パルスジェット

パルスジェットエンジン（またはパルスジェット）は、燃焼がパルス的に起こるタイプのジェットエンジンである。パルスジェットエンジンは、可動部品がほとんどない^[1]か全くない^{[2] [3] [4]}で作ることができ、静的に動作することができる（つまり、通常は前進運動によって吸気口に空気を送り込む必要がない）。最もよく知られている例は、ナチスドイツのV-1飛行爆弾を推進するために使用されたアルグスAs 109-014である。

パルスジェットエンジンは軽量のジェット推進方式ですが、通常は圧縮比が低いため、比推力が低くなります。

パルスジェット エンジンの 2 つの主なタイプは、共鳴燃焼を使用し、燃焼生成物を利用して断続的に推力を生み出す脈動排気ジェットを形成します。

従来のバルブ付きパルスジェットには、吸入空気が通過する一方向バルブが付いています。燃料混合物が点火されると、バルブが閉じ、加熱されたガスはエンジンの排気管からのみ排出され、前方への推力が発生します。

2番目のタイプはバルブレスパルスジェットです。^[5]このエンジンの技術用語では、音響型パルスジェット、または空気力学的バルブ付きパルスジェットと呼ばれます。

注目すべき研究分野の一つに、パルスデトネーションエンジンがあります。これはエンジン内でデトネーションを繰り返し発生させ、高い圧縮とかなり良好な効率が得られる可能性があります。

ロシアの発明家で元砲兵将校のニコライ・アファナシエヴィッチ・テレショフは1867年に蒸気パルスジェットエンジンの特許を取得しており、スウェーデンの発明家マーティン・ウィバーグもスウェーデンで最初のパルスジェットを発明したと主張しているが、詳細は不明である。

最初の実用的なパルスジェットは、1906 年にロシアのエンジニア VV Karavodin によって特許を取得され、1907 年に実用的なモデルが完成しました。

フランスの発明家ジョルジュ・マルコネは、1908 年にバルブレス パルスジェット エンジンの特許を取得しました。これは、すべてのバルブレス パルスジェットの祖先です。バルブレス パルスジェットは、1940 年代後半に フランスの推進研究グループ Société Nationale d'Étude et de Construction de Moteurs d'Aviation ( SNECMA ) によって実験されました。

スペインのリポイのラモン・カサノバは、 1913年にパルスジェット機の製造を開始し、1917年にバルセロナで特許を取得しました。ロバート・ゴダードは1931年にパルスジェットエンジンを発明し、ジェット推進自転車で実証しました。^[6]エンジニアのポール・シュミットは、吸気バルブ（またはフラップ）の改良に基づくより効率的な設計の先駆者であり、1933年にドイツ航空省から政府支援を獲得しました。^[7]

バルブレスパルスジェットが最初に広く使用されたのはオランダの無人機アビオランダAT-21であった^[8]

1934年、ゲオルク・ハンス・マーデルングとミュンヘンに拠点を置くポール・シュミットは、シュミットのパルスジェットで駆動する「飛行爆弾」をドイツ航空省に提案した。シュミットの試作爆弾は、ドイツ航空省が戦術的観点から興味を示さず、技術的に疑わしいと評価したため却下された。当初のシュミットの設計では、パルスジェットは現代のジェット戦闘機のように胴体に配置されていたが、最終的なV-1ではエンジンが弾頭と胴体の上に配置されていた。^[9]

アルガス社はシュミットの研究を基に作業を開始した。同様のパルスジェットと飛行爆弾に取り組んでいた他のドイツの製造業者には、アスカニア社、フィーゼラー社のロバート・ルッサー、アルガス​​社のフリッツ・ゴスラウ博士、シーメンス社があり、これらはすべてV-1の開発に協力した。^[7]

シュミットがアルガス社で働くようになり、パルスジェットは完成し、RLMの名称で正式にアルガスAs 109-014として知られるようになった。最初の無動力投下は1942年10月28日にペーネミュンデで行われ、最初の動力飛行は1942年12月10日、最初の動力打ち上げは1942年12月24日に行われた。^[10]

