Primer lesson: ジェットエンジン

ジェットエンジンは、航空および宇宙で一般的に使用されている推進システムの一種です。その基本原理は、前方から空気を吸い込み、圧縮し、燃料と混合して燃焼させ、その後、後方から高速で噴射して推力を生み出すことです。この推進方法により、航空機は高速かつ高高度で飛行できます。

ジェットエンジンの動作は、吸気、圧縮、燃焼、排気の 4 つの主な段階に分けられます。

吸気: 空気は吸気口からエンジンに入り、コンプレッサーに送られます。吸気口は、コンプレッサーへの空気の流れがスムーズになるように設計されています。
圧縮: 次に、空気はコンプレッサー内の一連のファンによって圧縮されます。このプロセスにより、空気の圧力と温度が上昇します。圧縮比は、コンプレッサーの出口圧力と入口圧力の比であり、ジェットエンジンの重要なパフォーマンスメトリックです。数学的には、圧縮比 ( \(CR\) ) は\(CR = \frac{P {exit}}{P {inlet}}\)と定義されます。ここで、 \(P {exit}\)コンプレッサーの出口圧力、 \(P{inlet}\)コンプレッサーの入口圧力です。
燃焼: 高圧の空気は燃焼室で燃料 (通常は航空灯油) と混合されます。混合物は点火され、急速に燃焼して膨張します。このプロセスにより、空気の温度と体積が大幅に増加します。
排気: 高温高圧のガスは、エンジンの端にあるタービンとノズルから排出されます。ガスがエンジンから排出されると、排気ジェットが発生し、エンジン (および航空機) が前進します。この前進運動を説明する原理は、ニュートンの第 3 の運動法則です。これは、すべての動作には、等しく反対の反応があるというものです。

ジェットエンジンにはいくつかの種類があり、それぞれ特定の用途と性能要件に合わせて設計されています。

ターボジェットエンジン: 最もシンプルな形式のジェットエンジンで、すべての空気がエンジンのコアを通過します。ターボジェットは最初に開発されたタイプのジェットエンジンで、高高度での高速性と効率性で知られています。
ターボファンエンジン: これらのエンジンには、前面に大きなファンが付いており、コアエンジンをバイパスする空気の量が増えます。これにより、ターボファンエンジンは、特に低速および低高度では、ターボジェットよりも静かで燃費効率に優れています。エンジンコアをバイパスする空気とコアを通過する空気の比率は、バイパス比と呼ばれます。
ターボプロップエンジン: ジェットエンジンとプロペラを組み合わせたエンジンです。これらのエンジンは低速で効率が良く、小型の地域航空機でよく使用されます。

ジェットエンジンの動作は、運動量保存の原理を通してさらに理解することができます。ジェットエンジンによって生成される推力\(T\)は、式\(T = \dot{m}(v {e} - v {0}) + A {e}(p {e} - p_{0})\)で近似できます。ここで

この式は、推力を生成する上での排気速度 ( \(v {e}\) ) の重要性を強調しています。航空機の速度 ( \(v{0}\) ) に対する排気速度が高いほど、生成される推力は大きくなります。

ジェットエンジンの効率は、その性能と環境への影響にとって非常に重要です。効率は、燃料効率、熱効率、推進効率など、いくつかの方法で測定できます。

燃料効率: 消費された燃料の単位あたりにどれだけの推力が生成されるかで示されます。圧縮比の向上や先進材料などのエンジン設計の改良により、現代のジェットエンジンの燃料効率は向上しています。
熱効率: エンジンが燃料エネルギーを機械エネルギーに変換する効率に関係します。これは、燃焼プロセス中にエンジンが達成できる最高温度によって決まります。
推進効率: これは、エンジンが生成したエネルギーを航空機の推進にどれだけ効率的に使用しているかを測定します。ターボファンエンジンなどのバイパス比が高いエンジンは、推進効率が高くなる傾向があります。

ジェットエンジン技術は、騒音の低減、燃料効率の向上、排出量の削減などの課題に常に直面しています。これらの課題に対処するためのイノベーションには、バイパス比の高いエンジンの開発、軽量化のための複合材料の使用、代替燃料の研究などがあります。

ジェットエンジン技術は進化を続けており、より効率的で、より静かで、環境に優しい航空の可能性を秘めています。その動作を支配する基本原理を理解することは、航空宇宙技術の進歩を評価するために不可欠です。

ジェットエンジン