はい、自分にしてはクソ長いタイトルですがその通りです。

大体2007年から2010年くらいまでガサガサ設定考えてた核融合ジェット戦闘機の技術実証機の設定全文です。
evernoteに保存してあったのですが、10,088文字だったのでちょうどいいかなって感じで上げちゃいました。
やたら長い上に「自分でも意味わからずに使ってるだろこの単語」とか、「現実は違う意味の用語なんだけどなあ」っていうのが散見されますが生暖かい目で見ていただけると幸いです。

あ、ちなみに現実に存在する組織やそれに類似する組織名や単語が出てきますが、全てフィクションなので悪しからず。

アニメCGの現場 2016 CGWORLD特別編集版

posted with ヨメレバ

ボーンデジタル書籍編集部ボーンデジタル 2015-12-22

Contents

以下設定全文↓

XN-01A

製造: 新三菱工業航空宇宙事業本部　防衛省技術研究本部

乗員: 1
全長: 20.477 m
全高: 3.5023 m
翼幅: 11.716 m
翼面積: m2
空虚重量: 15,400 kg
最大離陸重量: 42,000 kg

動力: YFNF-110A　× 2
製造: IHI　防衛省技術研究本部
分類: A/B付き核融合ターボファンエンジン
反応形式: DD DT D-He3複合DD-He反応
発電形式: 逆電界印加直接発電
A/B形式: 無電極プラズマ
推力: MIL 14.25 t
A/B 30.15 t

性能
最大速度: M 2.62（高々度において）
巡航速度: M 1.65（高々度において）
フェリー飛行時航続距離: 862500 km
航続距離: 752200 km
実用上昇限度: 25,000 m
機体荷重限度:15G+/-10G
上昇率: 機密（非公表）
最大推力重量比: 4.265

アビオニクス
APA-X-AF010M 多機能RFセンサー
CAP-X-AF010M マルチバンドスマートスキンレーダー
APA-X-AF011M 小型多機能RFセンサー
XMV-1 超高精度複合光学センサー

武装

固定武装
XLGF-1 20mm超短パルスレーザー機関砲（有効射程4500m）

分類:ステルス型第１世代核融合エンジン搭載多用途戦闘機実用試験機

開発経緯

第三次大戦の終戦の条件として、HFシリーズの技術提供を約束した日本では、安全保障の再検討が急務であった。中枢技術を公開していないと言っても、各国の技術力が大幅に向上することが避けられず、さらに米国と同盟が破綻し、極東アジアの情勢は戦前よりも不安定になったからである。

戦前よりある程度の技術力を有していた日本だが、主力戦闘機はすべて米国企業に権利があり、生産が困難。かろうじてF-2の設計を流用したF-3戦闘機を開発することで最低限の戦力は確保できたが、日本の防空戦力が大幅に低下する事態となってしまった。

この事態を見越した日本政府はF-3の開発とほぼ同時期に、コストを度外視して、エンジンを含めた純国産の戦闘機の開発を決定、計画途中で開戦し頓挫していた先進技術実証機(ATD-X）の開発計画を大幅に改訂、次世代防空戦闘機技術実証機(NGDF-X)の開発計画とした。

NGDF-Xは、解析されたHFシリーズの技術のうち、何が利用できるかを入念に検討された。そこから当時の世界情勢を考慮に入れ、防衛省から技術研究本部に以下の機体性能が要求された。

・形状ステルスを考慮しつつも、高機動性を得られる機体形状。
・コストパフォーマンスに優れたステルス素材の導入。
・機体気流の能動的制御による安定性と機動性の両立。
・複数のレーダーによる全方位探知能力。
・多種多様な目標探知機能の搭載。
・超音速巡航能力。
・機材の最大搭載時で9G機動が可能な構造。
・対空、対艦戦闘が遂行可能な能力。
・新型の中距離、短距離対空ミサイルをそれぞれ4発以上搭載可能な兵器庫。
・新型対艦ミサイルを4発以上機内兵器庫に内蔵し、同時発射、同時誘導が可能なFCS。
・高度な近接防御能力。
・高信頼性のMFDを搭載し、より直感的な状況認識が可能なコクピット。
・9G以上の機動が長時間維持可能な新型の耐Gシステム。
・レーダー分析、データリンク、火器管制、機体姿勢制御、電子戦闘を高速に同時処理可能なコンピュータ。
・セントラルコンピュータを含め、2系統のアビオニクスを搭載し、さらに簡易化された補助システムの搭載。
・機体構造の簡易化による整備性の向上。
・核融合エンジンの搭載。

