プロプファン

プロップファンは、オープンローターエンジン、オープンファンエンジン^[1]^[2] 、またはアンダクテッドファン（ダクテッドファンの反対）とも呼ばれ、ターボプロップとターボファンの両方に概念的に関連するが、どちらとも異なるタイプの航空機エンジンです。設計は、ターボファンの速度と性能、およびターボプロップの燃費を実現することを目的としています。プロップファンは通常、ターボファンエンジンの（ダクテッド）ファンに似た、多数の短くねじれたブレードを使用して設計されます。このため、プロップファンは「アンダクテッドファン」（UDF）または「超高バイパス（UHB）ターボファン」などとさまざまに説明されています。

意味

1970年代、ハミルトン・スタンダードは、自社のプロップファンを「小径で高負荷の多翼可変ピッチ推進装置で、薄い先進的な翼断面を持つ後退翼を備え、ナセルと一体化しており、ブレードを通る気流を遅らせるように輪郭が作られているため圧縮損失が低減し、タービンエンジンで動作するように設計されており、単段減速ギアを使用することで高性能を実現」と説明しました。^[3] 1982年、週刊航空雑誌「フライト・インターナショナル」は、プロップファンを、巡航速度390～480ノット（時速450～550マイル、時速720～890キロメートル）で飛行する8～10枚の高後退翼を備えたプロペラと定義しましたが、^[4]その定義は数年後に二重反転プロップファンの出現により進化しました。^[5]

1986年、英国のエンジンメーカーであるロールスロイスは、プロップファンの本来の意味の同義語としてオープンローターという用語を使用しました。これは、当時提案されていたプロップファンという名称の付いたダクトエンジンの多くからプロップファンエンジンの種類を区別するためでした。^[6] 2000年代までに、オープンローター（OR）は研究やニュースレポートでプロップファン技術の好ましい用語となり、二重反転オープンローター（CROR）も単回転プロップファンを区別するために時々使用されました。2015年現在、欧州航空安全機関（EASA）はオープンローターを具体的に（しかし広く）「ケーシング内に密閉されていないタービンエンジンのファンステージ」と定義しています。対照的に、オープンローターエンジン（21世紀にプロップファンのより一般的な用語）の実用的な定義は、「ケーシング内に密閉されていない二重反転ファンステージを備えたタービンエンジン」と呼んでいます。このエンジンはガスタービンを使用してターボプロップのようなシュラウドなし（オープン）の二重反転プロペラを駆動しますが、プロペラ自体の設計はタービンの設計とより密接に結合されており、2つは単一のユニットとして認定されています。^[7]

エル・サイードは、ブレードの数、ブレードの形状、先端速度、バイパス比、マッハ数、巡航高度など11の異なる基準でターボプロップ機とプロップファン機を区別している。^[8]

歴史

ドイツの航空宇宙技術者が遷音速の航空機の抗力を減らすために後退翼を使用するというアイデアを研究し始めてから約 10 年後、1940 年代にハミルトンスタンダード社は同様の概念をエンジンのプロペラに適用しようと試みました。同社は、先端速度が超音速になる高後退角のプロペラブレードを作成し、プロペラが露出したエンジンで、新型のターボジェットエンジンやターボファンエンジンでしか達成できない速度と巡航高度まで航空機を動かすことができました。これらのブレードの初期のテストで、当時は解決できなかったブレードのフラッターとブレードの応力の問題があることが明らかになり、高い騒音レベルも別の障害であると考えられていました。ターボジェットエンジンとターボファンエンジンの人気によりプロペラの研究は縮小されましたが、1960 年代までには、ガスタービンで駆動される露出プロペラで、マッハ 0.7 ～ 0.8 の速度で高度 35,000 フィート (11,000 メートル) を飛行する旅客機を動かすことができるという研究結果が示され、関心が高まりました。プロップファンという用語はこの時期に作られました。^[9]

