航空機エンジンの始動

航空機エンジンの始動

地上要員がボーイング B-52 ストラトフォートレスからエアスタートホースを外す

1903 年にライト兄弟が初の動力飛行を行って以来、航空機エンジンの始動にはさまざまなバリエーションが使用されてきました。使用される方法は、軽量化、操作の簡便性、信頼性を考慮して設計されています。初期のピストン エンジンは手動で始動されました。第一次世界大戦から第二次世界大戦の間に、ギア式の手動始動、電動式、カートリッジ式など、大型エンジン用のシステムが開発されました。

ターボジェット、ターボシャフト、ターボファンなどのガスタービン航空機エンジンは、空気/空気圧始動を使用することが多く、内蔵の補助動力装置(APU) または外部の空気圧縮機からのブリード空気の使用が現在では一般的な始動方法となっています。多くの場合、APU (またはリモート コンプレッサ) を使用して始動する必要があるエンジンは 1 つだけです。最初のエンジンが APU ブリード空気を使用して始動された後、稼働中のエンジンからのクロスブリード空気を使用して残りのエンジンを始動できます。

プロペラを揺動させて航空機のピストン エンジンを手動で始動する方法は、最も古くて簡単な方法です。機内に始動システムがないため、重量が大幅に軽減されます。クランク シャフトに対するプロペラの位置は、揺動ストローク中に エンジン ピストンが上死点を通過するように調整されます。

点火システムは通常、上死点前に火花を発するように配置されているため、手動始動時にエンジンがキックバックするリスクがあります。この問題を回避するために、一般的な航空エンジン点火システムで使用される 2 つのマグネトーのうちの 1 つに「インパルス カップリング」が取り付けられています。このスプリング式デバイスは、上死点まで火花を遅らせ、マグネトーの回転速度を上げてより強い火花を発します。エンジンが点火すると、インパルス カップリングは動作しなくなり、2 番目のマグネトーがオンになります。^{[1]航空エンジンの}容量 が大きくなるにつれて(戦間期)、1 人でプロペラを振るのは物理的に困難になり、地上要員は手をつないでチームとして一緒に引っ張ったり、プロペラの 1 枚のブレードにキャンバス ソックスを取り付けて、プロペラの先端にロープを取り付けたりしました。^{[2] [3]}これは、エンジンの損傷を防ぐために始動前に下部シリンダーに閉じ込められたオイルを放出するために行われる、ラジアル ピストン エンジンの手動「回転」とは異なることに注意してください。 2 つは似ているように見えますが、手動始動ではエンジンを始動するためにプロペラを鋭く強く「引っ張る」必要がありますが、回転はプロペラを一定量回転させるだけで実行されます。

パイロットが単独で始動したり、スロットルを高く設定したり、ブレーキをかけなかったり、車輪止めを使用しなかったりして、パイロットが操縦していない状態で飛行機が発進する事故が発生しています。^[4]イグニッションとスイッチが誤って「オン」のまま「エンジンをかける」と、点火プラグが点火してエンジンが予期せず始動する可能性があるため、怪我をする可能性があります。スイッチが始動位置にない場合、ピストンが上死点に達する前に火花が発生し、プロペラが激しく反動する可能性があります。

ハックススターター（第一次世界大戦中にベントフィールド・ハックスが発明）は、地上要員の機械的な代替品です。車両のシャーシをベースにしたこの装置は、クラッチ駆動シャフトを使用してプロペラを回転させ、エンジンが始動すると切り離されます。シャトルワース・コレクションでは、当時の航空機の始動にハックススターターが定期的に使用されています。^[3]

自立型モーターグライダー（「ターボ」と呼ばれることが多い）には、始動システムのない小型2ストロークエンジンが搭載されており、地上テストでは、コードをプロペラボスの周りに巻き付け、減圧弁の操作と連動して急速に引っ張る。これらのエンジンは、飛行中に減圧装置を操作して対気速度を上げてプロペラを回転させることにより始動する。スリングスビー・ファルケ・モーターグライダーの初期の型では、コックピットに取り付けられたプルスタートシステムが使用されていた。^[5]

1930年頃から、航空機にはバッテリーと小型風力発電機で駆動する電気システムが搭載され始めました。当初、このシステムはスターターモーターを駆動できるほど強力ではありませんでした。エンジン駆動発電機の導入により、この問題は解決しました。^[6]

