ハイパーエンジン

ハイパーエンジンは、当時ヨーロッパで開発中だった航空機やエンジンと同等かそれ以上の高性能航空機エンジンを開発するために、 1930 年代にアメリカ陸軍航空隊(USAAC)が実施した研究プロジェクトでした。プロジェクトの目標は、1 hp/in ³ (46 kW/L) の排気量を 1 lb/hp 未満の重量で実現できるエンジンを製造することでした。最終的な設計目標は、長距離の旅客機や爆撃機に適した、 出力重量比の向上でした。

当時、このマイルストーンは、ネイピア ライオンやロールスロイス Rなどの特別に改造された、または専用に製造されたレーシング エンジンによって達成されていたものの、量産エンジンで要件に近づくことはできなかった。当時の典型的な大型エンジンであるプラット & ホイットニー R-1830 ツインワスプ星型エンジンは、1,830 ⁱⁿ³ (30 L)から約 1,200 hp (895 kW) を開発したため、少なくとも 50% の向上が必要であった。既存の設計を単純に拡大するだけでは問題は解決しない。利用可能な総出力は増加するが、重量も増加し、したがってパワーウェイトレシオに大きな影響はない。目標を達成するには、より根本的な変更が必要であった。^[1]

ハイパープログラムの一環としていくつかのエンジンが製造されたが、さまざまな理由から、いずれも量産には至らなかった。1940年代初頭までに、さまざまな米国企業の空冷エンジンが同様の出力定格を実現し、ロールスロイス マーリンのライセンス生産であるパッカード V-1650 は直列エンジンでハイパーのような性能を発揮し、アリソン V-1710 はハイパープログラム外で民間の努力により製造された米国設計で同様の性能を発揮した。

構造の改善と材料の軽量化は、すでにパワーウェイトレシオの向上に一定の効果をもたらしていた。 1930年代にアルミニウム合金の品質と強度が向上したため、鋼鉄に代わってアルミニウムが導入され、エンジンの重量は著しく軽減されたが、全体的な50%の改善には至らなかった。その目標を達成するには、エンジンの出力も向上させる必要がある。出力はエネルギーとそれが供給される速度の組み合わせであるため、パワーウェイトレシオを向上させるには、エンジンの動作圧力、動作速度、またはその両方を向上させる必要がある。摩擦、燃焼の非効率性、掃気損失などの損失を排除し、プロペラに理論上の出力をより多く供給することで、さらなる向上を図ることができる。 [ ^2]

USAAC のエンジニアは、3 つの改善点すべてを研究することに決めました。すぐに、燃焼温度と掃気効率を上げることが、あらゆる可能性の中で最も大きな改善につながるという結論に達しました。この目標を達成するには、エンジン速度を上げることが最も魅力的な解決策に思えました。しかし、これらの分野では、進歩を妨げる実際的な問題がいくつかありました。

圧縮比を上げることは、平均有効圧力(MEP)を改善する簡単な変更ですが、不安定なデトネーションによるエンジン ノッキングにつながります。制御されていないノッキングはエンジンを損傷する可能性があり、出力設定の改善の大きな障害でした。この変更により動作温度も上昇し、バルブに問題が生じました。バルブは、通過する燃料が過早着火を引き起こす温度にすでに達していました。

動作速度を上げることも、理論的にはエンジン設計の単純な変更です。しかし、動作速度が高いと、カムが再びバルブを開く前にバルブが完全に閉じない、「バルブフロート」と呼ばれる問題が発生します。バルブフロートにより、シリンダー内のガスが部分的に開いたバルブから漏れ、エンジン効率が低下します。バルブをより速く閉じるためにバルブスプリング圧力を上げると、カムの摩耗が早くなり、摩擦が増加し、馬力の増加以上に全体的なパフォーマンスが低下します。^[3]

バルブは性能向上のための両方のアプローチにおいて重要な問題であったため、1920年代から30年代にかけて主要な研究分野であった。英国では、ハリー・リカードがまさにこれらの理由からスリーブバルブシステムに関する影響力のある論文を書き、これが唯一の前進方法であると主張した。彼はこのアイデアを売り込むことに成功し、特にブリストル・エアロプレーン・カンパニー・エンジンズに売り込み、ロイ・フェデンは「信者」になった。リカードの友好的な競争相手であるフランク・ハルフォードは、別の著名な英国のエンジンメーカーであるネイピア・アンド・サンと共同で独自のスリーブバルブエンジンを設計した。 ^[4]

USAAC は、スリーブ バルブが唯一の解決策であるとは確信していませんでした。皮肉なことに、USAAC のハイパー エンジン開発のきっかけとなったのは、スリーブ バルブ設計に関するリカルドの論文の 1 つでした。1920 年代後半のある論文で、彼は 1 hp/in³ の目標はポペット バルブ タイプのエンジンでは達成不可能であると主張しました。ライト フィールドの USAAC エンジニアリング チームは、この主張を覆すことでこの主張をテストすることにしました。彼らは、エンジンが小型化することで抗力が減り、航続距離が延びることを期待して、約 1200 立方インチ (20 L) のエンジンを提案しました。