パルスジェットは、コストと機能のバランスが非常に優れていると評価された。つまり、最小限のコストで優れた性能を発揮するシンプルな設計だった。^[7]あらゆるグレードの石油で作動し、点火シャッターシステムは、V-1の通常の運用飛行時間である1時間を超えて持続するようには設計されていなかった。離陸には不十分な推力を生成したが、V-1の共鳴ジェットは発射ランプ上で静止している間も作動することができた。排気管の直径と長さの比率（8.7：1）に基づくシンプルな共鳴設計は、燃焼サイクルを永続させるように機能し、毎秒43サイクルで安定した共鳴周波数を達成した。エンジンは、静止推力2,200 N（490 lb _f ）、飛行中に約3,300 N（740 lb _{f ）を生成した。} ^[7]

As 014 の点火は、フロントに取り付けられたバルブアレイの約 75 cm (30 インチ) 後方に取り付けられた単一の自動車用点火プラグによって行われました。このスパークはエンジンの始動シーケンスでのみ作動しました。Argus As 014 は、他のすべてのパルスジェットと同様に、点火に点火コイルやマグネトーを必要としませんでした。点火源は、運転中の先行する火球の尾でした。パルスジェットエンジン内の圧縮はわずかであるため、エンジンケースは燃料のディーゼルタイプの点火を引き起こすのに十分な熱を提供しませんでした。^[要出典]

アルガスAs014バルブアレイは、毎秒47サイクルで動作するシャッターシステムをベースとしていました。^[10]

Argus As 014 の前面にある 3 つの空気ノズルは、エンジンを始動するために外部の高圧源に接続されていました。点火に使用された燃料はアセチレンで、技術者は、完全な点火前にアセチレンの拡散を防ぐために、排気管に木やボール紙のバッフルを設置する必要がありました。エンジンが点火し、最低動作温度に達すると、外部のホースとコネクタが取り外されました。

V-1は巡航ミサイルなので着陸装置がなく、その代わりに、ピストン駆動の蒸気カタパルトで駆動される傾斜路からアルグス As 014が発射されました。ピストンを始動させる蒸気動力は、過酸化水素と過マンガン酸カリウム（T-StoffとZ-Stoffと呼ばれる）が混合されたときに生じる激しい発熱化学反応によって生成されました。

パルスジェット エンジンの主な軍事用途は、アルグス As 014 ユニット (量産された最初のパルスジェット エンジン) の量産とともに、V-1 飛行爆弾に使用することでした。エンジンの特徴的な低音から、「バズ ボム」または「ドゥードゥルバグ」というあだ名が付けられました。V-1 は、第二次世界大戦で使用されたドイツの巡航ミサイルで、最も有名なのは1944 年のロンドン爆撃です。戦争のその段階では、ドイツの資材不足と産業の過剰拡大を考えると、安価で製造が容易なパルスジェット エンジンが V-1 の設計者にとって当然の選択でした。現代の巡航ミサイルの設計者は、推進力としてパルスジェット エンジンを選択せず​​、ターボジェットまたはロケットエンジンを好みます。ナチス ドイツでハードウェア段階まで達したパルスジェットのその他の用途は、メッサーシュミット Me 328と、ドイツ陸軍の実験的なアインパーソン飛行爆弾プロジェクトのみです。

ライトフィールドの技術者は、英国で不発に終わったV-1の残骸からV-1をリバースエンジニアリングした。その結果、 JB-2ルーンが誕生した。機体はリパブリック・アビエーション社が製造し、アルガス​​As 014復刻パルスジェット動力装置（アメリカではPJ31の呼称で知られる）はフォード・モーター社が製造した。

アメリカ陸軍航空隊のハップ・アーノルド将軍は、この兵器が鋼鉄と木材で作られ、2000人の作業時間とおよそ600ドル（2023年の価値で10,565ドルに相当）のコストがかかるのではないかと懸念していた。^[7]

2024年、メリーランド大学のスピンオフ企業であるウェーブエンジンコーポレーションは、J-1エンジン4基を顧客に納入した。J-1は、無人航空機（UAV）で使用するためのデジタル制御パルスジェットエンジンである。^[11]

パルスジェット エンジンは、単純で、製造コストが低く、騒音レベルが高いという特徴があります。推力重量比は優れていますが、推力比燃料消費量は非常に低いです。パルスジェットは、オットー サイクルのピストンやブレイトン サイクルの圧縮タービンなどの外部圧縮駆動装置を持たず、チューブ内の音響共鳴で圧縮を駆動するレノア サイクルを使用します。これにより、最大予燃焼圧力比が約 1.2 対 1 に制限されます。

騒音レベルが高いため、軍事用途やその他同様に制限された用途以外では実用的ではありません。^[8]しかし、パルスジェットは工業用乾燥システムとして大規模に使用されており、おがくずや石炭粉末などの粒子状燃料を含む燃焼するものであればほとんど何でも作動するため、高出力加熱、バイオマス変換、代替エネルギーシステムなどの用途でのこれらのエンジンの研究が再び活発になっています。

