スクラムジェットエンジンとは？

スクラムジェット エンジンは、典型的なジェット エンジンのコンプレッサーとタービンを廃止し、マッハ 5 を超える速度を達成できる超音速燃焼エンジンです!

数か月前、インドの DRDO (国防研究開発機構) は、極超音速飛行用の無人スクラムジェット デモ機の初飛行試験を成功裏に実施したというニュースを発表しました。はい、それは一口です。デモ機は正式には「Hypersonic Technology Demonstrator Vehicle (HSTDV)」と呼ばれていました。この航空機は、マッハ 6 を超える速度を達成するように設計されています。これを概観すると、旅客機はマッハ 1 を大幅に下回る速度で移動します。

スクラムジェット技術を使用することで、マッハ 6 以上の速度が達成されます。スクラムジェット技術の開発は非常に難しく、インドより前に、このような技術の開発に成功した国は他に 3 つしかありません (米国、ロシア、中国)。

スクラムジェット エンジンを搭載した車両は、マッハ 12 以上の速度を達成することが提案されています。 (写真提供:Marc Ward/Shutterstock)

ジェット エンジンとは?

スクラムジェット エンジンを詳しく見ていく前に、ジェット エンジン全般について触れておきましょう。ジェット エンジンは、ジェット推進によって推力 (または動き) を生成する燃焼エンジンです。これらのエンジンは、ジェット機、ジェット戦闘機、ミサイル、無人機などの高速の状況で使用されます。ジェットエンジンは、高速自動車や発電所で使用するために改造されています.基本的なジェット エンジンは、従来のガス タービンと同じ原理で動作します。

基本的なジェットエンジンは、ファン、コンプレッサー、燃焼室、タービンで構成されています。 (写真提供:Stanislav-Z/Shutterstock)

ジェットエンジンは、前方に圧縮機、燃焼室、タービンで構成されています。コンプレッサーとタービンは同じシャフトに取り付けられています。コンプレッサーの前面にあるファンが大気中の空気を吸い込みます。

コンプレッサーは、シャフト上で高速回転する複数のブレードで構成され、入ってくる空気を圧縮します。この圧縮の結果、空気の圧力と温度が上昇し、速度が低下します。一方、燃焼室では、燃料が圧縮空気に噴霧され、スパーク プラグからの火花が混合気に点火します。

混合物は自然に膨張し、ジェットが発生します。ノズルから噴出しようとするジェットから生成される反力は、飛行機/車両を前進させるために必要な推力を提供します。生成される推力の量は、入口の空気の速度と比較して、出口のジェットの速度に依存します。噴出するジェットの速度が速ければ速いほど、生成される推力の量は大きくなります。

エンジンを出る前に、ジェットはタービンブレードを通過します。タービン ブレード上の噴流によって伝えられる動きは、シャフトによって圧縮機に伝達されます。

(写真提供:Nasa.gov)

従来のジェット エンジンの欠点

従来のジェット エンジンの主な欠点は、組み込まれている可動部品の数です。リストには、多段圧縮機とタービン ローター、およびスパーク プラグ、冷却システム、アフターバーナー、燃料制御ユニット、原動機などの他の機械部品が含まれます。これらの部品は、エンジン全体に多くの重量を追加します。となり、車両全体が重くなります。エンジニアリングの複雑さと、故障してエンジンの故障やシャットダウンにつながる可能性のある要素の数も、非常に多くの部品で劇的に増加します.

コンプレッサは、従来のジェット エンジンで入ってくる空気を亜音速まで減速します。したがって、出口ジェットの速度も亜音速レベル以下のままであるため、限られた量の推力を生成することができます。

さらに、超音速で地球上のある場所から別の場所へ移動するという夢は、通常のジェット エンジンでは実現できません。ほとんどのジェット エンジンは亜音速、つまりマッハ 1 未満の速度しか達成できませんが、マッハ 3 程度の速度で飛行できるものは非常に少数です。

ここで、ラムジェットとスクラムジェット エンジンが活躍します。

ラムジェットおよびスクラムジェット エンジンとは?