プロップファンのコンセプトに似た最も初期のエンジンの 1 つは、4,710 ポンド力 (21.0 キロニュートン) のMetrovick F.5で、エンジン後部に 2 つの二重反転ファン (前方ファンに 14 枚のブレード、後方ファンに 12 枚のブレード) を備え、1946 年に初めて稼働しました。ただし、ブレードはほとんどが非スイープでした。^[10]一般的な航空機に搭載されていた他の二重反転プロペラエンジンとしては、ソ連のツポレフTu-95高速爆撃機とアントノフAn-22 軍用輸送機に搭載された4基の強力なクズネツォフNK-12エンジン（それぞれが独自の同軸二重反転プロペラセットを駆動）と、イギリスのフェアリー・ガネット対潜水艦機に搭載されたアームストロング・シドレー・ダブルマンバ（ASMD）エンジン（両方とも単一の同軸二重反転プロペラセットに接続）がある。どちらの構成でも、前部プロペラと後部プロペラに4枚のほぼ非掃引ブレードを備えていた。

1970年代～1980年代

1973年の石油危機により1970年代初頭に石油価格が急騰すると、プロップファンへの関心が高まり、NASAの資金提供による研究が加速し始めた。^[11]プロップファンの概念は、1975年にユナイテッドテクノロジーズのハミルトンスタンダード部門のカール・ローバッハとブルース・メッツガーによって概説され、 ^[12] 1979年にハミルトンスタンダードのローバッハとロバート・コーネルによって特許が取得された。^[3]その後、ゼネラルエレクトリックが同様の推進装置について行った研究では、アンダクテッドファンという名前が採用された。これは改良されたターボファンエンジンで、ファンはエンジンナセルの外側のコンプレッサーブレードと同じ軸上に配置されていた。

この時代には、プロペラの問題は解決可能になった。チタン金属や樹脂を注入したグラファイトやグラスファイバーの複合材などの構造材料が進歩した。これらの材料はブレード構造においてアルミニウムや鋼鉄の金属に取って代わり、ブレードをより薄く、より強く作ることができた。^[13]コンピュータ支援設計もブレード特性の改良に役立った。ブレードは高出力負荷と遠心力で曲がったりたわんだりするため、初期設計は動作中の形状に基づく必要があった。コンピュータの助けを借りて、ブレード設計者は製造目的に最適な無負荷形状を見つけるために逆方向に作業を行った。^[14]

飛行試験プログラム

アメリカ唯一の大手航空機プロペラメーカーであるハミルトンスタンダードは、1970年代初頭にプロペラファンのコンセプトを開発しました。^{[15]ハミルトンスタンダードは}NASAと協力して数多くのバリエーションをテストしました。^[16]^[17]

プロップファンテスト評価（PTA）プログラムでは、ロッキード・ジョージア社がプロップファンコンセプトの飛行中テストベッドとして機能するようにガルフストリームIIを改造することを提案し、マクドネル・ダグラス社は同じ目的でDC-9を改造することを提案した。 ^[18] NASAはロッキード社の提案を選択した。ガルフストリームIIには、6,000馬力（4,500キロワット）のアリソン570ターボプロップエンジン（ボーイング・バートルXCH-62大型ヘリコプター用に開発されたXT701ターボシャフトから派生）を含むナセルが左翼に追加されました。エンジンは、8枚羽根、直径9フィート（2.7メートル、110インチ、270センチメートル）、単回転のハミルトンスタンダードSR-7プロップファンを使用していました。アリソン501-M78と名付けられたテストエンジン^[19]の推力定格は9,000 lbf（40 kN）でした。^[20] 1987年3月28日に初めて飛行しました。^[21]約5,600万ドルの費用がかかった大規模なテストプログラム^[22]は、1988年3月25日に終了するまでに73回の飛行と133時間以上の飛行時間を記録しました。^[23]しかし、1989年に、テストベッド航空機は4月3日から4月14日まで飛行中に地上騒音レベルを測定しました。^[24]^{[25]その後エンジンは取り外され、航空機は同年後半にスペース}シャトルの練習機に改造されました。^[26]

