日英の次期戦闘機に装備するエンジンは、RRとIHIの共同開発
20222-02-28(令和4年) 松尾芳郎
図１：2021年9月ロンドン開催の「防衛装備品展示会(DSEI 2021)」に出展された英国の第６世代戦闘機「テンペスト(Tempest)」モックアップ。英国が主導する「テンペスト」開発にはスエーデン、イタリアが正式に参加を表明済み、昨年7月に日本がエンジン開発で加わることになった。
図２：（UK’s Team Tempest）2018年開発が決まった英国次世代戦闘機「テンペスト」は最新の技術を取り入れ、BAEシステムが主導して2030年代半ばの完成を目指す。エンジンは英国RRと日本IHIが共同開発することが決まっている。さらに2022-01-15には、日英政府間で「テンペスト：に搭載する先進センサー・システム「ジャガー(JAGUAR)」の開発について、両国が共同で行うことで合意した。
図３：（防衛省）2035年ごろの世界で「航空優勢」を確保するため、高度なネットワーク戦闘能力、優れたステルス性、高度なセンサー類を備えた次期戦闘機「F-X (F-3)」の開発を進めている。将来の脅威や技術の進展に対応できる十分な拡張性を備えた国産戦闘機となる予定。
図４：（防衛装備庁）「F-X (F-3)」は三菱重工が開発するが、ロッキード・マーチンからステルス技術やシステム構築で支援を受ける。エンジンはIHIと英国ロールス・ロイスが共同開発する。
英国と日本は次世代型戦闘機の搭載するエンジンを共同で開発する体制を整えた。両国がはこのエンジンを、それぞれ開発する次世代戦闘機「テンペスト/英国」および「F-X (通称F-3)/日本」に搭載する予定だ。
(UK and Japan are cooperating on development of an advanced next generation fighter engine demonstrator which could lead to a single powerplant for the combat fighters planned by both nations, namely as Tempest of UK and F-X of Japan.)
「チーム・テンペスト(Team Tempest)」
「テンペスト」開発を担当する「チーム･テンペスト」は、英国のBAEシステムズが主導、これに参加するのはパートナー国と関係のない企業、すなわち、ボンバルディア（カナダ）、GEアビエーション（米国）、コリンズ・エアロスペース（米国）、タレス（フランス）などの諸企業である。
政府間協力では、イタリアは2035年までに開発費2,600億円を投資する予定だが「テンペスト」購入は決めていない、スエーデンは国産戦闘機「グリペン」の後継機を「テンペスト」ベースに独自で開発する模様とされる。
これとは別にフランス、ドイツ、スペイン共同の未来戦闘航空システム（Future Combat Air System=FCAS）開発も基本的合意に達し、今年の夏以降にデモンストレーター･フェーズが始まる予定、したがってヨーロッパでは2つの第6世代戦闘機の開発が同時スタートする。
RRとIHI
英国のロールス・ロイス(RR=Rolls-Royce)および日本のIHIは、それぞれが開発した技術を持ち寄り、$300 million (330億円)を投じて新らしい実証エンジンを製作することで合意した。基本となる技術は、英国が提供する「将来戦闘航空システム技術構想 (FCAS TI = Future Combat Air System Technology Initiative)」、日本からは先進実証エンジン「XF9-1」である。
英国は近年になりアジア太平洋地域の安定と防衛問題に深く関わるようになり、一方日本は防衛問題で全面的な米国依存の体制を改め他の同盟諸国との連携も深めようとしている。このような状況下で本プロジェクトは英国と日本の新たな軍事的連携の強化を象徴するものとなりそうだ。
RRの「将来事業開発(business development and future program)」担当専務アレックス・ジノー(Alex Zino)氏は次のように述べている；―
- RRとIHIは一昨年から共同開発による統合効果、技術上の問題、共同開発作業の日程、などを含め、如何にして両国の国防当局が満足するエンジンを作れるかについて、協議を重ねてきた。
- 共通のエンジンが完成すれば「テンペスト」、「F-3」の両戦闘機の開発費は、数千億円にも及ぶ巨額な節減が可能になる。
