零戦はなぜ高高度で速度が落ちたのか？排気タービン過給機の仕組みと航空エンジンの関係を解説

第二次世界大戦期の航空機について調べていると、「零戦は高高度では性能が低下した」「排気タービンがあればもっと高速化できた」という話を目にすることがあります。地上より空気抵抗が少ない高高度では、単純に考えると飛行速度が伸びそうですが、実際にはエンジン性能が大きく影響します。

この記事では、高高度で航空機の速度が落ちる理由、酸素が少ない環境でエンジンに何が起こるのか、そして排気タービン過給機がどのような役割を果たすのかをわかりやすく解説します。

高高度では空気抵抗が減るがエンジンの力も低下する

高度1万メートル付近では空気が薄くなります。空気が薄いということは、飛行機の翼や機体に当たる空気抵抗が小さくなるため、理論上は速度を出しやすくなります。

しかし、プロペラ機の場合、速度を決める重要な要素はエンジンがどれだけ強い力を発揮できるかです。空気抵抗が減っても、エンジン出力が大きく低下すれば、結果として速度は伸びません。

特に第二次世界大戦期の多くの航空機では、エンジンに送り込める空気量が高度によって変化し、高空では十分な燃焼ができなくなる問題がありました。

航空エンジンは、燃料を燃やすことで発生する膨張エネルギーを利用して動力を得ています。しかし、燃焼には燃料だけでなく酸素も必要です。

地上では空気中に十分な酸素がありますが、高度が上がるほど空気密度が低下します。同じ体積の空気を吸い込んでも、含まれる酸素の量が少なくなるため、燃やせる燃料の量も減ります。

例えば、自動車のエンジンで空気の取り込み量が制限されると力が出なくなるのと同じで、航空エンジンも高高度では本来の出力を発揮できなくなります。

排気タービン過給機（ターボチャージャー）は、簡単にいうと「薄い空気を圧縮してエンジンへ送り込む装置」です。

エンジンから出る排気ガスにはまだ大きなエネルギーが残っています。その排気ガスでタービンを回し、その回転力を利用して空気を圧縮します。

圧縮された空気は密度が高くなるため、高高度でもエンジン内部に多くの酸素を送り込むことができます。その結果、燃料を多く燃やせるようになり、エンジン出力を維持できます。

零戦に搭載された栄エンジンは、低中高度では優れた性能を発揮しました。軽量な機体設計と組み合わせることで、優れた航続距離や運動性能を実現していました。

一方で、高高度用の排気タービン過給機を搭載していなかったため、高空ではエンジンへ送り込める空気量が不足し、出力が低下しました。

そのため、高高度では敵機との速度差が大きくなる場合がありました。特にアメリカ軍のP-38やP-47、B-29などは高高度性能を重視し、強力な過給システムを搭載していました。

飛行速度は、空気抵抗だけではなく、エンジン出力とプロペラ効率のバランスによって決まります。

高度が上がると空気抵抗は減りますが、プロペラが空気を押して推進力を作る効率も変化します。また、エンジン出力が低下するとプロペラを十分な速度で回せなくなります。

つまり、高高度では「抵抗が少ないメリット」と「エンジンが力を失うデメリット」が同時に発生し、後者の影響が大きい航空機では速度が低下することになります。

航空機用エンジンでは、排気タービン以外にも機械式過給機が使われました。機械式過給機はエンジンの回転力で空気を圧縮する方式で、構造が比較的単純でした。

しかし、排気タービン方式は排気ガスのエネルギーを利用するため、高高度で特に有利でした。ただし、当時の日本では耐熱材料や製造技術の問題から、高性能な排気タービンを大量に実用化することが難しい面もありました。

このように、高高度性能の差は単なるエンジン出力だけではなく、過給技術や材料技術の差によっても生まれていました。

零戦が高高度で速度を出しにくかった主な理由は、空気抵抗ではなく、薄い空気によってエンジンへ送り込める酸素量が減り、出力が低下したためです。

排気タービン過給機は、薄い空気を圧縮してエンジンへ送り込み、高高度でも十分な燃焼を可能にする装置でした。

つまり、高高度では「空気抵抗が少ないから速く飛べる」という単純な話ではなく、「エンジンがどれだけ空気を取り込めるか」が航空機の性能を大きく左右していたのです。