GE36アンダクテッドファン (UDF) は、アメリカのエンジンメーカーであるゼネラルエレクトリック(GE) がフランスのパートナー企業であるスネクマ(現サフラン)の 35% の出資を受けて開発したもので、オリジナルのプロップファンコンセプトのバリエーションであり、プッシャー構成のピストンエンジンに似ていました。GE の UDF は、減速ギアボックスが低速の 7 段フリータービンに置き換えられた、斬新なダイレクトドライブ構成を採用していました。1 組のタービンローターが前方のプロペラセットを駆動し、後方のローターセットは反対方向に回転するもう 1 組のローターセットで駆動されていました。タービンには 7 段のブレード列が 14 列ありました。各段は、1 組の二重反転列でした。^[27] 1950年代から問題を起こしやすいギアボックスに警戒心を抱いていた航空機メーカーは、GEのギアレスプロップファンを好んだ。^[14]ボーイングはGEのプッシャーUDFエンジンを7J7プラットフォーム（巡航速度マッハ0.83）に搭載する予定だった。^[28]マクドネル・ダグラスもMD-94X 旅客機に同様のエンジンを搭載する予定だった。 GE36は、1986年8月20日にボーイング727-100の第3エンジンステーションに搭載され、最初の飛行試験が行われた。 ^[29] 7J7用のGE36 UDFは、25,000ポンド力（110 kN）の推力を持つように計画されていたが、GEは、一般的にUDFコンセプトは9,000〜75,000 lbf（40〜334 kN）の推力範囲をカバーできると主張したため、^[30] UDFエンジンは、当時のGEのワイドボディエンジンファミリーである CF6の推力に匹敵するか、それを上回る可能性がある。

マクドネル・ダグラスは、自社所有のMD-80を改造して概念実証機を開発した。MD-80は、プロペラエンジンを胴体後部に搭載しているため（DC-9の先祖と同様）、プロペラエンジンに適した機体であり、プロペラエンジンを搭載したMD-91およびMD-92の派生型、およびMD-94Xクリーンシート機の可能性に備えていた。左側のJT8DターボファンエンジンをGE36に交換した。テスト飛行は1987年5月に開始され、^[31]設計の耐空性、空力特性、騒音特性が証明された。最初のテストに続いて、ファーストクラスの客室が胴体後部に設置され、航空会社の幹部にUDF駆動の航空機を直接体験する機会が提供された。 GE 装備のデモ機のテストおよびマーケティング飛行は 1988 年に終了し、ターボファン駆動の MD-80 に比べて燃料消費量が 30% 削減され、ステージ 3 の騒音基準に完全準拠し、機内の騒音/振動レベルが低いことが示されました。GE36 は MD-92X と同じ 25,000 lbf (110 kN) の推力を発揮しますが、同じエンジンがより小型の MD-91X では 22,000 lbf (98 kN) の推力にまで低下します。MD-80 は 1989 年 4 月に578-DXプロペラファンを搭載した飛行テストにも成功しました。これはアリソンエンジンカンパニー(当時はゼネラルモーターズの一部門)のプロトタイプで、アリソン XT701 から派生し、ハミルトンスタンダードプロペラを使用して製造されました。このエンジンプログラムは、アリソンとユナイテッドテクノロジーズの別の部門であるエンジン製造会社プラット & ホイットニーが共同で開発しました。競合する GE36 UDF とは異なり、578-DX は、LP タービンとプロップファンブレードの間に減速ギアボックスを備えた、かなり従来的なものでした。ジェット燃料価格の低下とマーケティングの優先順位の変化により、ダグラスは同年後半にプロップファンプログラムを棚上げしました。

