皆さんこんにちは！
航空機のエンジン開発は、永遠の課題です。航空機黎明時代は、出力が全てでした。
しかし、騒音や燃費向上など新たな課題を次々と解決していかなければなりません。
今回は、ジェットエンジンのオープンローター開発に注目してみました。
オープンローター、長期にわたる開発
機体とエンジンの開発
私たちはエンジン技術と、なぜいくつかの技術を成熟させるのが難しいのかを検討しまし
た。次に、以前のエンジン開発と現在のエンジンを比較しました。記憶は短いですが、
以前の世代のエンジンは、現在の世代のエンジンよりも信頼性と耐久性の問題が大きいことが
わかりました。
ここでは、主要なエンジンと機体の開発のタイムラインについて説明します。
1988 年の第 1 世代 GE-36 オープン ファン。出典: Wikipedia。 (図 2)
機体
私の友人は、新世代のチューブアンドウィング型旅客機を開発している経験豊富なプログラム
マネージャーです。彼は、推進力の分野で新しい技術を採用したプログラムを管理しています。
推進技術は技術的およびその他の課題をもたらしますが、機体部分には課題はありません。
「機体の開発と認証において、従来のチューブと翼の機体であれば、未知の未知数はほとんど
残っていないという段階に達しました。私たちは、この種の開発、認証、生産を行う方法を知
っています。」
これは、機体が、翼に吊り下げられたエンジンと古典的な水平および垂直尾翼を備えたチュー
ブと低翼の機体という古典的な設計原理に従っていることを前提としています。
エンジンを翼から吊り下げて、許容できる高さの着陸装置を使用できる機体サイズになると、
このテーマのバリエーションは市場にほとんどありません。
この設計の利点は、エンジンを後部に搭載したり、翼を高くしたり、T 字型テールを備えた以
前のバージョンと比較すると顕著です。これらのバージョンは構造的に効率が低く、空力的な
利点はありません。エンジン、着陸装置、および翼の力を翼の内側の限られた領域に集中させ
ることは、構造的に効率的です。パイロンを備えた翼に搭載されたエンジンによって発生する
空力損失は、レイアウトの利点と比較すると小さいものです。
過去数十年間のもう 1 つの開発分野は、構造の材料システムです。複合材は、主要構造におけ
るその部分を拡大してきました。ただし、これは非常にゆっくりとしたものであり、材料の変
化に関する経験は、過去 50 年間にわたって蓄積されてきました (最初の大型複合材構造は、
エアバス A300 の垂直尾翼でした)。
フライバイワイヤの開発も同様の道をたどり、コンコルドで初めて採用されてから 48 年が
経ちました。開発は徐々に進められ、最初はピッチ チャネル用のアナログ システムが採用
され、その後徐々にロール チャネルに適用され、最近ではヨー チャネルにも適用されました。
デジタル技術とそのソフトウェアが十分に理解され、安全になると、アナログ技術は徐々に
デジタルで計算された飛行法則に置き換えられました。
エンジン
エンジン技術には、機体技術と同様に徐々に発展してきた技術分野がいくつかあります。
例としては、さらに優れた鋳造方法 (方向性結晶、単結晶)、冷却経路、コーティングによる
タービンブレードとノズルの開発が挙げられます。
しかし、より大きな技術的飛躍を遂げた開発もありました。その例としてはファン ギアボッ
クスが挙げられますが、主な問題はギアボックス自体ではなく (航空機の遊星ギアボックスは
100 年以上前のものです)、数日前ではなく数か月前に問題を予測する技術でした。
プラット・アンド・ホイットニー社がこの技術を完成させ、実証するまでに 30 年以上かかり
ました。高速で回転するコンプレッサーとタービン、および低速で回転するファン間のギア
減速の適用は、現在では認められ、確立された技術となっています。
もう 1 つの技術は、オープン ローターまたはファン技術です。GE は 1986 年に第 1 世代
をボーイング 727 で飛行させました (図 2)。
図 2. 1986 年に飛行中の 727 に搭載された GE-36。出典: Wikipedia。
騒音レベルと振動が非常に高く、1973年の危機以降燃料価格が下がったため、この技術は
航空機に使用できるレベルまで開発されませんでした。
GE はオープン ファンの開発を決してやめませんでした。NASA とのいくつかのプログラム
で、主な問題である音のレベル (圧力波であり、したがって表面圧力と振動の主な原因) を
少しずつ改善し続けました。
約 15 年前、音源の詳細と対処方法が判明しました。次の問題は、エンジンのギアボックスの
複雑さでした。初期のオープン ローターでは、渦流のない推力流を実現するために、ダブル
プラネタリー ギアボックスの同心ドライブ シャフトを使用していました。
セットアップを固定式デスワーラーに簡素化し、エンジンを回転させるという提案は、約
10 年前になされました。ファンの流れを詳細に理解し、それに続くシミュレーションにより
ローターの 1 つを固定してもエンジン効率を低下させることなく実行できることがわかりました。
GE オープン ファンの成果を基に開発された CFM RISE エンジンは、2035 年までに大規
模に運用開始できるほど成熟する見込みです。その時点で、この技術の総開発期間は 55 年
となり、かなりの時間と資金の投資が必要になります。
結論
燃料消費量の最大の削減は、新世代のエンジンによるものです。エンジンは最大 20% の燃費
向上が可能ですが、機体の進化による燃費向上は 10% 未満であると一般的に考えられています。
燃料削減の進歩は、航空輸送による環境排出を削減する最も効果的な方法です。燃料削減の進
歩は、新世代機の就航と同時に実現され、新たな法律や政府からの補助金も必要ありません。
これは、これまで効果的であった唯一の環境改善技術であり、代替推進コンセプトの進歩と
ペース、および SAF の生産と採用を考慮すると、2050 年まで最も効果的な方法であり続け
るでしょう。
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