロペラには可変ピッチプロペラを採用するように海軍から指示がありました。
可変ピッチプロペラとは、車のギアシフト(マニュアル車の1速、2速など)と同じ役割を持つもので、速度に合わせてプロペラの角度の浅い深いを自動で調節する機能を持ったプロペラです。
これまでの固定ピッチプロペラだと、プロペラの角度は最大速度発揮時に合わせて作られているため、逆に言えば最大速度じゃないときのプロペラ設計とエンジン出力はかみ合いません。
それぞれの速度に合わせたプロペラ角度をつくり出すことでエネルギーの浪費や不足を防ぐための機能で、激しい運動や頻繁な速度の増減がある戦闘機にとっては必須と言ってもいいプロペラです。
手動で変更させることももちろんできますが、それは理論上可能なだけであって戦闘などコンマ何秒の戦いの中では全く現実的ではありません。

これはアメリカのハミルトン・スタンダード社製の製品を住友金属工業がライセンス生産したものです。
そしてすでに「九七式艦上攻撃機」でも採用されていた技術だったので、採用の障害もありません。
こうして設計陣の手が及ばないエンジンとプロペラにはちゃんと目途が立ちました。

ちなみにこの可変ピッチプロペラ、日本はこれで技術を学び、純粋な日本産プロペラを量産することができないまま終戦を迎えてしまいました。
フランスやドイツからの技術を取り入れたりしたものの、フランスのラチエ式プロペラが数例あるだけ、結局日本国として開発したプロペラは誕生せず、終戦後に住友金属工業がハミルトン社にライセンス料を払うと言ったら「1ドルでいいぜ」と請求書が届いた、なんて話もあります。
この1ドルについてはいろんな解釈がありますが、どちらにしてもプロペラ1つとってみても日本の海外技術依存度の高さがうかがえます。

軽量化

さて、そもそもなぜ軽量化するかですが、これは上昇力や高速性、運動性を高めるためです。
航続距離の延長はほとんど燃料に左右されるので、軽量化の恩恵を受ける比率としては低めです。
エンジンの開発が世界より遅れている以上、その差を他で補うには出力がかかる存在そのものが軽くなるしかありません。
上昇力というのは航続距離とは真逆で迎撃戦闘機として必須能力で、敵を発見するや否やすぐに空戦に持ち込めるように敵の高度まで到達しなければなりません。
掩護戦闘機としては逆に自分の高度で戦闘が始まるわけですから、戦闘中の急上昇急降下はあっても陸上から3,000mとか5,000mの高さまで云々のような能力はそこまで求められません。
掩護戦闘機と局地戦闘機の併用の難しさはこの上昇力にあると言ってもいいでしょう。

この日本が大好きな軽量化ですが、当たり前ですが生半可な取り組みではすべてが中途半端になってしまいます。
上記のエンジンのように、18kgの差が巡り巡って700kgという数字に跳ね返ってきてしまいますから、g単位での軽量化を徹底しなければ効果はありません。
しかしこのたゆまぬ努力の結果、「二一型」は7分27秒/6,000mを達成。
これは離昇馬力1,200で重量+700kgの「F4F」の10分18秒/6,096mを大きく突き放し、馬力ほぼ倍(重量もほぼ倍)の「F6F-3」の7分/6,096mに迫るものです。
つまり軽量化により馬力不足がしっかり補えていることがわかります。

このg単位の減量をするために掲げたのが、「機材全重量の10万分の1までは徹底的に管理する」というものでした。
ただ実際は表題よりもさらに10分の1、つまり100万分の1まで管理されていたと言います。
そのうえで、まずは各部品の強度の再チェックを行いました。
飛行機の強度には安全率というものが定められていましたが、これは部品、部材1つ1つにどれだけの衝撃が加わるのかについては考慮されていません。
規定上限が10の衝撃に対して、Aの部材は9の衝撃が伝わるけれどもBには最大5しか衝撃が伝わっていないとなりますと、Bは強度を弱めても機体の安全率を割ることはないのです。
なのでこれを洗い出して、基本的には安全率1.8、これが過剰な場所の安全率は1.6へと引き下げて、無駄にしている重量を削り取ることにしました。

そして強度に問題がない個所はどんどん肉抜き穴が開けられたり、ボルトが小さくなったりと、濡れたぞうきんを絞って乾かしてまた絞るというほどの強烈な作業が行われました。
ぞうきんの表現の通り、実際はやりすぎな面も多いですが、g単位での管理なので仕方ありません。
肉抜き穴1つで100g削れたら、10個空けるだけで1kg減です、執着してしまうのも止むを得ません。
また強度をできるだけ維持しつつも軽量化をするために、全体を通して今でも一般的なセミモノコック構造が取り入れられています。
セミモノコックについては調べてもらった方がわかりやすいと思いますが、超簡単に説明すると、外圧の力を分散してかつスッカスカにできる設計です。
g単位の削減は決して過剰な表現ではないのです。

