質問: プロペラ機は音速を超えられるか 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: 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。