その他の提案されたアプリケーション

将来のプロペラファン駆動の航空機に関するその他の発表には、次のものが含まれます。

フォッカーFXXは1982年に研究された100～120席のプロペラエンジン搭載航空機である^[32]
MPC -75は、西ドイツのメッサーシュミット・ベルコウ・ブローム（MBB）と中国航天科技輸出入公司（CATIC）が考案した、80席、巡航速度マッハ0.76、航続距離1,500海里（1,700マイル、2,800キロメートル）の地域型航空機である。ベースライン動力装置として、ゼネラル・エレクトリック GE38 -B5 UDF 直結エンジン 2 基を使用。静推力および巡航推力はそれぞれ 9,644 および 2,190 lbf (4,374 および 993 kgf、42.90 および 9.74 kN)、推力比燃料消費率(TSFC) はそれぞれ 0.240 および 0.519 lb/(lbf⋅h) (6.8 および 14.7 g/(kN⋅s)) で、二重反転プロペラの直径 85 インチ (2.1 m) のプロップファンにより推進。代替動力装置として、静的推力14,500 lbf (6,600 kgf; 64 kN)のPW-アリソン501-M80Eギアードプロップファンエンジンを提案した。これは、アメリカ海軍のオスプレイティルトローター機の動力源として選ばれた501-M80Cターボシャフトから派生したものである。^{[33]後に、このプロップファンエンジンは}T406 (オスプレイの動力装置の軍用名称)のコアを備えたもので、直径108インチ (2.7 m) のプロップファンを備え、巡航時に2,450 lbf (1,110 kgf; 10.9 kN)の推力とTSFC 0.51 lb/(lbf⋅h) (14 g/(kN⋅s)) を発生すると説明されている。^[34]^{: 1090}
ATR92は、フランスのアエロスパシアル社とイタリアのアエリタリア社との合弁会社であるアビオン・デ・トランスポート・レジョナル社（ATR ）^[35]とスペインのコンストラクシオネス・アエロナウティカスSA （CASA） ^[36]が製造する、巡航速度400ノット（時速460マイル、時速740キロメートル）、5列または6列、100席の航空機で、UDF ^{[37]を搭載する可能性がある。}
アエロスパシアルAS.100は、航続距離1,500海里（1,700マイル、2,800キロメートル）、高度30,000フィート（9,100メートル）での巡航速度マッハ0.74～0.78、^{[38] 、座席数80～100の地域型航空機で、UDF}^{[37]またはアリソンT406}^[36] ティルトローターエンジンのプロップファンバージョンを搭載している可能性がある。
ATRA -90（先進技術地域航空機）は、83～115席、航続距離1,500～2,100海里（1,700～2,400マイル、2,800～3,900キロメートル）、高度30,000フィート（9,100メートル）でマッハ0.8の巡航速度を持つ航空機で、インドネシアのインダストリ・ペサワット・テルバン・ヌサンタラ（IPTN）、ボーイング（米国）、MBB（西ドイツ）、フォッカー（オランダ）からなる多国籍合弁会社によって製造される予定であった^[38]
ツポレフTu-334は、126席の航空機で、11,430kgのペイロード（25,200ポンド、11.43トン、12.60ショートトン）を搭載し、1,860海里（2,140マイル、3,450キロメートル）を飛行できます。2基のプログレス（別名ロタレフ）D-236プロペラファン^[39]で駆動され、燃料消費率は0.46kg/kg推力/時、巡航推力は1.6トン力（3,500ポンド、16kN）、静推力は8～9tf（18,000～20,000ポンド、78～88kN）です^[40]。
イリューシンIl-88は、4基のターボプロップ機を搭載したアントノフAn-12戦術輸送機の後継機で、2基の11,000馬力（8,200kW）プログレスD-236プロップファンを搭載する予定であった^[41]
イリューシンIl-118は、4基のターボプロップエンジンを搭載したイリューシンIl-18旅客機のアップグレード機であり、^[42] 1984年に提案されたこの航空機は、代わりに2基のD-236プロペラを搭載し、各エンジンの8枚羽根の前部プロペラは毎分1,100回転、6枚羽根の後部プロペラは毎分1,000回転で回転し、騒音と振動を低減する^[43]。
エンジンを換装したアントノフ An-124。4基のプログレスD-18Tターボファンを推力55,100 lbf（245.2 kN）のクズネツォフNK-62プロペラファンに交換した^[44]

衰退

しかしながら、これらのプロジェクトはどれも実現しなかった。主な理由は、キャビンの騒音が過度であったこと（ターボファンに比べて）と燃料価格が低かったためである。^[45]ゼネラル・エレクトリックにとって、GE36 UDFは、 CFMインターナショナルの合弁会社で対等なパートナーであるスネクマと共同で製造したCFM56高バイパスターボファンを置き換えるものであった。1980年代、このエンジンは当初、インターナショナル・エアロ・エンジンズのライバル製品であるIAE V2500に対して競争力がなかった。1986年12月、スネクマの会長は、開発中のCFM56-5S2がCFM56ファミリー向けに作られる最後のターボファンになると宣言し、「ターボファンにこれ以上お金をかける意味はない。UDFこそが未来だ」と述べた。^[46]しかし、1987年にV2500は技術的な問題に遭遇し、CFM56が大きな売上の勢いを得た。ゼネラル・エレクトリックは、1979年に最初の注文を受けるまで5年かかったCFM56をGE36で代替することに興味を失い、「UDFは以前の基準で信頼性を高めることができたが、ターボファンはそれよりもはるかに優れたものになっていた」。ゼネラル・エレクトリックは、ボーイング777用の史上最強のジェットエンジンであるGE90に直接UDFのブレード技術を採用した。^[47]

