皆さんこんにちは！
新しいエンジンの開発は、脱炭素を含め飛行機の効率を上げる最も重要な要素です。
今回は、エンジンの開発の今を観ていきます。
エンジン開発
次世代旅客機向けの新しいエンジン開発である CFM RISE。（クレジット: CFM.）
なぜエンジン開発はこんなに難しいのでしょうか？
前回新しい航空機技術に関する一連の記事を終了しました。それは、次世代旅客機
が効率とそれによって環境排出量を向上させるために使用できるさまざまな新技術
を扱いました。
私たちが触れたが、深く掘り下げなかった分野は、エンジン開発でした。歴史的に
機体の開発が新世代の航空機の開発にかかる期間を決定していたとき、最後の世代
ではエンジン開発がよりカレンダーに時間がかかり、よりリスクの高い開発である
ことに徐々に変わりました。この一連の記事では、その理由とその対策について
説明します。
新しい旅客機エンジンの開発がなぜそれほど難しいのかを説明する前に、プロペラ
の時代からの機体とエンジンの発展を見てみましょう。
プロペラからジェット機まで
ロペラ旅客機の時代、ダグラス DC-6 または -7 は、何らかの問題により 1 つの
エンジンのスロットルを下げた状態で長距離の目的地に到着することがよくありま
した。当時の長距離旅客機には 4 つのエンジンが搭載されていましたが、それには
十分な理由がありました。
双発プロペラ旅客機は国産タイプであり、迂回飛行場までの距離が長い水上や遠隔
地の上空を飛行するようには構成されていませんでした。航空機エンジンは、機体
ではなく、旅客機の信頼性の低い部分でした。
ジェット機の時代がこれを変えた。より高速かつ高度に移行する中で、機体技術は
新たな問題に直面しました。開発とサービスの両方で、壊滅的な制御や構造の障害
が発生するケースが多数ありました。旅客機はより高い高度とより高速で飛行して
いたため、いくつかの未知のことが明らかになりました。
新しいジェットエンジンには、初期の信頼性の問題（ミッション中に故障する）
や耐久性の問題（長期間翼に留まる）もあったが、エンジン業界はなんとか信頼
性を高め、水上や遠隔地での双発飛行が可能になるまでに高めた。迂回空港まで
120 分の地域は 1985 年に認められました。
双発機のボーイング 767 やエアバス A330 で大西洋を横断できるようになりまし
た。これらの航空機には、信頼性の高い中バイパス プラット＆ホイットニー、GE
アビエーション、またはロールスロイス エンジンが搭載されていました。時間が経
つにつれて、これらのエンジンは耐久性が向上し、最大 30,000 時間の飛行時間に
わたって翼上に留まり続けました。これは、これらの航空機の場合、オーバーホール
の間隔が 10 年であることを意味します。
耐久性が登場
航空会社は双発ジェット機の成熟したエンジンに慣れてきました。しかし、エンジ
ンのいくつかは、ダグラス DC-10 やボーイング 747 のような 3 つまたは 4 つの
エンジンを搭載した航空機でその寿命の初期に使用されることで信頼性を獲得しま
した。
エンジンが 767 と A330 に移行されたとき、これらの航空機ではすでにエンジン
が磨かれており、初期の問題の多くはマルチエンジン プラットフォームで解決され
ました。
ボーイング 777 は、専用に開発されたエンジンを搭載した初の双発長距離旅客機で
した。新しいエンジンにもかかわらず、FAA は導入時に ETOPS 180 を搭載した最
初の双発旅客機として承認しました。
これまでの大型エンジンは、ダグラス DC-8、ボーイング 707、747 (PW4000) の
ような 4 発エンジンのプラットフォーム、または 3 発エンジンのダグラス DC-10
(CF6-80) またはロッキード トライスター (ロールスロイス RB211) で誕生しました。
777 エンジンの性能は良好で、EASA は ETOPS 120 に基づく信頼性を 1 年間実証
した後、ETOPS 180 評価を承認しました。
エンジントラブルの受け入れ不可
信頼性の高いエンジンを求める傾向は、ボーイング 787 やエアバス A350 の世代
にも続きました。しかし、使用中に耐久性の問題が表面化しました。ロールスロイ
ス トレント 1000 は 787 に大きな耐久性の問題を抱えており、航空会社は過酷な
環境で A350-1000 エンジンの主翼に費やす時間は容認できないと考えています。
エアバスA320シリーズやボーイングの737MAXのエンジンアップグレードも同様
です。エンジンの信頼性から飛行の安全性は問われないが、エンジンの耐久性が
十分ではなく、オーバーホールショップが交換が必要な部品を修理できないため、
多くの航空機が駐機しています。
エンジンがトラブルを引き起こしている一方で、787、A350、または A320 シリ
ーズの機体には事実上トラブルはありません (残念ながら、これは 737 MAX には
当てはまりません)。
機体はトラブルのない航空機を製造できるのに、エンジン OEM はなぜトラブルの
