こんにちは。ころすけです。
APU（補助動力装置）という言葉を聞いたことはあるでしょうか？
駐機場にいる飛行機を見ていると「ヒューン」という音が常に聞こえますが、これはAPUが作動している音のなのです。
そもそもAPUとは何なのでしょうか？
今回はAPUの役割や仕組みについて詳しく解説したいと思います。
APU(Auxiliary Power Unit)は地上で働く動力源
APUは正式な名称をAuxiliary Power Unitと言い、日本語では補助動力装置と訳される飛行機システムの1つです。
APUが活躍するのは主に地上で、より正確に言えば飛行機のエンジンが停止している時です。
飛行機が空を飛ぶためにはエンジン（ジェットエンジン）の推進力が必要なのは当然ですが、それ以外にも飛行機内のシステムを作動させるために電力や圧縮空気といった動力源が必要になります。
これらの動力源ですが、実はその大元はエンジンから得ているのです。
飛行機のエンジンは空気を噴射する力を全て推進力として使うわけではなく、一部の力を抽出してシステムに必要な電力や圧縮空気を作り出しているのです。
ちなみに、飛行機システムに必要な動力源は電力、圧縮空気、油圧の3つですが、エンジンが作動中はこれらが全てエンジンからの力で作られます。
と言うことは飛行機が駐機場でエンジンを停止させている間は、システムに必要な動力源が得られないことになります。
飛行機は駐機中であっても機内準備で電力や圧縮空気が必要になりますから、これでは困ります。
設備のある大きな空港では、空港施設内に外部電源や圧縮空気の供給源が準備されていますが、そうでない空港もたくさんあります。
そこで活躍するのがAPUなのです。
APUは飛行機の胴体最後部に取り付けられた小型のジェットエンジンなのですが、発生したエネルギーを推力のためではなく、システムに必要な動力源を生み出すためだけに使用するジェットエンジンなのです。
APUの仕組みと作動原理
それでは続いて、APUの仕組みと作動原理について解説したいと思います。
下のイラストはAPUの仕組みを模式的に表した図です。
番号に沿って作動原理を説明すると以下の流れになります。
① 吸気口（Inlet Duct）から周りの空気を吸い込む。
② 吸い込まれた空気は回転する圧縮機（遠心圧縮機）に導かれ、圧縮される。
③ 圧縮された空気は燃焼室に入り、燃料と共に燃焼される。
④ 燃焼された空気は膨張しながら排気口へ排出されるが、この時の力でタービンを回し、燃焼エネルギーが軸の回転力として取り出される。
軸は②の圧縮機と繋がっていますから、タービンによって得られた軸の回転力は、次に吸気口から入ってくる空気をまたさらに圧縮して燃焼室に送り込みます。
このようにしてAPUの圧縮→燃焼→タービンの回転の行程が連続的に行われるのです。
実はこれ、圧縮機のタイプや燃焼室の形状が少し違いますが、翼にぶら下がったジェットエンジンの作動原理と全く同じなのです。
推進装置としてのジェットエンジンは、最終的に排気の力の大部分をジェット噴射として利用しますが、APUでは電力や圧縮空気を生み出す動力源として利用する点が異なるだけなのです。
ちなみに、APUの始動は電気モーターで行うことができます。
この電気モーターは機体に搭載されたバッテリー電源でも作動可能のため、設備が整っていない空港であっても、機体搭載の電源のみでAPUを始動させることができるのです。
下の画像は様々な機種でAPU用の吸気口を比較したものです。
B787やB777では、後部胴体上部にフラップ型の吸気口が付いていて、地上ではフラップが開いている様子がよく分かります。
一方で、B737は吸気口が胴体の横についていますが、A320では胴体後部の真下にあるなど、機種によって様々です。
さらに次はAPUの排気口の画像です。
B737やB787、画像はないですがA320も胴体後部の先端がAPUの排気口になっています。
一方でB777は四角い形状をした後部胴体の片側に、横向きに排気口が出ていることが分かります。
