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コメット墜落事故から学ぶ技術史と教訓

コメット墜落事故から学ぶ技術史と教訓1 技術者倫理と1940年代の航空機用レシプロエンジンの進化(機械式過給機、スーパーチャージャー)

執筆時点で材料力学の説明をしてきて基本的なことは、だいたい終わった。

材料力学の重要性は、今までの説明でもちょっとしつこくらい述べてきたつもりだ。

機械設計に必ず必要な材料力学の基本が終えたところで超大切な技術者倫理感について過去の大きな失敗から紹介したいと思う。

なぜ、機械設計講座の最初にこの技術者倫理を紹介しなかった理由は、材料力学の知識を身につけてから考えることで具体的に過去の失敗のヤバさ、対策の考え方が理解できると思う。

世界3大失敗+日本での大事故と技術者倫理の基本

機械で有名な世界3大失敗と言われているコメット墜落事故、リバティ船沈没事故、タコマ橋の崩壊を説明していく

さらにより日本人にとって身近な某自動車会社のリコール隠し事件を紹介したいと思う(会社を隠す必要があるのかわからないけど一応ね)。

いずれの事件でも人が、亡くなっている(幸いタコマ橋だけ人命が失われていない)。

そう、械設計では、検討を間違えると(特に材料力学の検討)本当に人が死ぬのだ。

筆者の考えは、おそらく多くの方に同意いただけると思うが“何人たりとも他人の生命および財産を傷つけたり、奪ったり、脅かしてはいけない“と思っている。

また道具は、基本的に人の役に立ち、少しでも人々の幸福に貢献するものであって人に危害を加えては、いけないと思っている。

しかしながら、悪意がなくて良かれと思ってやったことでも人に危害を加える場合がある。

最悪、返すことができる財産ならまだしも生命は戻ってこない。

その生命を奪うことに繋がる可能性がある重大な検討事項の一つが材料力学の検討不足だ。

しかしそれでは、人類が進歩しないと思われる方もいると思うが筆者の考えでは、チャレンジャーやパイオニアが(基本的にあってはならないことだが)最悪の事態で命を落とすことがあるかもしれない(主に宇宙関連のパイオニア達など)。

しかしながらそのようなプロの人たちは、危険を十分に認識し説明されていて、場合によってはお金や名誉をもらっていたりして本人が納得している上での事故であれば良くはないがあるかもしれない。

ただ今回、紹介する事件は、いずれも最新技術で安全ですと言われてお金を払ってお客さんとして使っている人が多数、命を落としている。

最悪なのはモノの近くにたまたま居ただけの何の利害関係もない、罪もない人が亡くなるのは、絶対にあってはいけない。

いくら未知の領域に挑戦したとしても、このような何の関係もない人の命を奪うことは、あってはならないのでモノづくりに関係する人は同じ過ちを繰り返さないように肝に銘じておこう。

まずは3件の事故でも、最も酷いと思われるコメット墜落事故から紹介していく。

理解を深めるために時代、技術背景から説明していく(筆者の趣味が8割)。

まずは四発ジェット旅客機コメットが1952年に営業飛行したことの技術的凄さを説明していこう。

コメットは、翼内ジェットエンジンで筆者がすごく好きな飛行機の一つだ。

1940年頃の世界の飛行機用エンジンの性能

筆者は元エンジン設計に加え飛行機、ミリタリーが好きなのでちょっとくどいかもしれないがお付き合い願いたい。

これだけでも本が3冊くらい書ける内容なのだがなるべく軽く書く。

当時の航空機用エンジンの主流と課題

まず当時の航空機用エンジンは、現代の多くの自動車と同じガソリンーレシプローエンジンだった(ディーゼルエンジンもある)。

レシプロエンジンというのは往復運動を回転運動に変換する機構のことでいわゆるピストンークランク機構を使ったエンジンのことだ。

この往復する部分に筒と蓋をつけて閉じた空間の中で燃料と空気を入れて燃やす。

燃えた空気が膨張する力(圧力)を利用して部品(ピストン)を動かす(下に下降する)。

燃えた後は慣性力で部品がピストンークランク機構によって動く(上昇する)。

その繰り返しで連続した回転エネルギーを取り出すのだ。

また、決まったタイミングで空気や燃料を供給したり排気する必要があるので燃料を供給する装置(キャブレター、機械式インジェクションなど)がありエンジンの蓋には吸気管、排気管とそれぞれ弁(バルブ)がついている。

