JAXA航空マガジンFLIGHT PATH No.16/201７ SPRING

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ひでかよしくに
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日本の航空エンジン開発の歩み J A X A の進める a F J R( 高効率軽量ファンタービン技術実証 ) プロジェクトでは 2017 年度の最終的な実証試験に向けて各要素の成果が着々とまとまりつつあります afjr プロジェクトの意義そして現段階での成果を本プロジェクトに参加している株式会社 IHI の今成邦之航空宇宙事業本部技術開発センター副所長と JAXA の西澤敏雄 afjr

省 ( 現経済産業省 ) のプロジェクトで日本の高バイパス比エンジン開発の最初といえます相当な予算をつぎ込んでエンジンを作って最終的には S T O L 実験機飛鳥 1 に搭載して飛ばしましたこのエンジンの開発がきっかけになって JAXA ( 当時 NAL) のエンジン試験設備が充実しまし RJ 5 0 0 エンジンの前にて

2 日本の航空エンジン開発の歩み J A X A の進める a F J R( 高効率軽量ファンタービン技術実証 ) プロジェクトでは 2017 年度の最終的な実証試験に向けて各要素の成果が着々とまとまりつつあります afjr プロジェクトの意義そして現段階での成果を本プロジェクトに参加している株式会社 IHI の今成邦之航空宇宙事業本部技術開発センター副所長と JAXA の西澤敏雄 afjr プロジェクトマネージャのお二人にお話を聞きました afjr( 高効率軽量ファンタービン技術実証 ) プロジェクト航空エンジン開発の新しい流れを作るスタートが切れた日本の高バイパス比エンジンの開発は FJR710 から始まった afjr にいたるジェットエンジン開発の歴史的経緯を少し振り返りたいと思います FJR710 あたりからでしょうか西澤そうですね FJR710 は当時の通商産業省 ( 現経済産業省 ) のプロジェクトで日本の高バイパス比エンジン開発の最初といえます相当な予算をつぎ込んでエンジンを作って最終的には S T O L 実験機飛鳥 1 に搭載して飛ばしましたこのエンジンの開発がきっかけになって JAXA ( 当時 NAL) のエンジン試験設備が充実しまし RJ エンジンの前にて今成邦之航空宇宙事業本部技術開発センター副所長 ( 左 ) と西澤敏雄 afjr プロジェクトマネージャ ( 右 ) 対談今成邦之たエンジンの産業規模もここから一気に広がりましたメーカーは FJR710 を土台にして V2500 というエンジンの開発に進んだわけです今成 V2500 はそろそろ更新の時期を迎え新しいエンジンに置き換わりますが累計で 7000 台を超えています大ベストセラーです西澤そうですね 7000 台 V2500が売れ始めたのは1980 年代の終わりですね FJR710のプロジェクトが始まったのが 1971 年ですからそれまでの準備期間は20 年近い今成これは航空エンジンの世界では常識で普通は世の中に出る 20 年前から研究を始めないといけません 10 年前からは本格的な技術開発 5 年前からはエンジン開発ですねですから 1 0 年前にこれは使えると認めてもらうだけの技術がないと世界の市場に入れません 10 年前に世界が認める高い技術を持つためには紆余曲折もありますからどうしても 2 0 年前くらいに研究をスタートしないといけないわけです西澤 FJR710を始めた時に V2500という今成邦之株式会社 IHI 航空宇宙事業本部技術開発センター副所長株式会社 IHI 西澤敏雄国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構市場がどこまではっきり見えていたかは分かりませんがタイミングは良かったですね今成 FJR710はイギリスでの試験運転で高い評価を得ましたそこでロールスロイスから一緒にやろうと言われ RJ500 というプログラムができましたそれが 5カ国共同開発の V2500になりエアバスに採用されることになりましたこの共同開発に日本が入ることができたのは幸運でしたがその幸運を作り出したのはFJR710といって過言ないでしょう FJR710は飛鳥に載せることを目的にしていたわけではなかったのですね西澤聞いている話では違うと思いますね