ちなみに肉抜き穴というのは防弾性を損なうものではなく、強度計算上問題のない部分を削り落とす作業ですので、肉抜き穴のせいで防弾性が低下したというのは当てはまりません。
実際軽量化に肉抜きはよい手段で、手間はかかるのですがまさに贅肉、贅沢に使っている重量なので各国の機体でもジャンジャン取り入れられています。
防弾性と強度は似ているようで全く違います。

じゃあ防弾性があったのかと言われると笑って「ないよ」と言うしかありませんが。
念を押しておきますが、「零戦」の防弾性は確かに皆無でしたが、よその国の戦闘機も基本的にはかなり弱いです。
機体の造りが頑丈かどうかというのは、少なくともこの時期は防弾性を意識したものではありません。

ここまで軽量化を求めたせいで、通常主翼には人が立つことができますが、「十二試艦戦」の場合は主翼中央部の付け根しか立つことが許されません。
それ以外の部分に立つとへこんだり壊れてしまうほど、強度をギリギリまで絞っているのです。
逆に主翼のリブについては一般的な航空機よりも多い密度で構成されていましたから、強度に慎重だったこともうかがえます。
主翼中央部には各所の引込式持ち手やステップなどを使って乗り、そこからコックピットに入ります。
この持ち手やステップはコックピットからは収納できないので、乗り込んだ後に整備員などがしまい込みます。

他にはすでに「九七式戦闘機」で採用されていましたが、三菱でも取り組みが進んでいた、通し桁を用いて左右翼を一体製造とする案が採用されます。
部品同士を結合させるにはそのための別の部品が必要になりますから、1点ものになると余計なものがなくなるわけです。
またこの方法だと剛性も向上し、製造時の工数も減らすことができます。

そして主翼の軽量化にもう一つ大きく貢献したのが、住友金属工業が開発した超々ジュラルミンの採用です。
その名の通り超ジュラルミンを超えるジュラルミンで、鉄やステンレスよりも高い強度を誇り、それでいて超ジュラルミンと同じ強度で30~40%も軽量化することができました。
強度については、「真珠湾攻撃」時に撃墜された「零戦」を調べたアメリカ軍がまさかこれほど強度のあるジュラルミンを日本が生産できたとはと驚いたようです。

ただし溶接には不向きな材料のため、当時の技術では採用できる場所は主桁だけに限られていました。
この金属については海軍も注目していたところだったので、三菱が海軍にこの金属の使用許可を願い出てもすぐにOKがでました。
この超々ジュラルミンの採用により主翼の重さは30kgも軽減することができ、住友金属工業は「零戦」誕生の陰の立役者でもあります。

機体の設計

航続距離を伸ばすためにはガッツリ燃料を搭載するのは当然として、無駄なエネルギー消費を減らす必要がありますし、また空気抵抗がなくなれば運動性能も高くなります。
しかしもちろん航空力学との兼ね合いで設計する必要がありますから、適切な抵抗と適切な空気の流れを生み出す設計でなければなりません。
ただし前述の通り、空気抵抗を抑える設計をとことんまで追求すれば燃費は何十%もよくなるかとそんな甘い世界ではありません。
機体の設計はあくまでもエンジンと運動性にあわせて行うもので、その形を整えることで数%の燃費改善もさらについてくるというわけです。
艦船では戦時急造艦の「松型」「橘型」が、建造を容易にするために燃費や速度が落ちることを覚悟で抵抗の多い角張った設計にしたものの、実際は速度にさしたる影響がなかったという例もあります。

空気抵抗の削減は空気に触れる面積を減らすのが最も手っ取り早いです。
複葉、単葉いずれのタイプでも、ある一例を除いて日本の航空機は固定脚でした。
つまり離着陸の時にしか使わないタイヤが出っぱなしなので、飛行中も常にここが抵抗を生んでしまうのです。

この問題を日本で初めて解決したのが、「九七式艦上攻撃機」です。
三菱、中島の両方の機体が制式採用された珍しい「九七式艦攻」ですが、油圧式の引込脚を取り入れることでこの空気抵抗が一切なくなったのです。
当然「十二試艦戦」にもこの機構が採用され、これで飛行中の抵抗は一定の削減が達成されました。

次に当時としては7.7mmに比べて当然大きい武装である20mm機銃の搭載についてです。
こいつを両翼1基ずつ搭載するため、翼はこの機銃の重さも加味した設計にしなければなりません。
重量23kgとこれに銃弾(60発分)が加わるので、超々ジュラルミンで軽量化された分はほぼ20mm機銃で相殺されると言っていいでしょう。
7.7mm機銃に比べて20mm機銃は当然反動が大きいため、「九六式艦戦」そのままの設計だと射撃のために機体がぐらついてしまいます。
なので「十二試艦戦」「九六式艦戦」よりも衝撃を受ける空間を増やすために胴体が長くなっています。