- 両戦闘機のエンジンに関わる要件はまだ統一されていない。しかし両戦闘機とも、エンジンは“推力(propulsion)”だけでなく“電力の供給源”つまり「空飛ぶパワーステーション(power station in the sky)」であるべき、と云う考えで一致している。
新エンジン開発の重点項目は、大電力を発電するシステムの開発である。この電力は、操縦などの機動（mission system）、レーダーやIRなどのセンサー類 (sensors for function)、さらには将来のエネルギー照射兵器(direct-energy weapon)などの動力源に充てられる。
戦闘機が必要とする電力は、F-15（双発）、F-16、F/A-18E/F（双発）など旧
世代機で50~70 KW、F-22（双発）、F-35など新世代機で150 KW前後。第６世代機のテンペストやF-3（いずれも双発）では500 KWを想定している。つまり１台当たり250 KWの発電能力が求められそうだ。
両戦闘機はともにステルス機を目指しており、低視認性を追求しているのでエンジンは機体の奥深く収納される。このためエンジンはできるだけ小型でしかも従来のエンジンに比べ大きな出力が要求される。すなわち一層高温で運転され、耐熱性の優れた材料を使い、熱管理システムの高性能化が必要になる。さらに機体の機動性能向上のため推力偏向システム(thrust vectoring system) も搭載しなくてはならない。
RRは日本の耐熱素材の技術水準に注目しており、特に「CMC/セラミック・マトリックス・複合材(ceramic matrix composites) の実用化に関心がある。
IHIの「XF9-1」は、2018年から地上運転を開始しているが、これは離昇、巡航、戦闘など飛行条件の異なる領域に適合する “アダプテイブ・サイクル(adaptive cycle) ”を採用したエンジンで、容積が小さく大出力を出せる。
「XF9-1」の性能/推力は、米国の第５世代戦闘機ロッキード・マーチン製「F-22」のエンジンP&W製「F119」に匹敵するが、容積はGE製「F110」とほぼ同じである。
図５：戦闘機用エンジンの比較表
エンジンの容積が小さければ、燃料を余分に積むこともできるし、戦闘用の兵装を搭載する余裕も生まれる。「XF9-1」の特性を実証エンジン開発でさらに伸ばしたい」とジノー氏は話している。
“アダプテイブ・サイクル(adaptive cycle) ”技術の組込みは、RRでは研究を続けている段階である。
近年のデジタル技術の進歩で、実証エンジンの設計・製作に要する期間は大幅に短縮され、大型部品でも入手までの期間が従来の数ヶ月あるいは年単位から週単位になっている。
RRでは、民間用の新しい大型エンジンを５年で実用化した実績があり、軍用エンジンでも短期間に開発・実用化する自信がある、と言っている。
RRテンペスト用エンジン
RRテンペスト用エンジンは構想は示されているが実証エンジンは未だ出来上がっていない。
開発担当の将来計画技術部長コンラッド・バンクス(Conrad Banks)氏は新型エンジンについて、昨年開催の防衛装備品展示会(DSEI 2021) で次のように明らかにした。「毎秒100 kg以上の空気を吸い込み、2,000℃の高温に耐える燃焼器、捻りの大きいファン・ブレード、高効率の熱交換能力を備える。現用戦闘機「タイフーン」用エンジン「EJ200」に比べ10倍以上の電力を各種センサー類、システムに供給する。」
RRは、「テンペスト計画」が具体化する前の2014年からエンジンのコアに直接電動スターター・ジェネレーターを取付け電力を取出す研究を行なっている。これは「組込式スターター・ジェネレーター(E2SG=Embedded Electrical Starter Generator)実証プログラム」と呼んでいる。
バンクス氏は、「E2SGを組み込むことで容易に大電力を出せ、従来の複雑なギアボックスは不要になり、エンジン前面面積を小さくできる、戦闘機用エンジンには不可欠の技術だ、将来E2SG技術は航空用だけでなく地上設置型や艦船用ガスタービンにも適用が広がるだろう」と語っている。
RRでは、ターボメカ(Turbomeca)との共同出資会社「RR Turbomeca」が製造する２軸式ターボファン「アドア(Adour)」推力6,000 lbsを使い、コアにE2SGシステムを取付け実証試験を行っている。
