■動圧と静圧と全圧
さて、話を戦闘機における空気取り入れ口の問題に戻しましょう。
音速は超えるし、派手な機動もするしで無茶だらけのジェット戦闘機においては空気取り入れ口も旅客機のように単純化できません。よって「時間当たりの流入空気流量を最大化する」事だけを考えるといっても話は簡単ではないのです。
特に音速を超えた後と通常速度の飛行では設計の必要条件が劇的に変化するため、その両者への対応が必須となり、これが最大の問題点となって来ます。よって最初にこの部分の基本原理を説明してしまいましょう。
まずは流体中における圧力の基本から見て行きます。
水中では水深に比例してより大きな水圧を受けます。すなわち水深が深くなるほど掛ってる来る水圧は大きくなり、深く潜り過ぎた潜水艦などは圧壊してしまうわけです。この水圧はそこに居るだけ（流体と物体に速度差が無い状態）で生じる圧力であり、よって「静圧」と呼びます。大気中では気圧がこれに相当するのは理解できるでしょう。
ちなみに静圧は全方向から均等に掛ります。深海では上側の方が下側より水の量が多いからそっちの水圧がの方が高い、といった事は無いのに注意してください。
対して動圧は、魚が前進した時、すなわち流体に対して動いた時に受ける圧です（進行方向に対し垂直な面が受ける圧力）。
プールで浮いてるだけなら特になんの圧力も感じませんが、泳ぐと前方から圧力を受けます。これが「動圧」です。同様に固定された物体が流れの中に置かれた状態でも、流れの方向から動圧を受ける事になります（大人しく流されてしまうなら周囲との速度差が生じず動圧も発生しないのに注意。この場合は静圧のみが掛かる）。
流体中で動き回る物体は常にこの二つの圧力を受けており、その両者を合計したものが「全圧（Total pressure）」です。総圧、という日本語もありますが、この記事では全圧の方を使用します。
この機体を取り囲む空気の「全圧」が、音速を超えた後に衝撃波によって劇的に高圧化します。そしてこれが空気取り入れ口の設計に重大な意味を持って来るのです。よって次はこの点を見て行きましょう。
■音を超えて行こうよ再び
空気取り入れ口の設計で「時間当たりの流入空気流量を最大化する」のは、音速を超えない限りそれほど難しくはありません。これは旅客機やA-10の単純な構造のエンジンポッドを見れば理解できるでしょう。
ところが音速を超えた瞬間から事情は一変します。
それは音速がベラボーに速いからではなく、音速を超えると機体正面方向に衝撃波が生じるためです。これによって抵抗が劇的に増加するのと同時に機体周囲の全圧が一気に高圧化します。この両者は相関関係にあり、劇的な抵抗増加に打ち勝つエンジン出力を確保するため、機体周囲に生じた高圧部をいかに効率よく取り込むかが最大の問題になります。これが音速超えの機体における空気取り入れ口設計の鍵なのです。
この点を理解するのに必要な、音速超えの機体に生じる衝撃波に関しては「F-22の道」でも解説しましたが、念のためにもう一度、確認しておきましょう。
■音速気流による衝撃波背後の全圧
まずは衝撃波の単純モデルとして長い管の端で火薬を爆発させた場合を考えます。
簡単な図にするとこんな感じですね。
全ての音波は音速の壁を超えられません。
このため、爆発により広範囲に生じた膨大な音波は限界速度の位置で重なり、強力な波に合成され伝播します。これが衝撃波です（ただし衝撃波になった後は音速を超える事が可能）。
合成され、高いエネルギーを持つ波となった衝撃波の背後には高密度、高温、高圧力の空気の壁が生まれ、大規模爆発の衝撃波では人間くらい軽く吹き飛ばします。
そして音速気流が機体にぶつかる時にも必ずそこで衝撃波が発生します。なんで、というのは以前こちらで説明したので、忘れてしまった人は読んでみてください。
このため機首先端、空気取り入れ口正面などで以下のような衝撃波が飛行中に必ず発生し、機体はこれを伴いながら飛び続ける事になります。拡散して終わりとなる爆轟衝撃波とは異なり、音速を超えて飛ぶ以上、機体正面方向に常に新しい衝撃波が発生し続けるのに注意してください（厳密には機体後部でもう一度衝撃波が発生するのだがこれは空気取り入れ口の問題に影響を及ばさないので今回は無視する）。
どちらが生じるかは飛行速度、音速気流にぶつかった部分の形状などによりますが、これら衝撃波を生み出すためのエネルギーは当然、機体の運動エネルギーから奪われ、それは当然、速度の低下に直結します。
これは音速以下では無視出来た造波抵抗の強烈な増大であり、この後、超音速（マッハ1.2より上）まで加速するためには、極めて大きな推力が必要になる事を意味します（この抵抗増大をある程度まで抑え込むのがF-22への道で説目したエリアルールの１号＆２号。厳密には単純に音速超えるだけなら１号、さらに超音速まで超えるなら２号が必須となる）。
そんなエンジン出力をどうやって確保するのか、という問題を解決する鍵が空気取り入れ口の設計であり、先に少し触れた全圧回復率（Total pressure recovery）の問題なのです。
このエンジン出力をどうやって確保するか、という問題を理解するには、衝撃波背後には必ず高圧化した空気が生じるのに注目する必要があります。これはレシプロ（ピストン）エンジンにおいて過給用タービンで空気を圧縮したのと同様な効果であり、すなわち天然のターボチャージャーのようなもの、物理現象を利用した過給機と言えるものになっているのです。
最初に見た数式で示したように、「時間当たりの流入空気流量を最大化する」のが最善の解決策である以上、空気の圧縮は極めて有利です。同体積中により多くの空気が詰め込まれてるため、同時間内に同流量を取り込んでも、より多くの空気がエンジンに取り込まれる事になるからです。よってこれを上手く取り込めば、「時間当たりの流入空気流量を最大化する」のに大いに効果があります。
そしてジェットエンジンでは多段タービンで空気を強烈に圧縮して燃焼室に送り込み、それに燃料を吹き付けて爆発的な燃焼を起こし、その膨張から推力を生み出します。
ここに衝撃波背後の高圧空気を送り込めれば、最初から圧縮された空気をさらに圧縮できる事になり、通常より大きな出力が得られます。まさに天然ターボチャージャーなのです。ただしこれは「より大きなエンジン出力が得られるボーナス特典」ではなく、「これを確保しないと超音速超えに必要な推力が得られない」必須条件なのに注意してください。
よって超音速飛行が求めらる機体では、衝撃波によって高圧化された「全圧」をいかに取りこぼさずにエンジンに取り込むかが、空気取り入れ口の大命題になって来るのです。
ただし、この点に特化した空気取り入れ口にしてしまうと、今度は音速以下の飛行に支障をきたすことになる、というジレンマが出てくるのですが、この辺りはまた次回にしましょう。
という感じで、今回はここまで。