さて、主翼には20mm機銃の他にも翼内燃料タンクが加わりますから、なんだかんだで翼は結構厚く重くなります。
そのため翼の形状や面積というのはエンジンに並んで非常に重要な構造です。
運動性能には翼面荷重(翼1㎡にかかる重量)が大きく影響し、そして一般的には翼面荷重が大きい(めっちゃわかりやすく言うと、ぱっと見小さい翼)場合は揚力を得にくいので離着陸距離が長くなり、反面空気抵抗が減って特に高速時に安定飛行することができます。
逆に翼面荷重が小さい(めっちゃわかりやすく言うと、ぱっと見大きい翼)場合は、揚力を得やすく低速で離着陸ができ、旋回性能(「零戦」の場合左は抜群、右は普通)も高いのですが、面積が大きい分重量は増えるし特に高速時の横回転の際には空気抵抗が大きくなるというデメリットもありました。
飛行機にとっての横回転は文字通り横に回転するだけでなく、降下するときもかなりの頻度で行うので、これが遅いというのは結構重要な問題でした。
これがよく言われるロール(横回転)の悪さです。

まさに一長一短なのですが、「十二試艦戦」の場合は馬力の小さな小型機が両翼に乗っかる20mm機銃と翼内燃料タンクを支えるという事情があります。
なので翼面荷重は105kg/㎡とかなり小さくなり、結構なサイズになっています。
ちなみに「隼」は102kg/㎡と「零戦」よりも重量に対する翼の面積が大きい機体です。
この翼面荷重は格闘性能を図るための簡単な指標になるので、他の機体の設計でも大きい小さいがこの数値を元に要求されたりします。
翼の形状は「九六式艦戦」の楕円形からテーパー翼に変更されています。

そして忘れてはいけないのが、「十二試艦戦」は艦上戦闘機だということです。
艦載機ということは滑走路の飛行甲板の長さに上限があります。
いくら合成風力で揚力を稼げると言っても離着陸距離はできるだけ短くする必要があります。
それに戦闘機は最も軽いため、甲板に並ぶ順番としては艦戦→艦爆→艦攻と一番前ですから実際の甲板の長さ以上に距離は短くなります。
なので性質上「十二試艦戦」は翼面荷重を小さくする構造にしなければ運用に大きな支障が出るのです。

戦前に【龍驤】の分隊長を務め、その後海軍航空技術廠飛行実験部に配属となった小福田租大尉(当時)は、「零戦」の低速から失速(揚力が失われる現象)に移る性能の良さを高く評価しています。
「零戦」は艦上戦闘機のため狭い範囲での着艦を強いられるので、できるだけ低速で安定して飛行したいです。
「零戦」は大きな主翼を活かしたこの低速帯での操縦が容易で、またもともとの広い視野(カウリングが小さく風防が高い)、そして十分な主脚幅も相まって着陸や着艦が非常に楽だったようです。

第二次世界大戦のアメリカ軍機の損耗割合は戦闘と事故が半々ぐらいで、事故の中では離着陸の時が最大ですから、ざっくり損耗の2~3割程度はこの加速減速が必要となる機会に起こっていることになります。
いわんや空母をや、有効距離は100m前後で足場は波に煽られて常に揺れていますし、着艦速度を稼ぐために空母は走っています。
そんな状態で着艦フックに引掛けるために尾部を下げて機首を上げて状態で三点着陸をする、しかもこの時は減速をしているのでちょっとでも誤ると墜落します。
駆逐艦の任務にトンボ釣りというのがありますが、あのような任務があるぐらいには着艦失敗は無視できない事故なのです。
綺麗に落下できればいいですが、どこかにぶつかったり、機首から墜落するとパイロットが助かる確率は激減します。

昭和16年は200人の艦載機パイロットが事故で殉職しています、それぐらい艦載機乗りは常に死と隣り合わせだということです。
それだけにこの点が優れているというのは「零戦」の隠れた評価ポイントと言えるでしょう。
速度の優先度を高くして主翼を小さくすると、この動作の危険度が増しますから、艦載機は低速の安定感を無視することができません。

翼の設計では「九六式艦戦」で大成功を収めた捩り下げが引き続き採用。
翼端が付け根に対して細くなるタイプの翼だと、高速での飛行や急激な上昇時に翼端失速というものが発生する可能性がありますが、迎え角を翼端に向かうにつれて浅くすることで翼端失速の危険性が解消されたのです。
気流の流れが設計とかみ合わなくなると発生する失速は、どれだけエンジンをフル稼働させても飛ばなくなる、そして落下してしまうめちゃくちゃ危険な現象で、翼端失速は一部の揚力がなくなりますから不安定にはなります。
なので戦闘機のように激しい運動をする機体にとっては失速対策は特に重要でした。
他にも主翼の大型化に伴い水平尾翼、垂直尾翼も大きくなり、500km/hという最大速度の要求に対して、これをさらに引き延ばすというよりも全体的には運動性を重視した設計になっていることが随所に見て取れます。

