火薬エンジン

火薬エンジンは爆発エンジンやホイヘンスエンジンとも呼ばれ、燃料として火薬を使用する内燃機関の一種です。この概念は1600年代に最初に研究され、最も有名なのは有名なオランダの博学者クリスティアーン・ホイヘンスです。ジョージ・ケイリーも1800年代初頭に航空機エンジンとしてこの設計を実験し、短期間で動作するモデルを作成したと主張しています。従来のキャボレット式ガソリンエンジンは火薬で作動できるという主張も根強くありますが、成功した改造例は文書化されていません。

火薬エンジンは、多くの過去のアイデアと科学的発見に基づいており、複数の人々によって独立して開発されました。

初期の装置は、単に重量物を持ち上げたり保持したりすることを目的としていました (通常は物理学を研究し、実証するため)。一方、エンジンは継続的に作業を行うことを目的としていました (通常は何か役に立つことをする意図で)。

レオナルド・ダ・ヴィンチは1508年に大砲の砲身と火薬を使って「火で重いものを持ち上げる」装置について記述した。^{[1] [2] [3]}

ガリレオ・ガリレイは真空を利用して重量物を持ち上げる実験を徹底的に行いました。^[1] オットー・フォン・ゲーリケは真空を実際に研究しましたが、真空を作り出すためにポンプを使用しました。^[4]

ロバート・フックは1676年の著書『ヘリオスコープとその他の機器の説明』の中で、「火によって残された「真空」は重量物を持ち上げる」と訳されるフレーズを隠している。^{[5] [6] [7] [8]}

火薬エンジンに関する最も古い言及は、1661年のサミュエル・モーランドのものであると思われる。これは、1661年12月11日にホワイトホールで受領されたチャールズ2世によって書かれた特許状のみである。この「エンジン」に関する他の情報は残っていないが、説明には真空と火薬を使用して水を引き出すことが含まれている。^{[9] [10]}

次に知られているのは、1678年にジャン・ド・オートフイユが、セーヌ川からヴェルサイユ宮殿に水を供給するための問題の解決策として提案したものだ。彼は2つのアイデアを提示した。1つはモーランドのアイデアのように真空を利用するもので、もう1つは片側に水、もう片側に空気を入れたU字型のチューブを使用するものだった。空気で満たされた側で火薬に火がつくと、圧力の上昇によって水が反対側に押し上げられる。^[11]

初期の蒸気機関の設計と同様に、これらの機関は火薬によって作り出された空気または真空を利用して水を直接持ち上げました。現代の機関のようにガス圧の力を必要な機械的形態に変換する機械部品はありませんでした。^[12]

1671年、ドゥニ・パパンはパリ王立図書館アカデミーに職を与えられ、実験学芸員のクリスティアーン・ホイヘンスの下で働いた。^[13]ホイヘンスは、当時国際的に広く研究されていた空気と真空に関する研究をパパンに依頼した。 ^[14]実験の一環として、パパンは小さな鉄と銅の容器で点火した少量の火薬の力を測定した。パパンは1674年にこれらの実験のすべてを「真空に関する新実験」として出版し、実験に使用した機械の説明も付した。^[15]

パパンは出版後すぐにロンドンに移り、 ^[16]それ以来蒸気の開発に深く関わるようになった。彼の開発は初期の蒸気機関への道を示したが、パパン自身は蒸気の潜熱にもっと興味を持ち、最初の圧力鍋である「蒸気蒸解釜」を開発した。彼はまた、一連の噴水、ポンプ、および類似の装置を含む、空気圧を作動流体として使用する多数の装置を考案した。

パパンの粒子研究のさらなる例はなかったが、彼はこの件や他の話題についてゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツと文通を続けた。ライプニッツはずっとパパンにさらなる発展を促そうとし、ある時点で「しかし、私は[あなたに]もっと重要なことを実行することをお勧めします。それは誰もが賛同し、物事の状態を本当に変えるでしょう。空気圧機械と火薬を結合し、火の力を乗り物に適用するという2つのことは、まさにこの性質のものです」と述べた。^[17]パパンは、外輪船の小さな模型を作ったと答えたが、エンジンの種類は述べられていない。

