ジェット機

ジェット機（または単にジェット）は、1 つ以上のジェット エンジンによって推進される航空機（ほとんどの場合、固定翼航空機）です。

2003年7月のオムニエアインターナショナルのマクドネル・ダグラスDC-10。これはトライジェット構成の例である。

プロペラ機のエンジンは、一般的にはるかに低い速度と高度で最大効率を発揮しますが、ジェットエンジンは音速に近い速度、あるいは音速をはるかに超える速度で最大効率を発揮します。ジェット機は通常、マッハ0.8（時速981km（時速610マイル））程度、高度10,000～15,000m（33,000～49,000フィート）以上で最も効率的に巡航します。

ジェットエンジンのアイデア自体は新しいものではなかったが、それに伴う技術的な問題は1930年代まで解決されていなかった。イギリスの発明家でイギリス空軍将校のフランク・ホイットルは1928年に実用的なジェットエンジンの開発を開始し[ 1 ]、ドイツのハンス・フォン・オハインは1930年代初頭に独自に開発を開始した。1939年8月、世界初のジェット機であるターボジェットエンジン搭載のハインケルHe178が初飛行を果たした。民間用と軍用の両方で、多種多様なジェット機が存在する。

歴史

 
ハインケルHe178は、1939年8月にターボジェットエンジンで飛行した最初の航空機でした。

最初の動力飛行の成功後、数多くのジェットエンジンの設計が提案されました。ルネ・ロリン、O・モリーズ、H・S・ハリスは、ジェット排気ガスを発生させるシステムを提案しました。[ 2 ]

他のジェットエンジンが試作された後、ルーマニアの発明家アンリ・コアンダは1910年にジェット推進航空機、コアンダ1910を開発したと主張した。しかし、この主張を裏付けるために、彼は当初の図面に大幅な変更を加えなければならず、彼の主張は後に否定された。[ 3 ]実際には、ダクテッドファンエンジンはバックファイアを起こし、飛行前に航空機が炎上した。また、燃料噴射装置がないことや、高温のジェット噴流が可燃性の高い織物表面に向けられることへの懸念など、ジェットエンジンに必要なほぼすべての機能が欠けていた。[ 3 ]

1920年代から1930年代にかけて、様々なアプローチが試みられました。モータージェット、ターボプロップ、パルスジェット、そしてロケットエンジンを搭載した様々な航空機が設計されました。ロケットエンジンの研究はドイツで進められており、ロケットエンジンで飛行した最初の航空機は1928年のリピッヒ・エンテでした。 [ 4 ]エンテはそれ以前にグライダーとして飛行していました。翌年の1929年には、オペルRAK.1がロケットエンジン搭載機として初めて飛行しました。

ターボジェットエンジンは1930年代にフランク・ホイットルとハンス・フォン・オハインによって独立して発明されました。最初のターボジェット機は、1939年8月27日にドイツのロストックで、フォン・オハインの設計によるハインケルHe178でした。 [ 5 ]これは主に概念実証であり、「クリープ」（エンジン内の高温によって引き起こされる金属疲労）の問題が未解決であったため、エンジンはすぐに焼き付いてしまいました。ホイットルの遠心流エンジンとは対照的に、フォン・オハインの設計である軸流エンジンは、1950年代までにほとんどのメーカーに採用されました。[ 6 ] [ 7 ]

ジェット推進航空機の初飛行として世間の注目を集めたのは、1940年8月27日に飛行したイタリアのカプロニ・カンピニN.1モータージェット試作機であった。 [ 8 ]これは国際航空連盟（ Fédération Aéronautique Internationale ）に認定された最初のジェット機であった（当時、ドイツのHe 178計画はまだ秘密にされていた）。カンピニは1932年にモータージェットの開発を開始した。これは、タービンをピストンエンジンで駆動する点で真のターボジェットと異なり、タービンガスの燃焼ははるかに複雑な解決策であった。

 
ボーイング707

イギリスの実験機グロスターE.28/39は、フランク・ホイットル卿のターボジェットエンジンを搭載し、1941年5月15日に初飛行した。 [ 9 ]アメリカのベルXP-59Aは、ゼネラル・エレクトリック社が製造したホイットルエンジンのバージョンの2つの例を搭載し、1942年10月1日に初飛行した。グロスターミーティアは初の量産ジェット機であり、量産型の最初の発注は1941年8月8日に行われ、[ 10 ]試作機は1943年3月5日に初飛行し、量産型の最初の機体は1944年1月12日に飛行した。[ 11 ]一方、メッサーシュミット Me 262 の量産型の最初の発注は1943年5月25日まで行われなかった。[ 12 ]また、Me 262 の試作機第1号は1942年7月に飛行したが、量産型の最初の機体が飛行したのは1944年3月28日であった。[ 13 ] Me 262 プログラムはミーティアよりも早く Projekt 1065 として開始され、最初の設計図は1939年4月にヴァルデマール フォークトの設計チームによって作成された。

