アラン・アーノルド・グリフィス

アラン・アーノルド・グリフィス CBE FRS ^[1]（1893年6月13日 - 1963年10月13日）は、イギリスの技術者であり、ヴィクトリア朝時代のSF作家ジョージ・グリフィス。他の多くの貢献の中でも、彼は現在金属疲労応力おり、またジェットエンジン。グリフィスの先進的な軸流ターボジェットエンジンの設計は、イギリスで初めて実用化された軸流ターボジェットエンジンであるメトロポリタン・ビッカース F.2開発に不可欠であり、このエンジンは1941年に初めて正常に稼働した。しかし、グリフィスは1939年に王立航空機製作所ロールス・ロイス社に異動。

AA グリフィスはリバプール大学で機械工学の学士号を取得し、続いて修士号と博士号を取得しました。1915 年に王立航空機工場に研修生として採用され、翌年、すぐに王立航空機工場 (RAE) と改名された物理計器部門に加わりました。

グリフィスの初期の研究のいくつかは、今日でも広く使用されています。1917 年、グリフィスとG.I. テイラーは、ストレスの問題を研究する方法として石鹸膜の使用を提案しました。この方法では、研究対象の物体の端を表す数本の糸の間に石鹸の泡を張り、膜の色でストレスのパターンを示します。この方法と類似の方法は、コンピューター モデリングが主流となった 1990 年代まで使用されていました。

グリフィスは、ガラスなどの脆性材料の亀裂伝播による応力と破損の性質に関する理論的研究で有名です。彼の亀裂伝播基準は弾性材料にも適用されます。^[2]当時、材料の強度はE/10（Eはその材料のヤング率）であると一般に考えられていました。しかし、それらの材料はこの予測値のわずか1000分の1で破損することがよくあることはよく知られていました。グリフィスは、あらゆる材料に多くの微細な亀裂があることを発見し、これらの亀裂が材料の全体的な強度を低下させるという仮説を立てました。これは、固体内の空隙や表面の傷によって応力が集中するためであり、この事実は当時の機械工にはよく知られていました。この集中により、材料全体で応力がE/10に達するよりもずっと前に、亀裂の先端で応力がE/10に達することになります。

この研究から、グリフィスは弾性ひずみエネルギーの概念を用いて脆性破壊の独自の理論を定式化した。彼の理論は、関与するエネルギーを考慮して楕円形の亀裂伝播の挙動を説明した。グリフィスは、システムの内部エネルギーの観点から亀裂伝播を、次式で表される亀裂長さの増加に関連して説明した。

${\displaystyle {\frac {d(U_{e}+U_{s}+W)}{dc}}=0}$

ここでUe_は材料の弾性エネルギー、Us_は亀裂の表面積、Wはサンプルに加えられた仕事、dcは亀裂長さの増加を表す。^[3]

この関係はグリフィスの基準を確立するために使用されました。グリフィスの基準は、亀裂が材料を破壊するほどに伝播できる場合、表面エネルギーの増加は歪みエネルギーの損失に等しいと述べており、脆性破壊を説明する主要な式であると考えられています。解放される歪みエネルギーは亀裂の長さの2乗に正比例するため、亀裂が比較的短い場合にのみ、伝播に必要なエネルギーが利用可能な歪みエネルギーを超えます。グリフィスの臨界亀裂長さを超えると、亀裂は危険になります。

1920年に発表されたこの研究（「固体の破裂と流動の現象」）^{[4]は、多くの産業に新たな認識をもたらした。}冷間圧延などのプロセスによる材料の「硬化」はもはや謎ではなくなった。航空機設計者は、当時必要と考えられていたよりもはるかに頑丈に作られたにもかかわらず、なぜ設計が失敗したのかをよりよく理解できるようになり、すぐに金属を磨いて亀裂を取り除くようになった。この研究は後にGRアーウィン、RSリブリン、AGトーマスによって1950年代に一般化され、^{[5] [6]}脆い材料だけでなくほぼすべての材料に適用された。

1926年、グリフィスは画期的な論文「タービン設計の空気力学的理論」を発表しました。^[7]彼は、既存のタービンのひどい性能は、ブレードが「飛行失速」することを意味する設計上の欠陥によるものであることを実証し、ブレードの性能を劇的に改善する現代的な翼型形状を提案しました。論文では、軸流圧縮機と2段タービンを使用したエンジンについて説明し、第1段で圧縮機を駆動し、第2段でプロペラに動力を供給する動力取り出しシャフトを使用しました。この初期の設計は、ターボプロップエンジンの先駆けとなりました。この論文の結果、航空研究委員会は、単段軸流圧縮機と単段軸流タービンを使用した小規模な実験を支援しました。1928年に作業が完了し、テスト済みの設計が完成し、そこからさまざまな概念をテストするための一連の設計が構築されました。

