ユンカース ユモ 004

ユモ004
オハイオ州ライト・パターソン空軍基地にあるアメリカ空軍国立博物館にあるユンカース Jumo 004 ジェットエンジンの断面図。
タイプ	ターボジェット
国籍	ドイツ
メーカー	ユンカース
最初の実行	1940
主な用途	アラド Ar 234 メッサーシュミット Me 262

ユンカースJumo 004 は、実用化された世界初の量産ターボジェットエンジンであり、初めて成功した軸流圧縮機ターボジェットエンジンでした。第二次世界大戦後期にドイツのユンカース社で約 8,000 基が製造され、メッサーシュミット Me 262戦闘機、アラド Ar 234偵察/爆撃機、およびホルテン Ho 229などの試作機に搭載されました。このエンジンの派生型とコピーは、第二次世界大戦終結後の数年間、東ヨーロッパとソ連で生産されました。

ジェット推進の実現可能性は、1937 年初頭にドイツでハインケル社と共同でハンス・フォン・オハインによって実証されていました。ドイツ航空省 ( RLM ) の大半は興味を示さなかったものの、ヘルムート・シェルプとハンス・マウフは、このコンセプトの可能性に着目し、ドイツの航空エンジン製造業者に独自のジェットエンジン開発プログラムを開始するよう奨励しました。各社は懐疑的であり、新しい開発はほとんど行われませんでした。

1939年、シェルプとマウフは進捗状況を確認するために両社を訪問した。大手航空機メーカーのユンカース社のユンカース原動機工場(Jumo) 部門の責任者オットー・マーダーは、たとえその構想が有用だとしても、取り組む人材がいないと述べた。シェルプは、当時ユンカース社のターボチャージャーとスーパーチャージャーの開発責任者だったアンゼルム・フランツ博士がこの仕事に最適だと答えた。フランツはその年の後半に開発チームを立ち上げ、このプロジェクトはRLM 109-004と命名された ( RLMによって割り当てられた 109 というプレフィックスは、有人航空機用のドイツの第二次大戦中のロケットエンジン設計を含む、第二次大戦中のドイツのすべての反動エンジンプロジェクトに共通していた)。

フランツは、保守的でありながらも革新的な設計を選択した。彼の設計は、フォン・オハインの設計とは違って、エンジンを通して連続的にまっすぐな空気の流れを可能にする新しいタイプの圧縮機（軸流圧縮機）を使用した。この圧縮機は、ゲッティンゲンのAVA（航空力学研究所）で最近開発されたものである。軸流圧縮機は、実用条件で約78％の効率という優れた性能を持つだけでなく、断面積が小さいという高速航空機にとって重要な特徴も持っていた。ジェットエンジン計画でブルーノ・ブルックマン博士の元アシスタントだったエスターリッヒ博士がベルリンで彼に代わって、直径が小さいという理由で軸流設計を選択した。^{[1]競合する軸流}BMW 003よりも10cm（3.9インチ）小さかった。^[2]

その一方で、彼は開発を迅速化し生産を簡素化するために、理論上の潜在能力をはるかに下回るエンジンの製造を目指しました。 1 つの大きな決定は、より効率的な単一の環状缶の代わりに、6 つの「炎缶」を使用した単純な燃焼領域を選択することでした。 同じ理由で、彼はベルリンのAllgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft (General Electric Company、AEG)とエンジンのタービンの開発に深く協力し、開発用エンジンを製造する代わりに、すぐに生産できるエンジンのプロトタイプに取り組み始めることを選択しました。 フランツの保守的なアプローチは RLM から疑問視されましたが、直面する開発上の問題を考慮しても、004 は、技術的にはより進んでいますが、わずかに推力が低い (7.83 kN/1,760 lbf) 競合製品である BMW 003 よりかなり前に生産および運用に入ったため、その正当性が証明されました。

ハインケル・ヒルトエンジン工場があるコルベルモールでは、サー・ロイ・フェデン率いる戦後のフェデンミッションが、ジェットエンジンの製造はピストンエンジンの製造よりも単純で、熟練労働者もそれほど高度でない工具も必要としないことを発見した。実際、ジェット機の中空タービンブレードや板金作業のほとんどは、自動車の車体パネルの製造に使用される工具で行うことができる。^[3]フェデン自身は、004のコンプレッサーケースが2つに分かれてステーターアセンブリの半分のセクションにボルトで固定されていることを批判した。^[4]