Me 262は初の実戦投入されたジェット戦闘機であり[ 14 ]、1944年4月19日にアウクスブルクのすぐ南、レヒフェルトの第262戦闘コマンドによって就役した。Me 262は1944年7月26日にジェット戦闘機として初の戦闘勝利を収めたが、これはイギリスのグロスター ミーティアが実戦投入される前日であった。Me 262飛行隊が実戦投入されたのが遅すぎたため、第二次世界大戦の帰結に何ら影響を与えることはできなかった。第二次世界大戦中に実戦投入されたミーティアは約15機であったが、Me 262は最大1,400機が生産され、そのうち300機が戦闘に参加した。大戦中、これより高速に運用できた航空機はロケット推進のメッサーシュミット Me 163 コメートのみであった。

この頃、1944年半ば、イギリスのミーティアはV-1飛行爆弾 （V-1自体はパルスジェットエンジンの航空機で巡航ミサイルの直接の祖先である）からイギリスを防衛し 、その後、戦争の最後の数か月間にヨーロッパでの地上攻撃作戦に使用されていました。1944年にドイツはアラドAr 234ジェット偵察爆撃機を導入しましたが、主に前者の役割で使用され、 1944年末にはハインケルHe 162スパッツ単発軽戦闘機が登場しました。ソ連は1942年に独自のベレズニャク・イサエフBI-1をテストしましたが、このプロジェクトは1945年に指導者ヨシフ・スターリンによって廃止されました。大日本帝国海軍も1945年にジェット機を開発したが、その中にはMe 262の改良型で若干小型で折りたたみ翼を持つ中島J9Y橘花が含まれていました。 1945年末までに、米国は初のジェット戦闘機、ロッキード P-80 シューティングスターを配備し、英国は2番目の戦闘機設計であるデ・ハビランド・ヴァンパイアを導入した。

アメリカは1948年、同国初のジェット爆撃機となるノースアメリカンB-45トーネードを導入した。核兵器の搭載が可能だったが、朝鮮戦争での偵察任務に使用された。朝鮮戦争中の1950年11月8日、ロッキードF-80シューティングスターに搭乗したアメリカ空軍のラッセル・J・ブラウン中尉は鴨緑江付近で北朝鮮のMiG-15戦闘機2機を迎撃し、史上初のジェット機同士のドッグファイトで撃墜した。イギリスは1951年、軽爆撃機としてイングリッシュ・エレクトリック・キャンベラを導入した。同機はあらゆる迎撃機よりも高く、速く飛行できるように設計された。

 
コンコルドは1976年から2003年までサービスを提供していた最も長い商業SSTであった。

BOACは1952年にデ・ハビランド コメットジェット旅客機でロンドンからヨハネスブルグへの初の商業ジェット便を運航した。この非常に革新的な航空機はプロペラ機よりもはるかに高速かつ高く飛行し、はるかに静かで滑らかで、ジェットエンジンを隠し備えたスタイリッシュなブレンデッドウィングを備えていた。しかし、設計上の欠陥とアルミニウム合金の使用により、この航空機は壊滅的な金属疲労を起こし、数回の墜落事故を起こした。[ 15 ]その間にボーイング 707が1958年に就航し、民間航空機市場を独占することになった。エンジンが下吊りにされた場合には有利であることが判明したため、707 はコメットとはかなり異なって見えた。707 は同時代の航空機と実質的に同じ形状をしており、たとえば737 (胴体) やA340 (単層、後退翼、主翼下の4つのエンジン) など、今日でも顕著な共通点が見られる。

はるかに燃料効率の高いターボファン航空機は1950 年代から 1960 年代にかけて就航し、最も一般的に使用されるジェット機のタイプになりました。

Tu -144超音速輸送機は、マッハ2.35（時速2,503km、1,555マイル）で最速の民間ジェット機でした。1975年に就航しましたが、その後まもなく商業運航から撤退しました。マッハ2のコンコルドは1976年に就航し、27年間飛行しました。

最も速い軍用ジェット機はマッハ3.35（時速3,661km（2,275mph））の SR-71ブラックバードであった。

その他のジェット機

ほとんどの人は、「ジェット機」という用語を、ガスタービンベースの空気吸入式ジェットエンジンを指すために使用しますが、ロケットとスクラムジェットも両方ともジェット推進によって推進されます。

 
シコルスキーS-69は補助ターボジェットを備えた複合ヘリコプターであった。

巡航ミサイルは、主にラムジェットまたはターボジェット、時にはターボファンによって駆動される使い捨ての無人ジェット機ですが、初期の推進にはロケット推進システムを備えている場合が多くあります。

