ジェットエンジンとは (ジェットエンジンとは) [単語記事]

ジェットエンジンとは、内燃機関の一種である。
そして男のロマン。

概要

狭義のジェットエンジンは、「ジャンボジェットとかにくっついている、樽みたいな形でなんか中で扇風機のお化けみたいなのが回っていて後ろにものすごい勢いで気流を吹き出すエンジン」、つまりターボファンエンジンやターボジェットエンジンのことを指す事が多いが、広義では「高温のガス流を発生させ、そのガス流の反作用で物体を動かしたりあるいはガス流のエネルギーを使って仕事（機械的な運動）をする機関」全般を指す。
つまりターボファンエンジンやターボジェットエンジン以外でも、パルスジェットエンジンやラムジェットエンジンも「ジェットエンジン」の仲間である。

なお航空学の専門分野では「ジェットエンジン」という単語は余り使われない。なぜなら意味が非常に曖昧で広範囲に渡るためである。
　　　例：　　ロケットも熱いガスジェットを吹き出して進むからジェットエンジンじゃん
　　　　　　　とか
　　　　　　　ターボシャフトはガスジェットを吹いてないからジェットエンジンではない　etcetc
通常は「ガスタービンエンジン」という単語が使用され、ちゃんとした分類がされている。
専門家が一般人に「ガスタービンエンジン」と言ってもわからないため、あえて「ジェットエンジン」と言ったりするのでツッコまないこと。

（レシプロエンジンと比較して）機構的に単純なので信頼性が高く、なおかつ重量の割に大出力なので軽さとパワーが命の飛行機は、今では余程のことがない限り（ターボプロップエンジンなどを含めた）ジェットエンジンを使用する事が多い。

一方、燃費の面でレシプロやロータリーに劣る面があったり（ジェットエンジンの基本は「ガンガン燃料と空気をぶち込んで、ものすごいパワーを得る」だと思えばいい）、アクセルワークに対するレスポンスもちょっと難があるため自動車や鉄道車両などにはちょっと使いづらい部分もある。

ジェットエンジン（ガスタービンエンジン）が使われることがある場面

飛行機（ヘリなどを含む）
自動車（試作のみで実用化はせず）
戦車（エイブラムス戦車）
鉄道車両（キハ391系など）
船（ガスタービン船）
発電所（ガスタービン発電機）
除雪車（北の魔工場JR北海道苗穂工場のあれとか）
男のロマン

etc...

ジェットエンジン（ターボジェットエンジン）の動作

空気を吸い込む
そのまんま。前方の吸入口から吸引力の変わらないただひとつの掃除機ものすごい勢いで空気を吸入。
コンプレッサー（圧縮機）で空気を圧縮する
取り込んだ空気を回転式のコンプレッサーで圧縮する。
ちなみにコンプレッサーはさらに「軸流式」と「遠心式」に分けられるけど、詳しく書くと長くなるので割愛。
ものすごく乱暴に言えば、軸流式は「羽根車が大量に連なっている」、遠心式は「掃除機の中にあるファンみたいなのが入っている」くらいに考えればいい。
圧縮した空気に燃料を吹き込んで点火する
圧縮空気に燃料を吹き込み、さらに点火することにより高温高圧のガス流（いわゆるジェット）を発生させる。
燃焼器にもまあカン型・カニュラー型・アニュラー型の3種があるけどやっぱり割愛。
ガス流のエネルギーを少しだけタービンで回収する
高温高圧のガス流のエネルギーをタービンで回収し、コンプレッサーの動力とする。
ガス流のエネルギーで駆動されるコンプレッサーはさらに圧縮空気を作り出し、それを燃焼器が高温高圧のガス流に変え、そのエネルギーの一部をタービンが拾って…の繰り返しでエンジンが稼働する。
ノズルから排気ガスを噴き出す
高温高圧の排気ガスを後方のノズルから噴射。その反作用で飛行機が前進する。

ジェットエンジンの特徴

いいところ

構造が単純（中にはコンプレッサーやタービンのくっついた軸が一本通っているだけ。パルスジェットやラムジェットに至ってはただの管）→簡潔な構造で信頼性が高い
重量あたりの出力が大きい
燃料を特に選ばない（ジェット燃料としてメジャーなケロシン（簡単に言えば、精製された灯油）以外にも、ガソリンだろうがメタンガスだろうがプロパンだろうが水素だろうがアルコールだろうが理論上は使用可能）
※但し航空機用を除く
音速突破が容易（プロペラのように衝撃波を発生する要素が無い、或いは少ない）