翼以外には、「九六式艦戦」で使われた枕頭鋲も、ほんのちょっとのでっぱりで生まれる空気抵抗でg単位の減量はあっさり覆されますから当然採用されています。
似たような意味合いで突起物も徹底的に埋没するようにしています。
空気抵抗を抑えるための流麗な設計とも相まって、表現するならばツルッツルな機体と言えるでしょう。

逆に空気抵抗を受ける設計もあります。
それは風防です。
「九六式艦戦」は解放型(風除けのためのガラスが全面にあるだけ)で、これを密閉にしようとしてファストバック式にしてみたものの視界が遮られるという反発がありました。
この反省を受けて、「十二試艦戦」はコックピット全体を風防で覆い、機体の上に風防がボコっと飛び出る水滴型、密閉型に変更しました。
空気は正面から受ける抵抗だけでなくぶつかった後の空気の流れも抵抗になります。
解放型だと弾かれた空気がコックピット内に入り込んで暴れるため、小さな抵抗を生んでいましたから、流線型の胴体に合うように密閉型の風防を採用して、抵抗があっても気流の流れをスムーズにすることで最小限にとどめようと設計されています。
この風防のおかげで「十二試艦戦」は後方にも非常に広い視界を手に入れることができました。
覆っているガラスは全部5~6mmです。

他には航続距離を伸ばすために「九六式艦戦」でも導入されている落下式増槽が採用されています。
航続距離を伸ばすには燃費のいいエンジンと十分な燃料を搭載することが不可欠です。
機体にはすでに十分な燃料タンクを搭載しましたが、それでも目標には到達しないため、その対策として機体の下に切り離すことができる燃料タンクを取り付けて、いざ戦闘が始まると邪魔になるタンクを捨てちゃうという方法を取ったのです。
こうすれば巡航時は増槽の燃料を使って飛び、戦闘になると増槽を捨てた後も胴体や翼内タンクの燃料で飛ぶことができます。

「九六式艦戦」の落下式増槽は「九四式艦上爆撃機」の爆弾投下機構をそのまま流用して抵抗が大きかったため、今回は空気抵抗なども考慮して再設計されています。
増槽の容量は330ℓですが、これはもちろん適当に算出したわけでなく、胴体内、翼内タンクの燃料と要求された航続時間を計算し、往路丸々増槽容量として算出されました。
つまり翼内タンクと胴体内タンクで全速30分+復路を賄うということです。

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十二試艦上戦闘機 初飛行と改良

工夫と徹底、そして何より「九六式艦戦」で得た経験をふんだんに注ぎ込み、「十二試艦戦」は昭和14年/1939年3月16日に試作1号機が完成します。
華奢で繊細、しかし切れ味は何よりも勝る造りとなった「十二試艦戦」は、まるで日本刀のような存在でした。
その日本刀が数撃ちゃ当たるの物量押し、すなわち銃に相当する連合軍に破れたのはまさに日本が辿ってきた歴史そのものと言えます。
すでに振動試験などをクリアしており、あとは飛行試験を待つばかりでした。
試作機の重量も許容範囲の数値を示しており、g単位の余分な重量を目ざとく見つけては削ってきた努力が報われました。

そして分解された試作機は牛車に乗せられて、何と工場のある名古屋から岐阜県各務原飛行場まで1日かけて運ばれていきました。
実は日本の飛行場は工場に隣接しているのが当時は立川飛行機と中島飛行機の太田製作所、そして川西航空機の岐阜工場のたった3ヶ所しかありませんでした。
なので飛行場を持たない三菱の名古屋航空機製作所製の機体は、一番近い各務原まで約50kmの舗装もされていない山道を、振動を抑えるためにトラックではなく牛車でえっちらおっちら進むしかなかったのです。
4月1日、いよいよ試験飛行が始まりました。

その結果、課題としては大きく2つ、振動と利きすぎる昇降舵という点が明確になりました。
振動については航空機を扱う以上切っても切れない問題で、これについては「十二試艦戦」は通常設計が二翼プロペラのところを念のため用意していた三翼プロペラに交換すると振動は半減したので、どこに問題があるかは把握ができました。
二翼か三翼かは改めて検討するとして、厄介なのは昇降舵が利きすぎるという問題でした。