航空機エンジン用の電動スターターモーターの導入により、重量と複雑さは増すものの利便性は向上した。これらは、高く取り付けられアクセスしにくいエンジンを搭載した飛行艇には必需品であった。スターターは、機内バッテリー、地上電源、またはその両方で駆動され、コックピット内のキーまたはスイッチで操作される。キーシステムは通常、マグネトーの切り替えを容易にする。^{[6] [7]}

寒い環境下では、粘性のあるエンジンオイルによる摩擦が始動システムに高い負荷をかけます。また、低温では燃料が気化して燃焼しにくいという問題もあります。そこで、オイル希釈システム（燃料とエンジンオイルを混合）が開発され、^[8]エンジン予熱器（エンジンの下に火を灯すなど）が使用されました。イギリスのエンジンの始動を補助するために、 Ki-Gassプライミングポンプシステムが使用されました。^[9]

可変ピッチプロペラまたは定速プロペラを装備した航空機は、スターターモーター回路の空気負荷と電流を減らすために、細かいピッチで始動します。 ^{[引用が必要]}

多くの軽飛行機には、スターターモーターがエンジンから切り離されなくなるリスクを防ぐための耐空性要件として、コックピットに「スターター作動」警告灯が装備されています。^[10]

コフマンスターターは爆発性のカートリッジで作動する装置で、燃焼ガスがシリンダー内で直接作動してエンジンを回転させるか、ギアドライブを介して作動します。 1936年にユンカース ユモ 205ディーゼルエンジンで初めて導入されたコフマンスターターは、カートリッジの費用が高かったため、民間のオペレーターには広く使用されませんでした。 ^[11]

1920年にロイ・フェデンはピストンエンジンのガス始動システムを設計し、1922年にブリストル・ジュピターエンジンに採用された。 ^[3]初期のロールスロイス・ケストレルエンジンに採用されていたシステムは、地上ユニットからカムシャフト駆動のディストリビューターを経由して逆止弁を介してシリンダーに高圧空気を送り込むものであったが、このシステムには電気始動への変換によってのみ克服できる欠点があった。^[12]

飛行中にピストンエンジンを始動する必要がある場合、電動スターターモーターを使用することができます。これは、エンジンを切った状態で滑空していたモーターグライダーの通常の手順です。以前のタイプの航空機によるアクロバット飛行では、キャブレターの設計により、操縦中にエンジンが切れることは珍しくありませんでした。電動スターターが装備されていない場合は、航空機を急降下させて対気速度と「風車」プロペラの回転速度を上げることで、エンジンを再始動できます。^[13]

航空機エンジンの慣性スターターは、予め回転したフライホイールを使用して、通常は減速ギアとクラッチを介してクランクシャフトに運動エネルギーを伝達し、過トルク状態を防止します。手動駆動、電動駆動、および両方の組み合わせの3つのバリエーションが使用されています。フライホイールが完全に通電されると、手動ケーブルが引っ張られるか、ソレノイドを使用してスターターが作動します。^[14]

ガスタービンエンジンを始動するには、燃焼室に十分な加圧空気を供給できる速度までコンプレッサーを回転させる必要がある。始動システムはコンプレッサーの慣性と摩擦負荷を克服する必要があり、燃焼開始後もシステムは作動し続け、エンジンが自動アイドリング速度に達すると解除される。^{[15] [16]}

電気スターターモーターには、直接クランキング（内燃機関として切断）とスタータージェネレーターシステム（永久に接続）の2種類があります。^[17]

小型ガスタービンエンジン、特にヘリコプターや巡航ミサイルターボジェットで使用されるターボシャフトエンジンは、地上からの油圧を使用してギア付き油圧モーターで始動することができます。 ^[18]

エアスタートシステムでは、ガスタービンエンジンのコンプレッサスプールは、コンプレッサブレードに直接作用する大量の圧縮空気の作用、または小型のギア付きタービンモーターを介してエンジンを駆動することによって回転します。これらのモーターは、同等の電気システムよりも最大75％軽量です。^[15]

圧縮空気は、機内に搭載された補助動力装置（APU）、地上要員が使用するポータブルガス発生器、または多発エンジン航空機の場合は稼働中のエンジンからのブリード空気をクロスフィードすることで供給されます。 ^[19]

ターボメカのパルーストガス発生器は、ブラックバーン・バッカニアのスペイエンジンの始動に使用された。デ・ハビランド・シービクセンは、基地から離れているときに始動しやすいように、取り外し可能な翼下のコンテナに独自のパルーストを装備していた。^[20] 地上から供給される圧縮空気を始動に使用している他の軍用機の種類には、ロッキードF-104スターファイターや、ゼネラル・エレクトリックJ79ターボジェットエンジンを使用したF-4ファントムの派生型がある。

