プロペラ機は音速を超えられるか

質問

昔、飛行機は音速を超えられないと言われていたそうですが、急降下などはなしで、プロペラの力だけで音速を超えることは不可能なのでしょうか。音速は光速のように「超えられない壁」なのでしょうか？

回答No.5

gamma · ベストアンサー

No.2の方の（横からの）疑問に対してですが、エンジンの中で燃焼し高温ガスを生成していることがミソです。気体中の音速は「（比熱比×圧力／密度）の平方根≒熱速度∝温度」です＜密度には無関係です＞。つまり、機体が常温大気に対して超音速になってもエンジンの中の局所音速は常温(300K)での音速より大きな値になるのでタービンブレードの周りが超音速にならずに済んでいるのです。高空では気温が低いので音速が小さくなります。
このことは、No.1の方が示している3番目のサイトに書いてあります。

なお、ご存知とは思いますが、
圧力は密度と温度の積です。
音速つまり圧力波の伝播速度は最初の分子が一定距離にある分子に情報を伝える速度つまり分子の平均移動速度に等しいのです。一定距離の間に多くの中継点（分子）があろうと、つまり密度が高くても音速には影響を与えません。

回答No.6

BASKETMM

No.5 の方。お答えいただき有り難うございます。
私も特に具体的数値を持っている訳ではありませんので、あまり強く主張するつもりはありません。ただ一点申し上げると私が最初に書いたのは、入口側のコンプレッサーブレードのことです。燃焼室前ですから、温度は低く、音速も低い場所です。
駐機場でエンジンの空気吸い込み口から見えるブレードです。（もっとも、超音速機を駐機場で見たことはありませんが。）

回答No.4

aquarius_hiro

dfhsdsさん、こんにちは。

プロペラが後方の空気を圧縮して、それが推進力になるわけですが、どのように圧縮するかというと、プロペラの動きによって波を作って圧縮しています。水上を動く船が波を作るように、ただし前面と後面の形状をうまく変えることにより、後方が高圧になるようにしているわけですね。

しかし、もしも超音速で飛行するプロペラ飛行機があったとしたら、その飛行機と一緒に動く座標系で見ると、飛行機の周りの空気の流れが超音速になるわけですが、プロペラ後方の空気の流れはそれよりも速くなければなりません。そうでなければプロペラの推力で推進していることにならないからです。ところが、波の伝わる速度は音速を超えることができないので、普通に考えればこれは不可能です。

ジェットエンジンの場合にそれが可能なのは、タービンファンによる力学的な圧縮のみではなくて、燃料を噴射して燃焼・爆発させているからです。燃料の燃焼により空気の温度が高くなるので圧力が高くなります。タービンのファンは燃焼に都合が良いように空気を圧縮し酸素を効率よく送り込む役割りを演じています。

圧力が高くなると音速は早くなります。圧力が高くなれば空気はいわば「硬く」なり、空気の分子の運動が近くの分子に伝わりやすいということになります。伝わりやすくなるので音速は早くなるのです。例えば空気中よりも水中のほうが音速は早くなるし、空気がすかすかの高空では、音速は遅くなります。すかすかなので分子の運動が近くの分子に伝わりにくいからです。

そのためジェットエンジンは、超音速機の推力として使えるわけです。

さて、このようなことから少なくとも普通の仕組みのプロペラ（すなわち力学的に波を発生させて後方の空気を圧縮する）だけでは、他の力を借りなければ、超音速機は無理だろうということはいえそうです。

ただし、どんなプロペラ機でもこの話が通用するかというと、このような話で原理的なことだけから可能性を否定しきるのは大変難しいことです。予想もしなかったような、新しい仕組みのプロペラが考えられないとはいえないからです。例えば超音速で回転するプロペラの表面は非常に熱くなります。その熱のことを上の話では考えていません。また普通はプロペラが衝撃波を作れば推力に対してはマイナスに作用しますが、逆にその衝撃波をうまく利用するような仕組みを考えることができれば、上の話が成立たないかもしれません。例えば衝撃波が超音速で伝わることを何かに利用できないとは言い切れません。このほかにもどんなことがあるかわかりませんので、「不可能」を言い切ることは難しいと思われます。

回答No.3

noname#56939

あえて[トンデモ回答]を一つ。
プロペラ機が音速を超えられないのは定説だと思います。最高で900km/hだったとか。しかし常識を疑うのも大事ですよね。
旅客機に使われるバイパス比の大きいターボファンエンジンでもファン先端は超音速で回る。(参考URL)　推力の大部分をファンが生み出しているはず。(排気による推力と比較したいが未確認)
プロペラ機そのものではないけれど、個々の技術要素、エンジン・プロペラ・機体設計は少しずつ進歩しているし、ブレークスルーがあるかも知れない。原理的に無理だという理由が無ければ不可能とは言い切れない。

参考URL：

http://www.jal.co.jp/jiten/index/index.html

回答No.2

BASKETMM

横から口を出します。No.1 の方のご説明はよく分かりました。ところが、気の付いたことがあります。教えて下さい。

ジェットエンジンの中にあるコンプレッサーのブレードも機体より先に音速に達しますね。（空気流入速度とブレード周速の合成速度は機体速度より速いでしょう）こちらは大丈夫でしょうか。もちろんうまい設計をしたのでしょう。それならば、プロペラ機のプロペラもうまい設計をすることも可能ですね。（お金を掛けて、開発する価値があるかどうかは別の問題ですが。）

回答No.1

char2nd

飛行機自体よりもプロペラの方が先に音速に達してしまいます。その場合、発生する衝撃波によりプロペラの推進効率が落ちてしまい、結果として飛行機自体が音速に到達できません。
　又、プロペラ自体も保たないでしょう。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%97%E3%83%AD%E3%83%9A%E3%83%A9
http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q144421144
http://b.high.hokudai.ac.jp/~konno/soutairon/r14/index.html