皆さんこんにちは！
砂漠で飛行している航空機のエンジンは常に｢粉塵｣と戦っています。
これら｢粉塵｣はエンジンに大きなダメージを与えて、エンジン寿命を縮めているのです。
エンジンメーカーはどのように対処しているのでしょうか？
エンジンメーカーが粉塵汚染問題にどう取り組んでいるか
ドバイのような場所の低高度の砂塵は、 新世代エンジンの損耗を引き起こしている。クレジット: Wael Hamdan/Alamy Stock Photo
新世代エンジンの問題は中東などの塵埃の多い地域で深刻に感じられており、粒子状物質の大
量摂取により、3大動力装置メーカーすべての既存のエンジン問題が悪化しています。
欧州の科学者らによる今年の研究では、飛行中にエンジンコアに到達する鉱物粉塵の量は通常
5グラム程度であり、無視できる問題であると指摘されています。
「しかし、多くのエンジンが毎回の飛行でこのレベルの粉塵を吸い込むことを考慮すると、特
に埃っぽい空港を拠点とする航空会社の運航では、累積摂取量がより大きな問題となり始めます。
埃っぽい空港での1,000回の着陸とそれに続く離陸は、約10kgの累積粉塵摂取に相当する」
と研究は指摘しています。
「2018年に実施された、ドバイ周辺地域を代表する組成の約5kgの粉塵を放出する制御され
た粉塵吸入試験の影響により、エンジンの高温部分の汚染レベルは、エンジン性能の劣化を
加速させ、部品の寿命を大幅に短縮するのに十分でした。」
プラット・アンド・ホイットニーのGTFアドバンテージエンジンには、酸化と腐食を軽減するいくつかの技術的進歩が組み込まれています。クレジット: プラット・アンド・ホイットニー
最も大きな損傷は、エンジンが最も高温になる離陸時と上昇時に発生すると、ロールス・ロイ
ス社の技術リーダーで、R&Tデモンストレーターのホットエンドであるアンディ・ミッチェル
氏は説明しました。
「飛行段階中、塵はエンジンコアに吸い込まれ、細かく砕かれ、最終的には高温のタービン
ブレード上で溶けてしまう」と彼は語りました。
「この溶融岩、カルシウムマグネシウムアルミノケイ酸塩（CMAS）は、温度変化によって
タービンブレードが膨張したり収縮したりする際に、タービンブレードの材料コンポーネント
の間に浸透する可能性があります。時間が経つにつれて、タービンブレードの熱バリアが破壊
され、航空機のメンテナンスとダウンタイムの頻度が高くなります。」
ミッチェル氏は、旧世代のエンジンは、例えばエアバスA350-1000に搭載されているトレン
トXWB-97エンジンよりも低い温度で作動するため、損傷を受けにくいと述べました。
ここで組み立て中の写真が見られるトレント XWB-97 のような新世代エンジンは、特に離陸時と上昇時に高温で作動します。クレジット: ロールスロイス
この問題により、高温で過酷な環境でもエンジンを冷却し続けるための研究が促進されました。
「ロールスロイスでは、これらの熱バリアの寿命を延ばし、翼上での飛行時間を最大 30%
延長する革新的な新しいコーティングを開発し、テストしました」とミッチェル氏は述べま
した。「コーティングはジルコン酸ガドリニウムでできており、CMAS と相互作用して粘性
を高めるため、CMAS が同じように材料に浸透することはありません。このコーティングは
現在、トレント XWB-97 で使用されています。」
コーティングを開発するということは、「CMAS自体の働きと、エンジン内を移動する
際にその化学組成がどのように変化するかを理解することを意味した」と彼は付け加えました。
ロールス社のチームは英国マンチェスター大学の地質学者や教授らと協力し、中東の状況を再
現するのに役立つ塵を作成しました。
「テストプロセスには、最高 1,400°C (2,552°F) の高温材料に対する CMAS の影響
を監視するさまざまな段階が含まれていました。私たちはレインボー テストと呼ばれるテス
トを実行し、62 枚のタービン ブレードにさまざまな基準のコーティングを適用して比較結果を評価しました。」
GEエアロスペースは、空中の粒子状物質を模倣することを目的とした新しい化合物「ピクシーダスト」を開発した。クレジット: GEエアロスペースリサーチ