APUで生み出される動力源は2つ。圧縮空気と交流電源。
ここからはAPUが果たす役割について見ていきましょう。
APUは主に地上で飛行機システムに必要な動力源を供給していると言いましたが、より具体的には圧縮空気と交流電源をシステムに供給しています。
下の画像は、始動したAPUが圧縮空気と交流電源を供給する様子を示しています。
機種によって細かな仕組みに違いがありますが、ここでは代表的な構造を紹介しています。
この図ではInlet Ductを挟んで右側はAPUが作動するための仕組みになりますが、左側はAPUが生み出したエネルギーを機体システムの動力源として取り出すための仕組みになります。
左側の仕組みには、APUによって回転するタービンと同じ軸上に、圧縮機とアクセサリーギアボックスが繋がっています。
この左側の仕組みの流れは以下のようになります。
⑤ Inletから吸い込んだ空気の一部は右側の燃焼行程の方の圧縮機ではなく、左側の圧縮機の方に導かれる。
⑥ APUの力で回転する圧縮機（遠心式）によって空気は圧縮され、ここで作られる圧縮空気が機体システムの動力源になる。
⑦ さらにAPUが発生させる回転力はアクセサリーギアボックスに伝わり、アクセサリーギアを介して交流発電機(APU Generator)を駆動させる。ここで発生する電力が機体システムの交流電源として使用される。
交流電源は駐機中の機内照明をはじめ、様々な電子機器類を動かすための電力になります。
一方で圧縮空気ですが、こちらは主として地上駐機中の機内空調に使われたり、エンジンをスタートさせる際のスターターに使用されたりします。
飛行機の空調システムは「PACK」と呼ばれるのですが、このPACKは圧縮空気を膨張、冷却させて機内温度調節用の空気を作り出しています。
PACKはちょうど飛行機のお腹あたりに搭載されていますが、APUからダクトを通じて圧縮空気を供給するのです。
これにより、地上駐機中であっても機内空調を調節することができるのです。
また、ジェットエンジンは始動させる際、圧縮空気の力を借りてエンジンスタートのための助走を行います。
この圧縮空気もダクトを通じてAPUから供給することができるのです。
APUは主に地上でエンジンの代わりに使用されるので、エンジンがスタートするとOFFにするのが基本です。
ですが、APUを飛行中に緊急用途で使用する場合もあります。
万が一飛行中にエンジンが故障した場合などは、エンジンに代わって機体システムに電力や圧縮空気を供給するバックアップとして使用できるのです。
ところで、飛行機システムの動力源にはあと油圧がありますが、APUが直接油圧力を発生させることはありません。
この理由としては推測も入りますが、油圧システムで主に作動するのは翼のエルロンやスポイラーといった操縦系統やタイヤブレーキなどで、通常は駐機中に必要ではないからと考えられます。
ただし、整備作業などで地上で油圧システムを作動させることはあります。
その場合は電気で駆動する油圧ポンプが油圧力を作り出すのですが、この電気ポンプに必要な電力がAPUから供給されるわけで、あくまでAPUが生み出す動力源は電力と圧縮空気なのです。
終わりに
いかがでしたか？
飛行機に搭乗した際、プッシュバックが始まりエンジンがスタートして間もなくすると、「シュ～ン↓」という音が聞こえることがあります。
実はこれ、APUがシャットダウンされた時の音なのです。
エンジンが始動すればAPUの補助は不要になりますから、エンジンの始動後すぐにシャットダウンをするのです。
逆に飛行機が着陸して、駐機場までタキシングしている間にパイロットはAPUをスタートさせる操作をしています。
そうしないと、駐機場に到着してエンジンをシャットダウンした瞬間に、機内の電源や空調が全て落ちてしまうのです。
なのでエンジンの停止させる前にAPUを作動させる必要があるというわけです。
飛行機に乗る際や、空港で駐機場の飛行機を見る際はぜひ、APUの作動音や働きについて注目してみてはいかがでしょうか？
以上！