1990年代

1990年代初頭、ソ連/ロシアはプログレスD-236の飛行試験を実施した。これはプログレスD-36ターボファンのコアをベースにしたギア付き二重反転プロペラエンジンで、前部プロペラに8枚のブレード、後部プロペラに6枚のブレードを備えていた。1つのテストベッドは、イリューシンIl-76に搭載された10,100馬力（7,500kW）のプロペラで、ハノーバーILA90航空ショーに飛行した。これは、未確認の4つのプロペラファン航空機を対象としていた。^[48] D-236はIl-76で36回飛行し、合計70時間の飛行試験を行った。^[49]もう一つのテストベッドは、ヤコブレフYak-42 E-LLに搭載され、1991年のパリ航空ショーに飛行し、計画されていた双発プロペラエンジン付きYak-46航空機のデモンストレーションとして、 10,990馬力（8,195kW）、14フィート（4.2m、170インチ、420cm）のユニットでした。 ^[50] 150席の基本バージョンでは、航続距離1,900海里（2,200マイル、3,500km）、巡航速度460ノット（530mph、850km/h、780フィート/秒、240m/秒）^[51]（マッハ0.75）になります。^[52]ソ連は、D-236の真の空力効率は28パーセントで、同等のターボプロップ機に比べて燃料節約は30パーセントであると主張しました。また、出力14,100馬力と30,200馬力（10,500kWと22,500kW）のプロペラファンの計画も明らかにした。^[48]

プログレスD-236と同様に、より強力なプログレスD-27プロップファンエンジンは、前部ブレード8枚と後部ブレード6枚を備えた二重反転プロップファンですが、^[52] D-27は、厚さ対弦比が低く、前縁の曲率がより顕著な先進的な複合材ブレードを備えています。^[53] 1985年に発売されたエンジンであるD-27 ^{[54] は}、離陸時に14,000馬力（10,440kW）のパワーと27,000lbf（119kN）の推力を発揮します。^[55]後部に搭載された2つのD-27プロップファンは、1995年に初飛行、1997年に就航が予定されていたウクライナのアントノフAn-180を推進しました。 ^[56] 1994年1月、アントノフは、胴体上部の翼に取り付けられた4つのプログレスD-27で駆動するAn-70軍用輸送機の最初のプロトタイプを発表しました。[ 55 ^]ロシア空軍は2003年に164機の航空機を発注しましたが、後にキャンセルされました。 2013年の時点で、An-70は依然として貨物機として有望な将来性があると考えられていました。^[57]しかし、プログレスD-27のプロペラ部品はロシアのSPEアエロシラによって製造されているため、An-70はロシア・ウクライナ戦争によって妨げられました。アントノフは代わりに2018年にトルコと協力して、An-70をAn-77として再開発し、ロシアのサプライヤーの参加なしに現代の要件に準拠できるようにしました。^[58]

21世紀

21世紀の最初の10年間は、ジェット燃料価格の高騰により排出量削減のためエンジン/機体の効率化が重視され、ボーイング787やエアバスA350 XWB以外のジェット旅客機でもプロップファンのコンセプトに再び関心が集まった。例えば、エアバスは後部に二重反転プロップファンを搭載した航空機設計の特許を取得した。^[59] ロールスロイス社は、後部（プッシャー）構成のRB.509-11と前部（トラクター）構成のRB.509-14のギア付きプロップファン設計を有し、軸出力13,000馬力（9,700kW）のXG-40エンジン^[60]のガス発生器を使用して15,000～25,000lbf（6,800～11,300kgf、67～111kN）の推力を生み出した。^[61]ロールスロイスは1980年代にプロペラファン技術に消極的になったが^[62]、イルクートMS-21ナローボディ機の最終候補と考えられていたオープンローター設計を開発した。 ^[63]ロールスロイスRB3011エンジンの直径は約170インチ（430cm、14フィート、4.3m）で、16,000軸馬力（12,000kW）のギアボックスが必要だった。^[64]

