推力

推力は、ニュートンの第3法則によって定量的に説明される反 力です。システムが質量を一方向に排出または加速すると、加速された質量によって、そのシステムに対して同じ大きさで反対方向の力が適用されます。 ^[2] 表面に垂直または法線方向に加えられる力も推力と呼ばれます。力、つまり推力は、国際単位系(SI)を使用してニュートン(記号: N) で測定され、1 キログラムの質量を毎秒1 メートルの速度で加速するために必要な量を表します。^[3]機械工学では、主な負荷に直交する力(平行はすば歯車など) は静的推力と呼ばれます。

固定翼航空機の推進システムは、空気が飛行と反対方向に押されるときに前方推力を生成します。これは、プロペラの回転ブレード、ジェットエンジンの推進ジェット、またはロケットエンジンからの高温ガスの噴出など、さまざまな手段で行うことができます。^[4]可変ピッチプロペラブレードのピッチを逆にするか、ジェットエンジンの逆推力装置を使用することで、着陸後のブレーキを補助するために逆推力を生成することができます。回転翼航空機はローターを使用し、推力偏向 V / STOL航空機はプロペラまたはエンジン推力を使用して航空機の重量を支え、前方推進を提供します。

モーターボートのプロペラは回転すると推力を発生させ、水を後方に押し出します。

ロケットは、燃焼室からロケットエンジンのノズルを通って加速された排気ガスの運動量変化の時間率と大きさは同じだが方向が反対の推力によって前方に推進されます。これは、ロケットに対する排気速度と、質量が排出される時間率の積であり、数学的には次のようになります。

${\displaystyle \mathbf {T} =\mathbf {v} {\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}}$

ここで、Tは生成される推力（力）、は時間に対する質量の変化率（排気の質量流量）、v はロケットに対して測定された排気ガスの速度です。 ${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}}$

ロケットを垂直に打ち上げるには、離陸時の初期推力が重量より大きくなければなりません。

3基のスペースシャトル メインエンジンはそれぞれ1.8メガニュートンの推力を生み出し 、2基の固体ロケットブースターはそれぞれ14.7MN  （3,300,000lbf  ）の推力を生み出し、合わせて29.4MNの推力を生み出すことができる。^[5]

対照的に、船外活動救助のための簡易補助装置（SAFER）には、それぞれ3.56 N（0.80 lbf）のスラスタが24個搭載されている。^[6]

空気吸入式のカテゴリーでは、無線操縦航空機用に開発されたAMT-USA AT-180ジェットエンジンが90 N（20 lbf）の推力を生み出す。^[7]ボーイング777-300ERに搭載されたGE90-115Bエンジンは、ギネスブックに「世界で最も強力な民間ジェットエンジン」として認定されており、推力は569 kN（127,900 lbf）であったが、次期ボーイング777Xに搭載されたGE9Xの609 kN（134,300 lbf）に抜かれた。

推力を生成するために必要な電力と推力は、非線形の関係にあります。一般に、比例定数は変化し、均一な流れに対して解くことができます。ここで、は流入する空気の速度、はアクチュエータ ディスクの速度、は最終的な出口速度です。 ${\displaystyle \mathbf {P} ^{2}\propto \mathbf {T} ^{3}}$${\displaystyle v_{\infty}}$${\displaystyle v_{d}}$${\displaystyle v_{f}}$

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}=\rho A{v}}$

${\displaystyle \mathbf {T} ={\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}\left(v_{f}-v_{\infty }\right),{\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}=\rho Av_{d}}$

${\displaystyle \mathbf {P} ={\frac {1}{2}}{\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}(v_{f}^{2}-v_{\infty }^{2}),\mathbf {P} =\mathbf {T} v_{d}}$

ディスク上の速度を解くと、次のようになります。 ${\displaystyle v_{d}}$

${\displaystyle v_{d}={\frac {1}{2}}(v_{f}-v_{\infty })}$

流入する空気が停止状態から加速される場合（例えばホバリング時）、次の式が得られます。 ${\displaystyle v_{\infty }=0}$

${\displaystyle \mathbf {T} ={\frac {1}{2}}\rho A{v_{f}}^{2},\mathbf {P} ={\frac {1}{4}}\rho A{v_{f}}^{3}}$