最も速い空気呼吸式ジェット機は、マッハ 9 ～ 10 程度の 無人X-43スクラムジェットです。

最も速い有人（ロケット）航空機はマッハ 6.85 の X-15です。

スペースシャトルはX-43やX-15よりもはるかに高速でしたが、上昇中は空気ではなくロケットの推力によって弾道的に運ばれたため、航空機とはみなされませんでした。再突入中は（グライダーと同様に）無動力航空機として分類されました。初飛行は1981年でした。

ベル533（1964年）、ロッキードXH-51（1965年）、シコルスキーS-69（1977-1981年）は、ジェット排気で前進推力を高める複合ヘリコプターの設計例である。 [ 16 ]ヒラーYH-32ホーネットとフェアリー超軽量ヘリコプターは、ローターがチップジェットで駆動される多くのヘリコプターの中に含まれていた。

ジェットエンジンを搭載したウィングスーツも存在する（模型飛行機のジェットエンジンで駆動する）が、持続時間が短く、高所から打ち上げる必要がある。[ 17 ]

空気力学

ジェットエンジンの仕組み上、排気速度は通常遷音速以上です。そのため、ほとんどのジェット機は効率的な飛行を実現するために、超音速または音速よりわずかに低い速度（遷音速）で飛行する必要があります。そのため、空気力学は重要な考慮事項となります。

ジェット機は通常、ウィットコムの面積則に基づいて設計されます。これは、機首から機体に沿ったどの点においても、断面積の合計がシアーズ・ハック体の断面積とほぼ同じでなければならないというものです。この特性を持つ形状は、エネルギーを無駄にする衝撃波の発生を最小限に抑えます。

ジェットエンジン

高温ガスを排出して作動するエンジンにはいくつかの種類があります。

 
ロッキードSR-71はマッハ3.35（時速3,661km（2,275マイル））で飛行する最速ジェット機の一つであった。

異なるタイプは異なる目的に使用されます。

ロケットは最も古い種類のもので、主に超高速が必要なとき、あるいはジェットエンジンを作動させるのに十分な空気がない超高高度での運用に使用されます。排気速度が非常に高く、通常は極超音速であること、そして酸化剤を搭載する必要があることから、推進剤の消費が非常に速く、日常的な輸送には実用的ではありません。

ターボジェットは2番目に古いタイプです。排気速度が高く（通常は超音速）、前面断面積が小さいため、高速（通常は超音速）飛行に最適です。かつては広く使用されていましたが、亜音速飛行においてはターボプロップエンジンやターボファンエンジンに比べて効率が劣ります。ターボジェットを搭載した最後の主要航空機は、コンコルドとTu-144超音速輸送機でした。

低バイパスターボファンはターボジェットよりも排気速度が低く、主に高音速、遷音速、低超音速域で使用されます。高バイパスターボファンは比較的効率が高く、旅客機などの亜音速航空機で使用されます。

飛行特性

ジェット機の飛行はプロペラ機とはかなり異なります。

一つの違いは、ジェットエンジンの応答速度が比較的遅いことです。これにより、離着陸の操縦が複雑になります。特に離陸時には、プロペラ機のエンジンが翼に空気を送り込むため、揚力が増加し、離陸時間が短くなります。これらの違いは、初期のBOACコメットパイロットを悩ませました。[ 15 ]

推進効率

航空機全体の推進効率η{\displaystyle \eta} 航空機の推進剤に含まれるエネルギーが、空気抵抗、重力、加速による損失を補うために有用なエネルギーに変換される効率（パーセント）です。また、航空機の推進に実際に使用される機械的エネルギーの割合とも言えます。排気による運動エネルギーの損失や、プロペラ、ジェット排気管、ファンなど、推進機構の効率が理想的とは言えないため、推進効率は常に100%未満となります。さらに、推進効率は空気密度と対気速度に大きく依存します。

数学的には次のように表される。η＝ηcηp{\displaystyle \eta =\eta _{c}\eta _{p}} [ 18 ]ここでηc{\displaystyle \eta_{c}} サイクル効率とηp{\displaystyle \eta_{p}} 推進効率です。サイクル効率（パーセント）は、エンジンによって機械エネルギーに変換されるエネルギー源から得られるエネルギーの割合です。

 
推進効率の依存性（ηp{\displaystyle \eta_{p}} ロケットエンジンとジェットエンジンの車両速度/排気速度比（v/c）に応じて

ジェット機の場合、推進効率（本質的にはエネルギー効率）は、エンジンが排気ジェットを機体速度と同じかそれに近い速度で放出するときに最も高くなります。文献[ 19 ] [ 20 ]に示されている空気吸入式エンジンの正確な式は、以下のとおりです。