昇降舵とは水平尾翼の後ろ側についている上下に折れ曲がる部分のことで、文字通りこれで機体の上げ下げを調整します。
そして垂直尾翼には左右の動きを操作する方向舵が付いています。
この昇降舵が、高速になればなるほど僅かな操作でも大きな抵抗を受けることで過剰に上下するということが指摘されました。
これは「十二試艦戦」に関わらず、一般的な航空機では多かれ少なかれ発生している課題でしたが、いよいよ500km/hを超えてくると看過できなくなったのです。
なのでこれは操縦する上での宿命であって課題じゃないと言い切ることもできるのですが、生死を分ける戦いの中で速度に合わせて直感的な操作と機体の動きが連動しないのは大きな問題です。
そしてこの問題は最大速度が伸びれば伸びるほど顕著になるので、放置してもあとあと自分たちの首を絞めることになるのです。
堀越技師はこの課題に頭を悩ませることになります。

この問題については、操縦索の剛性を弱く、つまり伸び縮みしやすくすることで解決するという画期的なアイディアで突破することができました。
高速時は昇降舵には強い空気がぶち当たっていて昇降舵の操縦索には強い力がかかります。
この操縦索が強い力を受けて伸びるようになると、操縦桿を上下に倒した時、通常時よりもすでに操縦索が若干伸びた状態でさらに引っ張るので、利きすぎるの「すぎる」部分を軽減することができます。
これを「剛性低下方式」と呼び、堀越技師は戦後の昭和40年/1965年に「人の操縦する飛行機の飛行性の改善に関する研究 ―昇降だ操縦系統の剛性低下方式―」という論文を提出して東大工学博士となっています。

この「剛性低下方式」ですが、つい数年前まで「十二試艦戦」で初めて取り入れられたと考えられていました。
本人の著書にそのような記述があるからです。
しかし2019年に発行された、「三菱海軍戦闘機設計の真実 : 曽根嘉年技師の秘蔵レポート」(著:杉田親美)により、当時の計算班、構造班の班長であった曾根嘉年技師が残した資料からこの「剛性低下方式」が「九六式艦戦二号二型」から導入されていたことが判明します。

少し紐解いていくと、「九六式艦戦二号二型」の2号機(三菱77号機)に「剛性低下方式」を取り入れて空技廠が試験を行うと、「剛性弱すぎてダメ」と言われてしまいます。
海軍では「舵面を固定して操縦桿に規定の荷重をかけた時、操縦系統の撓みによる操縦桿の移動量は、操舵のための操縦桿の12.5%以下であること」と規定されていて、剛性低下だと高高度でこれがオーバーするからダメですという判断です。
これに対して曾根技師「それならその規定範囲で作るとどんな影響があるか調べてみなさいよ。完成した機体とかこれから製造する機体の補強にも時間取られるよ、評価のいい九六式艦戦の性能落ちるよ」と問い詰め、結局「操縦者から文句が出てないのならそれでいいよ、必要だったらまたそっちで手直ししてね」という回答を得ます。
早い話が「おたくに任す」ということです。
この剛性規定に技術的根拠がなかったところを突かれて、空技廠も反論要素がなかったのでしょう。

本書にはこの「剛性低下方式」のヒントになったであろう出来事も書かれています。
「八試特殊偵察機」の飛行実験を行ったとき、「操縦装置の剛性が著しく不足して、風圧が強い中で舵を目いっぱいとっても昇降舵は半分以下しか動かなかった、にもかかわらず操縦性は極めて良い」という事象が発生します。
つまり試作機の性能として規定を割っていて失敗していた部分なのに、そこで高評価を得てしまったわけです。
「剛性低下方式」と完全に一致する現象なので、これが影響していないことはないと思われます。

さて、「九六式艦戦二号二型」の制式採用は1938年8月19日なので、試作1号機の飛行より1年半も前です。
となると堀越技師本人の記述はどういう意味をもたらすのかが逆に気にはなるところですが、ともかく現物資料という極めて信憑性が高い証拠が現れたので、「剛性低下方式」については「十二試艦戦」で二例目となりました。
この「剛性低下方式」は見事にはまり、操作性については次の試験で太鼓判を押されました。

一方で三菱にとってはまたかと悔しい思いをする出来事がありました。
「九六式艦戦」も中島の「寿」を使っていましたが、今回も「瑞星」を中島の新エンジン「栄一二型」に変更するように通達があったのです。
これには「栄一二型」が試験中の事故が影響してまだ採用されていないから当面は三菱の「瑞星」としたが、「栄」が採用されたら「栄」にするという記録もあります。
事前に三菱にもこのことが通達されていたかどうかはよくわかりませんが、海軍が「栄」に期待していたのは間違いないでしょう。
エンジンに関しては中島のほうが先を進んでいて、中島は新しいシリーズのエンジン「栄」を開発し、「十二試艦戦」設計中に試験が進められていました。