FJR710は当時の通産省のプロジェクト飛鳥は当時の科学技術庁つまり NAL 主導のプロジェクトでしたエンジンは他にも選択肢はあったと思いますしかし FJR710が飛鳥に搭載され飛行実証されたということは日本のエンジン開発にとって非常に大きな意味を持っていたと思いますスパコンを使うシミュレーションの時代にその後 JAXA では経産省のプロジェクトで超音速機用のHYPR( ハイパー ) および ESPR( エスパー ) というエンジンの研究が行われます FJR710の開発成果はこれらに結び付いていったのですか西澤 HYPRはマッハ 5 ESPRはマッハ 3で飛行することを考えたエンジンなので見た目は違いますがどちらも FJR710で得た技術の上に立っています JAXAでは当時スーパーコンピューターによるエンジンのシミュレーションを始めた頃でしたこれは FJR710の時代にはなかったことです HYPRやESPRの開発はシミュレーションのウェイトが高くなっていった最初西澤要素試験ができないような特殊な条件代替わりするタイミングは 2025 年から 2030 年の頃にあたると思いますの検討というのはシミュレーションは非常に得頃になるのではないかと私たちは考えています今成実はHYPRの頃私たちは海外メーカー意です日本が得意としている技術を開発するには今と共同開発をしていたのですその時に NALのスパコンを使わせていただきました N A L の計算結果を持っていくと世界一流の海外メーカーでさえ我々のスピードについてこられなかった当時から日本は CFD( 数値流体力学 ) 先進国でしたその後に行われたエコエンジンの研究については今成さんは何か思い出はありますか今成エコエンジンも経産省のプロジェクトで各社がやりたいところを集めたのですが燃焼器の時期に始めていないと間に合わないと考えましたその中でメーカーと相談していくうちに低圧系のファンや低圧タービンについて技術を高めていくことを検討していったのですメーカーとは何度も会議を開いていろいろな候補があった西澤当時のNALのスパコンはベンチマークだけは 3 社競合になりましたコンペのような形中で研究要素を絞っていきましたテストで世界 1 位をキープしていましたからねそれを使って研究者はいろいろチャレンジングなこになり JAXAの設備を試験に使わせてもらいましたエコエンジンについてはこれが JAXAとメーカーの立場からするとこのタイミングはどうでしたかとをしていましたの関係で一番思い出されるところですね今成 2025 年から2030 年頃というのは妥今成今でも JAXA 開発のCFD ソフトを設計で使わせていただいています V2500の後継エンジンの低圧圧縮機でも JAXAのCFDにお世話になったことがありますギヤードターボファンという新しい型ではファン動翼と低圧圧縮機の間に減速ギヤがありギヤ潤滑のためにフレームを通して油を給油排油してやらなければいけません熱い潤滑油が低圧圧縮機の上流に位置す西澤エコエンジンのプロジェクトはそれがそのままエンジンにつながったということではないのですが技術を 2000 年代に継承していくという意味では非常に役に立ちました afjrでは低圧系に特化しましたけれどもその前のエコエンジンでやってきたファンとかシミュレーション技術があったからこそ次のステップに行けたわけですこういう技術を継承するプログラムも大事です当であると思いますですから 10 年前にあたる今の時期からやらなければいけません I H Iは現在低圧系が得意ですそれでは低圧系の中で何を売りにしていくかそこで複合材料を挙げファンに関しては CFRP( 炭素繊維強化プラスチック ) 低圧タービンについては CMC ( セラミック基複合材料 :Ceramic Matrix Composites) 2 を売りにすることにしましたるフレームの中を流れていてそのフレームから主さらにファンのブレード ( 翼型部品 ) が載ってい将来の航空エンジンのため流への伝熱がエンジン性能に影響するかどうかをる円盤ディスクと呼んでいますがこれにもには今研究開発を行う調べる必要がありましたそれを JAXAのCFDで取り組んでいきたいと考えましたこのディスクシミュレーションして影響を定量的に評価するこ必要があるという部品は壊れると重大な事故につながるとができましたこれは非常に役に立ちましたね afjr プロジェクトについて JAXAがこの時期に afjrをプロジェクトとして進めている背景は何ですかので総合的な技術力が求められます実は