ロールスロイス エイボンターボジェット エンジンのバージョンでは、燃料としてイソプロピル ナイトレートを燃焼するギア付きタービン スターター モーターが使用されていました。軍用では、この単一燃料はNATOの S-746 AVPIN という名称でした。始動には、測定された量の燃料がスターター燃焼室に導入され、電気的に点火され、高温のガスがタービンを高回転で回転させ、排気ガスが船外に排出されました。^[21]

ピストンエンジンのコフマンスターターと動作原理が似ており、爆発性のカートリッジがギアでコンプレッサーシャフトに接続された小型タービンエンジンを駆動します。^[22]

短距離旅客機用に開発されたこれらのユニットは、自己完結型の始動システムを必要とするほとんどの民間および軍用航空機で使用されており、補助動力装置（APU）、ジェット燃料スターター（JFS）、エアスタートユニット（ASU）、ガスタービンコンプレッサー（GTC）など、さまざまな名前で知られています。^[21] 電動で始動する小型ガスタービンで構成されるこれらのデバイスは、エンジン始動用の圧縮ブリードエアを供給し、メインエンジンを稼働させることなく地上操作用の電気および油圧パワーも提供することがよくあります。^[23] ASUは現在、民間および軍の地上支援で、航空機のメインエンジン始動（MES）と環境制御システム（ECS）の冷却と加熱用の空気圧ブリードエアサポートに使用されています。

1945年5月以前に何らかの形で生産された3つのドイツのジェットエンジン設計、すなわちドイツのBMW 003、ユンカース Jumo 004、ハインケル HeS 011軸流ターボジェットエンジン設計の興味深い特徴はスターターシステムである。これは吸気口に隠されたリーデル製10馬力 (7.5kW)フラットツイン 2ストローク空冷エンジンで構成され、本質的にはジェットエンジン始動用の補助動力装置(APU) の先駆的な例として機能した。Jumo 004の場合、吸気ダイバータの最先端部の穴にD字型の手動プルコードハンドルがあり、これがピストンエンジンを始動させ、コンプレッサーを回転させた。^[24]環状の吸気口には2つの小さなガソリン/オイル混合タンクが取り付けられていた。^[25]

ロッキードSR-71 ブラックバードは、ビュイック ネイルヘッド2 台をスターター モーターとして使用し、AG-330 スタート カート トロリーに搭載しました。後に、ビッグ ブロック V8シボレー 454エンジンが搭載されました。

ガスタービンエンジンは、飛行中に、燃料を節約するために乗組員によって意図的に停止されるか、飛行テスト中に停止されるか、または燃料不足やコンプレッサー失速後のフレームアウトにより意図せず停止されることがあります。

十分な対気速度を利用してコンプレッサーを「風車」のように回転させ、その後燃料と点火装置をオンにします。空気密度が低い高高度では機内に搭載された補助動力装置が使用される場合があります。 ^[16]

ロッキードNF-104Aの急上昇作戦中、ジェットエンジンは85,000フィート（26,000メートル）まで上昇すると停止し、密度の高い空気中での降下時に風車方式で始動した。^[26]

パルスジェットエンジンは航空機の動力装置としては一般的ではない。しかし、V-1飛行爆弾の動力源として使われたアルグス As 014とフィーゼラー Fi 103R ライヒェンベルクは注目すべき例外であった。このパルスジェットでは、前部セクションの3つの空気ノズルが外部の高圧空気源に接続され、外部供給からのブタンが始動に使用され、点火はシャッターシステムの後ろにあるスパークプラグによって行われ、プラグへの電力はポータブル始動装置から供給された。^[27]

エンジンが始動し、温度が最低作動レベルまで上昇すると、外部のエアホースとコネクタが取り外され、テールパイプの共鳴設計によりパルスジェットの噴射が継続された。エンジンの各サイクルまたはパルスは、シャッターが開いた状態で開始され、燃料がシャッターの背後に噴射されて点火し、その結果生じるガスの膨張によりシャッターが閉じられた。燃焼後にエンジン内の圧力が低下すると、シャッターが再び開き、サイクルが1秒間に約40～45回繰り返された。電気点火システムはエンジンの始動にのみ使用され、テールパイプのスキンの加熱により燃焼が維持された。^[27]

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注記

文献

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