この頃、フランク・ホイットルは、遠心圧縮機と単段タービンを使用し、排気ガスの余剰電力で航空機を推進するというタービンエンジンに関する論文を執筆した。ホイットルは 1930 年に論文を航空省に送り、同省はコメントを求めてそれをグリフィスに渡した。ホイットルは、ホイットルの計算の誤りを指摘した後、圧縮機の前面サイズが大きいため航空機での使用には実用的ではなく、排気ガス自体ではほとんど推力が得られないと述べた。航空省は、その設計には興味がないとホイットルに返答した。ホイットルは落胆したが、イギリス空軍の友人たちに説得されて、とにかくそのアイデアを追求することにした。ホイットルは 1930 年にその設計の特許を取得し、 1935 年にPower Jets 社を設立して開発することができた。

グリフィスは、サウスケンジントンの新しい航空省研究所の主任科学者になりました。ここで、彼は逆流ガスタービンを発明しました。これは、交互に反対方向に回転するコンプレッサー/タービンディスクを使用するものでした。各回転ディスクの間に固定されたステーターは必要ありませんでした。適切な量の渦流になるようにブレードを設計することは困難であり、コンプレッサーの流路をタービンの流路から密閉することも困難でした。1931年に彼はRAEに戻ってエンジン研究を担当しましたが、軸流エンジンの開発作業が実際に開始されたのは、彼がエンジン部門の責任者になった1938年になってからでした。ヘイン・コンスタントがエンジン部門に加わり、蒸気タービンメーカーのメトロポリタン・ビッカース（メトロヴィック） と協力し、グリフィス独自の非逆流設計に取り組み始めました。

短期間のうちに、ホイットルのパワージェッツでの仕事は大きな進歩を遂げ始め、グリフィスはジェット機を直接推進力として使うという姿勢を再考せざるを得なくなった。1940年初頭の急ぎの再設計によりメトロヴィック F.2が誕生し、同年後半に初飛行した。F.2 は1943年に推力2,150 lbfで飛行試験の準備ができ、 11月にはグロスター ミーティアの交換用エンジンである F.2/40 として飛行した。エンジンが小型化されたことで、 Me 262にかなり似た設計となり、性能も向上した。しかし、このエンジンは複雑すぎると判断され、生産には至らなかった。

グリフィスは1939年にロールス・ロイス社に入社し、1960年に主任科学者の職を退くまでそこで働いた。彼は軸流式コンプレッサと単段タービンを使ったシンプルなターボジェットエンジンの配置を提案した。これはAJ.65と呼ばれ、エイボンと改名され、同社初の量産型軸流ターボジェットとなった。彼はまた、様々なバイパス方式を提案した。機械的に複雑すぎるものもあったが、その中には直列に2つのコンプレッサを使うものもあり、この配置は後にコンウェイに使用された。グリフィスは、エアジェットを使ったホバリング中の制御など、垂直離着陸（VTOL）技術の先駆的な研究を行った。彼は、航空機を水平姿勢で持ち上げるための小型でシンプルで軽量なターボジェットのバッテリー、いわゆる「フラットライザー」を使うことを提案した。ホバリング中の制御は、ロールス・ロイス社の推力測定装置を使って調査されたが、偏向推力の従来型エンジンが使われた。ショート SC.1では 4 基のリフト エンジン バッテリーが使用されました。

グリフィスは、材料科学への貢献を称えられ、材料鉱物鉱業研究所から毎年AAグリフィスメダルと賞を授与されている。^[8]この賞は2021年に廃止された。

• アームストロング、FW (1976 年 12 月)。「航空エンジンとその進歩 - グリフィスから 50 年」。航空ジャーナル。第 LXXX 巻。王立航空協会。pp. 499–520。ISSN 0001-9240  。
• カンター、ブライアン（2020）。「グリフィスの方程式」。材料の方程式。オックスフォード大学出版局。pp. 253–262。ISBN 978-0-19-259291-0。
• Howell, AR (1976 年 12 月)。「ターボ機械の空気力学に関するグリフィスの初期のアイデア」。航空ジャーナル。第 LXXX 巻。王立航空協会。pp. 521–529。ISSN 0001-9240  。
• キング、HF (1966 年 12 月 22 日)。「グリフィスの遺産: 父と息子の特別な物語」。フライト インターナショナル。第 90 巻。IPC トランスポート プレス リミテッド。pp. 1058–1059。ISSN 0015-3710  。

• ロールスロイス：アラン・グリフィス博士
• AAグリフィス博士の写真
• 「グリフィス博士が引退」は、AA グリフィスがロールスロイスを退職したことを報じた1960 年のフライトニュース記事です。