ジェットエンジン

ジェットエンジンの種類

アートワーク。 ジェットエンジンの主な6種類をまとめました。 それぞれの説明は以下の文章で、さらにNASAの素晴らしいウェブサイトへのリンクがあり、そこではさらに多くの図やアニメーションが見られます。

すべてのジェットエンジンとガスタービンは、ほぼ同じ仕組み（空気を入口から吸い込み、圧縮し、燃料で燃やし、排気をタービンで膨らませる）なので、入口、圧縮機、燃焼室、タービン（この順番で並んでいます）、これらを走るドライブシャフトという5つの主要部品を共有しています。 しかし、類似点はここまでです。エンジンの種類が異なれば、（タービンによって駆動される）余分な部品があり、入口は異なる方法で機能し、複数の燃焼室があり、2つ以上のコンプレッサーと複数のタービンがあるかもしれません。 航空宇宙用のエンジンは、できるだけ小さく、軽く、静かに、最小限の燃料で最大限の力を出す（つまり効率を最大にする）ために、綿密なエンジン設計が行われています。 地上（発電所など）で使用されるガスタービンは、必ずしも同じように妥協する必要はありません。小型・軽量である必要はありませんが、確かに最大出力と効率は必要です」

Turbojets

Photo: B-52Aは8基のプラット＆ホイットニーJ-57ターボジェットを搭載し、それぞれが約1万ポンドの推力を発生させることができました。 ターボジェットは、ガスタービンをベースにした最もシンプルなジェットエンジンで、高温の排気を後方に噴射して飛行機を前進させる基本的な「ロケット」ジェットです。 ターボジェットは、エンジンから出る排気が、エンジンに入ってくる冷たい空気よりずっと速いので、それで推力を得ているのです。 ターボジェットでは、タービンはコンプレッサーに動力を与えるだけなので、排気からエネルギーを奪うことは比較的少ない。

ターボジェットは、常に一定量の出力を生み出す基本的な汎用ジェットエンジンなので、特に目立った動き（急加速や大量の貨物の運搬など）を必要としない小型で低速のジェット機には適している。 ターボジェットについては、NASAのサイトでも紹介されています（アニメーションを使ったエンジンもあります）。 この米軍のシーホーク・ヘリコプターのローターの下に見える灰色の筒は、ツインターボシャフトエンジンの1つです。 反対側にもまったく同じものがある。

ヘリコプターがジェットエンジンで駆動しているとは思わないかもしれません。 ターボシャフトは、排気ガスが比較的小さな推力を生み出すので、ターボジェットとは大きく異なります。 ターボジェットではタービンが動力のほとんどを受け持ち、そのタービンを介してドライブシャフトがトランスミッションと1つ以上のギアボックスを回し、ローターを回転させます。 ヘリコプターのほかにも、電車や戦車、船などにもターボシャフトエンジンが搭載されています。

Turboprops

写真提供:日本郵船株式会社 ターボプロップエンジンは、プロペラの動力にジェットエンジンを使用する。 ヘリコプターのターボシャフトに似ていますが、頭上のローターに動力を与えるのではなく、内部のタービンが前面に取り付けられたプロペラを回転させ、飛行機を前に押し出す仕組みになっています。 ターボプロップは、ターボシャフトとは異なり、排気ガスから前方への推力を発生させるが、推力の大部分はプロペラから得られる。プロペラ機はゆっくり飛ぶため、空気抵抗と戦うエネルギーの無駄が少なく、貨物機などの小型軽量機では非常に効率的な機体である。

ターボファン

写真：NASA。 ターボファンエンジンは、内側ファンと外側バイパス（内側ファンと外側ケースの間に見える小さいリング）を使って、より大きな推力を生み出します。 このエンジンは1基あたり43,000ポンドの推力を発生します（上のストラトフォートレスエンジンの約4.5倍）。 Photo by Lance Cheung courtesy of US Air Force.

巨大な旅客機の前面には巨大なファンが取り付けられており、超効率的なプロペラのように動作します。 このファンには2つの働きがあります。 このファンによって、エンジンの中心（コア）を流れる空気がわずかに増加し、同じ燃料でより多くの推力を生み出します（これにより、「より効率的」になります）。 また、空気の一部をメインエンジンの外側に吹き出し、コアを完全に「バイパス」して、プロペラのような空気の逆流を発生させます。 低バイパス・ターボファンはほぼすべての空気をコアに送り込み、高バイパス・ターボファンはより多くの空気をコアの周囲に送り込みます。 低バイパスターボはほぼすべての空気をコアに送り、高バイパスターボはより多くの空気をコアに送る。高バイパスエンジンでは、比率は10：1かもしれない、これは10倍の空気がコアを通してよりも周りを通過することを意味する。 また、バイパス設計は、ジェットエンジンを冷却し、より静かなものにします。 5304>