最初の試作機004Aはディーゼル燃料を使用し、排気ノズルなしで1940年10月に初めてテストされた。1941年1月末にベンチテストが行​​われ、最大推力430 kgf (4,200 N; 950 lbf) に達し、その後も推力を上げる作業が続けられ、RLMとの契約では最低推力を600 kgf (5,900 N; 1,300 lbf) に設定していた。^[5]

圧縮機ステーターは元々外側から片持ちで取り付けられていたため、振動の問題により^[6]この時点で計画は遅れた。ターボチャージャーの振動に関する経歴を持つ航空省のコンサルタント技術者マックス・ベンテレが、問題解決に協力した。^[6]元々のアルミニウム製ステーターは鋼鉄製に交換され、その構成ではエンジンは8月に5.9 kN (1,300 lb _f ) を発生し、12月には9.8 kN (2,200 lb _f ) で10時間の耐久運転に合格した。最初の飛行試験は1942年3月15日に行われ、メッサーシュミット Bf 110で004Aが空中に運ばれ、飛行中のエンジンの始動が行われた。004は、8段軸流圧縮機、6つの^[7]直通燃焼室 (鋼板製)、および中空ブレードの1段タービンを使用していた。^[4]

7月18日、メッサーシュミット Me 262 の試作機の1機が004 エンジンのジェット動力で初めて飛行し、RLM からの80基のエンジンの注文により 004 の生産が開始されました。

Me 262の試作機に動力を供給するために製造された最初の004Aエンジンは、材料に関する制限なしに製造されたため、ニッケル、コバルト、モリブデンなどの希少原材料が、生産には許容できない量で使用されていました。フランツは、ユモ004を再設計してこれらの戦略的資材を最小限にする必要があることに気づき、それが実現しました。燃焼室を含むすべての高温金属部品は、アルミニウムコーティングで保護された軟鋼に変更され、中空のタービンブレードは、クルップが開発した折り畳み溶接されたクロマデュール合金（クロム12％、マンガン18％、鉄70％）から製造され、コンプレッサーから「ブリード」された圧縮空気で冷却されました。エンジンの稼働寿命は短くなりましたが、プラス面としては、製造が容易になりました。^[5]量産エンジンは、鋳造マグネシウムケースを2つに分割し、一方に 固定子アセンブリの半分のセクションをボルトで固定していました。^[4]前方の4つのステーターはマウントに溶接された鋼合金製ブレードで作られ、後方の5つはマウント上で曲げられ溶接されたプレス鋼板でした。^[4]鋼合金製コンプレッサーブレードはコンプレッサーディスクのスロットに鳩尾継ぎされ、小さなネジで固定されていました。^{[4]コンプレッサー自体は12個}のセットスクリューで鋼シャフトに取り付けられていました。^[4] Jumoは様々なコンプレッサーブレードを試しました。最初はソリッドスチール製で、後に中空の金属板製でテーパーに溶接され、根元がタービンホイールの菱形スタッドに取り付けられ、ピンで固定されろう付けされました。^[4]

004の興味深い特徴の1つは、ドイツの技術者ノルベルト・リーデルが設計したスターターで、吸気ノーズコーンの後ろに10馬力（7.5kW）の2ストローク水平対向エンジンが取り付けられていた。 ^[4]コーンの前面にある穴から、電動スターターモーターが故障した場合に手動で始動できる。スターターに燃料を供給するため、環状吸気口の金属板ハウジングの上部周囲に、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。リーデルは、競合するBMW 003エンジンの始動や、ハインケルのより先進的なHeS 011「混合流」コンプレッサー設計 にも使用された。

004Bの最初の量産モデルは004Aよりも100kg（220ポンド）軽量で、1943年には100時間のテストに数回合格し、オーバーホール間隔は50時間を達成した。^[8]

