飛行機の推進力について。

質問

どこかで「ジェット機は速度が増すと推進力もますが、プロペラ機は推進力が低下する。」と聞いたことがありますが、どうしてかその理由を知っている方は教えてください。
色々と考えたのですが、なぜだか理解できません！

回答No.2

nidonen · ベストアンサー

その話は多少間違っているというか、ずいぶん省略されて
いると思うのですが、とりあえずそこは無視してお答えします。

　プロペラ機にはどうしても、速度に限界があります。その
理由は、「 基本的に飛行機のどの部分も、音速を超えることは
できない 」という物理法則にあります。超音速を出すには
ものすごい構造強化が必要で、それ専用に作らないと音速を
突破することはできません。

　なぜなら音速を超えると強烈な衝撃波が発生するためであり、
そのため世界初の超音速機『 ベル Ｘ－１ 』が出現するまで、
航空技術者の間でも超音速機は実現不可能という意見が珍しく
なかったほどなんです。

　話をプロペラ機に戻すと、プロペラ機の推力は当然、プロペ
ラの回転から生まれますよね。そして、速度が上がれば上がる
ほど、プロペラの回転スピードも速くなり、プロペラ先端が移
動する速度はどんどん音速に近くなってきます。

　そして時速 600 ｋｍあたりから、先端の移動速度がほぼ音速
に近づき、それ以上速くプロペラを回すことができなくなります。
無理やりエンジンの出力を上げると、プロペラ程度の剛性では
間違いなく壊れてしまいますし、それ以前に異常な振動などで
正常な回転を維持できなくなります。

　そのため、プロペラ機のエンジン出力と速度の関係をグラフ
にすると、“へ”の字を左右逆にしたようなカーブを描きます。
ある程度までは速度が上がり続けますが、途中で速度アップの
限界が来て、それ以上出力を上げると逆に異常振動などで速度
が下がってしまうというわけです。

　いっぽう、ジェット機も機体そのものは音速を突破できませ
んが、推力を生み出すジェット噴流自体は爆発の一種ですから
問題なく音速を突破できます。そのため、機体速度の限界＝音
速ギリギリまで速度を上げ続けることができるというわけです。

　余談ですが、プロペラの理屈はヘリコプターの速度にも関係
しています。ヘリコプターはローターの回転で揚力を得ながら、
ローターを傾けることで前進します。このとき、ローター先端
に着目すると、ローター自体の回転速度にプラスして、ヘリコ
プターの飛行速度が加わります。

　そのためローター速度の限界は、飛行速度が加わるぶんだけ
通常のプロペラよりも早く到来してしまいます。これが理由で
ヘリコプターはせいぜい時速 300ｋｍ 程度しか出せないのです。
たとえジェットエンジンを推進力に使っても同じことなんです。

お礼

非常にわかりやすい説明で理解できました。ありがとうございました！

回答No.4

aero2000

「ジェット機は、推進力を増すと速度が増すが、プロペラ機は一定以上の速度に達すると、推進力を得られない（低下する）」
が正解であろうと、私は考えます。

なぜ、推進力が得られないかを説明するためには、No1さん、No3さんの”空気を後ろに掻き出す”という概念では説明できないように思います。

飛行機（固定翼機）が飛ぶ原理から書きますが、前に進む力はエンジンなどによる推進力、浮く力（重力に逆らう力）は主翼に発生する揚力です。
揚力が発生する原理は以下のサイトが分かりやすく解説しています。
http://www.fides.dti.ne.jp/~kaikou/@kaikou/nsofly.html

主翼に揚力を発生させるためには、前方から風を受ける＝自分が前に進む　必要がありますが、自分が動かずに前方から風を受ける方法として、翼を回転させることが考えられます。これがヘリコプター（回転翼機）です。ヘリコプターは軸を上に向けて回転させますが、これを前方に９０°倒したものがプロペラと考えると分かりやすいと思います。プロペラを回転させることによって、前に向かって揚力を発生させる、すなわち推力を得るのです。

ところで、プロペラを高速で回転させ、飛行速度が速くなると、プロペラの表面を流れる風の速度が音速に近づきます。No2さんが書かれていらっしゃるように、プロペラの先端から音速に達します。こうなるとプロペラ面の空気の流れが乱れ、著しく効率が低下し揚力が得られなくなります。なぜ、効率が低下するかは、流体力学を学ばれることをお勧めします。

