次期戦闘機、離陸なるか国産エンジン IHIの先端技術
コラム（ビジネス） 自動車・機械
2018/8/26 6:30
ＩＨＩは航空自衛隊の次期戦闘機への採用を想定した最先端エンジン「ＸＦ９」を防衛装備庁に納入した。パワーを示す推力は15トンで、性能は「世界最強の米空軍の『Ｆ22』のエンジンに匹敵する」という。日本は戦時中に米国もつくれなかったジェット機の実用化にこぎ着けながら、戦後に開発を禁じられた。技術を引き継いだＩＨＩが、70年あまりを経て素材の力で欧米との差を埋めつつある。
■日本メーカーで惟一開発
「航空エンジンを手掛けてきた者の大きな節目」。ＩＨＩで30年以上、防衛用エンジンの開発に携わってきた池山正隆執行役員は感慨深げだ。
防衛装備庁の発注を受けてＩＨＩが約５年かけて試作・研究してきたＸＦ９エンジンは今、米軍の横田基地に隣接する瑞穂工場で厳重な管理のもと、運用を想定した試験を続けている。目標は防衛省が2030年をメドに導入する次期主力戦闘機（ＦＸ）への採用だ。
日本主導によるＦＸの開発・製造は防衛・航空技術者の悲願だが、実績のある米国製の戦闘機を導入すべきだとの声も根強い。日本の主力戦闘機は米プラット・アンド・ホイットニー（Ｐ＆Ｗ）など欧米メーカーのエンジンを採用してきた。悲願の実現には戦闘機の核となるエンジンで欧米製と同等以上の技術力を示すことが必須だ。
戦闘機用エンジンの開発ではＰ＆Ｗや米ゼネラル・エレクトリック（ＧＥ）、英ロールス・ロイスが先頭を走る。日本では1950年代に三菱重工業やＳＵＢＡＲＵが撤退。唯一、ＩＨＩが続けている。
ＸＦ９の推力はエンジンの噴気ガスに燃料を噴射する「アフターバーナー」使用時で15トン。夏村匡防衛システム事業部長によると、「同等の出力を出せたのは米国とロシアだけ」で、欧州の最新エンジンをもしのぐ。ＦＸの開発に名乗りを上げている米ロッキード・マーチンもＦＸ９エンジンの採用に言及している。ついに第２の「零戦」が実現する――。そんな期待が高まっている。
戦闘機用のエンジンは機内に兵装用の空間を確保するためにコンパクトかつ大出力が条件で、内部の高圧タービンの入り口部分でのガスの温度を理論上の最高値である1800度に高める。高温高圧でも変形・変質しない部品を造るには素材から開発しなければならない。自社で開発してきたＩＨＩは主に３つの先端技術を投入した。
■３つの素材で技術の力
１つは単結晶超合金。1800度の燃焼ガスの圧力を受け止め、回転力に替えるタービンのブレード（羽根）などに使っている。ニッケルに複数の微量添加物を加えた金属の分子を遠心力が掛かる方向で結晶にし、耐熱・耐圧強度を高める。ブレードは内部に冷却のための通風孔をくりぬいた複雑な構造。金属を結晶化しつつ１枚ずつ精密に鋳造する技術は世界でもＩＨＩだけだという。
２つ目はセラミックス複合材。高い耐熱強度を持つ炭化ケイ素繊維は宇部興産や日本カーボンが開発で先行する。ＩＨＩはこの繊維を３次元に織って骨組みにする。割れやすさを克服でき、初めてタービン付近の部品に採用した。
３つ目がポリマーマトリックス複合材だ。強度を保ちつつ軽くでき、民間機用エンジンやＨ２ロケットの開発で培った。民間用ではエンジンを覆うファンケースに使っている。音速を超える戦闘機では外気でファンの温度が格段に高くなるため、ガスの入り口付近の部品に使っている。
最先端のスーパーコンピューターも後押しした。航空宇宙技術研究所（現ＪＡＸＡ）のスパコンを連日借り、エンジン内の複雑な空気の流れを計算。ＧＥなどを上回る精度の予測を連発した。
ジェットエンジンの技術は素材や設計力で世界トップ級に並びつつある。だが何百種類もの戦闘機を開発し、膨大なデータを持つ欧米勢に対し、日本には戦闘機の実運用の経験がない。実用に近づけるには試験と改善の繰り返しが必要だ。
次期戦闘機の選定が佳境を迎えるなかで技術力を示したエンジンを納入したことで「日本の交渉カードが増えた」との見方も出る。日本の技術力を結集したエンジンの音が空に響く日は近いかもしれない。
■戦後に開発禁止、欧米との差広がる
ＩＨＩは先行する欧米勢の特許に触れるのを避けながら素材の技術を磨いてきた。「血へどを吐きながらやってきた。知恵と努力の結晶というしかない」と池山氏。すべての原点といえる日本初のジェットエンジン「ネ20」はＪＲ青梅線昭島駅前のＩＨＩの資料館に日本で唯一現存する。