ラムジェットとスクラムジェット

写真：NASAのターボファンについてもっと読む。 このため、理論的には、吸気口を急速に先細りのノズルとして設計すれば、コンプレッサーやタービンの動力がなくても、入ってくる空気を自動的に圧縮することができます。 このようなエンジンはラムジェットと呼ばれ、空気が高速で移動する必要があるため、超音速や極超音速（音速より速い）の飛行機にしか適さない。 音速より速い空気がエンジンに入ると、圧縮されて亜音速に減速され、燃料と混合され、フレームホルダーという装置で点火され、従来のターボジェットのようなロケットのような排気が行われる。 ラムジェットはロケットやミサイルのエンジンに使われることが多いが、空気を吸うので宇宙では使えない。 スクラムジェットは、超音速の空気がエンジン内を高速で通過しても減速しない点を除けば、似たようなものです。 超音速のままであることで、空気はより高い速度で出て、ラムジェットで動く飛行機よりもかなり速く飛ぶことができます（理論的には、マッハ15まで、つまり音速の15倍の「極超音速」領域まで）。 現代のジェットエンジンは、フランク・ホイトルと彼のライバルであったドイツのハンス・フォン・オハインが発明したものに比べて、約100倍も強力です。 赤いブロックは、現在世界で最も強力なエンジンであるGE90を示す。

ジェットエンジンの歴史

• ～1800年代。 イギリスの発明家ジョージ・ケイリー（1773-1857）は、簡単な模型を使って、翼を持ち上げた現代の飛行機の基本設計と運用を考え出した。 しかし、彼の時代には石炭を燃料とする蒸気機関しかなく、飛行機を動かすには大きく、重く、非効率的であった。 このエンジンは、比較的軽く、クリーンで、石炭よりもはるかに実用的なエネルギーであるガソリンを燃料として作動する。 イギリスのチャールズ・パーソンズ卿（1854-1931）は、蒸気タービンとコンプレッサーを開発しました。 ウィルバー・ライト（1867-1912）とオーヴィル・ライト（1871-1948）の自転車兄弟が、単葉機の翼に固定した2つのプロペラにアガスエンジンを搭載し、初の動力飛行に成功しました。 フランスのルネ・ロラン（1877-1933）が、最もシンプルなジェットエンジンであるラムジェットを発明する。 ルーマニア出身で主にフランスで活躍したアンリ-マリー・コアン（1885-1972）が、プロペラの代わりに大きな空気ファンを動力源とする世界初のジェット機「コアン-1910」を製造しました。 アメリカの宇宙開発者ロバート・ハッチングス・ゴダード（1882-1945）は、液体燃料の多段ロケットに関する最初の2つの特許を取得しました。 プラット&ホイットニー（現在の世界最大の航空エンジンメーカー）が、最初のエンジンである9気筒のワスプを製造する。 ドイツ人エンジニアのアレクサンダー・リピッシュ（1894～1976）が、実験用のグライダーにロケットエンジンを搭載し、世界初のロケットプレーン「リピッシュ・エンテ」を開発する。 英国人技師アラン・グリフィス（1893-1963）は、「タービン設計の空気力学的理論」という古典的論文で、ガスタービン・エンジンを飛行機の動力源とすることを提案しています。 この論文により、グリフィスはジェットエンジンの理論的父となった（ジェットエンジンの圧縮機には単純な平板翼ではなく、曲面翼が必要であることを明らかにするなど、多くの貢献をしている）。 その後、世界有数の航空機エンジンメーカーであるロールス・ロイス社の主任研究員として、ターボジェット、ターボファン、垂直離着陸機（VTOL）のパイオニアとなる
• 1928: 若干21歳のイギリス人エンジニア、フランク・ホイットル（1907-1996）がジェットエンジンを設計するが、イギリス軍（とその顧問であるアラン・グリフィス）は彼のアイデアを真剣に受け止めようとしない。 しかし、英国軍（とその顧問であったアラン・グリフィス）は、彼のアイデアを真剣に受け止めようとしなかった。 1937年には、初の近代的なジェットエンジンを完成させるが、これは地上での試作品に過ぎなかった
• 1936: ホイットルがバイパス・ターボファン・エンジンを発明し、特許を申請する。 1938年に設計された彼のHeS 3Bエンジンは、1939年8月27日に世界初のターボジェット機としてハインケルHe-178の初飛行に搭載されました。 アメリカの航空宇宙エンジニア、チャールズ・カマン（1919-2011）は、ガスタービンエンジンを搭載した最初のヘリコプター、K-225を製造しました。
• 2019: ゼネラルエレクトリックGE9Xは、GE90をベースに、10：1の高いバイパス比、より少ないファンブレード、および優れた材料を使用して、より少ない騒音と排出量で10％の燃料効率と5％の燃料消費量の低下を実現します。 しかし、推力は大幅に低下します（約470kNまたは105,000lbf）。