よって、プロペラの先端が音速に達する寸前の飛行速度が限界速度であると言えます。おおよそ時速７５０ｋｍ～８００ｋｍと言われています。先端が音速に達するのをできるだけ遅くするプロペラ形状の研究が行われています。
http://www.jal.co.jp/jiten/dict/g_page/g225_1.html

ちなみに、現在国内エアラインのプロペラ機は、ターボプロップエンジンと呼ばれるエンジンを搭載しており、ピストンエンジンのものはありません。
一般的にジェットエンジンと呼ばれるものは、正確にはターボファンエンジンといい、エンジン内部の機構は、ターボファンエンジンも、ターボプロップエンジンも同じです。高圧ガスを後方に噴出することにより推進するか、高圧ガスでタービンを回して得た回転エネルギーでプロペラを回すかの違いだけです。
http://www.jal.co.jp/jiten/dict/g_page/g221.html
セスナ、パイパーなどの小型プロペラ機の多くは、レシプロエンジン（自動車と同じ）を使用しています。

なぜ、わざわざプロペラを回すかというと、エネルギー効率がいい＝燃費がいいからです。

こちらは、かなり専門的ですが、参考になれば幸いです。ターボファン・エンジン、ターボプロップ・エンジンをご覧ください。
http://www.jal.co.jp/jiten/dict/p217.html#01

参考URL：

http://www.jal.co.jp/jiten/index/

回答No.3

hokenyaboo

ジェットエンジン（ジェット推進）とプロペラ推進の違いを説明しなければなりませんが、

どちらもエンジン自体のシステムとしては空気を取り入れ燃料と混ぜ火をつけ爆発させた事により容量の増えたガスの力をりようします。

違いは、ジェットエンジンは前から空気を取り入れ圧縮・高温にして燃料と混ぜ爆発させて膨張したガスを後ろから噴出させる事により推力を得ます。
最初は電動でフィンを回し空気を取り入れますがエンジンがかかれば排出されるガス圧を使いフィンを回し空気を入れますし動き出せば自然と前から空気が入ります。

速度が増せば入る空気の量も自然と増えますので圧力も増え爆発力が増えるので速力も増します。

プロペラ機は燃料を爆発させたガス圧でピストンを動かし、その力をクランクシャフトを伝ってプロペラの回転に使います。
プロペラが回ることによってそこに有る空気を後ろに押し出す事により推力を得ますが、空気を後ろに押し出す力はプロペラの回転によってしか得られずプロペラの裏側で掻き出す空気の力が推力です。
速力が増し回転（掻き出す）以上の空気の流れがプロペラの前側に当ってもプロペラの回転数は増えるかもしれませんが後ろに掻き出す力が増えるわけでもなく、かえって風圧で回転数が落ちるだけです。
また、推力（風圧）が増えてもエンジンの回転が増える訳でもありません。
風圧をエアークリーナーに取りこみターボの代りにしてエンジンの回転数を上げても限界がありますしプロペラが一定以上に早く回ることは不可能だし前からの風圧の抵抗もあるからです。

したがってご質問の通りの結果になります。
説明しにくいですがお分りいただけますか？

参考URL：

http://www.mnc.toho-u.ac.jp/v-lab/combustion/comb02/matter04.html

回答No.1

koduc

基本的な話しかしりませんが

ジェットエンジンは、飛ぶスピ－ドで、空気を吸い込むことで圧縮、燃料と一緒に爆発（燃焼）させて、爆発力を後ろに向けて推進力にする。
離陸時は、空気取り入れ口の、羽を回して、空気を圧縮しています。
スピ－ドが上がれば、空気が多く通過して、圧縮力も強く（車のエンジンで言えば排気量が多くなったようなもの）、推進力が強くなると言うこと。

プロペラエンジンは、決まった回転数、馬力でプロペラを回し、羽に角度を付けて、周りの空気を後方に押し出すことで、推進力を得ます。（エンジンの回転は可変でしょうが最高回転数は決まっています）
回転数と羽の角度で、空気を押し出すスピ－ドは決まります。そのスピ－ド以上にスピ－ドを上げる（加速）ことは出来ません。
推進力は、更に加速する力ですから、空気を押し出すスピ－ドの限界に近いスピ－ドになれば加速しにくい（推進力が弱い）となります。
ボ－トをこぐとして、こぎ始めは、加速（スピ－ドが上がる）出来る、スピ－ドが上がると、ろをかなり速く、強くこがないと加速（更にスピ－ドを上げる）出来ないことと同じです。