【中国軍事技術普及科学】ヘリコプターのエンジンはなぜ固定翼航空機のエンジンと大きく違うのか？

ご存知のとおり、航空機の飛行に必要な動力はエンジンから得られます。航空機の核となる部品であるエンジンの品質は、航空機の性能を直接的に左右します。よく見かけるヘリコプターや飛行機のエンジンは同じものなのでしょうか？両者の飛行方法は全く異なるため、エンジンも異なります。

簡単に言えば、飛行機が飛べる理由は、通常はターボジェット、ターボファン、またはターボプロップ エンジンを使用して、ニュートンの第 3 法則の作用と反作用の原理を応用しているためです。ターボジェットエンジンの構造は、空気取り入れ口、コンプレッサー、燃焼室、タービン、テールノズルで構成されています。空気は航空機の前方から吸い込まれ、燃焼によって圧縮され、急速に後方に噴出され、前進する運動量を生み出します。

図1 ターボジェットエンジンの動作の概略図（出典：NetEase）

ターボファン エンジンは、実際にはターボジェット エンジンの後部に低圧タービンを追加したものです。一方でガスの排気速度を低下させ、他方で低圧ファンを駆動してコンプレッサーの吸入量を増加させることができます。フロント吸気ファンで吸い込まれた空気流の一部はコンプレッサー内に送り込まれ（専門用語では「インナーダクト」）、残りはエンジンケースの外側から直接外部に排出されます（「アウターダクト」）。ターボファンエンジンは熱効率と推進効率のバランスを実現し、エンジンの効率を向上させます。

図2 ターボファンエンジンの動作の概略図（出典：NetEase）

両者を比較すると、ターボジェットエンジンの燃費は悪いですが、高速性能はターボファンエンジンより優れています。ターボファンエンジンは推進効率が高く、燃料消費量が少ないという特徴がありますが、吸気ファンの風上面積が大きく、抵抗が大きく、エンジン構造が複雑です。

ターボプロップ エンジンは、追加のプロペラと減速ギアのセットを備えたターボジェット エンジンです。減速機はタービンシャフトの速度をプロペラが耐えられる速度、つまり毎分約 1000 回転まで減速します。プロペラは空気を後方に送風し、前進する推進力を生み出します。

図3 ターボプロップエンジンの動作模式図（画像提供：NetEase）

ターボプロップエンジンは作業効率が比較的高いですが、高速飛行には使用できません。主に中低速航空機に使用されます。

ヘリコプターの動力はターボシャフト エンジンから得られます。ターボシャフト エンジンはターボプロップ エンジンと同様の構造を持ち、主に空気取り入れ口、コンプレッサー、燃焼室、パワー タービン、タービン シャフト、排気装置などのコンポーネントで構成されています。

図4 ターボシャフトエンジン構造の概略図（出典：NetEase）

空気はコンプレッサーに入り、多段階で圧縮された後、燃焼室に入り、燃料と混合して燃焼し、高温高圧の燃焼ガスを形成します。燃焼ガスは燃焼室から噴出され、タービンを回転させ、タービンシャフトを駆動してウラン電力を出力します。ターボプロップエンジンが減速ギアボックスを使用するのと同様に、ヘリコプターも減速機を使用してタービンシャフトの速度を毎分数万回転から毎分数百回転に減速し、それをローターに負荷してローターを安定した速度に保つ必要があります。例えば、ロシアで製造された Mi-8 ヘリコプターのタービン シャフト速度は毎分約 15,000 回転、ローター速度は毎分約 190 回転です。ヘリコプターの主減速機は、エンジンに接続された重要な伝動装置です。一般的にはギア伝動方式を採用しています。入力端はエンジンのタービンシャフトであり、出力端はローターとテールローターの駆動シャフトに接続されています。主減速機は速度を減速するだけでなく、タービン軸の動力を機体の水平方向から垂直方向へ変換します。

図5 ヘリコプターの主減速機と位置図（画像提供：NetEase）

上記の紹介から、ヘリコプターに使用されているターボシャフトエンジンでも、飛行機に使用されているターボジェット、ターボファン、ターボプロップエンジンでも、構造は非常に似ていますが、出力方法が異なることがわかります。

航空機エンジンの動作条件は非常に過酷です。ガス流速は50〜100m/sに達し、燃焼室温度は1000℃を超えることもあり、典型的な高温、高圧、高速環境となります。したがって、航空機エンジンの製造には、材料とプロセスに対する非常に高い要件が求められます。使用される主な材料には、アルミニウム合金、高強度鋼、チタン合金、耐熱合金、複合材料などがあります。部品の製造には、結晶鋳造、単結晶鋳造、精密鍛造、リング鍛造、旋削およびフライス加工、超塑性成形、射出成形など、さまざまなプロセスが含まれます。

図6 航空機エンジンブレード（画像提供：NetEase）

航空機エンジンの核となる部品であるブレードを例に挙げてみましょう。サイズは小さいですが、これらの小さなブレードがエンジンの性能、安全性、寿命を直接決定します。ブレードの製造は、エンジン製造全体の作業量の 3 分の 1 を占めます。ブレードはファンブレード、コンプレッサーブレード、タービンブレードに分けられます。作業環境が異なるため、ブレードごとに材料とプロセスの要件が異なります。例えば、圧縮機ブレードの場合、圧縮機の段数が増えると動作温度が上昇し続けるため、チタン合金の代わりに変形可能な高温合金を使用する必要があります。最終段階では、軽量で耐熱性に優れたチタンアルミニウム合金を使用する必要があります。

航空機で使用されるターボファン/ターボジェット エンジンの性能は、通常、推力によって測定されます。米国のゼネラルモーターズ社が製造するGE90-115Bターボファンエンジンは、現在世界最大の民間航空エンジンである。実験では12万7900ポンド（約58トン）の推力を達成し、ギネス世界記録を樹立した。ターボシャフトエンジンはターボシャフトの回転によりエネルギーを出力するため、その性能はシャフトパワーで測定され、単位はシャフト馬力「shp」（シャフト馬力の略）です。例えば、米軍のAH-64アパッチ攻撃ヘリコプターは、最大1,900馬力のT700ターボシャフトエンジンを使用しています。

図7 T700ターボシャフトエンジンとアパッチ攻撃ヘリコプター

関連報道によると、ゼネラルモーターズはT700をベースに、セラミック複合材料を使用し、3Dプリント技術を応用したT901ターボシャフトエンジンを開発している。出力は50％増加し、燃費は25％向上し、生産コストと使用コストがさらに削減され、エンジン寿命が延びます。

制作：中国軍事技術普及科学

制作者：光明オンライン科学部

著者：張歓明（軍事専門家）

レビュー専門家：梁春輝（軍事専門家、軍事科学ライター）

企画：金和