プラット・アンド・ホイットニーの親会社RTXの主任科学者マイケル・ウィンター氏は、粉塵
問題の解決策を見つける必要性が切迫していると語りました。
「航空需要の今後の最も力強い成長は、より暑く、より埃っぽい運航環境にある世界の地域の
一部で起こると予想されます。」
それを念頭に、プラットは、実証済みの CMAS 耐性コーティング技術を組み込んだ
先進的な高タービン翼、燃焼器と高圧タービンの冷却穴のサイズ、形状、位置の最適化、
より効率的な冷却を提供し、酸化と腐食の影響を軽減するコーティングが施された先進的な
合金タービンブレードなど、問題を緩和するためのいくつかの対策を開発しました。
「パワープラントの次の進化形であるGTFアドバンテージエンジンは、基本的に耐久性の高い
構成です。コアを通る空気の流れを増やして推力を高めながら動作温度を下げ、最先端のホッ
トセクションを組み合わせて飛行時間を延ばしました」とウィンター氏は語りました。
RTX は有害な粉塵環境への露出を最小限に抑える対策も開発中であると彼は付け加えました。
「例えば、コリンズ・エアロスペース（RTX傘下企業）は、衛星と地上局を通じて航空管制を
管理し、オペレーターに飛行経路を通知するリアルタイムの気象更新情報や、FlightAware
によるリアルタイム追跡、飛行経路適応および推奨ソフトウェアを提供しています。」
一方、GE エアロスペースのエンジニアたちは、CFM インターナショナル LEAP が直面し
ている問題を理解するために、「魔法の粉」という意外な材料に目を向けました。
GE レポートの記事で、GE エアロスペースのサービスエンジニアリングマネージャーである
カルロス・ペレス氏は、2000年代初頭にLEAPの前身であるCFM56で行われた粉塵テストを
振り返りました。
「砂を使ったのは、このほこりが滑走路の脇から流れてくるという仮説があったからだ。何が
起こるかを見るために、アリゾナの道路のほこりを詰めたちりとりをエンジンの前に置いてお
いた」と彼は書いています。
おそらく驚くことではありませんが、エンジンのファンブレードに損傷があったのです。
しかし、小さな石や小石を集めてファンに噴射するだけでは現実の状況を再現できないため、
粉塵の再設計が必要でした。
GE エアロスペースのエンジニアは、典型的な砂漠の状況を分析し、問題は地上の塵ではなく
空中の粒子にあることをすぐに発見しました。
「この非常に強力なジェットエンジンは、空気中に浮遊する非常に微細な塵によって劣化して
いました。これは人間の髪の毛の10分の1の幅の粒子の話だ」とペレス氏は書いています。
そこでGEは「妖精の粉」を作り出しました。
「博士レベルの地質学者3人と協力し、独自の調合物を製造した」とペレス氏は説明しました。
完成した化合物はタルカムパウダーのような粘稠度を持ち、地面に落ちるのではなく煙のよう
に空中に浮遊するのです。
この超微細粉塵の流れをシミュレートするために、エンジニアたちはテストスタンド上の
LEAP エンジンの前に金属構造物を構築し、エンジンの中心部への粉塵の流れを制御できる装
置をサポートしました。これにより、エンジンサイクルを何千回も繰り返すことができました。
まとめ
私が中東で働いていたけんけんを言いますと、夏季は1週間に1回は砂嵐が起こっていました。
それは、正に映画のワンシーンのような一瞬の出来事ですが、その威力はすさまじくまったく
視界を奪ってしまい身動きができない状況になります。そして、エンジンは元より機体や人体
までにも悪影響を及ぼすことです。
私はカーゴ（貨物）フライトでしたので、灼熱の日中は飛行せず、日が落ちて気温が低くなる
夜に飛行していました。このことによって比較的低温（それでも30度以上はあります）の状況
下でエンジンを守ることができました。また砂塵がひどいときや日中は、エンジンカバーを付
けるなど身を守っていました。格納庫に入れば軽減もできるのでしょうが、そんな格納庫を作
る資金はありません。ですので中東の航空機は寿命が短いのかもしれません。そんな過酷な
条件でもエンジンは耐えなければいけません。
それでは今日はこの辺で・・・
またお会いできる日を楽しみにしています。
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