しかしホイヘンスは、真空の機械的力と、火薬を使って真空を作り出す可能性に興味を持つようになった。1678年に彼は、ピストンを内蔵した垂直の管からなる火薬エンジンを考案した。火薬は管に挿入され、大砲のように底部の小さな穴から点火される。膨張したガスがピストンを管の上方へ押し上げ、上部近くの地点に到達する。ここでピストンは管の穴をふさぎ、残っている高温のガスを逃がす。ピストンの重さと、今や閉じられたシリンダー内の冷却ガスによって形成された真空がピストンを管内に引き戻し、テストマスを持ち上げて動力を供給した。^[18]

資料によると、この種のエンジンは1678年か79年に大砲をシリンダーとして使って作られた例が1つだけある。シリンダーは火薬が入ったベースに固定されており、尾栓式の設計となっている。ガスは銃身上部に取り付けられた2本の革管から漏れる。ピストンがそこに到達するとガスが管を吹き飛ばし、圧力が下がると重力で革が引き下げられ、管がシリンダーの側面に垂れ下がり、穴が密閉される。^[18]

ホイヘンスは1680年に、この発明に関する論文「火薬と空気による新動力」を発表しました。^[19] 1682年までに、この装置は、高さ7～8フィート、直径15～18インチのシリンダーに入った1ドラム（1/16オンス）の火薬で、ロープの端を握った7～8人の少年（約1,100ポンド）を空中に持ち上げることができることを実証しました。^[20]しかし、現代の資料では、このエンジンが製造可能であったかどうかについてかなりの議論があります。シリンダー内にピストンを密閉することは、現代のレクリエーションでは非常に難しい問題であることが判明しました。^[21]

それ以降、初期の火薬エンジンに関する記述はほとんど見当たりません。特に1712 年に大気圧エンジンが導入されて以降、蒸気の使用がさらなる開発努力のすべてを占めるようになりました。

動力飛行の研究の一環として、ジョージ・ケイリーは蒸気エンジンのパワー対重量比の低さを懸念し、「これまでのところ、蒸気エンジンは移動のほとんどの目的には重すぎて扱いにくいことが証明されている」と不満を述べた。 ^[22]彼は1807年から新しいエンジン設計の開発に着手し、すぐに火薬エンジンを好ましい解決策として決定し、「航空航行の準備実験のために小規模でシンプルで軽量な最初の推進装置が必要だったので、火薬の力とその爆発によって発生する熱が一定量の空気に作用するエンジンを製作した」と述べた。^[23]

彼のノートには、ホイヘンスや類似の装置よりかなり改良された設計が記されている。ケイリーの設計では、2つのシリンダーが上下に配置され、下側が燃焼室として機能し、上側にはピストンが収められていた。少量の火薬が下側シリンダーの底部に注入され、ろうそくで熱した熱い棒で点火された。膨張したガスがピストンを押し上げ、このエネルギーが大きな弓に取り込まれ、実質的には矢を放つ準備をするかのように弓が引き戻される。ガスが逃げて冷えると、弓弦がピストン棒を押し下げ、サイクルが完了する。^[24]

後のバージョンでは、ケイリーは連続サイクルの問題を解決しようと試みた。このバージョンでは、燃焼室は動力シリンダーの横に置かれた別のシリンダーに移された。火薬はこのチャンバーの上部に貯蔵され、少量が計量されて下の燃焼エリアに落ちた。その後、高温のガスは燃焼エリアから動力シリンダーにパイプで送られた。これは共通のピストンロッド上の2つのピストンで構成され、ガスはシリンダーの交互の側に流れ込み、複動エンジンを形成した。^[22]

ケイリーは手紙の中で、この設計のうちの1つを製作したが（どの設計かは言及されていない）、あまりうまく機能しなかったとも述べている。^[22]彼は時を経てこのエンジンを使った飛行機械をいくつか設計したが、^[25]より大きな実用的なモデルは試されなかったようだ。

トーマス・ペインは、従来のエンジンよりも水車に似た、まったく新しいタイプのエンジン設計を導入しました。ペインのエンジンでは、一連のカップ状の燃焼室が車輪の周囲に配置されていました。車輪が回転すると、各カップに中央の容器から少量の火薬が供給され、点火されました。^[26]

文献には火薬エンジンに関する記述が多数あるが、実際に使用されたものはないようだ。

従来のガソリンエンジンが火薬で動くという考えは、議論が続いている話題である。この考えは『MythBusters』の第63話で取り上げられ、何度も試みられた後、「破綻」とみなされた。^[21]

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