外骨格エンジン

外骨格エンジン（ESE ）は、ターボ機械設計の概念です。現在のガスタービンエンジンは、中央に回転軸とファンディスクがあり、主に重金属で作られています。潤滑されたベアリングが必要で、高温の部品を徹底的に冷却する必要があります。また、ローターステージ全体が破損する可能性のある深刻な不均衡（または振動）が発生しやすく、高サイクルおよび低サイクル疲労が発生しやすく、高引張荷重によるディスク破裂による壊滅的な故障が発生しやすいため、重い封じ込め装置が必要になります。^[1]これらの制限に対処するために、ESEコンセプトでは、従来の構成をひっくり返し、ターボ機械にドラム型ローター設計を採用しています。この設計では、ローターブレードがシャフトとディスクから放射状に外側に取り付けられるのではなく、回転ドラムの内側に取​​り付けられています。複数のドラムローターをマルチスプール設計で使用できます。

基本的に、ESE ドラムローター構成は、通常、4 つの同心のオープンエンド ドラムまたはシェルで構成されます。

• ドラムローターシェルのベアリングを支え、拘束する外殻（エンジンケーシング）
• ベアリング内で回転し、コンプレッサーとタービンブレードを支えるドラムローターシェル、
• ガイドベーンを支持する静的ステータシェル、
• エンジンの中心を通る流路を提供する中空の静的内殻。^[1]

ESE設計では、回転ブレードは主に半径方向の圧縮状態にあり、半径方向の張力には影響されないため、セラミック材料などの高引張強度を持たない材料をブレードの製造に使用できます。セラミックは、脆性破壊が最小限に抑えられる圧縮荷重状況で優れた性能を発揮し、ターボ機械部品に一般的に使用される金属合金と比較して、動作温度が高くエンジン重量が軽いため、動作効率が向上します。ESE設計と複合材料の使用により、部品点数が減り、冷却が軽減または不要になり、部品の寿命が長くなります。^{[2]セラミックの使用は、高い}よどみ点温度が従来のターボ機械材料の限界を超える可能性が ある極超音速推進システムにも有益な機能です。

内殻内の空洞は、いくつかの異なる方法で利用することができます。亜音速用途では、中央の空洞を自由流で通気することで、騒音を大幅に低減できる可能性があります。一方、超音速-極超音速用途では、タービンベースの複合サイクルエンジンの一部としてラムジェットまたはスクラムジェット（またはパルスデトネーションエンジンなどの他の装置）を収容するために使用できます。このような配置により、推進システムの全体の長さが短縮され、重量と抗力が大幅に軽減されます。^[1]

チャミスとブランクソンより: ^[1]

大きな課題の 1 つはベアリングの設計です。ESE で発生する速度の大きさに対応できる潤滑システムは知られていないためです。この問題の解決策として、フォイル ベアリングと磁気ベアリングが提案されています。

• フォイル ベアリングは非接触型で、回転速度によって流体力学的に生成される薄い空気膜の上に乗ってシャフトを支え、中心に配置します。フォイル システムの欠点としては、始動トルクが高いこと、機械式ベアリングの設置/取り外しと関連する位置決めハードウェアが必要であること、およびこのシステムによって発生する高温が挙げられます。
• ESE に必要な大口径磁気軸受システムでは、スピンアップ後の剛性と半径方向の成長が問題となります。十分な大きさの半径方向の成長は安定性の問題を引き起こし、システムの動作に適切なクリアランスを維持するために磁極位置決めシステムが必要になります。この位置決めシステムには、高速の検知と位置決めが必要です。受動磁性ラミネートとその取り付けハードウェアは、非常に高い慣性力に耐えるために高い構造的完全性を必要とし、重量が増加する可能性が高くなります。^[2]

どちらのベアリングシステムも理論的には外骨格用途の要件を満たしていますが、どちらの技術も現時点では実用的なサイズで運用できる状態ではありません。フォイルベアリング技術の進歩により、この直径のフォイルベアリングを実現するには20年かかる可能性があり、磁気ベアリングはこの用途には重すぎるようで、長期にわたる技術開発プログラムに直面することになるでしょう。^[2]

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