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ユンカースJumo 004 は、世界で初めて実用化された量産型ターボジェットエンジンであり、初の成功した軸流圧縮式ターボジェットエンジンでもありました。第二次世界大戦末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 戦闘機やアラド Ar 234 偵察爆撃機、そしてホルテン Ho 229 などの試作機に搭載されました。第二次世界大戦終結後、東ヨーロッパやソ連では、このエンジンの派生型やコピーが数年間生産されました。
ジェット推進の実現可能性は、1937年初頭にドイツのハインケル社と協力したハンス・フォン・オハインによって実証されていた。ドイツ航空省（RLM）の大半は関心を示さなかったが、ヘルムート・シェルプとハンス・マウフはこの概念の可能性を見抜き、ドイツの航空機エンジンメーカー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促した。しかし、各社は依然として懐疑的で、新たな開発はほとんど行われなかった。
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れた。大手航空機メーカー、ユンカース社のユンカース・モトーレンヴェルケ（ユモ）部門の責任者であるオットー・マダーは、そのコンセプトは有用ではあるものの、それを手がける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であったアンゼルム・フランツ博士がその仕事に最適だと答えた。フランツ博士はその年の後半に開発チームを立ち上げ、プロジェクトはRLM（ドイツ航空省）の指定番号109-004を与えられた（ RLMが割り当てた109-という接頭辞は、第二次世界大戦中のドイツにおけるすべての反動エンジンプロジェクトに共通しており、有人航空機用のドイツの第二次世界大戦中のロケットエンジン設計も含まれていた）。
フランツは、保守的でありながら革新的な設計を選んだ。彼の設計は、エンジンを通して空気を連続的に直線的に流すことができる新しいタイプの圧縮機（軸流圧縮機）を使用している点で、フォン・オハインのものと異なっていた。この圧縮機は、ゲッティンゲンの航空力学研究所（AVA）によって最近開発されたものであった。軸流圧縮機は、「実世界」の条件下で約78%の効率という優れた性能を持つだけでなく、高速航空機にとって重要な小さな断面積も持っていた。ジェットエンジンプログラムでブルーノ・ブルックマン博士の元助手であったオステリッヒ博士がベルリンで彼の後を引き継ぎ、直径が小さいという理由で軸流設計を選んだ。[ 1 ]競合する軸流BMW 003より10 cm (3.9インチ)小さい。[ 2 ]
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を開発することを目指した。主要な決定の一つは、より効率的な単一の環状燃焼室ではなく、6つの「フレーム缶」を使用したシンプルな燃焼室を採用することであった。同じ理由で、彼はエンジンのタービンの開発においてベルリンのAllgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft（ゼネラル・エレクトリック社、AEG）と緊密に協力し、開発用エンジンを製造する代わりに、すぐに生産に投入できるエンジンのプロトタイプの開発に着手することを選択した。フランツの保守的なアプローチはRLMから疑問視されたが、開発上の問題に直面したにもかかわらず、004は技術的にはより進んでいるものの推力がわずかに低い競合機BMW 003（7.83 kN/1,760 lbf）よりもはるかに早く生産・運用を開始したことで、その正しさが証明された。
ハインケル・ヒルト社のエンジン工場があるコルバーモアでは、ロイ・フェデン卿率いる戦後のフェデン調査団が、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、より低い技能の労働力と高度な工具を必要としないことを発見した。実際、中空タービンブレードの製造やジェットエンジンの板金加工のほとんどは、自動車のボディパネルの製造に使用される工具でできた。[ 3 ]フェデン自身は、004のコンプレッサーケーシングが2つの半分に分かれており、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 ]
ディーゼル燃料を使用した最初の試作機004Aは、排気ノズルなしで1940年10月に初めて試験された。1941年1月末にベンチテストが行われ、最大推力430kgf （4,200N 、950lbf）を記録した。RLMの契約では最低推力が600kgf （5,900N 、1,300lbf ）に設定されていたため、推力増加のための作業が続けられた。[ 5 ]
当初は外部から片持ち梁構造になっていた圧縮機ステーターの振動問題により、この時点で計画が遅延した。[ 6 ]航空省の顧問技師で、ターボチャージャーの振動に関する知識を持つマックス・ベンテレが問題解決に協力した。 [ 6 ]当初のアルミニウム製ステーターは鋼鉄製のものに交換され、その構成でエンジンは8月に5.9 kN (1,300 lb f )の推力を発生し、 12月には9.8 kN (2,200 lb f )で10時間の耐久試験に合格した。最初の飛行試験は1942年3月15日に行われ、004AがメッサーシュミットBf 110によって空中に運ばれ、飛行中にエンジンを始動させた。004は8段軸流圧縮機、6つの[ 7 ]ストレートスルー燃焼室（鋼板製）、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Me262の試作機のうち1機が、004型エンジンによるジェット動力で初めて飛行し、004型エンジンはドイツ航空省（RLM）からの80基の発注を受けて量産体制に入った。
Me 262 試作機の動力源として最初に製造された 004A エンジンは、材料に制限なく製造されたため、ニッケル、コバルト、モリブデンなどの希少な原材料が生産には不向きな量で使用されていた。フランツは、Jumo 004 はこれらの戦略材料を最小限に抑えるように再設計する必要があると認識し、それが実現した。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曲げ溶接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、圧縮機から「抽出」された圧縮空気で冷却された。エンジンの稼働寿命は短くなったが、利点としては製造が容易になった。[ 5 ]量産型エンジンは、鋳造マグネシウム製のケーシングが 2 つの半分に分かれており、片方にステータアセンブリの半分がボルトで固定されていた。[ 4 ]前方の 4 つのステータは、マウントに溶接された鋼合金ブレードで構成され、後方の 5 つはマウントに曲げられたプレス鋼板で溶接されました。[ 4 ]鋼合金の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アリ溝で嵌め込まれ、小さなネジで固定されました。[ 4 ]コンプレッサー自体は、12本の止めネジで鋼製のシャフトに取り付けられました。[ 4 ] Jumo は、最初はソリッド鋼、後に中空の板金製のさまざまなコンプレッサーブレードを試しました。これらはテーパーで溶接され、根元はタービンホイールの菱形のスタッドに取り付けられ、そこにピン留めされろう付けされました。[ 4 ]