この要求に基づき、2009年各企業の全面協力の下、防衛省技術研究本部及び飛行開発実験団による実証機の開発がスタートした。

開発は膨大な新技術を利用した機体になるため、複数の機体を技術試験機として改造、大規模な試験飛行が繰り返し行われた。
試験機として使用されたのは、エンジン技術試験型のF-3TX-NF、空力・材料技術試験型のF-3TX-AW、FCS、アビオニクス技術試験型のF-3TX-FEの3機であり、いずれも大戦中使用不能になったF-2を補修したものである。

当初の予定では2012年までに実機の製作を完了する予定であったが、大幅にずれ込み試験初号機は2014年6月に初飛行した。原因は搭載予定の核融合エンジンであり、限定空間内での熱循環の構造設計が難航したためである。

2014年6月、紆余曲折がありながらもXN-01が初飛行。その後ユニット交換による小改造を経て2016年、計画の最終実証段階まで、試験は滞りなく進行した。

機体解説

概要

XN-01は防衛省の緊急防衛力整備計画に基づいて開発された次期防空戦闘機の試作機である。

開発コンセプトは自国領空内でF-22Aに拮抗し、対艦戦闘も可能であるという、シンプルであるが技術的に難しい代物で、HFシリーズの解析技術が惜しみなく使用された。

主力戦闘機の試作機であると同時に関係者は日本の航空業界再興のフラッグシップモデルとしての位置づけをしており、潤沢な開発予算と緊急性を要しながら10年に及んだ開発期間がそれを物語っている。

現時点(試作機)の段階において、対空戦闘においてはいまだ負けなしで、対艦戦闘においても良好な結果を見せている。

機体構造

XN-01の開発目的は米軍のF-22とほぼ同様で、高い機動性、ステルス性、スーパークルーズ能力を獲得すること。さらに1対多の戦闘において確実に勝利することである。しかしF-22がベースとした技術と比較して、はるかに高度な技術をベースとしているため、まったく異なる機体となっている。

特に塗装材によって得られるRCSの低減効果はF-22と比較して大幅にコストダウンしているにもかかわらず、かなりの効果を得られるため、より機動性に向上を意識した機体構造になっている。

XN-01の機体構造材料は、CNTストリングスを使用した新型の炭素系複合材料が60％以上使用されており、従来の同規模の戦闘機に比べ大幅に軽量化されている。同時に輸入の必要な金属材料を削減することで有事の際の生産にも配慮している。動力も核融合エンジンを採用することによって、機内燃料の搭載量がF-22に比較して20万分の1程度にまで減り、更なる機動性強化と機体構造の強化がされている。

機体の荷重限界は翼部パイロンを含めた最大搭載時に、人体の限界である9Gの機動が行えるように設計されている。これは少数精鋭の装備運用の観点から必要とされたもので、数機での空母航空隊を含めた空母戦闘群への攻撃を想定したものである。この戦術は、大戦時、HF-01βの空母戦闘群攻撃から見出された戦術である。

機体の主要構成素材は前述の通りだが、特筆すべきは、CNT強化炭素複合材で、これは特殊な技術でCNTを糸状に織り込んで加工された繊維シートを炭素繊維の変わりに使用し、複合材を形成することで、構造材強度を大幅に向上するものである。

主翼はCNT強化炭素複合材で一体成形されており、内部に燃料タンクの配管や油圧構造を組み込んでいないため、他国の通常ジェットエンジン型戦闘機に比べて高い剛性を持つ。翼端は下向きにウイングレットを装備し、誘導抗力を低減するほかにCAP-AF010Mコンフォーマルレーダーを搭載し、側方のレーダー視界を確保する。
動翼は炭素系の人工筋肉でつくられており、パイロットの入力、機体飛行状況に応じて極めて柔軟に可変する。
翼断面形状は、機体非稼動時に対称翼、飛行速度やフライトモードに応じて前後縁が湾曲することで、揚力の発生を最適化する。動翼の湾曲範囲は、上下ともに同じであるため、ダウンフォースの発生も可能であり、差動させることで極めて高いロールレートを得る。

