クリティカルエンジン

多発固定翼航空機の重要なエンジンとは、故障した場合に航空機の性能や操縦性に最も悪影響を与えるエンジンです。プロペラ機では、 P係数により、すべてのプロペラが同じ方向に回転する場合、左または右 (外側) のエンジンが故障した後の残りのヨーモーメントに違いが生じます。ターボジェットおよびターボファン双発航空機では、通常、無風状態で左または右のエンジンが故障した後のヨーモーメントに違いはありません。

一般的な多発エンジン航空機のエンジンの1つが作動しなくなると、航空機の作動側と非作動側の間に推力の不均衡が生じます。この推力の不均衡は、1つのエンジンの推力が失われることに加えて、いくつかの悪影響を引き起こします。尾部設計エンジニアは、連邦航空局や欧州航空安全機関によって設定されたものなど、エンジン故障後の航空機の制御と性能に関する規制要件に準拠する垂直安定板のサイズを決定する責任があります。^{[1] [2]}実験テストパイロットと飛行試験エンジニアは、飛行試験を使用して、どのエンジンが重要なエンジンであるかを判断します。

1 つのエンジンが故障すると、ヨーイングモーメントが発生し、航空機に回転力が加わり、故障したエンジンを搭載した翼の方向へ航空機を向ける傾向があります。各翼の揚力の非対称性により、作動中のエンジンを搭載した翼によって生成される揚力が大きいため、ローリング モーメントが発生する可能性があります。ヨーイングモーメントとローリング モーメントによって回転力が加わり、航空機は故障したエンジンの方向へヨーイングおよびロールする傾向があります。この傾向は、パイロットがラダーやエルロンなどの飛行制御装置を使用することで抑制されます。P係数により、右翼の時計回りに回転する右側のプロペラは通常、時計回りに回転する左側のプロペラよりも、航空機の重心からより大きな横方向の距離で合成推力ベクトルを発生します (図 1)。左側のエンジンが故障すると、作動中の右側のエンジンによるヨーイング モーメントが大きくなりますが、その逆は当てはまりません。作動中の右側のエンジンはより大きなヨーモーメントを発生するため、パイロットは航空機の制御を維持するために、操縦装置を大きく操作するか、より高速で飛行する必要があります。したがって、左側のエンジンの故障は右側のエンジンの故障よりも影響が大きく、左側のエンジンはクリティカル エンジンと呼ばれます。デ ハビランド ダブなどの反時計回りに回転するプロペラを備えた航空機では、右側のエンジンがクリティカル エンジンになります。

逆回転プロペラを持つ航空機のほとんどは、2つのプロペラが円弧の頂点から内側に回転するように作られているため、上記のメカニズムで定義されるクリティカルエンジンを持っていません。両方のエンジンが重要です。ロッキードP-38ライトニングなどの一部の航空機では、中央の水平安定板上のダウンウォッシュと呼ばれる下向きの空気の乱気流を減らすために、意図的に円弧の頂点から外側に回転するプロペラを備えており、これにより航空機からの銃撃が容易になります。これらのエンジンは両方とも重要ですが、内向きに回転するプロペラよりも重要です。^[3]

セスナ 337などのプッシュプル構成のプロペラを備えた航空機では、一方のエンジンの故障がもう一方のエンジンの故障よりも航空機の制御や上昇性能に悪影響を与える場合、クリティカル エンジンを備えている可能性があります。プッシュプル構成のプロペラを備えた航空機のクリティカル エンジンの故障は、通常、大きなヨーイング モーメントやローリング モーメントを生成しません。

耐空性を規定する基準と認証では、製造業者が、重要なエンジンの故障後にパイロットが航空機の制御を維持できる最小制御速度 (V MC ) を決定し、この速度を飛行機の飛行マニュアルの制限に関するセクションで公表することが義務付けられています。[ 1 _] ^{[ 2]}公表されている航空機の最小制御速度 (V _MC ) は、重要なエンジンが故障または動作不能なときに測定されるため、重要なエンジンの故障の影響が公表されている V _MCに含まれています。他のエンジンのいずれかが故障ま​​たは動作不能になった場合、パイロットが飛行中に経験する実際の V _MCはわずかに低くなり、より安全ですが、この違いはマニュアルには記載されていません。重要なエンジンは、航空機のV _{MCに影響を与える要因の 1 つです。公表されている V MC}は、どのエンジンが故障または動作不能になったかに関係なく安全であり、パイロットは安全に飛行するためにどのエンジンが重要なエンジンであるかを知る必要はありません。臨界エンジンは、尾翼の設計と、飛行中の V _MCを測定する実験テストパイロットの目的で航空規則で定義されています。バンク角や推力などの他の要因は、臨界エンジンと非臨界エンジンの違いよりも、 V _MCに大きな影響を与えます。

エアバスA400M は、両翼に逆回転プロペラが付いているという点で、非典型的な設計になっています。翼のプロペラは互いに反対方向に回転します。つまり、プロペラは円弧の上から下に向かって互いに向かって回転します。翼の両方のエンジンが作動している場合、迎え角が増加すると、推力ベクトルは常に同じ翼のもう一方のエンジンに向かってシフトします。その結果、両方のエンジンが作動している限り、同じ翼の両方のエンジンの合成推力ベクトルは、飛行機の迎え角が増加してもシフトしません。合計 P 係数はなく、どちらかの船外エンジン (つまり、エンジン 1 または 4) が故障すると、迎え角が増加しても残りの推力ヨーモーメントの大きさに差はなく、左または右の方向のみに差が生じます。いずれかの船外機エンジンが故障した後の離陸時 ( V _MC ) および飛行時 ( V _MCA ) の最小制御速度は、飛行機の制御に必要なブースト システムがいずれかの船外機エンジンのみに搭載されていない限り、同じになります。両方の船外機エンジンが重要になります。

図 2 に示すエンジン 1 などの船外エンジンが故障すると、その翼の残りの推力のベクトルのモーメント アームは、エンジンの間から、残っている船内エンジンの少し外側に移動します。ベクトル自体は、反対の推力ベクトルの 50% です。この場合、結果として生じる推力ヨーイング モーメントは、従来のプロペラ回転よりもはるかに小さくなります。非対称推力を打ち消すための最大舵ヨーイング モーメントは小さくなるため、垂直尾翼のサイズも小さくなります。推進システムの故障後にプロペラの抗力を可能な限り低く抑えるために、大型の 8 枚ブレード、直径 17.5 フィート (5.33 m) の抗力プロペラのフェザリング システムは、自動で非常に高速かつ故障のないものでなければなりません。そうでない場合、船外エンジンのフェザリング システムの故障によりプロペラの抗力が増加し、その結果、推力ヨー モーメントが大幅に増加し、実際の V _MC(A)が増加します。小型の垂直尾翼とラダーだけで生成される制御力は、小型設計のため低くなります。フェザリング システムの故障後に直線飛行を維持するために必要な制御力を回復するには、反対側のエンジンの推力を急速に減らすか、対気速度を上げるしかありません。この飛行機のフェザリング システムの設計と承認は、設計エンジニアと認証機関にとって困難な課題です。

非常に強力なエンジンを搭載した飛行機では、自動推力非対称補正を適用することで非対称推力の問題を解決しますが、これは離陸性能に影響を与えます。

ルタンブーメランは、わずかに異なる出力のエンジンを搭載した非対称航空機で、2 つのエンジンのいずれかが故障した場合に非対称推力の危険性を排除する航空機を生み出すように設計されています。^{[引用が必要]}

• ノースダコタ大学のオンラインエンジンアウトトレーナー