パルスジェットは実験用ヘリコプターの動力源として使用され、エンジンはローターブレードの端に取り付けられている。パルスジェットは、ヘリコプターのローターに動力を供給する際に、シャフトに力を加えず先端を押すため、胴体にトルクを生じないという点でタービンエンジンやピストンエンジンよりも優れている。そのため、ヘリコプターはテールローターとそれに関連するトランスミッションおよびドライブシャフトなしで製造でき、航空機を簡素化できる（メインローターのサイクリックおよびコレクティブ制御は依然として必要）。このコンセプトは、アメリカンヘリコプター社がローターの先端にパルスジェットエンジンを搭載したXA-5トップサージェントヘリコプターのプロトタイプの開発を開始した1947年には早くも検討されていた。^[12] XA-5は1949年1月に初飛行し、同じパルスジェット設計のXA-6バックプライベートが続いた。 1949年、ヒラー・ヘリコプターズ社は世界初のホットサイクル圧力ジェットローターであるヒラー・パワーブレードを製造し、テストした。ヒラー社は先端に取り付けたラムジェットに切り替えたが、アメリカン・ヘリコプター社は米陸軍との契約に基づきXA-8の開発を続けた。初飛行は1952年で、XH -26 ジェットジープと呼ばれた。ローター先端に取り付けられたXPJ49パルスジェットを使用した。XH-26は主要な設計目標をすべて達成したが、パルスジェットの騒音が許容できないレベルであったことと、ローター先端でのパルスジェットの抗力によりオートローテーション着陸が非常に困難になったことから、陸軍はプロジェクトを中止した。ローター先端推進は、回転翼機の製造コストを従来の動力回転翼航空機の10分の1に削減すると主張されている。^[8]

パルスジェットは、コントロールラインと無線制御の両方の模型飛行機にも使用されています。コントロールライン パルスジェット駆動の模型飛行機の速度記録は、時速 200 マイル (322 km/h) を超えています。

自由飛行する無線制御パルスジェットの速度は、エンジンの吸気設計によって制限されます。約 450 km/h (280 mph) になると、ほとんどのバルブ付きエンジンのバルブ システムはラム空気圧により完全に閉じなくなり、パフォーマンスが低下します。

可変吸気ジオメトリにより、パルスジェットに空気が流入する速度に合わせて最適化することで、エンジンはほとんどの速度でフルパワーを発揮できます。バルブレス設計は、吸気口からの流出を止めることを意図していないため、他の設計ほどラム空気圧による悪影響を受けず、速度に応じてパワーを大幅に増加できます。

パルスジェット エンジンのもう 1 つの特徴は、エンジンの後ろに設置された特殊な形状のダクトによって推力を増加させることができることです。ダクトは環状の翼として機能し、パルスジェット排気の空気力を利用して脈動する推力を均一にします。通常、オーグメンターと呼ばれるダクトは、追加の燃料消費なしでパルスジェットの推力を大幅に増加させることができます。推力を 100% 増加させることも可能であり、その結果、燃料効率が大幅に向上します。ただし、オーグメンター ダクトが大きいほど、発生する抗力も大きくなり、特定の速度範囲内でのみ有効です。

J-1は、総重量200ポンド（90kg）までの無人航空機用に設計されたU字型の装置です。重量は18ポンド（8.2kg）、寸法は5.5 x 12.5 x 64インチ（14 x 32 x 163cm）です。ガソリン、E85バイオエタノール、ジェット燃料などの燃料で作動します。推力は最大55lbf（240N）に達します。燃料が点火すると、温度と圧力が上昇して高温のガスが装置から押し出され、推力が発生します。その結果生じる部分的な真空が新鮮な空気を吸い込み、次のパルスに備えます。^[11]このエンジンファミリーは、最高時速200マイル（320km/h）でテストされています。^[11]

Wave 社は、最大 1,000 ポンド (450 kg) の積載量に対して最大 220 lbf (980 N) の推力を持つ 2 番目のエンジン K-1 の開発に取り組んでいます。同社では、このエンジンが、より大規模な商用アプリケーションや新しいクラスのVTOLに役立つと主張しています。