飛行試験では正規重量相当のバラストを積んで最大速度の計測を行いましたが、その際の記録が490km/hで、若干目標に届いていませんでした。
そこに現れた「栄一二型」は、「瑞星」と同じく複列星型14気筒で、サイズほぼ同等、重量16kg減、それでいて離昇馬力が940馬力と「瑞星一三型」をあらゆる面で上回っていました。
小型、軽量、高出力、さらには燃費がかなりよろしい「栄」の登場により、「十二試艦戦」のエンジンは試作3号機より中島製に変更となってしまいます。
燃費は「金星」が2割劣ると言われていて、これは結構な差です、「一一型」の最大航続距離が3,502kmとなっていますかが、これが2,802kmにまで落ちるのです。
特に設計の変更が小規模で済む小型化はありがたいものでした。
ちなみに「栄一二型」を搭載した試作機は3、4、7(、8?)号機で、5、6号機は「瑞星一三型」のままです。

8月24日に1号機が領収され、試験を並行しながら同時に「支那事変」にも翌昭和15年/1940年4月中には参加させるつもりで計画が立てられます。
その実戦投入に向けて、順調に試験は進んでいたかに見えました。

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奥山益美が遺した、進化しすぎた十二試艦戦の盲点

昭和15年/1940年3月11日、部署に雷が落ちました。
試作2号機が空中分解し、奥山益美工手(こうて と読みます)が殉職したという報告が飛び込んできたのです。
残念ながら飛行試験による事故というのは避けることができません。
しかし空中分解とパイロットの殉職というのは最悪のケースです。
奥山工手は飛行時間2,000時間を超えるベテランで、あまりに大きな喪失でした。
海軍が期待を寄せる新進気鋭の戦闘機にどのような盲点があったのか、すぐに堀越技師は現場に駆けつけました。

当時は可変ピッチプロペラが急降下中に過回転を起こしてエンジンにまで支障が及ぶのではないかと言われていて、その問題解決の為に急降下飛行試験を行っていました(実は事故のことばかりに焦点が当たっていてこのプロペラの問題がどうなったかがわからない)。
この試験のため急降下をしていた2号機が、突然大きな音を立てて空中分解、奥山工手は瞬時に脱出してパラシュートを開いたのですが、その後奥山工手はパラシュートを外してしまい、浅瀬に落下してしまったのです。
パラシュートを外した原因は不明ですが、軽度の失神中に無意識のうちに外してしまったのか、パラシュートをしっかり背負えず腕で支えていたものの滑り落ちたのではないかと推測されています。

直ちに原因究明が行われました。
「十二試艦戦」は急降下では900km/h(~1000km/hほど)までの速度に耐えられるという強度で設計されていました。(あくまで理論上)。
無茶苦茶な軽量化を計ったおかげで強度もギリギリだった「十二試艦戦」は急降下に滅法弱く、徐々に改善されていくとはいえ「零戦」の大きな泣き所の1つでした。
この速度は当然フラッターと言われる高速時の各部位の振動に耐えられるという意味で設計されているため、この強度が正しければ、このような大惨事は発生し得ないのです。
それが起こったということは、試験では計測されなかったフラッターの複合要因によりこのような事故につながったのではないかと想定されるわけです。

フラッターそのものは難しい現象ではありません。
弱風なら旗は緩やかにはためきますが、強風だと旗は強振動でバタバタします。
これが簡単に言えばフラッターです。
強風の時は一方通行の風だけでなく、なびいた旗が生み出した空気力とぶつかってさらに振動を増幅させるので、風力以上の力が旗に押し付けられるのです。
この振動が強烈になると、風力には耐えれても振動に堪えられない旗竿は折れてしまいます。
これが大事故につながりかねない現象です。

昇降舵や水平舵などの可動部分のフラッターを意識した強度は特に大事で、このバタバタに耐えられないと当然壊れてバランスを失います。
しかし今回は完全に空中分解していますから、一部分の強度不足ではなく、振動が多方面に増幅、拡大したことが考えられました。

落下した部品を相当数拾い集めて調べていくと、昇降舵の振動を抑えるマスバランスと言われる錘がなくなっていることがわかります。
そして最終的には、このマスバランスを喪失したことにより昇降舵がフラッターを起こしやすい状態になり、そのまま急降下したことで大きな振動が機体全体に伝わってしまい、想定以上の複雑な振動に機体が耐え切れなくなって空中分解したと結論付けられました。
つまり原因は、マスバランスに不足していた強度と、マスバランスに依存していた機体の強度にありました。
マスバランスも当然振動や強度試験をクリアしているものの、飛行中ではなく地上滑走時のガタガタや離着陸などの衝撃による消耗が強度の想定を上回ってしまい、試験飛行中についに堪え切れなくなったのが事故発生の原因とされました。