欧州委員会は、8年間で6,500万ユーロの資金提供を受けたクリーン・スカイ・プログラムの一環として、サフランが主導するオープンローターの実証を2008年に開始した。実証機は2015年に組み立てられ、2017年5月にイストルの野外試験装置で地上試験が行われ、現在の CFM56ターボファンと比較して燃料消費量とそれに伴う_CO2排出量を30%削減することを目指した。^[65] 2017年末の地上試験完了後、サフランのギアード・オープンローターエンジンは技術準備レベル5に到達した。 ^[66]実証機の12枚羽根の前部プロペラと10枚羽根の後部プロペラの直径は、それぞれ13.1フィートと12.5フィート（4.0メートルと3.8メートル、160インチと150インチ、400センチと380センチ）であった。スネクマM88軍用戦闘機エンジンのコアをベースにしたこのデモンストレーターは、最大12,200馬力（9メガワット）を使用し、約22,000lbf（100kN）の推力を提供し、マッハ0.75の速度で巡航します。^[67]しかし、サフランの将来のオープンローターエンジンの最大直径はほぼ14.8フィート（4.50メートル、177インチ、450センチメートル）になります。^[68]

2007年、プログレスD-27は、国際民間航空機関（ICAO）の第4章基準に相当する米国連邦航空局（FAA）のステージ4規制を満たすように改修されました。 ^[69] 2012年の貿易調査では、プロップファンの騒音はステージ4規制で許可されているよりも10～13デシベル静かになると予測されました。^{[70]ステージ5の騒音制限は、プロップファンの騒音エンベロープ内で、制限値をわずか7デシベル（}EPNdB）だけ下げます。 ^[71]この調査では、オープンローターは燃料効率が9％向上しますが、ターボファンよりも10～12デシベル大きいままであると予測されました。^{[70]スネクマは、自社のプロップファンエンジンの騒音レベルは、}CFM LEAPターボファンエンジンとほぼ同じであると主張しました。^[72]

2021年、CFMインターナショナルは、 2025年までに飛行テストを開始する、プーラー/トラクター構成のアクティブステーターとペアになった単段のギア駆動プロップファンを製造するための持続可能なエンジンのための革命的イノベーション（RISE）開発プログラムを発表しました。ローターの直径は12〜13フィート（3.7〜4.0メートル）になると予想されていました。エンジンは20,000〜35,000 lbf（9,100〜15,900 kgf、89〜156 kN）の推力を生み出し、燃料効率を20％向上させると予想されていました。同社は、排出量の削減に対する世界的な重点がその動機であると主張しました。エンジンは、水素と持続可能な航空燃料の両方をサポートするように計画されていました。エンジンには、コンパクトな高圧コアと、排熱で燃焼空気を予熱する回生システム、ホットセクションのセラミックマトリックス複合材、樹脂トランスファー成形複合ファンブレードが含まれる予定でした。ローターに加えて、この設計には、フロー回収ベーンとして機能する非回転可変ピッチステーターブレードのセットが含まれています。この設計により、ファン圧力比が増加し、ローター負荷が軽減され、対気速度が増加します。ファンステージは、高速ブースターコンプレッサーと高速低圧シャフト駆動フロントギアボックスによって駆動されます。このエンジンは、機体統合の複雑さのため、従来の「プロペラ/エンジン」ではなく「統合エンジン」として認定される予定です。^[73] CFMは、12枚の織り込みカーボンファイバー複合ブレードを備えた空気力学的に3次元のローターを計画しました。より小さなエンジンコアの助けを借りて、CFM RISEエンジンのバイパス比は75になります。^[74]

課題

ブレード設計

ターボプロップ機の最適速度は約450mph（390kn; 720km/h）未満です。^[75]これは、超音速未満で発生する波抵抗と呼ばれる効果により、プロペラが高速では効率が低下するためです。この強力な抵抗は突然発生するため、1940年代に初めて遭遇したときに音速の壁の概念が生まれました。この効果は、プロペラが十分に速く回転してブレードの先端が音速に近づくといつでも発生する可能性があります。