ライトフィールドの開発責任者で、ファーンバラの王立航空機工場で働いていた頃のリカルドの元同僚であるサム・ヘロンは、リバティL-12エンジンシリンダーを使用して液体冷却に改造した単気筒テストエンジンで問題に取り組み始めました。彼は、魔法の数字に到達する前に、出力を480 psiのブレーキ平均有効圧力に、冷却剤の温度を300 °F (149 °C) まで押し上げました。1932年までに、USAACの奨励的な努力により、陸軍はエンジン設計の継続的な開発のためにコンチネンタルモーターズ社と開発契約を結びました。契約では、コンチネンタルの役割は製造とテストに限定され、実際のエンジニアリング開発は陸軍に委ねられました。^[5]

L-12シリンダーから始めて、より高いエンジン回転数を可能にするためにストロークを7インチから5インチに減らし、次にボアを5インチから4.62インチに減らして、84 in³シリンダーを作成しました。これは、1008 in³排気量のV-12エンジンに使用されました。^[6]彼らはL-12のオーバーヘッドカムシャフトを使用して複数の小型バルブを操作し、充填と掃気の効率を改善しました。コンチネンタルの最初のテストエンジンである単気筒のハイパーNo.1は、1933年に初めて動作しました。

最終的に、彼らは、ナトリウムを充填した中空コアを使用すると排気バルブをより低温で作動させることができることを突き止めました。ナトリウムは液化し、バルブのヘッドからステム、そして比較的低温のシリンダーヘッドへの熱伝達を大幅に増加させ、そこで液体冷却剤がそれを吸収します。^[6]

当時の液体冷却システムでは水が使用されていたため、動作温度は約180°F（82°C）に制限されていました。技術者はエチレングリコールの使用を提案し、これにより動作温度は280°Fまで許容されました。最初は100%グリコールの使用を提案しましたが、グリコールの比熱が低い（水の約2/3）ため、ほとんど改善が見られませんでした。最終的に、水とグリコールを50/50（体積比）混合すると、最適な熱除去が得られることが判明しました。^[6]

ハイパーNo.1に2つ目のシリンダーを追加して水平対向エンジンを製作し、水平対向12気筒エンジンの評価を行った。シリンダーボアとストロークの異なる組み合わせで改造エンジンを運転したところ、必要な出力を維持するために必要な高い冷却水温度は実用的ではないことが判明した。そこで、より低い動作パラメータを持つ3つ目の高性能単気筒エンジンが製作された。このエンジンは「ハイパーNo.2」と命名され、O-1430-1となるシリンダーを開発するためのテストベッドとなった。^[6]

陸軍は明らかに高高度での使用に適したスーパーチャージャーの開発に関心を持つようになり、1934年にさらなる開発のために、ボア5.5 in (140 mm)、ストローク5.0 in (130 mm)から、わずかに性能は劣るものの容積が118.8 in ^{3に増加した新型シリンダーを要求した。このサイズのシリンダーは1,425 in 3} 12気筒エンジンに使用され、同じ1,000馬力で0.7 hp/in ³の性能を発揮した。これにより、少なくとも陸軍が使用を計画していた高オクタン価燃料で稼働する場合、その性能はロールスロイスPV-12などのヨーロッパの新型実験用エンジンと同等になった。^[7]

もう一つの変更はエンジンレイアウトであった。陸軍は、将来の航空機設計では流線型化のためにエンジンを翼内に埋め込むことになると確信し、コンチネンタル社に翼内に設置するフルサイズの水平対向エンジンの設計を依頼した。その結果生まれたエンジンがコンチネンタル O-1430 である。このエンジンは 10 年の開発期間を要し、レイアウトは最初は直立V-12 エンジン、後に倒立 V-12 エンジンに変更され、1943 年にコンチネンタル IV-1430 として量産が検討されるほど信頼性が高くなった。その時点では、他のエンジンが既に 1,600 hp (1,200 kW) の定格を超えており、IV-1430 の方がパワーウェイトレシオは優れていたものの、戦争の最中に生産を開始する価値があると示唆するものはほとんどなかった。^[7]

このプロジェクトは最終的に、1940 年度 (FY) 航空機調達プログラムの一部として含まれていた「データ要求書 R40-C」の要件に従って進められました。

1938年が終わりに近づくと、ヨーロッパでの戦争は差し迫っていました。この時点で、ヨーロッパの航空機は米国の設計を大きく上回っていました。^[8] USAACのトップ2戦闘機であるセヴァスキーP-35とカーティスP-36Aは、300mph（480km/h）に達するのがやっとでした。340mphを超えるメッサーシュミットBf109を前にすると、完全に圧倒されるでしょう。この問題に対するアメリカの答えの1つである双発のロッキードXP-38は、長期のテストプログラムに入っていました。