ないエンジンを開発できないのでしょうか?この新しい記事シリーズでは、この疑問
について検討していきます。
推力の発生
航空機エンジンにおける推力の発生
すべての航空機エンジンは、ピストン エンジン、ガス タービン ベース、または
電気エンジンのいずれであっても、同じ原理を使用して推力を生成します。推力
を得るために、それらはすべてエンジンからの空気を後方に加速させ、したがっ
て飛行機を後方に加速させます。
空気を後方に加速すると、エンジンは航空機を前進させる反力を生成します。
図1 空気を媒体とした推力発生原理。出典: NASA。
図 1 は、風船を膨らませて空気を染み出させた例を示しています。この反力によって
バルーンが前方に推進されます。
作用と反作用はニュートンの第 3 法則で説明されます。ニュートンの第 2 法則によ
れば、生成される力は移動する質量とこの質量の加速度を掛けたものになります。
空気の重さは海面では 1 m3 あたり 1.23 kg ですが、旅客機の通常の巡航高度であ
る 35,000 フィートでは約 1/3 になります。
航空機エンジンはさまざまな方法で空気を加速します。捕らえられた空気がエンジン
を通過するときに対気速度が増加する限り、推力が発生します。
長年にわたり、飛行機の設計者は、航空機の抗力を克服するために必要な推力を得る
ために空気を加速する最も効率的な方法を模索してきました。レオナルド ダ ヴィンチ
は、「Arial スクリュー」 (図 2) でねじ込み動作を使用して、空気を下向きに加速し
て揚力を生成したいと考えました。
図 2. 1487 年のレオナルド ダ ヴィンチの「Arial Screw」。出典: Wikipedia。
ライト兄弟と初の動力飛行を競い合ったサミュエル ラングレーのような航空学の先駆
者は、パドル型プロペラに布で覆われたプロペラ設計を使用しました (図 3)。これは
おそらく風車のローターからインスピレーションを得たものと思われます。
図3. 布地で覆われたパドルプロペラを備えたサミュエル・ラングレー飛行場第5飛行場。出典: 国立航空宇宙博物館。
ライト兄弟は、効率的なプロペラブレードの形状に関する空気力学的研究を初めて実
施しました。図 4は、兄弟が翼形 (モデル 15) とプロペラブレード (モデル 31) の
研究に使用した自家製風洞を示しています。
図 4. 測定された翼とプロペラの試験片を備えたライト兄弟風洞、および力の測定に使用される天秤。出典: NASA。
より高速での推力
プロペラは時速約 500 マイルまたは 450 ノットまでは効率的な推力発生装置で
した。より速く飛行するために、航空機の速度に先端の回転速度を加えるプロペ
ラ先端が超音速になり、これはプロペラ効率の大きな衝撃波損失を意味しました。
別の影響により、プロペラは高速飛行に適さなくなりました。プロペラは、プロ
ペラが掃引される領域内の空気をより高い速度まで加速することによって推力を
伝達します。この空気は周囲の空気と比較してデルタ速度を持ち、これを空気超
過速度と呼びます。
したがって、推力=エンジンを通過する空気の質量流量と空気の過速度を掛けた
ものとなります。
大きな空気質量流量を低い過速度まで加速することによって(プロペラの場合)、
小さな空気質量流量を大きな過速度まで加速することによって推力を供給するこ
とができます(ジェット エンジンの場合)。合計が同じであれば、航空機の前進速
度がゼロの場合でも同じ推力が得られます。
無速度または低速では、大量の空気を低い過速度まで加速するのに必要な電力は、
その逆よりも少なくなります。空気の質量流量が高く、過速度が低いほど、エン
ジンの推進効率は高くなります。その逆もまた真です。低い空気質量流量を高い
過速度まで加速するエンジンを使用して、低い航空機速度で推力を生成するのは
非効率的です。
これらのどちらの場合も、空気質量流量と空気過速度の積が同じであれば、離陸
時に同じ推力が得られます。しかし、航空機の速度が増加すると、最初のケース
(プロペラ) では、2 番目のケース (ジェット エンジン) よりも比例して速く過速
度が減少します。この影響は推力の速度低下と呼ばれ、過速度が低いエンジン設
計に大きな影響を与えます。
この効果は、エンジン設計者が、使用される航空機の運用プロファイルに合わせ
て規定の過速度 (エンジン用語で比推力と呼ばれる) でエンジンを設計することを
意味します。低速の航空機の場合は過速度を低く設計し、高速の航空機の場合は
過速度を高くして設計します。
したがって、低速ではプロペラが効率的なソリューションですが、マッハ 2 を超
える速度ではストレート ジェットが最適なソリューションです。その中間にある
バイパス ターボファンが優れたソリューションであり、バイパス比は航空機の速
度レジームに合わせて調整されます。これについては次のコーナーで詳しく説明
します。
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