さらに燃料と空気が混ざった機体を燃焼させるために点火装置(プラグ)がついている。プラグは、ライターのお化けみたいなもんだ。

図のように吸気ー燃焼ー膨張ー排気(本当は、吸気ー圧縮ー燃焼ー排気)の4工程を繰り返すので4サイクルエンジンと呼ぶ。

他にも2サイクル、ディーゼルなどあるが主流はこのガソリンー4サイクルーレシプローエンジンである。

但し当たり前だが現代の乗用車のエンジンよりも当時の航空機用エンジンは、遥かに巨大で高出力(ハイパワー)のエンジンだ(そのかわり燃費は、かなり悪い)。

レシプロエンジンの大きさや出力(パワー)は、かなり大雑把に言うと排気量というエンジンが取り入れることができる空気の量(体積)に比例する。

現代の平均的な乗用車は、排気量がおおよそ1000〜2000ccくらいだが当時の飛行機用エンジンは、15000〜35000ccくらいでおおよそ10〜16倍くらい大きい。

これは単純にエンジンの大きさだけで技術難易度は決まらなくて大きくても小さくても複雑なエンジンは開発も製造も難しい。

1940年の当時でまともに飛行機用レシプロエンジンを生産できたのは、日米独英くらいのもんだ。

21世紀の現代でも競争力がある乗用車用エンジンを開発、量産できる国はかなり限られている(経済発展が著しい中国でもまだ無理)。

レシプロエンジンは、良い特性もあるのだが当時は、当時(1938~1940年くらい)で既に飛行機にとっては、性能の限界を迎えていた。

1930年代の航空機用レシプロエンジンの限界

上のレシプロエンジンの図を見ればわかると思うのだがレシプロエンジンでは、燃料を供給する量はある程度コントロールできるのだが空気の量は、基本的にピストンが下がる負圧で供給されている。

そこで問題になってくるのが地球の大気圏では高度が上がるほど空気が薄くなり燃焼に必要な空気の供給量が減りエンジンのパワーがメチャクチャ下がる。

だから単純にエンジンは8000mくらいになると出力が地上と比較して60%以上ダウンする。

だから大戦機のレシプロエンジンのスペック表記は離昇出力(高度0m)や高度ごとに出力が記載されている。

基本的にレシプロエンジンのパワーは、吸入空気量に比例すると思ってもらっても構わない(本当は、空気と燃料の量)。

つまりレシプロンジンの性能が飛行機の飛べる高さに大きく依存する。

戦争時の飛行機は、当たり前だが戦うのが基本で速度、機動、武装性能に加え高度性能がとても重要になる。

まず高度が敵より高く取れれば敵は来れないので安全に優位なポジションを取れる。

また高度を高く保てれば高度を下げて戦うときに位置エネルギーを利用してより速いスピードが出せるのでこれもまた有利である(ボイドのエネルギー機動戦理論など)。

また、この高度が高く飛べると空気が薄くなるので当たり前だが空気抵抗が減って少ない力で速度が出せるようになるし抵抗が少ないので燃費も良くなり行動半径が増えるのである。

単純に、高い高度が取れることの意味は、敵が届かない場所から一方的に攻撃できるのだ。

とにかく敵より高く飛べるだけでかなり有利になるのである。

一方で先ほど述べたようにレシプロエンジンは、高度が上がるほど空気が薄くなり性能が下がる。

おおよそ、ただのレシプロエンジンだと高度5000m未満がやっと到達できるくらいの高度だった。

この時代では航空機用レシプロエンジンは、最先端の軍事技術でたくさんの大天才たちが日々、改良に取り組んで様々な方法で空気の供給量増大に取り組んだ。

機械式過給機の登場、普及と進化(1940年あたり)

その空気取り入れ量の増大のための工夫で第2次世界大戦の初期で主流だったのが機械式過給機(スーパーチャージャー)だった。

誤解を恐れずに簡単に説明するとエンジンの回転する力を一部、拝借して風車みたいなのを廻して空気を圧縮してエンジンに供給するのだ。

ちなみに風車は、インペラーと呼ぶ。

これでかなり高度を上げられるようになったが戦争は超過酷な性能競争なので、この機械式過給機も恐ろしいスピードで進化した。

始めは、エンジンに過給機駆動用のシャフトを付けてエンジンと同じくらいの回転数で風車を廻してただけだった。

すぐに技術者たちは、風車をもっと速く廻してより多くの空気をエンジンに取り込むことにした。

その仕組みは、風車のシャフトに変速機(ギヤボックス)を付けて2段階、3段階(2速、3速と数える)の増速をしてよりたくさんの空気を供給できるような機械式過給機がすぐに登場した。

また機械式過給機自体を2個(何故か1段、2段と数える)付けたりしてひたすら空気を取り込む努力をした。

図を見ればわかると思うがかなり複雑で難しい装置になる。当然、装置が増えるので飛行機が大きく重くなるので技術者たちは、そうとう困ったはずだ。

ただしこの機械式過給機もすぐに限界を迎える。

その1番のネックは、当時は基本的に歯車でギヤ比を変えて風車を増速していた。当時の航空機エンジンの使用回転数はおおよそ1500rpm前後(1分間に1500回転)で同等程度の回転数の駆動力の伝達なら難しくないがそれが2倍、3倍、4倍.......10倍になると歯車や風車の軸受などが焼き付いてとてもじゃないが耐えられない。