[ネ２０] 中段エンジンの写真と下段カットモデル構造図は、前後方向が逆なので注意
終戦間際の1945年８月、日本初のジェット戦闘機「橘花（きっか）」に搭載し、初飛行に成功した。後にＩＨＩの航空エンジン事業部長になる海軍の永野治中佐らがドイツの断片的な情報から８カ月で組み立てた。推力は0.47トン、燃焼温度は700度とＸＦ９とは比べようもないが、ドイツ、英国に続いて実用に耐えるジェットエンジンを完成させた。
ＧＨＱ（連合国軍総司令部）が航空機関連の研究開発を日本に禁じ、資料は破棄された。この措置は52年まで７年間続き、技術の格差は埋めがたいほどに広がった。
「20年の差があるという人もいた」。池山氏は入社間もない80年代前半の状況をこう話す。ＩＨＩは米国製のＦ15戦闘機用エンジンをライセンス生産しながら、国産のＴ４練習機用のＦ３エンジンを開発していた。「タービンを見て、なぜこの向きに冷却用の穴があるのか。分からないことばかりだった」という。
米国はライセンス供与の枠を広げたが、同じ物をつくって性能を確かめる「逆解析」は厳禁。「問題の解決策は教えてもらえても、その理由は教えてくれなかった」
80年代後半の次期戦闘機（現在のＦ２）の選定で風向きが変わる。エンジンの開発力の決定的な差から日本は米国主導の共同開発を選ばざるを得なくなった。「エンジンの技術力を磨かねばならないとの意識が強まり、政府も毎年数十億円の研究予算をつけるようになった」。国産のステルス戦闘機の実験機「Ｘ２」に搭載した「ＸＦ５」や国産のＰ１哨戒機用エンジン「Ｆ７」が生まれ、ＸＦ９につながった。
［日経産業新聞2018年8月24日付］
차기 전투기, 이륙 될까 국산 엔진 IHI의 첨단기술
칼럼(비즈니스) 자동차·기계
2018/8/266:30
IHI는 항공 자위대의 차기 전투기에의 채용을 상정한 최첨단 엔진 「XF9」를 방위 장비청에 납입했다.파워를 나타내는 추진력은 15톤으로, 성능은 「세계 최강의 미 공군의 「F22」의 엔진에 필적한다」라고 한다.일본은 전시중에 미국도 만들 수 없었던 제트기의 실용화에 도달하면서, 전후에 개발을 금지되었다.기술을 계승한 IHI가, 70여년을 거쳐 소재의 힘으로 구미와의 차이를 묻으면서 있다.
■일본 메이커로 유일개발
「항공 엔진을 다루어 온 사람의 큰 고비」.IHI로 30년 이상, 방위용 엔진의 개발에 종사해 온 이케야마 마사타카 집행 임원은 감개 무량이다.
방위 장비청의 발주를 받아 IHI가 약 5년 걸려 시작·연구해 온 XF9 엔진은 지금, 미군의 요코타 기지에 인접하는 미즈호 공장에서 엄중한 관리 아래, 운용을 상정한 시험을 계속하고 있다.목표는 방위성이 2030년을 목표에 도입하는 차기 주력 전투기(FX)에의 채용이다.
일본 주도에 의한 FX의 개발·제조는 방위·항공 기술자의 비원이지만, 실적이 있는 미국제의 전투기를 도입 해야 한다 라는 소리도 뿌리 깊다.일본의 주력진`□기는 미 플랫·앤드·휘트니(P＆W) 등 구미 메이커의 엔진을 채용해 왔다.비원의 실현에는 전투기의 핵이 되는 엔진으로 구미제와 동등 이상의 기술력을 나타내는 것이 필수다.
전투기용 엔진의 개발에서는 P＆W나 미 제너럴·일렉트릭(GE), 영롤스 로이스가 선두를 달린다.일본에서는 1950년대에 미츠비시중공업이나 SUBARU가 철퇴.유일, IHI가 계속하고 있다.
XF9의 추진력은 엔진의 분기 가스에 연료를 분사하는 「애프터 버너(afterburner)」사용시로 15톤.하촌광방위 시스템 사업부장에 의하면, 「동등의 출력을 낼 수 있던 것은 미국과 러시아만」으로, 유럽의 최신 엔진도 견딘다.
전투기용의 엔진은 기내에 공격용의 공간을 확보하기 위해서 컴팩트하고 대출력이 조건으로, 내부의 고압 터빈의 입구 부분에서의 가스의 온도를 이론상의 최고치인 1800도에 높인다.고온 고압에서도 변형·변질하지 않는 부품을 만들려면 소재로부터 개발해야 한다.자사에서 개발해 온 IHI는 주로 3개의 첨단기술을 투입했다.