V2500では技術的に十分に手がまわらなかったこれを自分たちでできるようにするのが私たちの悲願でこのパーツを自前で設計製造で地球温暖化や石油資源の枯渇などの問題に対して航空分野において西澤私たちがきるようにするためにこの機会を活用させても国際的な環境基準の強化が進められています航空機のエンジンにおいては燃費の改善 CO 2や NOx などの排出削減やエンジン騒音の低減を求められています JAXA では次世代エンジン技術の開発によって環境負荷軽減に貢献することを目指しておりその一つに高効率軽量ファンタービン技術実証 (afjr:advanced Fan Jet Research) プロジェクトがありますこれは国内のエンジンメーカーの実績が豊富なファンおよび低圧タービンにおける環境適合性を向上するための技術を開発実証するもので次世代航空エンジンの国際共同開発において設計分担を考えているのは 150 人乗り規模の旅客機のエンジンですこれが今の航空機の市場で相当なウェイトを占めていますその機体がいただこうと思いました複合材料を中心として空力構造騒音等の技術を統合しモジュールとしての競争力向上に資することを狙いました狙える技術レベルを目指します afjr では IHI など共同研究などを通じた産業界との連携を主軸とし大学とも連携を強化した体制を構築しています西澤敏雄 afjr プロジェクトマネージャ 2 1 C-1 輸送機をベースに FJR710 エンジンを搭載した短距離離着陸 (STOL) 実験機 1985 年 ( 昭和 60 年 ) から 1989 年 ( 平成元年 ) まで 97 回の飛行実験を行った 2 金属よりも軽く熱に強くて酸化もしにくいセラミックス繊維を使っているため割れにくい利点がある詳しくは FLIGHT PATH No.10 参照 3

高効率軽量ファン技術 ( 効率向上軽量化 ) 軽量低圧タービン技術 IHI にとって大事なプロジェクトですね今成そうですねファン直径を大きくしていくと高バイパス比ファンとなりますが重くなるので軽くて強い CFRP を使います複合材料は私たちの得意分野であり PW1100G-JM エンジンのファン出口構造案内翼とケースの複合材料部品化に成功し設計製造を担当できました

3 高効率軽量ファン技術 ( 効率向上軽量化 ) 軽量低圧タービン技術 IHI にとって大事なプロジェクトですね今成そうですねファン直径を大きくしていくと高バイパス比ファンとなりますが重くなるので軽くて強い CFRP を使います複合材料は私たちの得意分野であり PW1100G-JM エンジンのファン出口構造案内翼とケースの複合材料部品化に成功し設計製造を担当できましたファンブレードは残念ながらまだ金属ですがこれもできるだけ早く CFRP にして IHI でやりたいそうすると残るのはディスクですこれでディスクもできるようになればファンを全部カバーできることになります西澤ディスクはライフリミテッドパーツといい一定の期間が来ると交換する部品ですからエンジンを売った後のメンテナンス事業でもそれなりのリターンが出てくる分野ではないかと思いますそういう意味では産業規模の拡大にそれなりに貢献できるパーツですねメーカーと JAXA のシナジー効果を目指す afjr ではやはり材料がキーポイントになりますか西澤はいファンでいいますと CFRP は IHI が素材開発しているものですでにファンブレードの成型などについてはメーカーとしていろいろやられています afjr の中ではさらにそれを中空化することに取り組んでいますディスクですと軽量化と寿命とのトレードオフを研究するとかですねメーカーがそれにプラスアルファして製品化する手前のところを JAXA が担当していますメーカーと JAXA のシナジー効果を生み出すようなやり方で進めています海外の動向も考えて取り組んでいるということですね今成そうですねこうしたものに関してはやらなければいけないことが分かっており JAXAと一緒にやらせていただいています材料以外にはどんなところが技術的なポイントですか今成このクラスのバイパス比ではファンの流れを層流化することによって効率を上げることができますそれをまさに今回このプロジェクトでやらせていただいて層流化することでこれだけ良くなるということを実証できたこれは非常に大きな成果だと思っていますそれからファンではフラッターという振動現象が起こりやすいといわれていますが理論的にはタービンでも起こりやすいのです実際にはそれが起こらないように工夫しているのですが軽量化が進むとタービンのフラッターがだんだん出てくるそこでタービンのフラッターが起こらないようにするため