ジェット戦闘機のエンジンノズルが、飛行状態によって開いたり閉じたりするのはなぜなのでしょうか。それこそアイドリング時と離陸時では穴の大きさが違います。その一方で旅客機のジェットエンジンは変わりません。なぜなのでしょうか。
ノズルの穴が大きくなったり小さくなったり
航空祭の飛行展示機や、フライトゲーム「エースコンバット」などのプレイ画面を注視していると、ジェット戦闘機のエンジンノズルが、飛行状態によって開いたり閉じたりしていることに気づくかもしれません。
アフターバーナーを使用するF-15。エンジンノズルはガスを速やかに排出するため最大まで開いている（関 賢太郎撮影）。
どの戦闘機も共通して、エンジンがアイドリング状態の時にはノズルが大きく開き、出力を上げていくと徐々に閉じていきます。加えて、アフターバーナーを使用すると、その際には再び大きく開くようになっています。ジェットエンジンのノズルは、一体なぜこのような複雑な動きをするのでしょうか。
まず、ジェットエンジンの基本的な原理を振り返ってみましょう。エンジン内部で圧縮された空気に燃料を混ぜて燃焼させ、その高温高圧の排気ガスを後方に噴出することで、前方への推力を得るというシンプルなものです。しかし、エンジンの出力を効率的に制御し、最適な推力を得るためには、排気の速度と圧力の調整が不可欠となります。
ここで思い描いて欲しいのが水道の蛇口に取り付けたホースです。水を勢いよく放出したいとき、ホースの口を狭めると水流が加速し、遠くまで飛ぶと同時に反動が強くなるでしょう。ジェットエンジンもこれと同様で、ノズルを狭めることで排気ガスの流速が増し、推力が強化されます。
ただし、ホースの口を狭めるといずれ水流が止まってしまうように、エンジンノズルも狭めすぎることはできません。そのためエンジン出力に応じて最適なノズルの断面積を得ることが肝要です。このような機能を実現したノズルは「可変断面積ノズル」または「コンダイノズル」と呼ばれています。
さらに戦闘機のパフォーマンスを大きく左右するのが、アフターバーナーの使用です。アフターバーナーは、エンジンから排出される高温の排気ガスに追加の燃料を噴射・燃焼させ、劇的な推力の増加を図る装置です。しかし、アフターバーナーを使用する際、ノズルを狭めたままでは燃焼ガスの逆流が発生し、エンジンの安定した運転に悪影響を及ぼす危険性があります。このため、アフターバーナー作動時にはノズルを大きく開き、排気ガスを効率よく排出しているのです。
旅客機のジェットエンジンはなぜノズル動かないの？
可変断面積ノズルの歴史は意外と古く、1940年代前半に実用化された世界初のジェット戦闘機であるメッサーシュミットMe262のエンジンで、すでに同種の機構が盛り込まれていました。
F-15はF100ターボファンエンジンを搭載する。写真の機体はエンジンノズルが閉じた状態でありエンジン出力が高いことがわかる（関 賢太郎撮影）。
ただし、一方で旅客機のエンジンノズルは戦闘機のように可変せず、どの機体でも固定されています。これは旅客機が巡航速度での効率を最重視して設計されているためです。長時間の巡航飛行においてエンジン出力は一定であり、その最適な推力条件を満たすノズル断面積が設計段階で決定されます。ノズルの可変機構は重量や製造コストの増加、メンテナンスの手間を招くため、旅客機では必要とされません。
ただし、旅客機の中でもほぼ唯一の例外となるのが超音速旅客機「コンコルド」です。「コンコルド」は巡航速度がマッハ2という異例の高速飛行を行うため、旅客機でありながらそのエンジンにはアフターバーナーが取り付けられており、可変断面積ノズルが採用されています。なお「コンコルド」と同じく超音速旅客機であるTu-144は、可変断面積ノズル型と固定断面積ノズル型の2種類が存在します。
今後、航空祭やゲームを楽しむ際にはノズルの動きに注目して観察すると、その精巧な機構や挙動の妙を、より一層深く味わえるかもしれません。特にF-15戦闘機はノズルの動作音が非常に大きいことで知られ、エンジン出力を大幅に変化させると「キュルルル」という独特の音が響き渡ります。実際、「エースコンバット」でもその音は再現されているので、ぜひ気にしてみてください。