機体製作は大半を新三菱工業が、エンジンをIHIが行っており、自衛隊岐阜基地に併設された、各務原統合開発・実験センター内で製作された。

エンジン

超小型原型炉”XA-5″をベースとして開発されたXNF-100の実用試験型である、YFNF-110を2基搭載する。
点火、維持、再始動を戦闘機の機内搭載システムですべて行える、初めての核融合炉である。
ジェットエンジンは2段のファン、5段の軸流コンプレッサー、1段の遠心コンプレッサー、2段のタービンによる2軸式のターボファンである。
反応形式はD-D型で、開発ベースとなったHNF-3E+がD-D型であったこと、中性子の発生量の少なさから、炉心劣化を抑えられること、緊急時の周囲への汚染を最小限に出来ることなどから採用された。

エンジンの基本構造は、燃焼室周辺を融合炉とその周辺システムに置き換えだだけであるが、非常に高密度かつ高精度、さらにブロック構造によるメンテナンスの容易さも意識した高度な設計がなされており、のちに第1世代核融合ジェット戦闘機と呼ばれる戦闘機のエンジンで、推進システム内に核融合炉を搭載したのはFNF系列エンジンだけである。融合炉はその作動を行う周辺システムごとエンジンに内包されているため、炉心のサイズはエンジン外観と比較してかなり小さい。
炉を含むエンジン全体の制御は高度な制御と信頼性を必要とするため、セントラルコンピュータとは独立した3つのリアクターコントロールコンピュータを持ち、さらにエンジン自体に1基のバックアップ用EECを備える。

炉の点火は、焦電素子による複数の超小型のイオン加速ユニットが、重水素イオンを加速、中性化したのち超高速で炉内に入射することで行う。この操作によって消費される電力は極めて少なく、内臓電源のみで点火操作が可能であり、最大充電時で6回の点火操作が可能である。
軍用機である性質上、点火失敗時の再操作や、飛行中に失火した場合の再始動が可能な設計になっているが、点火システムは構造上連続作動が不可能であり、点火装置に冗長性を持たせてあるものの、連続した点火操作は2回が限界である。ただし、飛行中の再始動は、もう一方のエンジンや、タービンの回転による電力によって炉内プラズマを直接加熱することでも可能である。

プラズマの固定磁場は液体窒素冷却方式の超伝導ヘリカルコイルおよびポロイダルコイルによって形成され、強力な磁場によって、熱取り出しのダイバータ以外の壁面にプラズマが接することは無い。
プラズマは臨界プラズマ条件である状態をアイドリング状態とすることで、余剰エネルギーの発生量を抑えるようになっており、小型の高効率ミリ波ビーム発振機によって反応を維持する。

炉心の緊急システムとして、コイルのクエンチの発生等、プラズマの維持が困難となった場合、燃料投入弁よりコイル冷却用の液体窒素を炉心に導入することが出来るようになっている。さらにこの状態では、炉に不純物が大量に混ざってしまっているため、炉の減圧が必要である。この減圧は、重水素燃焼後のヘリウム回収用の真空排気システムが兼ねており、排気を含めた再点火操作をすべて内臓電源でまかなう場合45％以上の充電が必要である。

核融合反応によって生み出されたエネルギーは炉壁内及びプラズマ中性化ダイバータを循環する高加圧水によって取り出され、ジェット推進用の放熱板及び発電機に回される。発電機はクローズドサイクルのMHD発電であり、これとタービン-コンプレッサー回転補正用の回生モーターによって、エンジン1基につき最大6メガワットという、戦闘機としては化け物じみた電力を機体に供給する。

緊急用の推力増強装置は、タービン後部に高周波加熱装置とMHD加速器が搭載され、正式にはローレンツ推力増強装置と呼称される。高周波加熱装置は排気を低温プラズマ化させ、MHD加速器によって爆発的な排気速度を得る。ただし、排気をプラズマ化させる都合上、かなりの電磁波の放射が起きる。このためスクランブル発進及びドッグファイト以外での使用は厳禁とされている。