図６：（RR）RRが発表した「テンペスト」用エンジンの構想。特徴は、コア・ローターに直接「組込式スターター・ジェネレーター」を装備する点。従来のエンジンでは、高圧ローター駆動のギアボックスを通してスターターやジェネレーターを回していたが、これを無くして前面面積を小さくする。
IHI開発の「XF9-1」エンジン
「XF9-1」は、将来の戦闘機用として推力15 ton 級（約30,000 lbs）として製造された実証エンジンである。最新の設計技法「CFD＝Computational Fluid Dynamics / コンピューター流体力学」でデザインし、世界一の材料技術・加工技術で製造している。
IHIは、防衛装備庁・航空装備研究所から戦闘機用エンジン開発に関わる研究試作を10年以上前から連続して受注してきた。すなわち；―
- 2010年度；「次世代エンジン主要構成要素の研究試作」
- 2013年度：「戦闘機用エンジン要素の研究試作」/コア・エンジンの設計・製造。
- 2017年6月：「コア・エンジン」が完成、航空装備研究所に納入、タービン入口温度1,800℃達成を確認。
- 2015年度：「戦闘機用エンジン・システムの研究試作」、「コア・エンジン」をベースにファン、低圧タービン、アフタバーナ、排気ノズルを装着する「XF9-1」の設計製造を開始。
- 2018年6月：「XF9-1」が完成、所定の性能を満足することを確認し、航空装備研究所に納入。
図７：（IHI）「XF9-1」の構成。コア部分（HP=high pressure）はコンプレッサー６段とタービン１段、この前後にファン３段とタービン１段(LP=low pressure部)が付く。後部にアフタバーナーと推力偏向ノズルが装着され、機体の機動性向上を図っている。コア駆動ギアボックスには大電力を発生するスターター・ジェネレーターが付く。
図８：（防衛装備庁YouTube）「XF9-1」の断面図。地上試運転での最大推力は、アフタバーナ作動時で15 ton (33,000 lbs)、非作動時（ドライ時）で11 ton (24,000 lbs)。
図９：（防衛装備庁YouTube）ファン入口直径は1 m。
図１０：（防衛装備庁YouTube）ファン入口から推力偏向ノズルまでの長さは4.8 m。
ファン、コンプレッサー：低圧系ファン３段、高圧系コンプレエッサー６段、の構成。また動翼とデイスクを一体（ブリスク/blisk）構造にし動翼取付部からの空気漏れを防ぎ効率化を図っている。これで「X F5」エンジンと比べエンジン入口単位面積当たりの流量は12 % 改善した。
これまで「ブリスク構造」で製造する際、金属(チタン合金)の塊を削って作っている。この方法は時間がかかり、無駄も多い。また一箇所でも折れれば最初からやり直しとなる。そこで製造方法を「3Dプリンター」とか「線形摩擦接合（つなぎ目を摩擦熱で接合する）」方法に改めるべく研究している。
図１１：（防衛装備庁YouTube）ファン（３段）およびコンプレッサー（６段）のブレード（動翼）には翼前縁チップを前方に張り出す「前方スイープ翼」を採用、空気流量を増やしている。
図１２：(IHI技報Vol. 60 No.2)) 高圧コンプレッサー（６段）のブレードの写真。「前方スイープ翼」の様子がわかる。
図１３：（防衛装備庁YouTube）燃焼室は環状一体型で頂部に「広角スワーラ燃料噴射ノズル」があり、ここから燃料を強い旋回流で噴射する。これに１次空気が直角に入り「広角スワーラ燃焼」が行われる。この結果、燃焼が安定し、出口温度が平準化される。
１段タービン・ブレードやベーン：入口温度1,800℃に対応するためには冷却空気量を増やすことになる。これを抑えるため、ブレード・ベーンの冷却方式をCFD解析を使い改善している。ブレードの素材に第５世代のNi基単結晶合金（レニウム(Re)およびルテニウム(Ru)の添加量を増加）を使用、耐熱性を高めている。このブレード素材には、国立法人/物質・材料研究機構(NIMS)の研究をIHIが引き継ぎ完成させたものを使っている。
タービン・デイスク：従来の粉末冶金焼成法に代わり、国産のニッケル・コバルト(Ni-Co)基の溶性鍛造デイスク材を使っている（溶性とは複数の金属を溶かし合わせるという意味）。この鍛造は日本エアロフォージ社の５万トン鍛造プレスで行なっている。
日本エアロフォージは、日立金属、神戸製鋼、IHI、川崎重工の４社合弁の会社。2013年から航空機用エンジンデイスク、ランデイングギアなど大型鍛造品の製造をしている。
このようにタービンの回転部分は、基本的にはニッケル(Ni)ベースの素材で作るが、エンジン稼働中はニッケルの融点1,450℃より高温になるので、既述の様に冷却や素材の改良で対処している。