バルブ付きパルスジェット エンジンは、機械式バルブを使用して膨張する排気の流れを制御し、高温のガスをテールパイプのみからエンジンの背面に排出します。また、排気の慣性により、各爆発の後にほんの一瞬部分的な真空状態が作られるため、吸気口 から新鮮な空気とより多くの燃料が取り込まれます。これにより、パルス間に追加の空気と燃料が引き込まれます。

バルブ付きパルスジェットは、一方向バルブ配置の吸気口で構成されています。バルブは、燃焼室内の点火された燃料混合物の爆発性ガスが外に出て吸気気流を乱すのを防ぎますが、実用的なバルブ付きパルスジェットはすべて、バルブが吸気口からガスが外に出るのを防ぐのに十分な速さで閉じることができないため、静止時または低速で運転しているときに多少の「ブローバック」が発生します。過熱された排気ガスは、音響共鳴排気管から排出されます。

吸気バルブは、通常リード バルブです。最も一般的な 2 つの構成は、デイジー バルブと長方形のバルブ グリッドです。デイジー バルブは、リードとして機能する薄いシート状の材料で構成され、先端に向かって広がる「花びら」を持つ様式化されたデイジーの形にカットされています。各「花びら」は、先端の円形の吸気穴を覆います。デイジー バルブは、中央でマニホールドにボルトで固定されます。小規模で構築するのは簡単ですが、バルブ グリッドよりも効果は劣ります。

サイクル周波数は主にエンジンの長さによって決まります。小型の模型エンジンの場合、周波数は 1 秒あたり約 250 パルスですが、ドイツのV-1 飛行爆弾に使用されたような大型エンジンの場合、周波数は 1 秒あたり 45 パルスに近くなります。生成される低周波音により、このミサイルは「バズ爆弾」というニックネームが付けられました。

バルブレス パルスジェット エンジンには可動部品がなく、その形状のみを使用してエンジンからの排気の流れを制御します。バルブレス パルスジェットは、吸気口と排気口の両方から排気を排出しますが、生成される力の大部分は排気口の広い断面から排出されます。広い排気口から排出される質量が大きいほど、吸気口からの逆流よりも慣性が大きいため、各爆発の後にほんの一瞬だけ部分的な真空状態が生成され、吸気口の流れが適切な方向に逆転し、より多くの空気と燃料を吸入できます。これは 1 秒間に数十回発生します。

バルブレス パルスジェットは、バルブ付きパルスジェットと同じ原理で動作しますが、エンジンの形状は「バルブ」です。燃料は、ガスまたは霧状の液体スプレーとして、吸気口で空気と混合されるか、燃焼室に直接噴射されます。エンジンを始動するには、通常、燃料と空気の混合のために強制空気と点火源 (スパーク プラグなど) が必要です。現代の製造エンジン設計では、ほとんどすべての設計で、燃料と点火火花をエンジンに供給して圧縮空気なしでエンジンを始動することで、自己始動させることができます。エンジンが始動すると、自立した燃焼サイクルを維持するために燃料を入力するだけで済みます。

燃焼サイクルは、エンジンに応じて、吸入、圧縮、燃料噴射（オプション）、点火、燃焼、排気の 5 つまたは 6 つの段階で構成されます。

燃焼室内での点火から始まり、燃料と空気の混合気の燃焼によって高圧が発生します。

このガス流の慣性反応により、エンジンは推力を生み出し、この力は機体またはローターブレードの推進に使用されます。移動する排気ガスの慣性により、燃焼室内の圧力が低下します。この圧力は入口圧力 (一方向弁の上流) よりも低いため、サイクルの吸気段階が始まります。

最も単純なパルスジェット エンジンでは、この吸気はベンチュリを通して行われ、燃料が燃料供給源から引き出されます。より複雑なエンジンでは、燃料が燃焼室に直接噴射されることがあります。吸気段階が進行すると、霧状の燃料が燃焼室に噴射され、前の火球が離れたことで生じた真空が満たされます。霧状の燃料は、テールパイプを含むチューブ全体を満たそうとします。これにより、燃焼室の後ろの霧状の燃料が、前のガス柱の高温ガスと接触して「フラッシュ」します。このフラッシュによってリード バルブが「バタン」と閉まります。バルブレス設計の場合は、真空が形成されるまで燃料の流れが停止し、サイクルが繰り返されます。

バルブレス パルスジェットにはさまざまな形状とサイズがあり、さまざまな機能に適したさまざまな設計があります。一般的なバルブレス エンジンには、1 つ以上の吸気管、燃焼室セクション、および 1 つ以上の排気管セクションがあります。