エンジンノズルは3枚パドル式であり、上下方向のみならず、左右方向への推力変更を可能とし、それぞれのエンジンのノズルを独立して作動させることで、ピッチ、ヨー、ロール方向の制御を行える。パドルは40度の可動範囲をもち、フライトコンピュータによって制御される。

機体燃料は前述の通り重水素であるが、気体燃料の搭載は、被弾時の燃料漏出や引火が容易に発生する恐れもあり、燃料タンクの強化も現実的でなかったことから、重水(D2O)の形で搭載しており、機内の小型電気分解システムで重水素を分離する。核反応であるため、燃費は非常によく、機内の3つの燃料タンクに計2.3Lしか搭載しない。当然、ドロップタンクも必要なく、パイロンへの装備システムも存在しない。

操縦系統

静的安定マージンは負。フライバイライト及びパワーバイワイヤであり、整備性を高めるため動翼の操作系統に油圧は使用されていない。
個別のフライトコンピュータは存在せず、セントラルコンピュータ内に5基のフライトコントロールセクター（FLCSec）を持ち、制御信号は3重の冗長性を持って各動翼に伝達される。

各セクターは相互監視を行っており、処理異常が発生した場合は、当該部分を全系統から分離、セントラルコンピュータの余剰部位から新たにFLCSecを構築する。セントラルコンピュータ自体がフェイルした場合に備え、独立した系統としてダイレクトコントロールユニットを持ち、緊急時の制御能力を確保する。

機体の限界荷重が人体の限界を大きく上回っているため、基本的に飛行能力は制限が加えられており、たとえ戦闘機動中であっても+9Gを越えないようになっている。ただし限界荷重をかける必要があるときは、セントラルコンピュータの判断、もしくはVmaxスイッチのオンによって機体リミッターが解除され、機体限界での飛行が行える。

さらに大きな特徴として、各種飛行モードによる飛行特性切り替え機能がある。この機能は、機体の飛行モードに応じて、揚力の発生状況、飛行安定性、ロールレート、ピッチレートを切り替えるものであり、飛行状態によって最適な運動を行えるようになっている。
飛行モードは、フライトマスターモードとして、CRUISE、TAKE OFF、LANDINGの3モード、ディスプレイ表示や、FCSと連動したシステムモードとして、NORMAL、COMBATの2モード、さらに格闘戦時のドッグファイトモード、制限解除状態のVmaxモードが存在する。

コクピットは、機体システムの高度な電子化に伴い、F-3と比較しても非常に先進的な印象を受ける。
アナログ計器類は一切装備せず、中央4面のタッチパネル式メインMFDと左右のサブMFD、計6つのフルカラー液晶パネルを装備する。機体の基本的な設定、操作はすべてこのディスプレイを使用して行われるため、コクピット内のスイッチ類が非常に少ない。
ディスプレイ表示は分野ごとに統合され、直感的な情報把握を可能としている。システムモードCOMBATにおいては、戦術情報、兵装情報、機体情報に分類され表示される。ただし、エンジン情報においては試験段階のため中央下のディスプレイに表示されるようになっている。

スティック及びスロットルはHOTAS概念が採用されており、飛行中の基本操作はすべて行えるようになっている。
機体の耐G要求が非常に高いため、射出座席も新機軸のものが採用されている。搭載射出座席XALC-1は複雑なリクライニング機構をもち、パイロットの体格、機体の飛行状態に合わせて、頭部、背面部、腕部、臀部、大腿部、脛部に分割されたシートが可変する。

アビオニクス

核融合炉とMHD発電による大電力の恩恵を受けたのはアビオニクスである。レーダーは通常型と薄型の2種類のAESAを装備することによって、全方位の走査を可能としている。レーダーはすべてマルチモードレーダーであり、高い処理能力を持つセントラルコンピュータと相俟って驚異的な探知能力を有する。さらには限定的ではあるが、データリンクの手段としてレーダーを使用することも可能になっている。ただし、予算等の都合がつかなかったので完全な通信システムとしての機能は有していない。

