高バイパス比エンジンが実用化され、Y-20の戦闘能力は質的に変化した。

2023年4月、多くの人が私たちのY-20に何か問題があることに気づきました。何が悪かったのでしょうか?エンジンは厚くなっており、これを高バイパス比ターボファンエンジンと呼ぶことを多くの友人が知っています。今日は、高バイパス比ターボファンエンジンと低バイパス比エンジンの違いについてお話しします。 Y-20 を交換後、どのようなパフォーマンスの向上が達成される可能性がありますか?

まず、バイパス比とは何でしょうか？これはターボファン エンジン (「ターボファン エンジン」と略記) 専用のパラメータです。ターボファンエンジンの気流には 2 つの経路があります。 1つは、中央のコアエンジンを通過する内部ダクトです。実はターボジェットエンジンと同じ原理なのです。もう 1 つは、コア エンジンと外殻の間にある、アウター ダクトと呼ばれるものです。外側ダクトを通る空気の流量と内側ダクトを通る空気の流量の比をバイパス比と呼びます。したがって、バイパス比が大きいほど、外殻が厚くなり、エンジンも厚くなります。

バイパス比の高いエンジンは、バイパス比の低いエンジンよりも推力が大きく、燃料効率が高くなります。これはなぜでしょうか?簡単に言えば、単位時間あたりにより多くの空気を戻すことができます。まず感覚的な観点から理解することができます。私がボートに座っていて、前方に走る力を得るために物を後ろに投げることに頼っているとします。後ろに投げることができる物体として、ピンポンボール、テニスボール、砲丸投げなどをいくつか選んでください。どれを選びますか?間違いなく砲丸投げだ。彼の方が推進力を生み出す能力が高い。理論的に分析することも可能です。物を後ろに投げて推力を発生させるというのは、いわゆる反動を利用することです。投げ出した物体の運動量が、得られる運動量であり、この運動量を単位時間に分配すれば推力となる。運動量は質量×速度に等しいので、より重いものを投げるか、より速く投げるかのどちらかになります。

ターボファンエンジンの概略図（TuChong.com より）

では、なぜ重い物を投げるとエネルギーを節約でき、速く投げるとエネルギーを得られるのでしょうか?消費されるエネルギーも考慮する必要があります。私たちが捨ててしまうものに、どれだけのエネルギーを注ぐべきでしょうか?高校では、質量の半分に速度の二乗を掛けると習いました。見てください、ここでは速度は二乗ですが、質量は二乗ではありません。速度を上げると、質量を増やすよりも多くのエネルギーが消費されます。したがって、航空機のエンジンの燃料効率を高め、推力を高めたい場合は、より多くの空気を後方に放出する必要があります。高バイパス比ターボファンエンジンの場合、内部のコアエンジンから後方に噴射されるガスが主な動力源ではありません。コアエンジンはタービンを回転させ、タービンはファンを回転させます。ファンが回転して空気を後方に押し出すことで電力を発生させ、これが主な力となります。それはどれくらいメインですか？民間航空機の高バイパス比エンジンでは、外側のバイパス、つまりファンによって生成される推力が、総推力の 80% 以上を占めます。

高バイパス比ターボファンエンジンは燃料効率が良く、推力も大きいですが、サイズが大きいため抵抗が大きくなり、高速飛行には適していません。そのため、戦闘機には今でも低バイパス比のターボファンエンジンが搭載されています。なお、上記で述べた燃費効率や高推力は、低高度・低速時のみの性能です。高高度および高速では、ターボジェットよりもさらに悪くなります。したがって、亜音速輸送機や旅客機は、高バイパス比エンジンに最適です。

では、高バイパス比ターボファンエンジンを搭載したY-20は、どのような性能向上をもたらすのでしょうか?もちろん、それがどのようなモデルなのか、そのパラメータが何なのかはわかりません。前述の一般的なルールによれば、推力を増加させる必要があります。従来搭載されていたロシア製D30kp2エンジンの推力は約12トンだった。その後、D30のコピーで性能が向上したWS-18に置き換えられた後、推力はわずかに増加しましたが、おそらく13トン未満です。米国のC17輸送機のエンジンの推力は18.6トンに達する。この新型大バイパス比エンジンについては我々は慎重であり、一気にここまで大型化することはできないはずだが、たとえ15トン程度まで増大しただけでも戦闘能力は大幅に向上するだろう。

なぜ？航空機の設計では、推力重量比、つまり総推力と航空機の重量の比に注意を払います。この比率が十分に大きい場合にのみ、航空機は飛行できます。データによれば、以前のY-20の最大離陸重量は220トンで、以前の4つのエンジンの推力は約48トンで、約0.22です。輸送機の場合、これは基本的に飛行可能な最大推力重量比です。次に、この推力対重量比を使用して逆計算を行います。エンジン 1 基の推力が 15 トンに達する場合、エンジン 4 基では 60 トンになります。 0.22で割ると270トン以上になります。これは、エンジン交換後、Y-20はさらに50トンの荷物を積んで離陸できることを意味します。この 50 トンは貨物または燃料になります。言い換えれば、より多くを運ぶか、より遠くまで飛ぶことができるということです。大バイパス比ターボファンエンジンの燃費効率向上特性と相まって、この総合力は質的向上であると言っても過言ではありません。もっと保守的に考えれば、例えば、我々の技術がまだ十分に成熟していないため、このエンジンの推力は元のエンジンに比べて大幅に改善されていないとしても、少なくとも燃料効率は向上し、少なくともY-20はより遠くまで飛行できるようになり、これは輸送機にとっても大きな改善となる。

私の意見では、この高バイパス比ターボファンエンジンの性能が元のエンジンと比較して大幅に向上しなかったとしても、以前の高バイパス比エンジンが空だったため、これは依然として非常に有意義な代替品です。それを作れるようになることが、すでに第一歩です。誰かがそれを使うときだけ、誰かがそれを研究し、設計し、製造するのです。そうして初めて、この分野での私たちの経験は向上し続けるでしょう。設計者や製造者だけでなく、使用者、保守者、オーバーホール者も含め、このエンジンをより深く理解し、より使い慣れていくことで、エンジンはますます高度なものになります。今後、私たちの「中国の心」を搭載した航空機がますます増え、「中国の心」がますます強く鼓動することを心から願っています。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: ゴウ・シェン

査読者：沈海軍（同済大学航空機械学部教授）

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司