ラムジェット エンジンとスクラムジェット エンジンは、通常のジェット エンジンからロータリー コンプレッサとタービンを取り除いたジェット エンジンの変形です。 2 つのモデルは、推力を生成するために空気の自然な衝突に依存しています。ラムジェットとスクラムジェットの基本的な動作原理には、入ってくる極超音速 (マッハ 5 以上の速度) または超音速空気の重要な運動エネルギーを圧力エネルギーに変換することが含まれます。

極超音速で流れる空気は、非常に高い動圧を持っています。動的圧力は速度圧力とも呼ばれ、単位体積あたりの運動エネルギーとして正式に定義されます。ベルヌーイの方程式の項として覚えているかもしれません (P + ½ ρ v2 +ρ g h =定数。ここで、項「½ ρ v2」は動圧です)。

ただし、亜音速で流れる空気の動圧は、使用可能な推力を生成するには不十分です。さらに、航空機が静止しているときは、周囲の空気の動圧がさらに低くなり、推力を生み出すために使用できません。

したがって、ラムジェットとスクラムジェットは、飛行機が特定の速度に達するまで、最初の離陸に支援を必要とします。どちらのタイプも、周囲の空気がマッハ 3 以上の超音速で流れている場合にのみ効率的に動作します。

ラムジェットとスクラムジェットは、回転圧縮機とタービンを使用して推力を生成するのではなく、空気の自然な衝突に依存しています。 (写真提供:GreyTrafalgar/Wikimedia Commons)

現在、2 つのジェット エンジンの構造に関して、前部の通常のジェット エンジンのコンプレッサーはディフューザーに置き換えられ、エンジンのもう一方の端は推進 (収束-発散) ノズルで占められています。

ディフューザーは、流体 (この場合は入ってくる空気) の速度を下げ、その圧力と温度を上げるために使用されるデバイスです。一方、ノズルは、圧力を下げて流体 (排気ジェット) の速度を上げるために使用されます。ラムジェット エンジンとスクラムジェット エンジンにはコンプレッサーがないため、タービンも必要ありません。

極超音速で移動する空気がディフューザーを強制的に通過すると、その動圧が静圧に変換されます。気流の速度が低下し、圧力と温度が上昇します。この温度と圧力の上昇により、混合気の燃焼が促進されます。

作業手順の残りの部分は、通常のジェット エンジンと同じです。燃焼室内では、空気が燃料と混合され、スパーク プラグが混合気の点火を助け、推進ノズルが排気流を加速して推力を生成します。

ラムジェット vs スクラムジェット

ラムジェットでは、入ってくる空気はディフューザーによって亜音速以下に減速されます。斜めの衝撃波を利用して流れを遅くし、最後に通常の衝撃波を使用して亜音速以下にします。生成される推力の量は排気ジェットの速度に依存するため、ラムジェットではジェット エンジンと同様に、生成される推力の量は燃焼室内の空気の亜音速の流れによって制限されます。

推力の生成を増やすには、入ってくる空気を亜音速以下に減速してはなりません。スクラムジェットエンジンはまさにそれを行います。スクラムジェット エンジンは、ラムジェット エンジンのアップグレードに他なりません。実際、スクラムジェットは「超音速燃焼ラムジェット エンジン」の略です。

スクラムジェットでは、入ってくる気流は亜音速レベルまで減速されず、超音速を維持します。これは、より徐々に発散するディフューザーによって実現されます。スクラムジェットの燃焼室も超音速で動作するように変更されていますが、ラムジェットの燃焼室は亜音速でしか動作しません.

推進ノズルも変更され、排気ジェットをより高いマッハ数に加速します。したがって、スクラムジェットによって生成される推力は、ラムジェットの推力よりも大きくなります。したがって、スクラムジェットはラムジェットよりも高速で飛行できます。

スクラムジェットは、高効率のジェット エンジンと高速ロケット エンジンの間のギャップを埋めるためにも重要です。

スクラムジェットは燃料を運び、摂取した大気中の酸素を酸化剤として使用しますが、ロケットは燃料と酸化剤の両方を搭載しています。スクラムジェットは酸化剤を搭載していないため、大気圏での飛行に限定されており、宇宙旅行には使用できません…まだ.

結論

スクラムジェット テクノロジーを使用すると、10 倍以上の速度で飛行できる可能性があります 音速ですが、まだ非常に進行中の作業です。すでに述べたように、スクラムジェット技術の開発に成功した国は 4 つだけです。 1991 年 11 月に初のスクラムジェット エンジン搭載車両が飛行し、ロシアによって開発されました。スクラムジェット技術の最初のデモンストレーションから約 27 年が経ちましたが、大規模な展開が続いています。

主な問題は、スクラムジェットがマッハ 5 以上の速度でのみ有用な推力を生成するため、飛行を開始するために追加の発射機が必要になることです。空気の摩擦と衝撃波によって発生する熱の量は、もう 1 つの懸念事項です。推力と重量の比率が低いと加速が制限され、飛行機は特定のペイロードを運ぶためにかなり大きくする必要があります。さらに言えば、スクラムジェット技術は製造とテストに非常に費用がかかります。ほとんどのテストは、テスト車両の完全な全滅で終了します。

したがって、スクラムジェット技術は刺激的で便利に見えるかもしれませんが、少なくともあと 10 ～ 15 年は目にすることはないでしょう。