レーダーを補完するパッシブな探知装置として超高精度の複合光学カメラを機体各所に搭載する。このカメラは専用の画像処理コンピュータを持つため、人間の目に匹敵する画像認識能力をもち、赤外、紫外領域の探知も可能としている。パイロットはHMDを通して光学映像を見ることが出来、これにより、直接視認には劣るものの全方位の視野を得ることが可能となった。

統合センサー運用として、HF-01βの技術を応用した有機認識アルゴリズムがシステムに部分的に組み込まれており、従来のセンサ解析技術と併用することで、レーダー情報、光学情報を統合して脅威レベルを選定することが可能となっている。これにより、従来機と比較してセンサー、警報装置のオミットが可能となり、整備性の向上にも役立っている。

機体のシステムモード切替はスロットル横のスイッチによって切り替えられるが、セントラルコンピュータが探知した物体を、敵性もしくは不明と判断した場合は自動的にCOMBATに切り替わる。機体のデータバンクにはあらゆる兵器の情報が入っており、探知した物体は自動的に判別される。データバンクにない場合はデータリンクを使用し自身を管制している指揮所もしくは管制機、最終的には中央指揮所のデータバンクにアクセスし、判別される。それでも対象が不明とされた場合、自動的に対象の分析を開始し、情報を収集する。対象の分析は、形状、サイズにかかわらず5個まで同時分析が可能である。

セントラルコンピュータは当初は並列処理可能な2台の高性能コンピュータユニットを搭載する予定であったが、最終的には自己相似ネットワーク型のコンピュータ1台となっている。このコンピュータシステムはメインメモリと一体型となった極小のCPUをLANネットワークでつなぐ事でグリッドコンピューティング的な処理を可能とする。飛行時、コンピュータに何らかの不具合があった場合はその部分のCPU群を切り離し、他の部分にその処理を代行させることで全体の機能不全を防いでおり、信頼性を飛躍的に向上させた。個々のCPUユニットは、不具合がおきにくいような設計になっているが、それでも最新鋭のシステムのため、全CPUユニットのうち50％に異常が発生しても作戦行動に支障が出ないよう、余裕を持って設計された。ユニット本体はコクピット後方に搭載されており、1000個のCPUユニットに手作業で分解することが可能で、不具合が発生した箇所のCPUユニットを丸々交換することでメンテナンスも容易にしている。

さらに機体の主要システムは、セントラルコンピュータ内にプログラムとして組み込まれており、火器管制、飛行制御、エンジン制御等を高度に統合制御している。これにより、セントラルコンピュータは高度なパイロット補助システムとして機能する。

アビオニクスのソースコードは、分散処理に特化した”GridADA”で記述されている。これは従来と異なるシステムであるセントラルコンピュータの円滑運用のため、ADAに独自改良を施したものであり、戦後の自衛隊兵器の電子装備の大半に使用されている言語である。

3軍統合データリンクシステムであるシナプスネットに対応し、共通ユニットパッケージとしてSN-A002を搭載する。旧データリンクより大容量のデータのやり取りを、高度な暗号化を持って行うことが可能となったので、レーダーの生のデータを交換し、飛行隊単位でグリッドコンピューティングを行うことで高い目標探知性を得ることができる。（ただし、大容量データリンクと、複数機による処理能力の向上は、システム構成が同じ機体が、今のところNGDF-Xの試作機群に限られるため、あくまで個々の機体のユニットの実用試験にとどまっている。）

兵装

固定武装は従来の機関砲ではなく、小型のレーザー砲が2基搭載される。
使用レーザーは超短パルスのYAGレーザーで、核融合炉からの大出力でギガワットクラスのパルス出力を発振する。
人工水晶体技術の応用で、ターゲット表面もしくはその内部に焦点を合わせ溶断力を高めている。基本的に近接防御・攻撃の目的で使用され、工業用に比べ厚みのある物体の溶断を行うため、焦点補正用レンズは目標にあわせて高速で厚さを可変させる。焦点の移動距離は目標ごとに厚さを測定しているのではなく、セントラルコンピュータであらかじめ分析、判定された目標の種類にあわせていくつかのモードを切り替えている。モードは航空機用、戦闘機用、ミサイル用、艦船･施設用の4つの基本モードに加え、パイロットが独自に128個まで設定可能である。

