第１２章 ジェットエンジンの原理と初期の歴史（その３）

第１２章　ジェットエンジンの原理と初期の歴史（その３）

12.3 自立運転の成功

　ガスタービン自身の自立運転は、タービンで得られる回転力が、自己の圧縮機を回すための力を上回ることで成立する。その残りが動力となって利用されるので、従って、圧縮機とタービンの効率が高くないと必要な出力を得ることはできない。実は、エンジンのスタートからアイドリングまでの熱力学サイクルの安定がもっとも難しい。従って、スタートからある回転数までは、スターター（補助始動装置）による補助が必要になる。このために、自立運転の成功までには、長い年月と多くの失敗が重ねられた。

　また、ジェットエンジンの場合には、タービン出口で高速なジェットを噴き出すための圧力が維持されていなければならず、しかも、安全のためには、いずれの状態からでも急加速が安定して行われることが要求される。従って、更に高い効率と安定性が要求される。
　英国人フランク・ホイットル（Frank Whittle、1907-1996）は空気が希薄な高空を高速で飛ぶ航空機にはジェットエンジンが必須の機関であること主張し、特許を出願して自ら試作を繰り返し、ついに自立運転に成功した。その後、当時戦禍の中にあった欧州で、ジェット戦闘機用のエンジンとしての開発競争が急速に進み、彼は、その功績により英国女王よりサー・フランクの称号を得て、ターボジェットエンジンの先覚者として讃えられている。

12.3.1ホイットルによる成功

　彼は、英国空軍大学(Royal Air Force College)の飛行士官候補生として勉学し、優秀な成績で卒業後ケンブリッジ大学工学部に派遣された。彼は、グリフィスが主張する軸流式ターボプロップエンジンではなく、構造が簡素な遠心式ターボジェットこそが早期の戦力化に適する、と反駁する論文「航空機設計の展望」(Future Developments in Aircraft Design) を1929年に軍需省に上申し、翌1930年1月これを特許(Patent347206)として出願した。そこには、（図2.5）に示される基本図が示されている。（１）


図12.5　ホイットルの特許に示された図面（１）

　しかし、彼のアイデアは当時の技術では実現が不可能と考えられ、諸権威から逆風を受けた。そのために、航空省はわずか５ポンドの更新料を払わずに、特許は失効した。そこで、彼は1935年に改めて実験用ターボジェットの特許(Patent459980)を申請した。そして、1936年にPower Jet Ltd. を設立し、WU（Whittle Unit）シリーズの実験用エンジンを次々に製作し、実験を続けた。最初の仕様は、圧縮機効率80％、タービン効率70％、燃焼器出口温度1052°K、推力は630kgとされていた。その時の様子を示す写真と図が残されている。


図12.6　実験中のホイットル（１）　


図12.7 最初のホイットルエンジン（１）

　ホイットルは、その後ＷＵ Model２（図12.8）とＷＵ Model３（図12.9）を製作し、実験を続けた。しかし、研究資金不足のために必要とされる要素試験は行えずに、いきなりエンジン試験を繰り返すことになり、ジェット戦闘機への搭載への道は厳しかった。

図12.8　ＷＵ Model２（１）


図12.9　ＷＵ Model３（１）

　彼は、第２次大戦後の1976年に、待遇改善を求めて米国に移住した。彼が再び英国に戻ったのは1986年8月、長年の業績が讃えられてSir Frank とLady Whittleとしてであった。Whittle 夫妻は、英女王とアフターヌーン・ティーを共にし、英国首相から表彰された。（図12.10）そこには、「20世紀の偉大なエンジニアであり、我々の生活を変え、過去には考えられなかった旅行を可能にした」と記されている。（１）　


12.10　英国の首相から表彰（１）

第12章 ジェットエンジンの原理と初期の歴史（その２）

12.2 ジェットエンジンの原理
　
　飛行機が高速で飛べる原理は、単純に考えれば作用と反作用だけの問題となる。つまり、プロペラ機やジェット機と扇風機は同じ原理になっている。（図12.2）　扇風機は風が発生しても動かないが、それは発生する力が弱く、扇風機自身の重量による台座の摩擦力に勝てないからで、もし車を付けた台座に乗せれば、風と反対方向に動く。（２）同様に、プロペラ機でも、プロペラの回移転数が低いときには、発生する力は弱く、ブレーキによって停止している。


