図1XF9-1エンジン(出所:IHIウエブサイト) 世界の一流戦闘機と同等の能力を持つ。日本がここまでのエンジンを完成させたことは感慨深い。

 6月29日にIHIより防衛装備庁に「XF9-1」という戦闘機用エンジンが納入された。

 XF9-1は試作エンジンであるとはいえ、推力は15トンを超える。米国の「F-15」やロシアの「Su-35」といった世界の一線で活躍する戦闘機のエンジンと同等以上の出力を持つ。

 これまで、日本は一流の戦闘機用エンジンを自力で開発できなかった。

 FSX問題で日本が強く出ることができなかった要因の一つが、自力ではどうしてもエンジンを開発できる目処が立たず、米国に頼らざるを得なかったことであった。

 戦後70年以上できなかったことが、ようやくできた。日本の航空産業史上、画期的なことである。

 XF9-1の性能を見て、感慨深い思いに浸っている航空関係者は多いのではと思う。日本のジェットエンジンもよくここまできたと――。

図2 戦闘機用ジェットエンジンの出力比較(アフターバーナー使用時)

 実は、日本のジェットエンジン業界は、日本独自のものも含め、優れた技術を多く持ち、世界のジェットエンジンの性能向上に貢献してきた。

 エアフォースウンなどのごく一部の例外を除けば、日本の技術の入ったジェットエンジンを積まない旅客機は現在、空を飛ばないまでになった。

 その現状を振り返りつつ、XF9-1の意義を考えてみたい。

世界のジェットエンジンを乗っ取りつつある日本

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 世界のジェットエンジンは、米GE(ゼネラル・エレクトリック)、プラットアンドホイットニー(PW)、英ロールスロイス(RR)の3社が君臨する世界である。

 残念ながら、日本はこれらの航空エンジン大手と異なり、日本企業ブランドのジェットエンジンを作れていない。

 しかし、航空エンジン大手のジェットエンジンは、日本製部品、日本の技術が使用されている。そうした例は枚挙に暇がない。世界のエンジンの内部を日本勢が乗っ取りつつあるように見えなくもない。

 日本の重工各社が、GE、プラットアンドホイットニー、ロールスロイスのエンジンの開発・生産に関与している。成田空港や羽田空港にいるような飛行機のエンジンは、10~20%が日本製である。

 例えば、日本航空が使用するボーイング「787」の「GEnx」では、高圧コンプレッサーや低圧タービンなど、日本勢が15%以上を製造する。

 また、エアバス「A320」やボーイング「737」の新型に搭載される「PW1100G」では、低圧コンプレッサー、燃焼器、ファンケースなど23%を製造する。

図3 川崎重工製A350用トレントXWBエンジンの中圧コンプレッサー(出所:川崎重工ウエブサイト) 日本の重工各社は世界のジェットエンジンの分担生産に参加している。

 これら部品の多くは、開発コストや生産能力の分散の側面が強く、日本でなければ作れないというものばかりではない。

 しかし、ジェットエンジンのタービン、コンプレッサー、ファンをつなぐシャフトのように日本のIHIが優位性を持つものもある。

 特に難易度の高い長さ3メートルを超えるシャフトの世界シェアは70%である。

 そのシャフトを支えるベアリングも日本製が増えつつある。NTNは近年、PW1100Gと「Trent-XWB」のシャフト用ベアリングを受注している。

 PW1100Gはプラットアンドホイットニー社で最も多く生産されるエンジンであり、トレントXWBもロールスロイスの主力大型エンジンである。

 シャフトの素材も日本が強みを持つ。

 大同特殊鋼では、787に使用されるエンジンのシャフトの素材をGE向けにも、ロールスロイス向けにも製造している。ライバル同士の仕事が集まることの意味は明らかである。

 素材と言えば、ボーイング787の開発以降、航空機の機体軽量化で日本の炭素繊維が活躍していることは知られている。

 航空機に用いられるレベルの炭素繊維では日本の3社(東レ、東邦テナックス、三菱レイヨン)のシェアは7割である。炭素繊維は、ジェットエンジンの性能向上にも貢献している。