ここから関係性が見えてきます。 ${\displaystyle \mathbf {P} ^{2}\propto \mathbf {T} ^{3}}$

${\displaystyle \mathbf {P} ^{2}={\frac {\mathbf {T} ^{3}}{2\rho A}}}$

比例定数の逆数、つまり完璧なスラスタの「効率」は、推進される流体の断面積 ( ) と流体の密度 ( ) に比例します。これは、水中を移動する方が簡単であること、また航空機のプロペラが船舶よりもはるかに大きい理由を説明するのに役立ちます。 ${\displaystyle A}$${\displaystyle \rho }$

非常によくある質問は、ジェット エンジンの推力定格とピストン エンジンのパワー定格をどのように比較するかということです。これらの数値は等しくないため、このような比較は困難です。ピストン エンジンはそれ自体では航空機を動かすことはありません (プロペラがそれを行います)。そのため、ピストン エンジンは通常、プロペラに伝達するパワーの量によって評価されます。温度と気圧の変化を除き、この数値は基本的にスロットル設定によって決まります。

ジェットエンジンにはプロペラがないので、ジェットエンジンの推進力は次のように推力から決定されます。推進力とは、ある距離(d)を移動するのに必要な力(F)を、その距離を移動するのにかかる時間(t)で割ったものです。^[8]

${\displaystyle \mathbf {P} =\mathbf {F} {\frac {d}{t}}}$

ロケットやジェット機の場合、力はエンジンによって生成される推力（T）とまったく同じです。ロケットや航空機がほぼ一定の速度で移動している場合、距離を時間で割ると速度と同じになるため、出力は推力×速度になります。^[9]

${\displaystyle \mathbf {P} =\mathbf {T} {v}}$

この式は非常に意外に思えますが、正しいものです。ジェットエンジンの推進力（または利用可能な出力 ^[10]）は、速度とともに増加します。速度がゼロの場合、推進力はゼロです。ジェット機がフルスロットルで静的テストスタンドに取り付けられている場合、ジェットエンジンは推進力を生成しませんが、推力は依然として生成されます。ピストンエンジンとプロペラの組み合わせにもまったく同じ式による推進力があり、速度がゼロのときにもゼロになりますが、これはエンジンとプロペラのセットの場合です。エンジン自体は、航空機が動いているかどうかに関係なく、一定の割合で定格出力を生成し続けます。

さて、強力なチェーンが切れて、ジェット機とピストン機が動き出すところを想像してください。低速の場合:

ピストンエンジンは100%のパワーが一定で、プロペラの推力は速度に応じて変化します。
ジェットエンジンは100%の推力が一定で、エンジンのパワーは速度に応じて変化します。

動力飛行機が推力 T を発生し、抗力D を受けている場合、この 2 つの差 T − D は過剰推力と呼ばれます。飛行機の瞬間的な性能は、主に過剰推力に依存します。

過剰推力はベクトルであり、推力ベクトルと抗力ベクトルの間のベクトル差として決定されます。

飛行機の推力軸は、任意の瞬間における全推力の作用線である。これは、ジェットエンジンまたはプロペラの位置、数、および特性に依存する。通常は抗力軸とは異なる。その場合、推力軸と抗力軸の間の距離によって、水平安定板にかかる空気力の変化によって抵抗しなければならないモーメントが発生する。 ^[11]特に、ボーイング737 MAXは、以前の737モデルよりも大きく、低く吊り下げられたエンジンを搭載していたため、推力軸と抗力軸の間の距離が長くなり、一部の飛行モードで機首が持ち上がるため、ピッチ制御システムであるMCASが必要になった。MCASの初期バージョンは飛行中に故障して壊滅的な結果をもたらし、 2018年と2019年に300人以上の死者を出した。^{[12] [13]}

• 空気力 – 物体が空気中やガス中を移動するときに作用する力
• 後進推進 – 船の推進機構を利用して逆方向に推力を発生させる
• ガスタービンエンジンの推力
• ジンバル推力 - ロケットで使用される推力偏向システムPages displaying short descriptions of redirect targets（現代のロケットで最も一般的）
• ポンド（力）  – 1ポンドの質量に対する地球の重力の引力
  • 「推力ポンド」: 1 ポンドを 1 gで加速するために必要な推力 (力)
• ストリーム推力平均化 – 3D フローを 1D に変換するプロセス
• 推力重量比 – ジェットエンジンまたはプロペラエンジンの推力と重量の無次元比
• 推力偏向 – 弾道学と航空学の側面
• 推力反転 – 航空機エンジンの推力を一時的に転換すること
• 牽引力 – 牽引力の量を指す機械工学用語。