図12.2 推進に貢献する反作用（２）

　ジェット機の場合も同様で、エンジンがアイドリング（待機状態での運転）の時には飛行機は動いてはならない。そのために、エンジンのアイドリング時の出力は、定格の１％以下に抑えなくてはならない。実は、このことは設計上少し難しい。なぜならば、エンジンが自立回転をするのは、タービンが発生する軸力と、圧縮機に加えられる軸力とが一致した時であり、その状態ではまだ回転数は低く、エンジン内の空気の流れは不安定なままである。
　特に、ファンジェットエンジンでは、最前部にあるファンを通過する空気の大部分は、タービンでの仕事をせずに、そのまま後方に噴出されて推力になってしまう。従って、アイドリング時には、コアー側を流れる空気を熱力学的によほどの高効率で作用させないと成立しない。
　さらに、着陸時にはフライトアイドルで着陸態勢のまま進行中に、何らかの異常事態が発生し場合には、所定時間内に最大出力の95％まで急加速ができなければならない。このように、ジェットエンジンでは通常のガスタービンでは求められないいくつもの特殊条件がある。そのことについては次の巻で述べる。

　ジェットエンジンはガスタービンの一種であり、その基本はブレイトンサイクルとして1872年にブレイトン(George Bailey Brayton、1830-1892)によって熱機関として考案された。当初は、圧縮工程と膨張工程をシリンダー内のピストンで結ぶもので、ターボ式ではなかった。
　このサイクルは、比較されるオットーサイクル（ガソリンエンジンの原理で1877年に考案）とディーゼルサイクル(ディーゼルエンジンの原理で1892年に考案)より早くに発表されたのだが、有効な仕事を取り出すためには、構造が複雑になることと、定圧燃焼を維持することが困難と見なされて実用化が遅れた。しかし、連続サイクルが可能な回転式の圧縮機とタービンが開発されて連続燃焼が容易になると、ガスタービンとしての開発が一気に進むことになった。しかし、その構造と必要な出力を得るための各要素の性能向上が難しく、実用化は20世紀からであった。一方で、19世紀には多くの熱機関が発明されて、順次実用化が進められた。その間の年表を（図12.3）に示す。


図12.3　ブレイトン時代における熱機関の歴史

また、ブレイトンサイクルでは、一般的に温度比と圧力比が高くなるほど熱効率は良くなる。従って、気圧も気温も低い高空であっても、地上と同じ温度比と圧力比であれば、熱効率を保つことができる。また、全体性能の向上は、タービンの入り口温度（ＴＥＴ；Turbine Entry Temperature）とそれに応じた圧力により実現する。要素のポリトロピック効率を88％と仮定した時のマッハ0.8での巡行時の熱効率を図1.4に示す。（４）


図12.4　タービン入り口温度と熱効率の関係（４）

第1２章 ジェットエンジンの原理と初期の歴史（その１）

第1章から11章までは別件なので、都合により第12章から始める。

第1２章　ジェットエンジンの原理と初期の歴史

　ジェットエンジンは、高速で噴き出すジェットの反力により有益な運動を起こすもので、その起源は紀元前のアレクサンドリアのヘロンが発明したアイオロスの球と考えられる。

12.1 ヘロンの装置と原理

　アイオロスの球（アエオリピル）（図12.1）は、一般的にはヘロンの蒸気機関と呼ばれているが、ウィトルウィウス（紀元前80年ごろ - 紀元15年）は アイオロスの球について「アイオロスの球は中空の真鍮製容器で、1つの小さな開口部があり、そこから中に水を満たす。容器の水を火の上で熱すると、ささやかな風が放出される。水が沸騰してくると、激しい風が吹き出してくる」と記している。　

　原理的には、羽根のない簡単な半径流蒸気タービンなのだが、ジェットの力を直接に使っていることで、ジェットエンジンとも云えるのではないだろうか。
　Lord Kings Nortonは、「WHITTLE the True Story」(1)のまえがきで、「his aeolipile, which was a simple form of turbine driven by jet propulsion」と述べている。　　　　　　　　　　　　　　　　　

ヘロンは、その球形容器の回転軸にロープと滑車を取り付け、ロープを巻き上げることによって寺院の扉を自動的に開いてみせたとの説がある。この力の原理は単純で、作用と反作用だけの問題となる。つまり、ある物体から作用力を発生させて、その反作用で動かす力を得ることになる。