1943年後半、004B型はタービンブレードの故障に見舞われたが、ユンカースチームはその原因を理解できなかった。彼らは材料の欠陥、粒子サイズ、表面粗さなどの領域に焦点を当てた。最終的に、12月にブレード振動の専門家であるマックス・ベンテレがRLM本部での会議に再び招集された。彼は、故障の原因がブレードの固有振動数の1つがエンジンの稼働範囲内にあることにあることを突き止めた。彼の解決策は、ブレードのテーパーを大きくして1ミリメートル短くすることで振動数を上げ、エンジンの運転速度を9,000rpmから8,700rpmに 下げることだった^{[6] 。}

1944 年初頭になってようやく本格的な生産が開始されました。109-004 シリーズのジェット エンジン設計におけるこうしたエンジニアリング上の課題が、ドイツ空軍による Me 262 の飛行隊配備を遅らせる主な要因となりました。

004Bに使われていた低品質の鋼材を考えると、これらのエンジンの耐用年数はわずか10～25時間で、注意深いパイロットの手であればおそらくその2倍の寿命があった。^[9]このエンジンのもう一つの欠点は、初期のターボジェットに共通するスロットル応答の鈍さだった。さらに悪いことに、スロットルを急速に動かしすぎると燃焼室に燃料が過剰に噴射され、増加した燃料に合わせて気流が増加する前に温度が上昇しすぎてしまうことがあった。これによりタービンブレードが過熱し、エンジン故障の大きな原因となった。とはいえ、このエンジンにより戦闘機のジェット動力が初めて現実のものとなった。

エンジンの排気部には、プラグノズルと呼ばれる可変形状のノズルが使用されていました。プラグは、側面から見た形状から、ツヴィーベル（ドイツ語でタマネギの意味）というニックネームが付けられました。 ^[4]プラグは、電動モーター駆動のラックアンドピニオンを使用して前後に約40cm（16インチ）移動し、排気断面積を変えて推力を制御しました。

ユモ004は3種類の燃料で稼働することができた。^[10]

• 標準燃料であるJ-2は、石炭から生産される合成燃料です。
• ディーゼル油。
• 航空ガソリン。消費量が多いため望ましくないと考えられています。

材料費が1万リンギットのユモ004は、競合機のBMW 003（1万2000リンギット）やユンカース213ピストンエンジン（ 3万5000リンギット）よりもいくらか安価であることが判明した。^[11]さらに、このジェット機は熟練労働者が少なく、完成までに375時間（製造、組み立て、出荷を含む）しかかからなかったのに対し、BMW 801は1400時間かかっていた。^[12]

004の生産と整備はオットー・ハルトコップフの監督の下、マクデブルクのユンカース工場で行われた。 ^[13]完成したエンジンは信頼性が低いという評判を得た。主要なオーバーホールの間隔（厳密にはオーバーホール間隔ではない）は30時間から50時間で、熟練したパイロットであれば間隔を2倍にできたが、10時間程度だった可能性もある。^[9]（競合したBMW 003は約50時間だった。）^[9]このプロセスには、（最もダメージを受け、通常は石などを飲み込むことで、後にフォッディングと呼ばれる）高い熱力学的負荷によって損傷したタービンブレードの交換が含まれていた。ドイツ人は、地上にいる間に航空機のジェットエンジンの吸気口に異物が吸い込まれるのを防ぐため、特別に設計された金網の半球形のケージと平らな円形のカバーの両方、またはどちらか一方を吸気口の上に使用することで知られていた。圧縮機とタービンブレードの寿命は、定期メンテナンス中にローターのバランスを再調整することで延長できます。リーデルの2ストロークスターターエンジンとターボジェットの調速機も検査され、必要に応じて交換されます。^[9] 燃焼器は20時間ごとにメンテナンスが必要で、200時間ごとに交換する必要があります。 ^[9]

004は5,000から8,000機製造され、^[14]第二次世界大戦の終わりには、生産量は月1,500機に達しました。^[4]ロイ・フェデン卿が率いるフェデン・ミッションは、戦後、1946年半ばまでにジェットエンジンの総生産量は年間10万台以上に達した可能性があると推定しました。^[9]

第二次世界大戦後、Jumo 004はチェコスロバキアのマレシツェで少数が製造され、Avia Avia M-04と命名され、Me 262のコピーであるAvia S-92の動力源となった。改良されたJumo 004のコピーはソ連でもKlimov RD-10として製造され、ヤコブレフYak-15や多くの試作ジェット戦闘機に搭載された。