 旅客機用ジェットエンジンのファンは、チタンで作られてきた。チタンはアルミ合金よりも強度があるため、特に強度が必要な部分に用いられてきた。チタンの比重は4.5で鉄の比重7に比べれば軽いが、アルミ合金の比重2.7よりは重い。

 炭素繊維複合材の比重は2を下回り、チタンを炭素繊維複合材に置き換えれば、大幅な軽量化を達成できる。

 チタン製のファンの周りにはチタン製ファンが外れても、飛散したファンが客室に飛んでいかないようファンケースという頑丈な覆いで囲う。ファンがチタンの場合、ファンケースもチタンである。

 大型エンジンでは直径3メートルを超え、ファンケースはファンよりも重い。このファンとファンケースを炭素繊維複合材で置き換えることで、何百キログラム単位の軽量化が可能である。

 軽量化だけでなく、炭素繊維複合材を使用することによる形状の自由度が大きくなったことで、ファンの効率も良くなっている。

図4 日本航空の787のエンジン。黒い炭素繊維複合材製のファンが見える。

 かつて、ジェットエンジンのファンを前から覗き込むと、金属のファンが見えた。近年では、炭素繊維を用いた黒いファンが増えてきている。

 これは、ジェットエンジン性能向上への日本の貢献が目に見える部分である。

 ジェットエンジン部品を作るのに、森精機、ヤマザキマザック、オークマ、牧野フライスなどの工作機械が欠かせない。

 日本のジェットエンジン部品を作るメーカーがこうした日本の工作機械を使用しているに留まらず、GE、プラットアンドホイットニー、ロールスロイスも日本製工作機械を使う。これらの工場の写真を見ると、日本メーカーの工作機械が写っていることがある。

ジェットエンジンの中心部まで進出

 様々な場面で、世界のジェットエンジン生産に参加してきた日本勢だが、ジェットエンジンの中心の中心である高圧タービンはなかなか敷居が高かった。

 部品供給の事例はあるものの、ジェットエンジンのコア部分を分担生産することはなかった。

 それもそのはずで、この部分は航空エンジン大手が技術開発でしのぎを削る部分である。ジェットエンジンは原理上、燃焼室からタービンに入る高温高圧のガスの温度が高ければ高いほど性能が高い。

 民間エンジンにおいても、タービン入り口温度を上げると燃費が向上するので、ジェットエンジン・ガスタービン開発の中心テーマの一つになっている。

 タービンそのものの耐熱温度を上げるだけでは足りず、耐熱コーティングや冷却などの合わせ技でタービンの耐熱温度を上げていく。

 このタービン入り口温度を上げる技術の中で、日本の高温材料技術は世界トップクラスである。

 現在、タービン翼そのものは、ニッケルに様々なレアメタルを加えた超合金と呼ばれる合金でできている。この合金の技術で日本は優れる。

 全日空の787に搭載されているトレント1000の、最も厳しい環境にさらされるタービン翼は、日本の物質・材料研究機構(NIMS)の開発した合金によって製造されている。

 もう一つの日本の耐熱性素材は、炭化ケイ素繊維である。炭化ケイ素繊維を炭化ケイ素のマトリックスで固めた繊維強化セラミックス(SiC/SiC複合材)が、ジェットエンジン部品に用いられる。

 ニッケル基超合金は、ニッケルが重いうえに加えられるレアメタルもさらに重いものが多いため、比重が8~9と重い。耐熱温度も摂氏1150度以下である。一方、SiC/SiC複合材は比重3程度と軽く、素材そのものの耐熱温度も1300度と高い。

 超合金をSiC/SiC複合材に置き換えれば、軽量化だけではない燃費削減効果がある。

 超合金やSiC/SiC複合材で作られる部品の使用環境は1600度以上。ニッケル基超合金の部品は、1150度以下に冷却する必要がある。一方、SiC/SiC複合材では冷却は1300度程度までの冷却で済む。