■3개의 소재로 기술의 힘
1개는 단결정 초합금.1800도의 연소 가스의 압력을 받아 들이고 회전력으로 바꾸는 터빈의 브레이드(날개) 등에 사용하고 있다.니켈에 복수의 미량 첨가물을 더한 금속의 분자를 원심력이 걸릴 방향으로 결정으로 해, 내열·내압 강도를 높인다.브레이드는 내부에 냉각을 위한 통풍구멍을 도려낸 복잡한 구조.금속을 결정화하면서 1매씩 정밀하게 주조하는 기술은 세계에서도 IHI만이라고 한다.
2번째는 세라믹스 복합재.높은 내열 강도를 가지는 탄화 규소 섬유는 우베 흥산이나 일본 카본이 개발로 선행한다.IHI는 이 섬유를 3 차원에 짜 뼈대로 한다.갈라지기 쉬움을 극복할 수 있고 처음으로 터빈 부근의 부품에 채용했다.
최첨단의 슈퍼 컴퓨터도 지지했다.항공 우주 기술 연구소(현JAXA)의 슈퍼컴퓨터를 연일 빌려 엔진내의 복잡한 공기의 흐름을 계산.GE등을 웃도는 정도의 예측을 연발했다.
제트 엔진의 기술은 소재나 설계력으로 세계 톱급에 줄서면서 있다.하지만 몇백 종류의 전투기를 개발해, 방대한 데이터를 가지는 구미세에 대해, 일본에는 전투기의 실운용의 경험이 없다.실용에 접근하려면 시험과 개선의 반복이 필요하다.
차기 전투기의 선정이 가경을 맞이하는 가운데 기술력을 나타낸 엔진을 납입한 것으로 「일본의 교섭 카드가 증가했다」라고의 견해도 나온다.일본의 기술력을 결집한 엔진의 소리가 하늘에 울리는 날은 가까울지도 모른다.
■전후에 개발 금지, 구미와의 차이 퍼진다
IHI는 선행하는 구미세의 특허에 접하는 것을 피하면서 소재의 기술을 닦아 왔다.「피를 토하면서 왔다.지혜와 노력의 결정이라고 할 수 밖에 없다」라고 이케야마씨.모든 원점이라고 할 수 있는 일본 최초의 제트 엔진 「네 20」은 JR오메선아키시마 역전의 IHI의 자료관에 일본에서 유일 현존 한다.
[네 20] 중단 엔진의 사진과 하단 컷 모델 구조도는,전후방향이 역이므로 주의
종전 직전의 1945년 8월, 일본 최초의 제트 전투기 「귤화(국화)」에 탑재해, 첫비행에 성공했다.후에 IHI의 항공 엔진 사업부장이 되는 해군의 나가노치중령등이 독일의 단편적인 정보로부터 8개월에 조립했다.추진력은 0.47톤, 연소 온도는 700도로 XF9와는 비교하자도 없지만, 독일, 영국에 잇고 실용에 참는 제트 엔진을 완성시켰다.
GHQ(연합국군총사령부)가 항공기 관련의 연구 개발을 일본에 금지해 자료는 파기되었다.이 조치는 52년까지 7년간 계속 되어, 기술의 격차는 묻기 어려울만큼 퍼졌다.
「20 나이차가 있다라고 하는 사람도 있었다」.이케야마씨는 입사 얼마 되지 않은 80년대 전반의 상황을 이렇게 이야기한다.IHI는 미국제의 F15 전투기용 엔진을 라이센스 생산 하면서, 국산의 T4연습기용의 F3엔진을 개발하고 있었다.「터빈을 보고, 왜 이 방향으로 냉각용의 구멍이 있다 의 것인지.모르는 것(뿐)만이었다」라고 한다.
미국은 라이센스 공여의 테두리를 펼쳤지만, 같은 물건을 만들고 성능을 확인하는 「역해석」은 엄금.「문제의 해결책은 배울 수 있어도, 그 이유는 가르쳐 주지 않았다」
80년대 후반의 차기 전투기(현재의 F2)의 선정으로 풍향이 바뀐다.엔진의 개발력의 결정적인 차이로부터 일본은 미국 주도의 공동 개발을 선택하지 않을 수 없게 되었다.「엔진의 기술력을 닦지 않으면 안 된다는 의식이 강해져, 정부도 매년 수십억엔의 연구 예산을 붙이게 되었다」.국산의 스텔스 전투기의 실험기 「X2」에 탑재한 「XF5」나 국산의 P1초계기용 엔진 「F7」가 태어나고 XF9로 연결되었다.
［일경 산업 신문 2018년 8월 24 일자］