初期の計画では、旋回砲塔にする計画であったが、機構の複雑化に伴う整備性、信頼性の低下が懸念されたため、従来機関砲と同様の固定式を採用している。

赤外線波長であるが、焦点を絞って使用していることから最大射程は短く、晴天時の最大溶断可能距離は4500ｍである。視界不良、特に雲中での射撃はほとんど不可能であるが、そこまで限定された条件化でのガンファイトは発生しないと判断された。

兵装は基本的に胴体内の兵器倉に搭載される。兵器倉は内装機器の小型化により広くとられている。兵器倉内は専用ユニットでレイアウトを変更可能で、任務にあわせて兵器の搭載量を自由に変更可能である。
被探知覚悟の攻撃任務等では翼部の外付け式ウェポンステーションも使用され、兵器搭載量をさらに増加させることが出来る。
ミサイル、誘導爆弾等は新規開発のものが搭載され、戦前の兵装との互換性はない。

防御兵装はミサイルのシーカー等の目標識別能力の向上を見越してまったく新しいものが装備されている。
従来のチャフ、フレアとECMと言う構成ではなく、ナノ粒子散布型の小型デコイと、自機のECMを組み合わせた防御システムが構築されている。
デコイに使用されるナノ粒子は、機体気流制御用と同様のものであり、異なるのは、赤外波長、レーダー波を反射するものであるということ。デコイ内のマイクロコンピュータが機体の赤外、電波反射形状を模してナノ粒子を展開、制御し、あたかもそこに目標がいるかのように誤認させる。兵器倉後方の専用ベイに片側10基、計20機装備される。

機体冷却システム

XN-01は極めて高性能な機体を目標に開発されたもので、大出力レーザー砲、核融合炉、多数のレーダー、電子装置等、高度な機材を搭載しているが、それゆえに、機体の排熱が大きな問題となっている。

機体の各部材は、ナノレベルの構造材形成を行っているために高度な断熱及び熱循環を行っているが、それでも莫大な余剰熱量が発生することは避けられず、純粋な空冷のみでは機体の始動を行うことすら不可能である。そのため機体には大出力のパルスチューブ冷凍機が8基備えられ、液体窒素もしくは、専用の冷却液を循環させることで冷却を行っている。

各部の温度管理はエンジンを除き、基本的にセントラルコンピュータが行っているが、セントラルコンピュータが完全にフェイルしたときに備え、予備系統であるダイレクトコントロールコンピュータでも行うことが可能となっている。ただしこの場合は緊急時であると言うことが前提となっているため、各コンピュータに過度の負荷をかけることを避けるために、航法、飛行、通信の必要最低限の部分の冷却しか行われない。

液体窒素系の冷却システムは、主にエンジンシステムの超伝導コイルとMHD発電機の冷却を行っているが、超伝導コイルは、機体の心臓部である核融合炉の作動にきわめて重要なシステムであるため独立した系統であり、エンジン組み込みの緊急用EECとは別にヘリカルコイルの温度管理コンピュータが存在する。

冷凍機の高温部はフラクタル構造を有し、エンジンのコンプレッサーからの抽気によって放熱されており、バイパスダクトを経由し、ノズルもしくはエンジン間のアクセサリーユニットボックス格納部の上部より一括放熱される。ノズル、ナセルの放熱割合は、エンジン推力によって変化し、アイドリング状態では大半がナセル上部で放熱を行う。

本機の製造に当たって使用、実証されたHFシリーズ由来の技術

・ナノ構造体による部品形成術
・核融合炉とその熱循環系
・閉鎖サイクル型MHD発電機
・機体の冷却系統
・主翼の炭素系人工筋肉
・粒子空中固定技術
・耐G性能、構造
・ステルス
・パワーバイワイヤ
・自己相似式セントラルネットワークコンピュータ
・セントラルコンピュータの自己改変機構
・火器管制システム
・情報の解析システム
・画像認識システム
・音声認識システム
・レーザー砲