21世紀の今でも筆者が経験した歯車や軸受の最高回転数は、量産で20000rpmを超えるくらいだ。おそらく当時の技術や軍用であることを考えると5000〜6000rpmくらいが限界だと思う。

とにかく歯車や軸受の潤滑は、とても複雑で難しいのだ。

流体継手の利用(フルカン継手)

そのなかでやはり機械天才国のドイツは、過給機の駆動力伝達に流体を使ったフルカン継手(フルカン造船所で開発されたのでフルカン)を使って一歩リードしていた。仕組みは簡単で扇風機を2台向かい合わせて置いて片方だけ扇風機を廻すともう片方も廻る、流体によって駆動力が伝わるのだ。ももちろん空気では、効率が悪いので専用の油がある。

このフルカン継手の伝達効率を100%とすれば向かい合った扇風機が同じ大きさだと同じ回転数でしか廻らない。

そこでドイツ人たちは、駆動側の扇風機と被駆動側の扇風機の大きさを変えるのと伝達に使う流体、油の量を変えて滑らかに風車の回転数を増速していたのである。

流石、ドイツ人である。ただの装置の簡略図の時点で既にかなり複雑だ。これを試作で1、2個だけつくるのならできるが量産していたことに驚愕する。

しかしながらこれで機械式過給機の問題が解決したかというとそうでもない。

フルカン継手でも増速比に限界があるのだ。

そりゃスペースが無限大だったらフルカン継手を何段もおいて増速できるが戦時中の飛行機はコンパクトさが命なのでそんなことはできない。

そこで当時の天才達は、考える。そこで見つけ出した新たな方法は、今までは、捨てていた排気ガスを利用して風車を廻すことにした。

排気ガスを利用した過給機の登場(1942年あたり)

これがいわゆるご存知の方も多いと思われるターボチャージャー、排気ガス式過給機である。

これは変速機とかフルカン継手などの複雑でめんどくさい機械を付けなくても気ガスが通る管に駆動用の風車を付けてその同軸に空気圧縮のための風車をつければ出来てしまう。

この排気ガスは凄いエネルギーを持っていてエンジンからの距離にもよるがエンジンに近いところだと数MPa(10気圧以上)で900℃くらいあるので風車はかなり高回転で廻る、例えば40000〜50000rpmとかで機械式と桁が違う。

しかも機械式過給機は、エンジンの出力を一部拝借して動いていたが排気ガス式過給機は、ただ捨てていた排気ガスのエネルギーを利用しているので機械効率が全く異なる。

これは、もう凄いものでガンガン空気を圧縮してエンジンの出力が増大して高度を上げられた。

ちなみにこの排気ガス式過給機の装置をターボチャージャーと呼ぶ(単純にタービンと呼ぶこともある)。

しかし利点ばかりではなくてたくさんの技術課題があった。

まずいくら変速機やフルカン継手が必要なくても風車の軸が高速で廻っているのでそれに耐える軸受が必要になる。

また排気ガス側についている風車は、常に900℃近い高温の排気ガスにさらされているので耐熱材料でつくる必要がある。

まとめると主に次の3点が大きな課題になる。

排気ガス式過給機の課題

・高音の排気ガスに耐えられる耐熱材料(インコネル材など)の開発、製造がメチャクチャ難しいの

・耐熱材料をつくるためにするために大量のレアメタル(主にニッケル)が大量に必要。

・数万rpmに耐えられる軸受の開発、製造。つまり高度な材料と高い工作精度が必要になる。

構造、仕組みは簡単なのだがかなり高度な材料の技術と資源が必要で技術が高くて資源のあるリッチな国にしか実現できないのである。

これを乗り越えて当時、軍用で量産できたのは、ほぼアメリカだけである。

ただこの排気ガス式過給機もすぐに限界がくる。

今度の限界は、空気を圧縮しすぎて温度が高くなってしまいエンジンが異常燃焼を起こして壊れてしまうのだ。

また空気は、温度が上がると膨張するのである程度まで圧縮するとそれ以上に密度が上がらないので性能が上がらないのだ。

この解決のために天才たちは、考えて対策をするのだ。

その対策と、超大切なプロペラの発展の話を次回にする。

コメット墜落事故から学ぶ技術史と教訓2 WWⅡの航空機用レシプロエンジンとプロペラの進化(圧縮性流体、非圧縮性流体)

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また機械設計では規格を日常的に確認するのでタブレットやスマホだと使いにくい面もあって手持ちの本があることが望ましい(筆者がオッサンなだけか?)。

しかもほとんどの企業が気密の観点から個人のスマホ、タブレットの持ち込みは難しく、全員にスマホ、タブレットを配る余裕もないと思うので本で持っているのが唯一の手段だったりする(ノートパソコンやCADマシンはあるけど検索、閲覧には使いづらい)。

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輸送機器メーカーでの元エンジン設計者。15年の職務経験から機械設計知識を伝道します。また職歴を活かしてエアソフトガンをエンジニアリング視点で考えてみる。

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