悪いところ

音がうるさい（高出力とのトレードオフ）
レシプロやロータリーエンジンと比べて燃料をバカ食い（高出力とのトレードオフ）
低出力（低回転）で動かすと燃費が非常に悪くなる
航空機用の場合、燃料の種類をかなり選ぶ（ちなみに一般の航空機はケロシン（精製された灯油と思えばいい）、SR-71のような特殊な機体の場合はJP-7というさらに特殊な燃料を使う）航空用の転用が多い舶用も同様
高温高圧高引張強度に耐える材料と設計のタービンを必要とする（＝設計が難しいし、メンテナンスも特殊なものとなる）
アクセルワークに対するレスポンスが悪い。蒸気タービンほど壊滅的ではないが、レシプロエンジンのように「アクセルを踏んだらすぐ回る」というわけには行かない→自動車に取っては致命的

ジェットエンジンの種類

パルスジェットエンジン

最も原始的なジェットエンジンの一つ。

「管の途中にガス圧で動作する逆止め弁と燃料噴射口のついた燃焼室がくっついているだけ」

という非常にシンプルな構造をしている。（管の形状を工夫すれば、逆止め弁すら不要になる）

構造がシンプルで作りやすい反面、吸気を圧縮しないためにジェットエンジンとしては効率面で劣り、現在では動力用としては個人の趣味以外には使われることはめったにない。
一方、熱を得るための「燃焼器」として見た場合は結構効率がいいために、瞬間湯沸し器や業務用油揚げ機などの熱源にパルスジェットエンジンの機構が使われている。→　パロマ　パルスフライヤー

動力用として有名な例は、ドイツの開発したV1 巡航ミサイルに搭載されたものであろう。

アメリカが戦後、ドイツV-1巡航ミサイルのパルスジェットをコピーして作ったのがこれ

パルスジェットの間違った使い方。

動力源ではなく、「燃焼器」としてなら結構簡単に作れる。

パルスデトネーションエンジン

パルスジェットエンジンの燃焼速度が音速を超えたものをパルスデトネーションエンジンという。デトネーションとは爆轟と訳され、一般にはレシプロエンジンのシリンダー内部で発生するノッキングと呼ばれる異常燃焼で知られている。これが発生すると場合によってはエンジンが溶けてしまうのだが、逆を返せばそれだけ燃焼効率が高いとも言える。これをパルスジェットエンジンに応用することで、最大マッハ５の速度で飛行することができるとされる。
パルスジェットエンジン同様シンプルな構造なのだが、本来レシプロエンジンにおいてはイレギュラーであるノッキングを意図的に、かつ一秒に一〇〇〇回以上も繰り返し起こすのが難しい。具体的にはエンジン内部に濃い混合気の領域を作り、これをレシプロエンジンのスパークプラグを上回るエネルギー（プラズマトーチやレーザーが考えられている）で点火する。
2008年に国防高等研究計画庁(DARPA)は実際にこれを試作して軽飛行機に搭載、10秒ほどの低速、低高度の自立飛行に成功したものの直後計画はキャンセルされた。だがそれは表向きで、実際にはエリア51でパルスデトネーションエンジンを使用した“オーロラ”と呼ばれる極超音速機が開発済みである、という都市伝説が存在する。

現在、宇宙ベンチャー企業「ＰＤエアロスペース」が全日空とH.I.S.からの出資を得てパルスデトネーションエンジンを用いたサブオービタル観光用宇宙船を開発中。２０２０年までのサービス開始を表明している。

モータージェットエンジン

「パルスジェットはなんか効率悪いな
　　　→　　じゃあ、送り込む空気を自然吸気じゃなくて圧縮空気にしてやればよくね？」

という発想で、外部動力で稼働するコンプレッサーから送り込んだ空気に燃料を送り込んで燃焼させ、高温高圧のガス流を得るジェットエンジン。
圧縮空気を送り込むために熱効率面では（パルスジェットに比べれば）多少マシになったが、コンプレッサーの駆動用に別の動力（レシプロエンジンなど）が必要となるためその分全体の効率が劣り、機構も複雑になるために黎明期のジェット機（カプロニ・カンピーニ/イタリア等）に使用された程度に留まる。

ターボジェットエンジン

「モータージェットよりも効率がよくなる方法ってなくね？
　　　　→　じゃあ排気ガスのエネルギーを少し分けてもらってそれで回転式のコンプレッサーを駆動すればいいじゃん」

という発想で、高温高圧の排気ガスのエネルギーをタービンで回収し、それでコンプレッサーを駆動するようにしたジェットエンジン。
コンプレッサー駆動用の動力を「自給自足」で賄うことができるようになったため、効率はパルスジェット/モータージェットから飛躍的に向上した。ジェットエンジンが「航空機の動力」として一人前になった瞬間である。
このエンジンの登場でジェットエンジンの効率は格段に上がり、実用的な航空機の動力にジェットエンジンが採用されるようになった。
しかし、排気ガスの速度が音速を余裕で超えてしまうため、速度命の戦闘機や実験機ならともかく「多少ゆっくりでもいいから大量の荷物や乗客を乗せるほうが大事」な輸送機・旅客機に使用すると効率が（プロペラ機に比べて）悪いという欠点を抱えている。
（ちなみに、排気ガスの速度と外の気流の速度≒飛行機の飛ぶ速度が同じくらいになるのが、一番効率がいい）