ηp＝21+cv{\displaystyle \eta _{p}={\frac {2}{1+{\frac {c}{v}}}}} 

ここで、cは排気速度、vは航空機の速度です。

範囲

成層圏を飛行する長距離ジェット機の場合、音速は一定であるため、一定の迎え角と一定のマッハ数で飛行すると、局所的な音速の値を変えることなく、航空機は上昇します。この場合、

V＝1つのM{\displaystyle V=aM} 

どこM{\displaystyle M} 巡航マッハ数であり、1つの{\displaystyle a} 局所的な音速。距離方程式は次のように表すことができます。

R＝1つのMcTCLCDlnW1W2{\displaystyle R={\frac {aM}{c_{T}}}{\frac {C_{L}}{C_{D}}}ln{\frac {W_{1}}{W_{2}}}} 

これはフランスの航空界の先駆者であるルイ・シャルル・ブレゲにちなんでブレゲ距離方程式として知られています。

参照

参考文献

引用

  1. ^ “Sir Frank Whittle - Jet Engine Inventor - Born In Coventry” . CWN . 2008年11月10日. 2017年10月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年5月6日閲覧。
  2. ^ G・ジェフリー・スミス（1941年9月25日）「航空機のジェット推進 パート3」『フライト』誌。 2012年11月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  3. ^ a bウィンター、フランク・H.（2010年12月6日）「コアンダの主張：キティホークのわずか7年後の1910年にジェット機が飛行したという話は、あまりにも出来過ぎていて真実には程遠い」airspacemag.com。
  4. ^「リピッシュ・エンテ」インターネット科学百科事典：実験航空機。 2011年9月26日閲覧。
  5. ^ Warsitz, Lutz: The First Jet Pilot – The Story of German Test Pilot Erich Warsitz (p. 125)、Pen and Sword Books Ltd.、イギリス、2009年Archived 2010-06-03 at the Wayback Machine
  6. ^実験的およびプロトタイプの米国空軍ジェット戦闘機、ジェンキンス＆ランディス、2008年
  7. ^フォデラロ、リサ・W. (1996年8月10日). 「フランク・ホイットル氏（89歳）死去。彼のジェットエンジンが進歩の原動力となった」 .ニューヨーク・タイムズ.
  8. ^ “ Flight 28 August 1941” . flightglobal.com . 2017年10月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年5月6日閲覧。
  9. ^「エアスクリューは必要ありません…」 2012年10月25日アーカイブ、 Wayback Machine Flight (flightglobal.com)、1949年10月27日 p554
  10. ^バトラー、2006年、8ページ
  11. ^バトラー、2006年、23ページ
  12. ^ラディンガー、1996年、33ページ
  13. ^ラディンガー、1996年、49ページ
  14. ^ヘクト、ハインリッヒ『世界初のターボジェット戦闘機 メッサーシュミット Me 262』アトグレン、ペンシルベニア州：シファー出版、1990年。ISBN 0-88740-234-8。
  15. ^ a b「ジェット！英国が空を支配していた頃」 BBC 。2023年2月17日閲覧。
  16. ^ Thomas Lawrence、David Jenney (2010年8月31日). 「地球上で最速のヘリコプター」 IEEE Spectrum . 2017年1月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年8月1日閲覧。
  17. ^ "「『ジェットマン』イヴ・ロッシーがカーボンファイバー製ジェット機の操縦方法を披露」 Wired誌、2013年7月31日。2017年1月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年8月1日閲覧。
  18. ^ ch10-3 2010年9月14日アーカイブ、Wayback Machine
  19. ^ K.ホーニッケ、R.リンドナー、P.アンダース、M.クラール、H.ハドリッヒ、K.ローリヒト。 Beschreibung der Konstruktion der Triebwerksanlagen。インターフルグ、ベルリン、1968
  20. ^ Spittle, Peter.「ガスタービン技術」Archived 2014-10-31 at the Wayback Machine p507、 Rolls-Royce plc、2003年。2012年7月21日閲覧。

参考文献

  • バトラー、フィル、バトラー、トニー (2006). 『グロスター・ミーティア：英国が誇る第一世代ジェット機』 イギリス、サリー州：ミッドランド・パブリッシング. p. 23. ISBN 1-85780-230-6。
  • ルッツ・ヴァルジッツ：最初のジェットパイロット - ドイツ人テストパイロット、エーリッヒ・ヴァルジッツの物語、ペン・アンド・ソード・ブックス社、イギリス、2009年、ISBN 978-1-84415-818-8英語版
  • ウィル・レーダー。シック、ウォルター・シック (1996)。Me 262 (ドイツ語)。ベルリン: Avantic Verlag GmbH。ISBN 978-3-925505-21-8。
 
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