図１４：（防衛装備庁/BLOGOS開発者インタビュー） 「XF9-1」の高圧タービン・デイスク試作品。デスク周囲には１段タービン・ブレードが多数取り付けられている。ブレード先端はプラスチック薄板で覆われているが、実際にはここが「タービン・シュラウド」になる。
タービン・シュラウド：回転するタービン・ブレードの外周、すなわちケース内側の全周にはブレード先端のガス漏れを防ぐためタービン・シュラウドが貼ってある。シュラウド(shroud) には耐熱性に優れ軽量の「CMC」系の素材を使っている。「CMC」とはCeramic Matrix Composite/セラミック・マトリックス複合材」の略。航空エンジン用には特に耐熱性の高い「SiC繊維」を織り込んだ「SiC繊維強化SiCマトリックス複合材料 (SiC/SiC)」を使う。「SiC繊維」は1975年に東北大で開発され、宇部興産の「チラノ繊維」や日本カーボンの「ニカロン」として製品化されている。
推力偏向ノズル：アフタバーナの後ろ排気口には、機体の機動性を高めるために操縦系統と連動する「推力偏向ノズル (thrust vectoring nozzle)」が付く。
図１５：(IHI技報Vol. 60 No.2) 推力偏向ノズルの概要。排気ノズルは、コンバージェント・ダイバージェント( CD=Convergent Divergent) 型の可変ノズルである。機体の機動性向上のため研究が進められている。
スターター・ジェネレーター：大容量スターター・ジェネレーター搭載可能なギアボックスを開発。従来の航空機はエンジン始動用にスターター、発電用にジェネレーターを別々に積んでいた。しかし両者は原理的に表裏一体で、電流を流せば力が出るし、力を加えれば電量が流れる。このためスターター・ジェネレーターを一体の装置にした。発電能力は現在180 KWを達成している。
図１６：（防衛装備庁YouTube）「XF9-1」の地上試運転。アフタバーナーを作動、最大推力運転をしているところ。音速を超える速度でジェットが噴出しているので「ショック・ダイヤモンド」が見える。
アダプテイブ・サイクル・エンジン(adaptive cycle engine)
離陸・上昇・巡航・戦闘などの飛行条件に応じてバイパス空気流を３段階に変え、バイパス比とファンの圧力比を調整するエンジンである。これでエンジンの推進効率と燃費を向上でき、さらに３層目の空気流でエンジンの熱管理/冷却能力が改善される。
ファン排気流は、巡航時にはコア・ケース外側のダクトを流れる、高速時では入口ベーンを切り替えコア内に空気を導き推力を増加する。外周の複数のダクトはファン出口からの３層目の空気流を流し、推力を得ると共にエンジンを含む各所の冷却(thermal management)に使われる。
米国ではF-35A戦闘機に搭載しているP&W F135エンジンと同サイズで、この方式を使った実証エンジン、GE製XA100およびP&W製XA101、が完成している。テスト結果では何れもP&W F135対比で推力で10 %、燃費で25 %、熱管理能力で50 %向上した、と言われる。
RRが開発中のテンペスト用エンジンとIHIが完成した「XF9-1」実証エンジンは、共に「アダプテイブ・サイクル」を採用している。
図１７：（防衛装備庁/ IHI）防衛装備庁に納入された「XF9-1」実証エンジン。エンジン周りには1000箇所以上ある計測用センサーのワイヤが張り巡らされている。
RR・IHIエンジンのまとめ：
RRとIHIは実証エンジンを2026年頃に完成させ、本格的な実用エンジン開発を決める予定である。RRでは、新エンジンは”テンペスト”、”F-3“、のみならず ”テンペスト無人機型“、さらには計画中の無人戦闘機「モスキート(Mosquito)」などにも搭載可能としている。
ここで多少の補足説明をする。
「EJ200」エンジン
ヨーロッパには、英・独・伊・スペインの４ヶ国が共同開発した戦闘機「ユーロファイター・タイフーン(Eurofighter Typhoon)」があり、現在570機ほどが各國に配備されている。エンジンは、RRを主体とする合弁企業ユーロジェット（EUROJET Turbo GmbH）製の「EJ200」、ドライ推力6.2 ton /13,500 lbs、アフトバーナ推力9 ton / 20,000 lbs、を２基装備している。
「タイフーン」は、開発決定(1979)から量産開始(2002)まで20年以上もかかり、開発・生産に巨額の費用を要した。ジノー氏は「“テンペスト”計画ではこの轍は踏まない、はるかに短期間で完成させる」と強調している。