ターボプロップエンジン

「ターボジェットエンジンはゆっくり目で使うと効率が悪いな
　　　　→　じゃあ、排気ガスを噴射して飛ぶんじゃなくて、排気ガスのエネルギーでプロペラを回したらよくね？」

ということで、排気ガスのエネルギーを直接推進力に回す以外にも、プロペラの駆動力としても使うエンジン。一般的に「プロペラ推力：ジェット推力＝７：３」ぐらいである
排気ガスのエネルギーをタービンで回収し、歯車で減速した上でプロペラを駆動する。
同じ分野でそれまで使用されていた航空機用のレシプロエンジンと比べると、摺動部・可動部も少ない上に重量あたりの推力が大きいことなどから、旅客機や軍用輸送機などの大型機では重くメンテナンスも煩雑な大型多気筒のレシプロエンジンを駆逐している。
一方でアクセルレスポンスと燃費は悪く、燃費やアクセルレスポンスを要求される軽飛行機分野ではそこまで普及していない。
低速での効率はターボジェットエンジンから飛躍的に向上したものの、プロペラの宿命として700km/hを超える速度を目指すと却って効率が悪化するという弱点がある。まあ、どこかの熊さんみたいにターボプロップエンジンで900km/hオーバーしちゃったのもいますけど、あれは例外ということで。

どこかの熊さん「呼んだかね？」

ターボシャフトエンジン

排気ガスのエネルギーのほとんど～全てを出力軸（タービンが回収した運動エネルギーを回転運動として取り出すための軸）の駆動力に回すエンジン。
排気ガス自体からの推進力はほぼ無いものとなる。
高温のガスジェットを吹いて進むわけではないため、厳密にはジェットエンジンではない。（前述のとおり専門的にはターボジェット、ターボプロップetcも含めたエンジン全般をガスタービンエンジンという）
現代のヘリコプターは余程の小型機で無い限りは、ターボシャフトエンジンを動力としている（俗にジェットヘリと呼ばれる）。
回転数が数万回転という高速であることとレスポンスが悪いこと、低回転で動かすと燃費激悪を除けば、小さい・軽い・ハイパワーであるため、ヘリ以外にも、自動車や鉄道車両・艦船（軍艦）、或いは発電機の動力源としても使われる。特徴としては地上付近で使われることを考慮して吸気口にはホコリ除去用のサイクロンが取り付けられている。
特に発電用途に於いては、高温の排気ガスで水を沸かして蒸気タービンを回すGTCC（ガスタービンコンバインドサイクル発電）でもエネルギーを回収できるため割と効率がいい方法となりうる。従来型の石油石炭でお湯を沸かして蒸気タービンで発電するにくらべて起動・停止が短時間（数分程度）に行うことができるため。ピーク電力の補完発電システムとして使われる。現在の新規建設火力発電所の主力商品である。
変わった例としては、Y2KことMTTタービン・スーパーバイクのエンジンとしても使用されている。
近年の戦闘艦（イージス艦 etc）に多く使用されるML2 500 ターボシャフトエンジンは、航空機用エンジン CF6-50（ジャンボジェット用ターボファンエンジン）を船舶用に転用したものである。

ターボシャフトエンジン搭載バイク、Y2K。

プロップファン（アドバンスド・ターボプロップエンジン/ATP）

後述のターボファンエンジンの効率をさらに改善するために開発された、ターボプロップエンジンの一種。
後退角をつけた多数のブレード（羽根）を持つプロペラを、タービンの軸に接続する。
ターボプロップエンジンの系譜に当たるエンジンではあるが、構造的には「ターボファンエンジンのファン外周にあるダクトを取っ払ったもの」と見ることもできるため、「超高バイパス比ターボファンエンジン」と呼ばれることもある。
ターボファンエンジンに匹敵する速度域で仕様が可能でありながら燃費はターボプロップエンジンのそれに迫るといういいとこ取り…になるはずだったが、「騒音が大きい」という欠点が露呈し、一時開発が中断。（実用機としては、ロシアのアントノフAn-70 カブがある）。
しかし、近年の石油価格の高騰により開発が再開されたらしい。