問題の解決そのものはシンプルなものでしたので、マスバランスの支柱を鉄製にするなど改良もすぐに行うことができました。
しかし次世代の機体には過去の経験では見えない何かが常に潜んでいるということを思い知るには、あまりに尊い犠牲でした。
そして「十二試艦戦」は再び振動や強度の試験などを行うほか、急降下制限速度を規定しなおして対策をとりました。

今回の事故の対策が進む一方で、より洗練させるための改良も試験によって進んでいました。
まず3号機からエンジンが「栄一二型」に換装されたことにより、カウリングの形状も変更されました。
1、2号機ではオイルクーラー空気取入口がカウリングの下で口を開いていましたが、「栄一二型」搭載機はカウリングとオイルクーラー空気取入口の間に気化器空気取入口が加わった形状に変更されています。
ただこれも「一一型」ではさらに場所が変わり、気化器空気取入口はカウリング前方下部に移動しています。
またカウリングそのものもシュッとしたデザインから若干丸みを帯びた形に変わったことで少し太くなったように見えます(実際に前部の胴回りの直径に大きな変化はなし)。

変化がはっきりわかるのはカウリングよりも胴体や後部です。
写真を見比べるとはっきりわかるのが、水平尾翼の位置です。
1、2号機は水平尾翼は低く後ろ側にありますが、3号機以降の機体は水平尾翼は胴体の真ん中ぐらいの高さに移り、また垂直尾翼の付け根ぐらいの位置にあったものがそれよりも前に出てきています。
垂直尾翼は高さを高めて面積を増やし、垂直尾翼に付いている方向舵も形状が変更されました。
他には後部胴体を若干太く(これはもとから説もあり)、また長くして、2種類の尾翼とともに安定性を高める措置が施されています。
その他修正点を簡単に並べますと、1.無線アンテナ支柱の傾斜を緩める 2.尾部を少し長くする 3.垂直安定板と方向舵の境目をクランク型へ などがあります。

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2人目の犠牲者を胸に、ここに零式艦上戦闘機成る

話の順序がおかしくなりますが、ここでは採用前に投入された「零戦一一型」については取り上げず、それを飛び越えて2回目の墜落事故を紹介します。

なんやかんやあって「支那事変」にも「零戦」が投入されて1年近く経った昭和16年/1941年4月17日、三菱に再びショッキングな報告がもたらされました。
「十二試艦戦」の実践的な飛行実験を献身的に行ってくれていた下川万兵衛大尉が、報告を受けた問題の再現飛行中に同様の事態に陥ったのちに墜落、殉職してしまったのです。
事の次第はこのようなものでした。

当時の「零戦」「二一型」が製造されていましたが、63もしくは61号機から補助翼の動きを軽くするためにバランスタブという装置が取り付けられるようになり、逆にマスバランスは廃止されます。
当初から特に高速でのロールや昇降舵の効きの悪さは指摘されていて、バランスタブはこれを改善するための措置でした。
【加賀】戦闘機隊分隊長の二階堂易中尉(昭和の政治をご存じの方は耳馴染みがあるかもしれませんが、自民党にいた故二階堂進氏の弟だそうです)は、このバランスタブがついた「二一型」の140号機でアクロバット飛行の訓練を行っていましたが、強烈な垂直旋回をした時に左翼の外板が見たこともない大きなシワを起こしていることに気付きます。

「零戦」の強度は繰り返しになりますがギリッギリのラインをついているので、これまでも急降下などでシワが発生するという報告が実はありました。
しかしそれはごく小規模でもちろん平常時には一切問題がないため、これだけ軽いと仕方ないよなという感じで大きな問題にはなっていませんでした。
ところが二階堂中尉が目にしたシワは小規模なんて生易しいものではなく、このままだとはぎ取れるんじゃないかというほど大きなものでした。
軽い宙返りを試してみたら問題はありませんでしたが、不安になりつつも彼は飛行訓練を続けました。
そして最後に高度2,000mから急降下をして機首を上げようとしたとき、物凄い衝撃で一瞬気を失い、次の瞬間には両翼の補助翼が吹っ飛んでいて、さらにシワが寄っていた外板が一部はぎとられるなど無残な姿になっていました。
二階堂中尉は何とかバランスを保って無事着陸に成功したものの、看過できない事態だということですぐさま下川大尉が検証の為に飛んだのです。

まず下川大尉はバランスタブのついていない「二一型」51号機で、二階堂中尉よりも高い高度の3,800mの高さから急降下、速度640km/hで機首を上げましたが、報告のような異常なシワは一切見られませんでした。
続いてバランスタブのついている135号機(【赤城】からすごいシワが寄ると還納されていた機体)で同じく4,000mから急降下、2,000m付近で機首を上げましたが、やはり何も起こりません。
もう一度同じ状況を再現しようとしたところ、ついに恐れていた事態が発生しました。
機首を上げ始めたところでやはり補助翼が吹っ飛び、さらに運が悪いことにこの補助翼が水平尾翼にぶつかったらしく、水平尾翼も喪失してしまいました。
機体のバランス維持や昇降舵を持つ水平尾翼を失った135号機は、そのまま真っ逆さまに海面に突っ込み、機体はぐちゃぐちゃ、パラシュートでの脱出もできなかった下川大尉も亡くなってしまったのです。