この問題に対処する最も効果的な方法は、プロペラにブレードを追加して、より低い回転速度でより多くのパワーを伝達できるようにすることです。このため、第二次世界大戦の戦闘機の設計の多くは、最初は 2 枚または 3 枚のブレードのプロペラを使用していましたが、戦争の終わりまでに最大 5 枚のブレードが使用されました。エンジンがアップグレードされたため、そのパワーをより効率的に変換するには新しいプロペラが必要でした。ブレードを追加すると、プロペラのバランスと維持が難しくなり、追加のブレードにより、抗力と効率の問題により、パフォーマンスがわずかに低下します。しかし、このような対策を講じても、最終的には、飛行機の前進速度とプロペラブレードの先端の回転速度 (まとめてヘリカルチップ速度と呼ばれます) の組み合わせにより、再び波抵抗の問題が発生します。ほとんどの航空機では、約 450 mph (390 kn、720 km/h) を超える速度でこれが発生します。

1935年、ドイツの研究者らが波の抵抗を減らす方法を発見した。それは、翼を後方に後退させることだった。今日では、時速450マイル（390ノット、時速720キロメートル）を超える速度で飛行するように設計されたほぼすべての航空機が後退翼を使用している。プロペラの内側は外側よりも回転方向にゆっくりと動くため、ブレードは外側に向かって徐々に後退し、シミターのような湾曲した形状になる。この方法が最初に採用されたのは1909年、ブレリオXIで使用されたショーヴィエールの2枚羽根の木製プロペラだった。（ブレードの根元では、ブレードは実際には回転方向に前方にスイープされており、後方にスイープされたブレード先端によって生成されるねじれに対抗している。）^[76]ハミルトン標準テストプロップファンは、ブレード先端で最大39度まで段階的にスイープされており、ブレードの螺旋先端速度がマッハ1.15程度であってもプロップファンが推力を生成できるようにしている。^[77]

GE36 UDFと578-DXのブレードは、回転時の最大先端速度が約750～800フィート/秒（230～240メートル/秒、510～550マイル/時、820～880キロメートル/時）であり、^[78]これは従来のターボファンのプロペラブレードの最大先端速度の約半分です。^[79]この最大ブレード先端速度は、プロペラの直径が広くなったり狭くなったりしても一定に保たれます（それぞれRPMの低下または増加につながります）。^[5]

ブレードを薄くすることでも抗力を減らすことができ、ブレードの前方の空気が圧縮されて衝撃波が発生する前にブレードが到達できる速度が上がる。例えば、ハミルトン標準テスト用プロペラのブレードは、厚さ対弦比がスピナー接合部で20%未満から先端で2%、翼幅の中央で4%まで細くなっていた。^[77]プロペラブレードの厚さ対弦比は、当時の最良の従来型プロペラブレードの約半分で、^[80]刃先は剃刀のように鋭く薄くなっており、^[14]^[81]重量はわずか20ポンド（9.1 kg）だった。^[82]（ボーイング727でテストされたGE36 UDFエンジンの前部ブレードと後部ブレードの重量はそれぞれ22.5ポンドと21.5ポンド（10.2 kgと9.8 kg）だった。）^[83]

ノイズ

プロップファンの大きな問題の 1 つは騒音です。1980 年代のプロップファンの研究では騒音を減らす方法が発見されましたが、燃料効率が低下するという代償があり、プロップファンの利点の一部が弱まりました。

騒音を低減する一般的な方法としては、翼端速度を下げ、ブレード負荷、つまりブレード表面積あたりの推力量を減らすことが挙げられる。翼面負荷に似た概念であるが、ブレード負荷は推力要件を下げるか、ブレードの数、幅、長さを増やすことで低減できる。ターボプロップや単回転プロップファンよりも騒音が大きい二重反転プロップファンの場合、騒音は次のような方法でも低減できる。^[84]

プロペラ間の隙間を広げる;
後部プロペラのブレードの長さを前部プロペラのブレードの長さよりも短くして、後部プロペラのブレードが前部プロペラのブレード先端の渦を切断しないようにする（ブレードと渦の相互作用）。
音響増幅を避けるために、２つのプロペラに異なる数のブレードを使用する。
前部プロペラと後部プロペラを異なる速度で回転させることで音響増幅を防ぐこともできる。^[43]

