飛行機のエンジンには翼にぶら下がっているものとお尻の横に挿入されているものがあるのはなぜですか?

飛行機によく乗る学生なら、飛行機のエンジンには翼にぶら下がっているものと、尾翼に取り付けられているものがあるという印象を持っているに違いありません。ランダムに並べることはできますか？

実際、航空機エンジンは性能だけでなく、具体的な設置場所も大きく異なります。一般的に、ジェット航空機のエンジンには、一般的な主翼搭載レイアウトに加えて、主翼根元搭載レイアウト、尾部搭載レイアウト、主翼尾部搭載レイアウトがあります。

翼搭載レイアウト

まずは最も一般的なウィングハングレイアウトから始めましょう。このレイアウトは最初に爆撃機に採用され、その後 707 航空機に採用され、ボーイングが業界大手の基盤を築くのに役立ちました。一度採用されると、このレイアウトは必然的に主流になりました。それがとても人気がある理由は、多くの利点があるからです。まず第一に、このレイアウトは、エンジンの重量を利用して航空機の翼と胴体との結合部におけるトルクの一部を相殺するのに役立ち、重要な「負荷軽減」の役割を果たします。

飛行中、航空機の翼は上向きの揚力を生み出し、一方、重い胴体は大きな下向きの重力を生み出します。その結果、翼と胴体の接合部では、翼によって発生する揚力と胴体によって発生する重力が大きなトルクを形成し、翼根が航空機構造の中で最も重い部分となります。非常に重いエンジンを翼の下に吊り下げると、重量の一部を翼に分散することができ、翼の根元でのトルクのバランスをとるのに役立ちます。

エンジンを翼の下に吊り下げることで、騒音による不快感も軽減されます。飛行機が飛行しているとき、エンジンの騒音は非常に大きく、エンジン付近の乗客は非常に騒音を感じます。静かな客室環境は、航空機の快適性を測る上で重要な基準です。この目的のために、航空機の設計者は、エンジンを翼の下に吊り下げれば、翼がエンジンの騒音に対するシールドとして機能するだけでなく、エンジンを胴体からできるだけ遠くに移動させることで騒音の影響を軽減できると考えました。

さらに、エンジンを翼の下に吊り下げることには、エンジンが地面に近くなるため、修理やメンテナンスが容易になるなどの利点があります。翼の下に搭載されたエンジンは航空機の重心に近いため、航空機の制御が容易になります。翼の面積が大きいため、翼の下に吊り下げるエンジンの数を増減することは比較的簡単です。

エンジンを翼の下に吊り下げるのは簡単なことではありません。飛行中の抵抗や気流など、多くの要素を総合的に考慮する必要があります。民間航空機は基本的に低翼航空機です。この場合、航空機の設計者は、翼の下に吊り下げられたエンジンが地面に近すぎないようにし、地面の破片を吸い込んでエンジンを損傷しないようにする必要があります。

通常、翼搭載エンジンと呼ばれるものは、翼の下に吊り下げられたエンジンですが、その反対に、エンジンが翼の上に配置される場合もあります。実際、主翼上エンジンは翼下の地上高に制限されず、主翼下エンジンと同様の除荷機能を持つという観点から、主翼上エンジンのレイアウトは非常に科学的です。しかし、エンジンを翼の上に配置してしまうと、翼はエンジンの騒音を遮る効果がなくなります。さらに、翼にエンジンを搭載したレイアウトでは、エンジンの位置が高くなるため、エンジンのメンテナンスが難しくなります。さまざまな要素を考慮した結果、現在、翼にエンジンを搭載したレイアウトを採用している航空機は多くありません。

翼根のレイアウト

翼根レイアウトは、長年使用されているエンジンレイアウトです。初期のジェット旅客機であるコメットとTu-104から、設計者はエンジンを翼の根元に取り付けました。設計者がこのレイアウトを選択したのは、このレイアウトにより、風の抵抗を最小限に抑えながら、航空機が 3 つの主要な空力部品 (翼、胴体、尾翼) によって形成される形状を維持できるためです。さらに、エンジンは機体の中心軸と重心に比較的近いため、片側のエンジンが故障しても発生する推力の不均衡は比較的小さく、飛行制御は比較的簡単です。そのため、初期のジェット旅客機のほとんどはこのエンジンレイアウトを採用しました。

もちろん、このレイアウトにも明らかな制限があります。翼根エンジンレイアウトでは、エンジンが胴体の近くに配置されます。これにより、客室内で大きな騒音が発生するだけでなく、エンジンから排出される熱気流によって機体が損傷しやすくなります。さらに、このレイアウトでは、翼がエンジン室を通過して胴体に接続されるため、力支持システムの設計が複雑になり、翼根の構造重量が増加します。また、エンジンが翼構造内に搭載されているため、エンジンのメンテナンスがより困難になります。

テールハングレイアウト

尾部搭載レイアウトでは、エンジンが航空機の尾部に配置されます。このエンジンレイアウトを採用した最初のジェット旅客機はクリッパーであり、その後のボーイング 727 もこのレイアウトを採用しました。

このレイアウトの利点は明らかです。まず、翼の下に余分な突起がないため、エンジン ポッドが揚力と抗力に与える影響が軽減されます。第二に、翼下のスペースに厳格な要件がないため、設計者は着陸装置の高さを短くして構造重量を節約できます。 3つ目は、機体前方に位置するファーストクラス、ビジネスクラス、さらには高級エコノミークラスに、より静かで快適な環境を提供できることです。 4番目に、エンジンの直径はスペースによって制限されず、非常に大きなバイパス比のエンジンを使用できます。 5 番目に、エンジンが近いため、1 つのエンジンが故障しても、航空機のヨーへの影響は、翼下のサスペンション レイアウトの場合よりもはるかに小さくなります。

このレイアウトにも欠点があります。たとえば、エンジンによる翼への負荷軽減効果を排除します。尾部エンジンのレイアウトでは高い水平尾翼を使用する必要があり、航空機の設計時に垂直構造を強化する必要があります。エンジンの数を任意に増減することはできません。

「主翼＋尾翼搭載」レイアウト

「主翼＋尾翼に搭載」エンジンレイアウトは、3つのエンジンを使用する一部の航空機で見られます。その中でも最も代表的なのが、アメリカのマクドネル・ダグラス社が製造した長距離ワイドボディ旅客機「DC-1」と「MD-11」です。当初、このエンジンレイアウトの背後にある指導理念は、航空機のパワーを増大させ、飛行距離を延ばすために尾翼にエンジンを追加するというものでした。この「主翼＋尾翼搭載」のエンジンレイアウトは、民間航空機で第2エンジン搭載が普及するにつれて、徐々に廃止されていきました。