図12.1　アイオロスの球

　ジェットエンジンも、これと全く同じ原理で航空機に加速度を与えている。
　ヘロンは、これ以外にも機械を発明したのだが、それらの技術が伝承されることはなかった。この機構の採用は、当時の奴隷の労働力を際限なく搾取すると考えられたためであった。このように、技術は思わぬ理由で、系統化が完全に途切れてしまうことが、歴史上多く発生している。

民間航空機用ジェットエンジン技術の系統化 (序）

民間航空機用ジェットエンジン技術の系統化　（序）　

　先年、私は国立科学博物館の依頼で、「民間航空機用ジェットエンジン技術の系統化調査」というレポートを纏めた。このシリーズは、その内容に当時はページ数の制限で書けなかった部分の追加などを含めて、私の若いころからの日の丸エンジンへの見果てぬ夢の行き先を示してゆくことを試みる。

　1960年代の大学紛争の中で学部と修士の学業を終えたときに、ジェットエンジンの開発と量産こそは、日本の次の製造業を担うのにピッタリと考えて、この分野に入った。当時の工学部の中で、最も人気の高かったのが航空宇宙学科だったこともあるのだが、流体と熱工学の最先端の知識と、多くの難削材の精密加工との組み合わせを必要とするジェットエンジンの開発と量産は、次の日本の製造業の柱になる可能性が大きいと考えてからであった。



　しかし、50年以上たった現在の状況は、三菱の新型航空機の開発が不調に終わったことで、夢の実現は益々遠のいてしまったように感じられる。しかし、まだ望みを捨てるわけにはゆかない。そこで、この分野の技術について、これからの人たちに少しでも知見を持ってもらうために、このシリーズを始めることにした。

　ライト兄弟による初の動力飛行の成功は、1903年12月17日になされたが、それは人類の古代からの夢を実現した瞬間であった。その夢は、僅か100年余りの期間に、世界中の多くの人が自由に安心して旅行できるまでに成長した。ある発明を契機にして、これほど長い間人類が夢に見ていた技術が、短期間に完成したのはジェットエンジンに負うところが大きい。
　なぜ、それが実現したのか。そこには技術の系統化に関する二つの大きな特徴がある。第１は、発明当初から、国際間の情報交換が盛んに行われたことだった。それには、平和時の国際共同開発があげられるが、戦争時等における相手方の軍用機の利点と欠点を必死に追及した努力も含まれる。
　第２の特徴は、人から人への技術の伝承が、常に行われていたことであった。ジェットエンジンの作動原理の基本は単純で、このことは発明以来変わらない。問題は、性能の向上と安全性と信頼性の確保にある。このことは、必然的に暗黙知の伝承が必要となる。つまり、優れた設計と製造の技術があっても、膨大な経験が的確に伝えられなければ民間航空機用のエンジンの型式承認を取得することはできない。
　
　1903年を契機にして、世界中の多くの発明家が独自の飛行機を設計して、その性能を競った。当初のそれは、いかに早く目的地に到着できるかで、競争相手は自動車だった。それが達成されると、次は長距離の安全飛行で、それは1927年のリンドバーグの大西洋横断飛行の成功で達成された。しかし、当時の航空機産業は採算性が悪く、郵便輸送や遊覧飛行が中心であった。
　その状況が一変したのは第２次世界大戦で、当事国の航空機生産能力は一気に向上した。各国の製造機数は現代をはるかに上回る数で、その間には、性能の向上と大型化が飛躍的に行われた。しかし、エンジンはレシプロで、ジェットエンジンは一部を除いてまだ実用レベルには達していなかった。
　ジェットエンジン技術が急激に伸びたのは、戦後も続いた大国間の緊張によるもので、軍需予算の多くが、この分野の研究と開発に費やされた。そして、その完成された技術が民間航空機用に転用された。このために、新規の開発には多くの特殊性があり、その内容をよく理解する必要がある。
　エンジンの大型化と信頼性の向上が、大洋横断に十分なまでに成長すると、国際間移動の需要の急上昇と共に多くのエアラインが乱立した。その中で、国家の威信を背負ったフラッグ・キャリアーと呼ばれるエアラインの力が強力になり、エンジン開発は、その要求によって大型化に重点が置かれた。またこの頃には、安全性の確保のために、多くの国際間協定が結ばれ、更に排気ガスと騒音という環境問題の解決のための許容限度に関するルールが、頻繁に見直されることになった。その結果、ジェットエンジン技術の高度化が破断なく続けられて今日に至っている。
　
　それでは、古代から現代に至るまでの長い歴史について、書き始めることにしよう。