吸気管は空気を吸い込み、燃料と混合して燃焼させます。また、バルブのように排気ガスの排出を制御し、流れを制限しますが、完全に止めることはありません。燃料と空気の混合物が燃焼している間、膨張したガスのほとんどはエンジンの排気管から排出されます。吸気管はエンジンの排気サイクル中にガスも排出するため、ほとんどのバルブレス エンジンでは、吸気口が後ろ向きになっており、生成される推力が全体の推力を減らすのではなく、増加させます。

燃焼により 2 つの圧力波面が生成され、1 つは長い排気管を下り、もう 1 つは短い吸気管を下りていきます。システムを適切に「調整」する (エンジンの寸法を適切に設計する) ことで、共鳴燃焼プロセスを実現できます。

一部のバルブレスエンジンは燃料消費量が非常に多いことで知られていますが、他の設計ではバルブ付きパルスジェットよりも大幅に少ない燃料しか使用せず、高度な部品と技術を使用して適切に設計されたシステムは、小型ターボジェットエンジンの燃料効率に匹敵するか、それを超えることができます^[要出典]。

適切に設計されたバルブレス エンジンは、バルブがないため飛行性能に優れ、高速飛行時のラム空気圧によってバルブ付きエンジンのようにエンジンが停止することはありません。最高速度も高く、高度な設計ではマッハ0.7 以上で飛行できるものもあります。

音響型パルスジェットの利点はシンプルさです。摩耗する 可動部品がないため、メンテナンスが容易で、構造もシンプルです。

パルスジェットは現在、標的ドローン機、飛行制御ライン 模型飛行機（および無線操縦飛行機）、霧発生器^[13]、産業用乾燥機^{[14] 、家庭用暖房機器に使用されています。パルスジェットは燃料を熱に変換する効率的で簡単な方法であるため、実験者は}バイオマス燃料変換、ボイラーおよびヒーターシステムなどの新しい産業用途にそれを使用しています。 ^[要出典]

一部の実験者は、改良された設計に取り組んでいます。このエンジンは、騒音と振動のため、商用の有人航空機の設計に組み込むのは困難ですが、小型の無人機では優れた性能を発揮します。

パルスデトネーションエンジン(PDE) は、非連続ジェットエンジンへの新しいアプローチであり、少なくとも超高速ではターボファンジェットエンジンに比べて高い燃料効率が期待できます。現在、プラット・アンド・ホイットニーとゼネラル・エレクトリックは、PDE 研究プログラムを積極的に実施しています。ほとんどの PDE 研究プログラムでは、設計段階の早い段階でアイデアをテストするためにパルスジェットエンジンを使用しています。

ボーイングはパルスエジェクタースラストオーグメンター（PETA）と呼ばれる独自のパルスジェットエンジン技術を有しており、軍用および商用VTOL航空機の垂直離着陸にパルスジェットエンジンを使用することを提案している。 ^[15]

• 航空機エンジンの一覧
• グルハレフ圧力ジェット

• 航空工学評論、航空科学研究所（米国）：1948年、第7巻。
• ジョージ・マインドリング、ロバート・ボルトン：米国空軍戦術ミサイル：1949-1969：先駆者たち、Lulu.com、200：ISBN 0-557-00029-7。pp6-31 

ウィキメディア・コモンズには、パルスジェットに関連するメディアがあります。

• pulse-jets.com: 設計や実験を含むパルスジェットに特化した国際サイト。知識豊富な愛好家で構成された非常に活発なフォーラムが含まれています。
• 21世紀に製造されたドイツのレプリカArgus As 014パルスジェットテストのビデオ
• 航空模型におけるパルスジェット
• ポピュラー・ロトクラフト協会 2011年2月7日アーカイブウェイバックマシン
• パルスジェットバイク
• 終末論的なロボットパフォーマンスグループである Survival Research Labs は、ホバークラフト、V1、フレイム ハリケーンなどの作品の一部にパルスジェット エンジンのコレクションを搭載しています。
• PETA (パルスエジェクター推力増強装置) の記事
• ラモン・カサノバのパルスジェット
• アメリカのヘリコプター XA-5 飛行
• パルスジェットエンジンはU字型チューブを使用して自転車で高速走行することができます
• パルスジェット設計とバルブレスパルスジェット構成
• パルスジェットエンジンの相互作用挙動
• パルスジェットエンジンの理論的および実験的評価
• 米空軍がパルスジェット駆動の空中デコイの開発に資金提供