「テンペスト」では、機体設計、搭載センサー類の開発を促進し、2035年頃には「初期運用能力(IOC=initial operational capability)」の取得を目指す、と言っている。
無人戦闘機「モスキート」計画
「モスキート」は、英空軍の新型機開発部門「Rapid Capabilities Office」が、「軽量・低価格・無人戦闘機(LANCA=Lightweight Affordable Novel Combat Aircraft)」として2015年に立案した無人機。2021年に空軍が実証機開発を決定し、2023年には初飛行する予定。開発・製造は英国北アイルランド、ベルファスト(Belfast, Northern Ireland)にある「スピリット・エアロシステムズ(Spirit Aero Systems)」が担当する。
図１８：(Spirit Aero Systems) 無人戦闘機「モスキート」(単発)のエンジンに、RRは「テンペスト」用エンジンを提案したい、としている。
終わりに
英国が提供する「将来戦闘航空システム技術構想 (FCAS TI = Future Combat Air System Technology Initiative)」、日本が提供する先進実証エンジン「XF9-1」について述べてきた。RRの「FCAS TI」は未完成だが技術的な力・背景・実績では世界が認めるところ、一方IHIの「XF９-1」は実証エンジンを完成済み、といった強みを持つ。両者が協力すれば、米国が開発中の次世代戦闘機用エンジン、GE・XA100あるいはPW・XA101、に匹敵するエンジンが出現しそうだ。
―以上―
本稿作成の参考にした主な記事は次の通り。
- Aviation Week February 7-20, 2022 “Engine Demonstrator to Strengthen UK-Japan Fighter ties” by Tony Osborne
- 防衛省12月23日2021発表 “次期戦闘機の開発”
- 防衛省防衛装備庁公式チャンネル2019-5-28 YouTube “戦闘機用エンジンXF9-1の研究“
- Gov.UK Press release From: Ministry of Defense 22 December 2021 “UK and Japan to develop future fighter jet engine demonstrator”
- 乗りものニュース2022-01-16 “次期戦闘機は超エコな「空飛ぶ発電所」！？日英共同のエンジン開発が正式決定 その全貌 by 竹内 修（軍事ジャーナリスト）
- 航空万能論2021.11.10 “ロールス・ロイス、テンペスト向けエンジンが実現する発電能力はタイフーンの10倍以上”
- 航空万能論2021.12.19 “日本政府、次期戦闘機のエンジンと機体の一部を英国と共同開発する方向で最終調整”
- 航空万能論2022.02.15 “栄光傍証、日本と正解最高水準の戦闘機用センサーを共同研究すると発表“
- Gov.UK press release 15, February 2022 “UK and Japan to work together on world-leading fighter jet sensor”
- Rolls-Royce News 09, January 2020 “Rolls-Royce develops world-first electrical technology for next generation Tempest Progamme”
- BLOGOS 2019-04-11 “ついに完成した世界最高水準の国産戦闘機用エンジン「XF9-1」、日本のミリタリーテクノロジー開発者インタビュー（前編）”
- BLOGOS 2019-04-12 ”5.4.3.2.1 加速！最大推力試験当日に奇跡は起きた、国産戦闘機用エンジン「XF9-1」開発者インタビュー（後編）
- IHI技報Vol.60 No.2(2020) ”XF9-1エンジンの概要“ by 松本裕太、鈴木一裕、木村建彦、中村則之
- IHIプレスリリース 2011-03-01 “最新鋭大型鍛造プレスによる航空機等鍛造品製造会社の共同設立“
- TokyoExpress 2018-07-31 (平成30年)“英国、将来戦闘機「テンペスト」の開発を決定、ファンボロー航空ショー初日に首相、国防省が発表”