コミュニティの騒音

エンジンメーカーは、プロップファンの導入により、効率性の利点を犠牲にすることなく、（キャビンではなく）地域の騒音規制を満たすことができると期待している。プロップファンは回転速度が低いため、ターボファンよりも地域への影響が少ない可能性があると考える人もいる。ギア付きプロップファンは、同じ理由でギアなしプロップファンよりも優れているはずだ。^[85]

2007年、プログレスD-27は、国際民間航空機関（ICAO）チャプター4基準に対応し、2006年に採用された米国連邦航空局（FAA）ステージ4規制を満たすように改造されました。 ^[69] 2012年の貿易研究では、既存のオープンローター技術による騒音は、ステージ4規制で許可されている最大騒音レベルよりも10～13デシベル静かになると予測されました。 ^{[70]新しいステージ5の騒音制限（2018年に大型航空機のステージ4規制に取って代わり、2014年に確立されたICAOチャプター14騒音基準を反映したもの）は、ステージ4の要件よりもわずか7有効知覚騒音デシベル（}EPNdB ）だけ制限が厳しいため、^[71]現在のプロペラ技術はステージ5基準によって妨げられることはないはずです。この研究では、既存の技術レベルでは、オープンローターは燃料効率が9％向上するが、ターボファンよりも10～12デシベル大きいままであると予測されている。^{[70]しかし、}スネクマは、オープンローターのテストでは、プロップファンエンジンの騒音レベルは、2016年に就航した CFM LEAPターボファンエンジン^[72]とほぼ同じであることが示されていると主張している。

地上からの騒音を遮蔽するために機体構造を再設計することで、騒音をさらに低減できる。例えば、別の研究では、従来のチューブ・アンド・ウィング機の代わりにプロペラエンジンを使用してハイブリッド翼胴機を駆動した場合、騒音レベルはICAO第4章の要件と比較して最大38 EPNdB低減できると推定されている。^[86] 2007年、英国の格安航空会社イージージェットは、後部胴体に結合されU字型テールで遮蔽されたVマウントオープンローターエンジンを搭載した150〜250席の航空機であるエコジェットコンセプトを発表した。^[87]同社は、エアバス、ボーイング、ロールスロイスと航空機の製造について協議を開始したが、失敗に終わった。^[88]

サイズ

100～150人の乗客を乗せる双発機には、プロペラ直径が120～168インチ（300～430cm、10.0～14.0フィート、3.0～4.3m）必要となり、^[77]プロペラ直径が236インチ（600cm、19.7フィート、6.0m）のプロペラファンは、理論上、約60,000lbf（270kN）の推力を生み出すことになる。^[89]これらのサイズは、30を超える望ましい高いバイパス比を達成するが、同等の能力を持つターボファンエンジンの直径の約2倍となる。^[67]このため、乱流のプロペラ気流が昇降舵に悪影響を及ぼし、昇降舵で振動の問題を引き起こすのを避けるために、機体設計者は通常、T字型尾翼構成で尾部を設計する。プロペラファンは、後部胴体の上部に取り付けられる場合がある。ロールスロイスRB3011プロップファンのプロトタイプでは、各エンジンの中心を胴体の側面に接続するために、約8.3フィート（2.54メートル、100インチ、254センチメートル）の長さのパイロンが必要になります。^[90]プロップファンを翼に取り付ける場合、翼は高翼構成で航空機に取り付けられ、過度に長い着陸装置を必要とせずに地上高を確保できます。同じ量の電力または推力を生成するには、ダクテッドファンではギア付きプロップファンよりも短いブレードが必要ですが、^[91]全体的な設置の問題は依然として適用されます。

出力定格

ターボプロップエンジンとほとんどのプロップファンは、発生する軸馬力（shp）の量で評価されます。これに対し、ターボファンとUDFプロップファンは、発生する推力の量で評価されます。経験則では、静止エンジンの海面では、1軸馬力（750ワット）は、およそ2ポンド力（8.9N）の推力に相当しますが、巡航高度では、約1ポンド力（4.4N）の推力に変わります。つまり、25,000 lbf推力（110 kN）のエンジン2基は、理論的には、12,000～13,000軸馬力（8,900～9,700kW）のプロップファン2基、または25,000 lbf推力（110 kN）のUDFプロップファン2基に置き換えることができます。^[5]

プロペラファンのリスト

プロペラファンを搭載した航空機

アントノフ An-70

プロペラファンを搭載した航空機の提案

参照

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