004 の興味深い特徴の 1 つは、ドイツのエンジニアNorbert Riedelが設計したスターターで、吸気ノーズコーンの後ろに10 hp (7.5 kW)の2 ストローク水平対向エンジンが搭載されていました。 [ 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プルスタートできるようになっていました。スターターに燃料を供給するために、環状吸気口の板金製ハウジングの上部周囲に 2 つの小型ガソリン/オイル混合タンクが取り付けられていました。Riedel は、競合する BMW 003 エンジンや、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の始動にも使用されました。
004Bの最初の量産モデルは004Aより100kg （220ポンド）軽く、1943年には100時間の試験を数回クリアし、オーバーホール間隔は50時間を達成した。[ 8 ]
その後、1943年に004B型でタービンブレードの破損が発生しましたが、ユンカースチームは原因を解明できませんでした。彼らは材料の欠陥、結晶粒度、表面粗さなどの領域に注目しました。最終的に12月、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かれました。彼は、ブレードの固有振動数の1つがエンジンの運転範囲内にあることが破損の原因であることを突き止めました。彼の解決策は、ブレードのテーパーを大きくしてブレードを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に下げることでした[ 6 ] 。
本格的な生産がようやく開始できたのは1944年初頭になってからのことだった。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技術的な課題は、ドイツ空軍がMe 262を部隊配備するのを遅らせる主な要因となった。
004B に使用されている鋼材の品質が低いため、これらのエンジンの耐用時間はわずか 10〜25 時間で、注意深いパイロットが操縦してもその 2 倍程度だった。[ 9 ]エンジンのもう 1 つの欠点は、初期のターボジェットエンジンすべてに共通するもので、スロットルの応答が鈍いことだった。さらに悪いことに、スロットルを速く動かしすぎると燃焼室に燃料が過剰に噴射され、空気流量が燃料の増加に見合う前に温度が上がり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、エンジン故障の主な原因となった。それでも、戦闘機にジェット動力を初めて実現させたのは、このエンジンだった。
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ノズルが使用されていた。プラグは、横から見たときの形状から、ツヴィーベル（ドイツ語でタマネギ）という愛称で呼ばれていた。 [ 4 ]プラグは、電動モーターで駆動されるラックアンドピニオンを使用して前後約40cm（16インチ）移動し、推力制御のために排気断面積を変更した。
Jumo 004は3種類の燃料で稼働することができた。[ 10 ]
材料費が10,000リンギットだったJumo 004 は、競合するBMW 003 ( 12,000リンギット)や、Junkers 213ピストンエンジン ( 35,000リンギット)よりもいくらか安価だった。[ 11 ]さらに、このジェットエンジンは低技能労働者で製造でき、完成までに要する時間は (製造、組み立て、輸送を含めて) わずか 375 時間だったのに対し、BMW 801は 1,400 時間だった。[ 12 ]
004 の製造とメンテナンスは、オットー・ハルトコップの監督の下、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ており、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 ～ 50 時間で、10 時間ほどに短縮された可能性もあるが、熟練したパイロットであれば間隔を 2 倍にできた。[ 9 ] (競合する BMW 003 は約 50 時間だった。) [ 9 ]プロセスには、圧縮機ブレード (通常は石などを吸い込むことによって最も損傷を受け、後にフォディングとして知られるようになった) と、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、地上で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に、特別に設計されたワイヤーフレームの半球形ケージと/または吸気口の上に平らな円形のカバーの両方を使用していたことが知られている。コンプレッサーとタービンのブレードの寿命は、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ばすことができた。リーデルの2ストローク始動エンジンとターボジェットのガバナーも点検され、必要に応じて交換された。[ 9 ]燃焼器は20時間ごとにメンテナンスが必要で、200時間ごとに交換が必要だった。[ 9 ]
5,000～8,000 機の 004 が製造されました。[ 14 ]第二次世界大戦終結時には、月産1,500 機でした。[ 4 ]ロイ・フェデン卿率いるフェデン・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が年間 10 万機以上に達する可能性があると推定しました。[ 9 ]
第二次世界大戦後、チェコスロバキアのマレシツェでJumo 004が少量生産され、Avia Avia M-04と命名され、 Me 262のコピーであるAvia S-92に搭載された。改良型のJumo 004はソビエト連邦でも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、鹵獲された004エンジンがシュドウエストSO 6000トリトンとアーセナルVG-70の動力源として使用された。
（データ出典：ケイ著『ターボジェット：歴史と発展 1930～1960年：第1巻：イギリスとドイツ』）
レイアウト：A＝軸流圧縮機段、C＝缶型燃焼室、T＝タービン段。
北米、ヨーロッパ、オーストラリアの航空博物館や歴史コレクションには、Jumo 004ターボジェットエンジンの実例が数多く存在しており、その中には以下のようなものがある。
データから
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