 この冷却にはエンジンの圧縮空気が用いられるため、余計に空気を圧縮する分だけ燃料を消費する。冷却を一部でも省略できればその分の燃費が向上する。

 エンジンの高温部の素材をSiC/SiCに変えると、それだけで数パーセントの燃費削減効果があるという。

 そのため、炭化ケイ素繊維は次世代のジェットエンジン高温部の素材として大いに期待されている。現在、炭化ケイ素繊維は日本でのみ製造されている。日本カーボンや宇部興産がニカロン、チラノ繊維という名前で供給している。

 SiC/SiC複合材のコストは高い。価格は同じ重さの金と同程度とも言われる。

 それでもメリットは捨てがたく、すでにGEの合弁企業CFMインターナショナルが新型737、A320用に開発した「LEAPエンジン」の高温部に使用されている。

図5 LEAPエンジンのSiC/SiC製部品(出所:GEウェブサイト(CFMインターナショナル提供))。タービンシュラウドと呼ばれる部品。日本製の炭化ケイ素繊維が用いられている。

 GE、サフラン、日本カーボンが航空機用炭化ケイ素繊維を製造するため、NGSアドバンスドファイバーという合弁企業を設立した。すでに量産部品のための炭化ケイ素繊維を製造している。

 炭化ケイ素繊維は、課題があるものの、次世代のエンジン性能向上のキーになる素材として、期待が大きい。

 GEが、日本カーボンと合弁企業を作って囲い込みをしているのは、その期待の現われだろう。

XF9-1は日本のジェットエンジン技術の到達点

 このように見てくると、世界のジェットエンジンは日本の産業技術によって支えられているようにも見える。もちろんXF9-1にはそのような日本の技術が使われる。

 XF9-1では、ジェットエンジンの性能の指標となるタービン入り口温度は1800度である。これは、世界トップレベルだ。

 IHIがエンジンコア部分を納入した際のプレスリリースを見ると、このタービン入り口温度を向上させているであろう「日本独自開発の金属材料」、「セラミック基複合材料」という単語が目に入る。

 「日本独自開発の金属材料」はボーイング787の燃費性能を支える耐熱超合金であり、「セラミック基複合材料」は日本のみが素材を作れるSiC/SiC複合材である。

 XF9-1は、日本が育ててきた世界のジェットエンジンを支えている要素技術を結晶と言える。しかし、XF9-1の意義はそこだけに留まらない。

 日本は、優れた要素技術を持ちつつも、エンジン全体を開発した経験に乏しかった。これまで製造した戦闘機向けエンジンは推力5トンの「XF5」に留まる。

 確かにこのエンジンは、戦闘機エンジンに見えるが、推力5トンでは一流の戦闘機を飛ばすには足りない。

 それが、XF9-1では、推力15トンを超える一流の戦闘機を飛ばせるエンジン全体を開発したのだ。優れた要素技術を持つだけでなく、一流のエンジンを丸ごと作った実績も生まれた。非常に期待を持たせる出来事ではないか。

 一方で、世界水準の戦闘機エンジンを誕生させたXF9-1回初は快挙であったものの、実用エンジンというよりも試作エンジンであるに留まる。

 XF9-1が追いついたように見えるF-22用のF119エンジンは30年前に開発されたエンジンである。

 XF9-1が実際の飛行機を飛ばすまでには道のりが長いだろうし、その機会があるかすら確定的でない。また、仮にXF9-1のコア部分を利用した旅客機用エンジンを作るとしても、XF9-1で戦闘機を飛ばすよりもハードルが高い。

 ファンや低圧タービンの開発が必要であるし、民間機としての認定取得には三菱航空機の「MRJ」同様に苦労するだろう。さらに、その先、売れる値段で作れるか、実績に乏しい日本のエンジンが売れるかという難題が立ちはだかる。

 XF9-1によって、日本がジェットエンジンを世界に売っていけるようになったかというと、そうではない。さすがに、これで日本が世界のジェットエンジン一流国になったと言うのは今のところ言い過ぎである。

 しかし、日本のジェットエンジン産業が着実に実力をつけつつあることは事実。XF9-1は日本のジェットエンジン技術発展の一つの大きな到達点であろう。今後の発展が非常に楽しみである。