XP-38は時速413マイルを超える速度で飛行できたが、双発エンジンと比較的大きな機体のため大きくて重いものだった。そのため、XP-38はほとんどの単発戦闘機ほど機動性が高くなかった。^[9] XP-38には、新たに導入された液冷エンジン、アリソンV-1710も搭載されていた。アリソンの直列V字型シリンダー配置により、当時アメリカで主流だった空冷星型エンジン戦闘機よりも抗力の少ない狭い空力形状が実現した。^[10]

1940年度の戦闘機調達プログラムは、1939年6月9日に陸軍次官ルイス・K・ジョンソンによって承認された文書に含まれていました。その文書は「データ要求書R40-C」と呼ばれ、以前の航空機調達要求とは異なり、限られた数の航空機メーカーにのみ送られました。元の文書は次の宛先に送られることになっていました。^[11]

• ベル・エアクラフト・コーポレーション
• コンソリデーテッド・エアクラフト・コーポレーション
• カーチス・ライト社カーチス航空機部門
• カーチス・ライト社、セントルイス航空機部門
• グラマン・エアクラフト・エンジニアリング・コーポレーション
• ロッキード・エアクラフト・コーポレーション
• リパブリック航空株式会社
• ユナイテッド・エアクラフト・コーポレーション、ヴォート・シコルスキー航空機部門
• 航空製造会社、ヴァルティー航空機部門

航空隊型式仕様 XC-622 として最終検討および承認された後、さらに 4 つの製造元が配布に追加されました。

• ヒューズ・エアクラフト・コーポレーション
• マクドネル・エアクラフト・カンパニー
• ボーイング・エアクラフト・カンパニー
• ノースロップ・エアクラフト・インコーポレイテッド

これらの企業には、文書の条件に同意するのにわずか 10 日、設計を提出するのにわずか 30 日しかありませんでした。

選ばれた 7 社から、6 社のエンジン会社から 16 種類のエンジン モデルを合わせた合計 26 の設計が提出されました。これらのエンジンは、Hi gh- performance engines の略称で「ハイパー エンジン」として知られるようになりました。提出された設計は、「性能指数」(FOM) 評価システムを使用して等級付けされ、その後、FOM 結果 (アリソン V-1710-E8 の 444.12 からプラット アンド ホイットニー X-1800-A4G の 817.90 まで) を使用して 3 つのグループに分けられました。

• 最初のグループに分類されたものは、既存のデザインを少し修正しただけのもので、十分に進歩しているとは考えられませんでした。
• 3 番目のグループに分類された人々は、機体が飛行可能な状態になるまでに飛行可能な状態に開発される可能性が低いエンジンの使用を提案しました。これらの提案は、許可された時間枠内で実行可能とは見なされませんでした。
• 残りの 10 の設計は、必要に応じて飛行できるエンジンを備え、航空工学の進歩につながる第 2 グループに分類されました。

これら10の設計のうち3つだけが承認され、それぞれ3機の限定試作機の契約が結ばれた。^[12]

選ばれた3つの航空機とエンジンの組み合わせ：^[13]

1. ヴァルティー・エアクラフト社のモデル70オルタネート2（FOMスコア：817.9）は、プラット・アンド・ホイットニー社製X-1800-A4Gエンジンを搭載し、ヴァルティーXP-54となった。
2. カーチス・ライト・セントルイスのモデルP248C（FOMスコア：770.6）は、コンチネンタルIV-1430-3エンジンを搭載し、カーチス・ライトXP-55アセンダーとなった。
3. ノースロップのモデルN2-B（FOMスコア：725.8）は、プラット・アンド・ホイットニーX-1800-A3Gエンジンを搭載し、ノースロップXP-56ブラックブレットとなった。

USAACの1942年度「ハイパー」エンジン調達プログラムでは、さらに3つの高性能エンジンが検討された。それらは以下の通りである。^[13]

• ライト R-2160「トルネード」
• プラット・アンド・ホイットニー H-3130
• アリソン V-3420

米海軍も負けじと、1942年度の予算にライカミングXH-2470を選択した。 ^[13]

結局、これらのプログラムはすべてキャンセルされ、生き残ったエンジンは博物館の展示品となりました。

皮肉なことに、このプログラムでは考慮されていなかったエンジン、すなわちアリソン V-1710、プラット・アンド・ホイットニー R-2800 ダブルワスプ、ライト R-3350 デュプレックスサイクロン、プラット・アンド・ホイットニー R-4360 ワスプメジャーはすべて USAAC の要件を満たし、21 世紀に入っても主に復元された軍用機で飛行を続けています。

• ドイツ空軍の先進的な中型爆撃機プログラムであるBomber B は、1 機あたり 1,500 kW を超える出力の同様の高出力航空動力装置を使用していました。