音速の壁はなぜ「壁」だったのか——遷音速域の物理と、それを乗り越えた技術の話

1947年10月14日、チャック・イェーガーはベルX-1に乗り、高度約1万2800メートルでマッハ1.06を記録した。人類が水平飛行で初めて音速を超えた瞬間とされる。

このとき彼は、骨折した肋骨をかかえたままコックピットに乗り込んでいた。搭乗口の扉を閉めるにも、前かがみになれない状態だったため、フライトエンジニアのリドリー大尉がモップの柄で扉を閉める方法を提案したという。そして飛行後、彼はこう述懐している。「マッハ0.88ぐらいから振動が激しくなっていって、0.95、0.96と速度が上昇。計器の針がマッハ1.0の目盛から飛び出した途端に機体の振動が止まった」。

壁を越えた途端に、振動が止まった。なぜ、そういうことが起きるのか。そもそも、なぜ音速は「壁」だったのか。

音速が「壁」になる物理的な理由
何が具体的に問題だったか
X-1はどうやって壁を越えたか
YF-102の失敗とエリアルール
「壁」は二重の意味だった
問いへの答えとして
参考・出典

音速が「壁」になる物理的な理由

亜音速で飛ぶ航空機の前方では、機体が近づいてくるという情報が圧力波として空気中を伝わっていく。空気はあらかじめその情報を受け取り、機体の形に沿って流れの準備ができる。いわばスムーズな道案内が機能している状態だ。

ところが速度が音速に近づくにつれて、この「前触れ」が追いつかなくなってくる。機体と同じ方向に進む圧力波は、機体そのものに追いかけられる格好になり、やがて積み重なって圧縮されていく。これが衝撃波の正体だ。

重要なのは、この衝撃波が機体全体に一斉に発生するわけではないという点だ。翼の上面では空気の流れが加速されるため、機体全体がマッハ0.8程度の飛行でも、翼上面の局所的な流れはすでに音速に達し始める。その結果、機体が「まだ亜音速」であるにもかかわらず、翼上面に部分的な衝撃波が生じる。この「中途半端な状態」をトランソニック（遷音速）領域と呼ぶ。おおよそマッハ0.8から1.2の範囲がそれに当たる。

この遷音速域が、航空工学にとって最も厄介な領域だった。亜音速でも超音速でもなく、両方が混在している。その非対称な流れが機体を予測不能に揺らし、急激な抗力の増大と、操縦系統の効きの劣化を引き起こす。

何が具体的に問題だったか

遷音速域で生じる問題は、おおよそ三つに整理できる。

造波抵抗の急増が一つ目だ。衝撃波の発生によって空気の運動エネルギーが急激に熱と音に変換され、抗力が跳ね上がる。この造波抵抗は音速付近で急増するため、同じ速度を維持するためのエンジン出力が何倍も必要になる。

**バフェッティング（激しい振動）**が二つ目だ。衝撃波の後方では境界層が剥離し、乱流が発生する。この乱れた流れが翼や機体尾部にぶつかり、予測が難しい振動を引き起こす。構造的な疲労や空中分解につながることもあった。

操縦性の喪失が三つ目だ。遷音速では、エレベーター（昇降舵）がほとんど効かなくなる現象が起きる。翼と同様に、水平尾翼の上でも衝撃波が発生し、機体の姿勢制御が困難になるためだ。第二次大戦中、急降下試験中に操縦不能に陥ったパイロットの報告が相次いだ背景には、この現象があった。

X-1はどうやって壁を越えたか

ベルX-1の設計思想は、ある意味で大胆なほど割り切ったものだった。遷音速域での挙動が未解明だったため、エンジニアたちは当時すでに音速を超えることが確認されていた物体、つまり12.7mm弾丸の断面形状を参考に機体を設計した。「翼のある弾丸」という外見はそこからきている。

操縦性を確保するために、X-1は通常の昇降舵ではなく、水平尾翼全体の取り付け角を変えられる「全動尾翼（オールムービングテール）」を採用した。これは、衝撃波によって昇降舵が効かなくなっても、尾翼全体を動かすことで機体の姿勢を制御できるようにする工夫だった。エレベーターが死んでも、尾翼そのものを動かせば機首は上下に動く。

推力はロケットエンジン4基で賄った。ジェットエンジンは当時まだ遷音速域に突っ込むだけの推力を持っていなかったため、燃焼時間は短くても圧倒的な瞬発力を持つロケット推進が選ばれた。X-1は自力で離陸できず、母機のB-29から高空で空中投下される形で運用された。

そしてイェーガーが述べたように、マッハ1を超えた瞬間に振動は止まった。これは、完全に超音速の領域に入ると、遷音速域の「亜音速と超音速の混在」が解消され、流れが安定するからだ。壁の向こう側は、思ったより穏やかだった。

YF-102の失敗とエリアルール

音速突破そのものは1947年に達成された。しかし、「普通の航空機として音速を超える」ことは、その後も容易ではなかった。

1953年、アメリカ空軍はデルタ翼の超音速迎撃機YF-102を開発した。ソ連の爆撃機を迎撃することを目的とした機体だった。ところが試験の結果、YF-102は水平飛行で音速を突破できなかった。遷音速域での造波抵抗が予想以上に大きく、搭載エンジンの推力では超えられなかったのだ。計画中止の危機に陥る。

この問題を解決したのが「エリアルール」という設計概念だった。NACAのエンジニア、リチャード・ウィットカムが1952年に発見した原理で、機体を機首から尾部にかけて「輪切り」にした断面積の変化をなだらかにすることで、造波抵抗を大幅に下げることができるというものだ。

問題はこうだ。機体の胴体だけを見れば断面積はなだらかだが、主翼の位置では胴体に加えて翼の断面積が加わるため、そこで急激な断面積の増加が起きる。これが衝撃波を強める原因になっていた。解決策は、主翼の取り付け部で胴体を「くびれ」させること。こうすることで、機体全体の断面積変化がなだらかになる。

この設計変更を受けたYF-102A（Aはエリアルール適用版）は、マッハ1付近での抗力が半分近くに減少し、1954年12月21日に上昇中にあっさりと音速を突破した。胴体のくびれはその形状から「マリリン・モンロー型」あるいは「コカ・コーラ型」と呼ばれた。このくびれた胴体の形は、現在に至るまでほぼすべての超音速機に引き継がれている。