プロップファンを搭載した輸送機・An-70「カブ」。

ターボファンエンジン

「うーん、やっぱりターボジェットは燃料食うし、ターボプロップはパワーがないし、中間くらいの奴が欲しいんだけど」という各所からの要望に応え、「ジェット噴流を生成する」「空気を掻いて推力を生み出す」という両エンジンの機能を高次元で融合させた、今のジェットエンジンの主力にあたるものがターボファンエンジンである。
構造は、ターボジェットエンジンに巨大なファンを追加したものである。ファンで取り込んだ空気の一部を使ってジェットの「水増し」を行う事で、燃費および低速域での特性を改善する事に成功している。
ファンを前につけるか後ろにつけるかで「フロントファン」と「アフトファン」にさらに分かれるが、アフトファンの採用例は過去にコンベア990があるくらいであり、ほとんどはフロントファン方式である。
ターボプロップエンジンよりも高速域での使用が可能であり、効率面でもターボジェットエンジンより改善されているため、旅客機のみならず現在ほとんどの戦闘機などにおいても使用されている。
ターボファンエンジンのうち、ファンの直径を大きくしてほとんどの推力をファンが発生させる気流で賄うタイプの「高バイパス比ターボファンエンジン」は、ジェットエンジンとファンの推力の比率がターボプロップエンジンのそれに近く、「プロペラ機（ターボプロップ機）への回帰」と言われることもある。

ラムジェットエンジン

「マッハ3とか4とかで飛ぶと今度はコンプレッサーの羽根まで邪魔になってきた→じゃあ、空気取り入れ口の形を工夫して吸い込むだけで空気を圧縮できるようにすればコンプレッサーすらいらなくね？」というわけで、空気取り入れ口の形を工夫して空気を吸入する段階で自然に圧縮できるようにし、タービン式のコンプレッサーすら不要としたエンジン。
形状的には「燃料噴射口が途中に付いたただの管」なので、ダクトエンジンと呼ばれることもある。
マッハ3超の超高速域に於いて効率に優れるエンジンであるが、逆に低速では起動すらできない（マッハ0.5以上でようやく起動できるとも言われている）ので、低速域ではターボジェットエンジンやロケットエンジンなどで機体を加速する必要がある。
ラムジェットエンジンは一部の対艦ミサイルなどで使用されるのみで、有人機で実用化された例はない。

スクラムジェットエンジン

ラムジェットエンジンを使用できるのはマッハ５まで。それを上回る速度の場合はその構造をガラリと変えなければならない。というのも、音速以下の空気は流路を広げて流速を下げることで圧力を上げて圧縮するのに対して、超音速の空気は正反対に流路を狭めることで圧力が高まるからである。ラムジェットエンジンの場合は音速を超える際は吸気口前方で衝撃波を発生させることで流速を音速以下に落とすのだが、マッハ５以上ではこの手法は使えない。超音速の流れのまま燃焼させ、ノズルから噴射するのがスクラムジェットエンジンである。最大でマッハ１５まで加速できる。
燃料には通常水素が使われる。分子の大きいジェット燃料はエンジン内に噴射されて点火してから燃え尽きるまでに時間がかかり、その間にエンジン外に流れ出してしまうためである。
欠点としては燃焼温度が3000℃と極めて高く、新たな耐熱素材を開発せねばならないことと、マッハ５以下では使用できないこと。そのためマッハ５まではロケットかラムジェットエンジンで加速せねばならず、ラムジェットエンジンを使う場合はさらにターボジェットエンジンも搭載せねばならないのでかなりの重量増加となってしまう。実用化されたのは(事実ならば)現在のところロシアの極超音速ミサイル「アバンガルド」のみである。

原子力ジェットエンジン（熱核ジェットエンジン）

ジェットエンジンの燃焼室を原子炉に置き換え、核反応の熱で取り込んだ空気を膨張させ高温の排気ガスを作り出すもの。
現実世界では地上実験設備の試作機があるだけで、実用化された例は無い。というより構造上、大気圏内で実用化してはいけない。
創作物の世界では、ガンダムシリーズに於いてモビルスーツを筆頭とする兵器類がメインスラスターとして使用している（ガンダムシリーズの世界ではミノフスキー核融合炉などの『放射能汚染が極端に少ない～無いに等しい動力炉』が実用化されており、熱核ジェットエンジンも一般的に使われている）。特に「ドム」が、浮上・走行の両方に強力な熱核ジェットエンジンを使用している機体として有名である。

モビルスーツ「ドム」は、熱核ジェットエンジンで浮上・走行を行うという設定になっている。
いいか、ミノフスキー粒子というものがあるガンダム世界だからこそこんなことができるんだぞ！現実世界ではやっちゃダメだぞ！

ジェットエンジン単語

概要

ジェットエンジン（ガスタービンエンジン）が使われることがある場面

ジェットエンジン（ターボジェットエンジン）の動作

ジェットエンジンの特徴