フランスでは、捕獲した004がシュド・ウエストSO6000トリトンとアルセナルVG-70に搭載されました。

（出典：ケイ『ターボジェットの歴史と発展 1930-1960 ：第1巻：イギリスとドイツ』）

109-004

1 ⁄ 10スケール (コンプレッサー電力吸収) プロトタイプ エンジン、テスト実行で限定的な成功を収めました。

109-004A

メッサーシュミット Me 262およびアラド Ar 234の初期のプロトタイプ機に搭載された実物大のプロトタイプおよび試作エンジン。

109-004A-0 : 飛行用試作エンジン。

109-004B

軽量化と戦略資材の削減を実現した量産型エンジン。

109-004B-0 : 初期生産標準エンジン、8,700 rpmで8.22 kN (1,848 lbf)の推力。

109-004B-1：振動を低減し、推力を8.83 kN（1,984 lbf）に増加させるためにコンプレッサーとタービンを改造しました。

109-004B-2 : 振動による故障を減らすために新しいコンプレッサーを導入

109-004B-3 : 開発モデル

109-004B-4 : 空冷中空タービンブレードの導入

109-004C

推力 9.81 kN (2,205 lbf) を実現する詳細な改良を加えた計画バージョンですが、構築されていません。

109-004D

2段燃料噴射と新型燃料制御装置を備えた改良型004B。第二次世界大戦の終わりまでに生産準備が整った。

109-004D-4 : 推力は増加するが寿命は短くなる改良型燃焼システム。テスト専用。

109-004E

高高度性能のために排気エリアが最適化された 004D で、アフターバーニングによる推力は 11.77 kN (2,646 lbf) です。

109-004F

水または水/メタノールの注入が可能。

109-004G

11 段コンプレッサーと 8 缶燃焼室を備えた 16.68 kN (3,749 lbf) の 004C をベースにしています。

109-004H

004 の再設計および拡大版で、11 段コンプレッサーと 2 段タービンを備え、戦争の終わりまでにようやく設計段階に到達しました。6,600 rpm で 17.7 kN (3,970 lbf) の推力を発揮すると予測されました。

アヴィア M-04

戦後のチェコスロバキアにおける004Bの生産

RD-10

鹵獲されたユモ 004 とそのコピーの両方に使用された呼称。1945 年以降、クリモフ率いる 26 GAZ のチームと、鹵獲されたデッサウ近郊の地下工場で製造された。

レイアウト: A = 軸流圧縮機段、C = 缶燃焼室、T = タービン段。

• アラド Ar 234
• アヴィア S-92 : (アヴィア M-04) チェコスロバキア製 Me 262 A-1a (戦闘機)
• アヴィア CS-92 : (アヴィア M-04) チェコスロバキア製 Me 262 B-1a (戦闘練習機、2座席)
• ブローム＆フォス P.188
• フォッケウルフ Ta 183 ヒュッケバイン（最初の試作機のみ対象）
• ゴータゴー229
• ハインケル He 280
• ハインケル He 162A-8
• ヘンシェル Hs 132
• ホルテン H.IX
• ユンカース Ju 287 (最初の試作機と 2 番目の試作機。4 番目の試作機と Ju 287 A-2 および B-1 の生産バージョンを予定)
• ラヴォチキン La-150 (RD-10)
• メッサーシュミット Bf 110 : 飛行エンジンテストベッド。
• メッサーシュミット Me 262
• OKB-1 EF 131 : ユモ004のソ連製コピーRD-10を搭載
• ヤコブレフ Yak-Jumo : 捕獲された 004 を動力源とするヤコブレフ Yak-15 の前駆体