事故の鍵がバランスタブにあるのは明らかでしたが、問題はこれが起因でどのようなことが機体に起こったのかです。
2号機同様今回もフラッターが原因かと思われましたが、当時の速度は700km/h以下、バランスタブ設置による重心の移動などを加味しても、振動試験では2号機のような複合的なフラッターでも750km/h以下では発生しないとされたために原因究明は難航しました。
二階堂中尉もフラッターのような振動は感じることなく、突然衝撃を受けたと証言していたため、フラッター説は一時下火でした。
しかし、他の可能性は調べていくうちに潰えていったため、やはり今回もフラッターではないかと改めて検証が始まります。

航空技術廠の松平精技師は、シワが寄っている部分が主翼の一部に限られることから、ねじれの力に堪えられた部分と堪えられなかった部分があることに気付きます。
つまり全体の設計の問題ではなく、部分的な弱点のシワが増幅してフラッターを起こし、そこから壊れていくのではないか。
言い換えると、<軽量化>の項目で出てきました各部の安全率の測定が、今までの実験方法では正確な結果を測定されていなかったのではないか、そしてその部分がフラッターを起こしたのではないか、ということです。

実は当時の振動試験の方法では剛性分布においては実機と全く同じ実験結果を生み出すことができませんでした。
剛性分布は各点の振動の幅を把握するために必要なのですが、これが実験の模型と実際の飛行では異なっているのではないか、という点が着目され、ここにこだわって新しく1/10サイズの力学的相似性を持たせた主翼フラッター模型を製造、すぐさま実験を行いました。

なぜこれまでこの実験が行われていなかったかというと、力学的相似性までを再現させた模型を製作するのが単純にめちゃくちゃ難しかったことと、それこそここまでしなくても今までの方法でちゃんと実験結果が測定されていると考えられていたからです。
しかもこの手段を欧米から学んでいたことで、この計測方法はいわば世界水準でした。
それでもいろんな材料や材質を調べて、6月に入ったところでようやく模型が完成。
風洞実験を始めると、模型はある一定の風速を超えたところでねじれ振動を生じたのです。
原因を突き止めたと同時に、過去信頼に足ると考えていた研究結果に穴があったことがはっきりしました。

結果としては当初の750km/h以下を遥かに下回る600km/h前後でフラッターが発生することが判明。
さらにバランスタブがないバージョンでも630km/hが限界だということがわかり、今回も結局原因はかつてない高速により発生するフラッターでした。

今回の事故は、主翼の捩じれ振動とそれによる補助翼の振動が合わさって大きくなり、単なる主翼の振動よりも大きな負担を急激かつ局所的に機体に及ぼしたことが原因だと確定し、「補助翼回転-主翼捩じれ連成フラッター」と呼ばれました。
二階堂中尉がフラッターのような振動を感じないと証言したのは、実際にはつまりフラッターそのものは発生していましたが、それとほぼ同時に機体が破壊されたためいきなり衝撃があったとしか認識できなかったのです。

この結果を受けて、既存の機体にはバランスタブの逆側にマスバランスを追加してバランスタブの高速時の作用を弱め、またここから生産される機体は、マスバランスの復活、バランスタブをいったん廃止、主翼外板の厚みを増し、鋲の数や大きさを強化するといった方法で修正されました。
また急降下時の速度も629km/hまで制限されました。
ちなみに何も補強しなかったら限界は575km/hだったらしいです。

下川大尉の命をかけた飛行により、「零戦」は航空機の特に風洞実験の精度向上をもたらし、フラッターについての研究も大きく進歩。
今後の機体設計時の試験は当然として、すでに運用されている機種についても再度振動や風洞試験を実施し、必要であれば強化や急降下速度の制限を引き下げるなどの措置が取られました。
このフラッターは飛行機開発とは切っても切れない関係で、どの国でも飛行試験中に発覚しては修正をしての繰り返しでした。
それぐらいシビアな検査と些細な計算違いのせめぎ合いで飛行機は設計されていくのです。
そしてこの研究結果をもって、中国軍や連合軍が一時は蜘蛛の子を散らすように逃げ出す驚異の戦闘力を見せつけた「零戦」が完成したのです。
「零戦」は諸説ありますが概ね1万機以上生産されたと言われていて、6割以上がライセンス生産を請け負っていた中島製です。
(生産数の一例 三菱:3,879機、中島:6,570機の合計10,449機)