ジェットエンジンのしくみ
 自動車のエンジンとしておなじみの4サイクルエンジンは、ガソリンがシリンダーの中で爆発し、その衝撃でピストンが往復運動を行い、これをクランクで回転運動に変えるしくみになっていることはご存じだと思います。このように燃料を燃やして熱を生み、そのエネルギーで動力を得る機関を「熱機関」といいます。また車のエンジンのように、エンジン内で燃焼させるものを「内燃機関」といいます。

 ジェットエンジンも内燃機関です。ただ車のエンジンが「吸気」「圧縮」「爆発」「排気」の4つのサイクルを1つの室(シリンダー)で順番に行うのに対し、ジェットエンジンはそれぞれ専門の室が「インテーク」「圧縮機」「燃焼器」「ノズル」とあり、同時に吸気〜排気が行われます。つまり車のエンジンが4回に1回爆発して動力を発生させるのに対し、ジェットエンジンは、連続に動力を発生させるため、同じ重量で比べた場合はるかに大きい動力を生み出すことができます。このことは重量が決定的な要素となる飛行機では非常に重要です。

 ジェットエンジンが動くしくみは基本的に車のエンジンと同じですが、空気を圧縮する方法が少し違います。ジェットエンジンでは連続的にエンジンを動かすために、回転しながら空気を圧縮する圧縮機があります。この圧縮機を回すために、燃焼したガスのエネルギーで動かす「タービン」があります。タービンは風車と同じしくみで、風(燃焼ガス)を受けた羽根が回転力を得て回るものですが、ジェットエンジンではその軸が圧縮機と一体なった構造になっており、タービンの回転で圧縮機を動かします。

 このようにガスで動くタービンを有する熱機関を「ガスタービンエンジン」といい、ジェットエンジンは飛行機用ガスタービンという位置づけになります。ガスタービンで得られる動力は、その作動に必要な圧縮機を動かす動力を除いたもの、従って加えた燃料のエネルギーからタービンで消費されたエネルギーを差し引いた残りになります。ジェットエンジンではこのエネルギーがノズルから噴出するジェットになり飛行機を推進する動力になります。
ラムジェットエンジンとロケットエンジン
 飛行機が高速で飛ぶと、エンジン前面に空気がせき止められた状態になって圧力が生じます。これをラム圧といいます。マッハ1以下で飛ぶ場合ラム圧は少ないのですが、マッハ2以上になると圧縮機がなくても燃焼が可能な圧力が得られます。このラム圧を利用したジェットエンジンをラムジェットといいます。ラムジェットは推力を発生する速さに加速するために他のエンジンが必要になるため、ミサイルや標的機のエンジンとして用いられてきましたが、近年ターボジェットエンジンと組み合わせた複合型エンジンとして次世代超音速機などに使おうとする研究が進められています。

 ジェットエンジンは燃焼に必要な酸素を空気中から得ています。ロケットエンジンはこの酸素も自分でまかなう点でジェットエンジンと異なります。またその酸素と燃料は高圧で噴き出すように搭載されているので、そのまま燃焼させて大きな推進力を得ることができます。空気中の酸素を必要としないため、宇宙空間へ飛び立てる唯一のエンジンになります。
ジェット推進と飛行機
 空気や水が勢い良く噴出している状態をジェットといいますが、ジェット推進とはこのような噴出力で物体を前方に動かす動力をいいます。ジェットが噴出する反動で物体が動く現象は「ニュートンの反作用の法則」として説明されますが、飛行機についていえば、空気を後方に押し出した反動で機体が前に推進される力で飛行しています。プロペラで飛んでいる飛行機はジェット推進と違うように思えますが、後方に押し出すものが低速の大量な空気と高速のガスの違いだけで基本的にはジェット機と同じです。

 エンジンから発生する推力(飛行機を推進する力)は、エンジンから噴出するジェットの空気の質量(重量)×噴出速度で表されます。これには次の2つの方法がとられます。



 飛行機のエンジンとして使う場合、噴出するジェットの速度が飛行速度と同じ時一番効率が良くなります。従って低速で飛行する飛行機はプロペラで推進する方が良いのですが、この場合でもジェット推進力をプロペラを回転させる動力に変えるタイプのジェットエンジンが使われます。これを「ターボプロップエンジン」といいます。

 一方プロペラ自体はある速度以上になると推進力を生み出す力が減少しますので、これ以上の飛行速度で飛ぶ飛行機はジェットの噴出で推進する方法をとります。しかしこの場合でも、飛行速度が音速以下で飛ぶ飛行機ではジェットの速度が速すぎ、効率は悪くなります。そこでプロペラの翼枚数を多くして、全体を筒(ダクト)の中に入れたような「ファン」により推進力を得るタイプのジェットエンジンが現れました。これを「ターボファンエンジン」といいます。
 ターボファンエンジンは、推進力の多くをファンが回転することにより生じる空気流でまかない、今までのジェットエンジンはこのファンを回すための動力として位置づけられます。ファンの空気流速度は、一般ジェット旅客機の巡航速度であるマッハ0.8〜0.9と一致します。従ってターボファンエンジンの登場は、旅客機の飛行効率、すなわち燃料消費を著しく改善し航続距離を大幅に増加する効果を生み出しました。現在では旅客機のエンジンはもちろん、音速以上で飛ぶ軍用機のエンジンでもこのターボファンが使われています。
 ターボファンエンジンは基本的なジェットエンジン(これをピュアエンジンといいます)にもう1組のタービンとファンを加えた構造で、空気の流れはファンから直接後方へ流れるものと、ファンから圧縮機に入りコアエンジンを通過してノズルから噴出する流れの2つに別れます。
 ピュアジェットでは高速のジェットが噴出するため、空気と衝突して大きな騒音を発生します。戦闘機などが発するゴーという音がこれです。ターボファンエンジンは、推進力の多くがファンから押し出される比較的遅い空気流であるためこのジェット騒音はほとんどなく、キーンというファンの回転による音が主になり、低騒音であるという特徴もあります。