ユモ 004 ターボジェットの多数の例が、北米、ヨーロッパ、オーストラリアの航空博物館や歴史的コレクションに所蔵されています。

• ベオグラード航空博物館、ユモ004 1機^[15]
• オーストラリア国立航空博物館、ムーラビン空港、メルボルン、ビクトリア州、オーストラリア; ANAMは1機の分離されたJumo 004を展示している^[16]
• ドイツ博物館、ミュンヘン、ドイツ。博物館には1944年に製造されたユモ004Bが展示されている^[17]
• イギリス、ケンブリッジのダックスフォード帝国戦争博物館。ユモ004エンジンの断面を展示している。^[18]
• ドイツ、ハノーバーのラッツェン・ハノーバー航空博物館。多様な航空機のコレクションに加え、量産前のモデルであるユモ004Aと、後期型ユモ004Bのカットモデルを展示している。^[19]
• スミソニアン協会の国立航空宇宙博物館（NASM）、ワシントンDC、米国。NASMはユモ004を2機所有しており、1機は完全なエンジン（2020年現在展示中）で、もう1機は「カットアウェイ」エンジン（2020年現在展示されていないか保管中）である^{[20] [21]。}
• 国立アメリカ空軍博物館、ライト・パターソン空軍基地、オハイオ州デイトン、アメリカ合衆国。NMUSAFは、切り離されたユモ004を1機と、数少ない現存するMe262（004エンジン2基を今も保持） 1機を展示している。 ^{[22] [23]}
• ニューイングランド航空博物館、ブラッドリー国際空港、ウィンザーロックス、コネチカット州、米国。ニューイングランド航空博物館は、 NMUSAFから貸与された「カットアウェイ」エンジンを展示している^[24]
• ワシントン州エバレットのペインフィールドにあるフライングヘリテージ＆コンバットアーマー博物館は現在、Me 262とそれに付随するユモ004エンジンを飛行可能な状態に修復している。004は疲労耐性を高め、エンジン全体の寿命を延ばすために再加工された。^[25] 2019年10月現在、修復された262は004エンジンの力で誘導路テストを無事に実施している^[26]。
• ケープタウンのイスタープラットにある南アフリカ空軍博物館。部分的に切断されたユモ 004

データ元 ^[要出典]

• タイプ: ターボジェット
• 長さ: 3.86 m (152 インチ)
• 直径: 81 cm (32 インチ)
• 乾燥重量: 719 kg (1,585 ポンド)

• 圧縮機: 8段軸流圧縮機
• 燃焼器：缶型、6
• タービン：単段

• 最大推力: 8,700 rpmで8.8 kN (1,980 lbf)
• 総圧力比: 3.14:1
• 推力重量比： 1.25

同等のエンジン

• アームストロング・シドレー ASX
• BMW 003
• ハインケル HeS 011
• 石川島 Ne-20
• ロッキード J37  – アメリカ初の軸流ジェットエンジン設計の試み
• メトロポリタン・ヴィッカース F.2
• ウェスティングハウス J30  – アメリカ初の実用軸流ジェットエンジン (1943)

関連リスト

• 航空機エンジンの一覧
• 第二次世界大戦中のドイツの航空機エンジンのリスト

• クリストファー、ジョン（2013年）。『ヒトラーのXプレーン争奪戦：イギリスの1945年のドイツ空軍秘密技術奪取ミッション』ストラウド、イギリス：ヒストリー・プレス。ISBN 978-0-7524-6457-2。
• ガンストン、ビル (2006)。『世界航空エンジン百科事典: 先駆者から現代まで(第 5 版)』ストラウド、イギリス: サットン。ISBN 0-7509-4479-X。
• ケイ、アンソニー L. (2002)。ドイツのジェットエンジンとガスタービンの開発 1930-1945。クロウッド プレス。ISBN 1-84037-294-X。
• ケイ、アントニー（2004）。ユンカース航空機とエンジン1913-1945。ロンドン：パトナム航空書籍。ISBN 0-85177-985-9。
• ケイ、アンソニー L. (2007)。ターボジェットの歴史と開発 1930-1960。第 1 巻。ラムズベリー: クロウッド プレス。ISBN 978-1-86126-912-6。
• Meher-Homji, Cyrus B. (1997 年 9 月)。「Anselm FranzとJumo 004」。機械工学。ASME。2008年 1 月 7 日のオリジナルからアーカイブ。
• パヴェレック、スターリング・マイケル（2007年）。『ジェット競争と第二次世界大戦』グリーンウッド。ISBN 978-0-275-99355-9。

ウィキメディア・コモンズには、ユンカース ユモ 004に関連するメディアがあります。

• 「メッサーシュミット Me-262 ジェット戦闘機の設計分析 パート II - 動力装置」
• 21世紀初の試みとして、Me 262Aの復元されたJumo 004BジェットエンジンをRiedel 2ストロークAPUユニットで始動させる