JAXAのCFDを活用させていただきうまくいきました afjrではcmcを採用しましたが実は新しい素材は全くデータがないですから今回 CFDでその予測をやらせていただきました予測精度はかなり向上しました欧米にもこれだけ予測できるぞとかなり胸を張れるようなところまで来たのではないかと思っています西澤今回シミュレーションでフラッターを予測することになりプロジェクトの中での工夫として他の目的で作られた高空性能試験設備をタービンのフラッター用の風洞として使いましたある種の実証設備になりシミュレーションそのものの信頼性も上げることができました実証のレベルを上げるために F7 エンジンを導入現段階で afjrプロジェクトはどのくらいまで進捗しているでしょうか西澤プロジェクトは要素ごとに最終的な実証試験を行います 2016 年初めの段階で実証試験に使う供試体に盛り込むべき技術のベースを検証し終わっています今はその供試体の設計を順番に進めて約 8 割はJAXAの中でのレビューを終え供試体の製作フェーズに入っています残る 2 割ぐらいの供試体の設計も 2016 年度いっぱいで終わります供試体を使った実証試験最後の試験を 2017 年度に順番でやっていきます 2017 年末にみなタイミングが合ってファンと低圧タービンそれぞれの性能アップが得られそれを全部組み込んだエンジンの燃費がこれぐらいになるはずだという最終評価を迎えます現在はまさに最後まで上り詰めるちょっと手前のところということですね IHIにとってはどうですか今成一言でいうととても役に立っています航空エンジン開発の難しいところは 2 0 年に一度くらいしかチャンスが来ないことですそのタイミングに間に合わせることが大事ですが一方で現在のエンジンの改良型への適用も常に心掛けています使えるものはすぐ使おうと虎視眈々とそのチャンスを狙うところまで来ていると思っています長期的な研究と短期的な利用の両方を考えています JAXAは防衛装備庁が開発した純国産ターボファンエンジン F7-10 エンジンを導入することにしましたね西澤 JAXAとしては実証のレベルを上げるために F7-10エンジンを導入しようとしていますこれを使って afjrの各要素の実証レベルを上げておけば競争力はさらに高まります今成世界の大きなエンジンメーカーと仕事をする場合新しい高付加価値のあるものを提供するか安く作ると共同開発に組み込みたいと言われます安くするばかりではビジネスになりませんから高付加価値のものを出していきますすると必ずそれは本当に大丈夫か ( 機能するのか壊れないのか ) と言われるんですねその時にエンジンに入れて回した実績を持って行くと納得して話がスムーズに進むのです技術実証試験実績の有無は非常に大きな違いです民間転用されて JAXAに導入される F7-10エンジンには技術実証用エンジンとして非常に期待しています西澤今おっしゃったようにそういうエンジンがあるかないかですごく大きな違いを生むことは前から分かっていました FJR710がV2500につながったのはやはり飛鳥という自前のインフラで実証をやりきったという点が大きいそれを見習おうとすると今の技術レベルのエンジンがなくてはいけないそうすると F7-10しかありませんでした現段階でaFJRの成果をどう考えていますか西澤二つあります一つは JAXAの中での研究開発の進め方です JAXA 航空技術部門ではこれまでは基礎研究あるいは基盤研究がベースでしたが afjrは違いますジェットエンジンを作って飛行機に搭載して飛ばすことを想定した研究開発と同じような考え方で進めていますですから要素レベルでの技術の実証データがメーカー主体の次のフェーズのために一番大事になるという進め方をしてきましたそれからもう一つ afjrではメーカーや大学と共同研究しているわけですけれども今までのようなテーマごとの研究ではなく各研究を一つのターボファンエンジンに向かって集約していくプロジェクトができましたこれは JAXAにとって研究開発プロジェクトという新しい取り組みですので大きなステップアップになったと思っています今成今回私たちは低圧系という自分たちが持っている強みをさらに強くするというところでこのプロジェクトに参加しました afjrで開発したもの私たちが JAXA 以外と進めているものいろいろなメーカーの独自の研究それらを全部 F7-10に入れて実証し欧米のエンジンメーカーに提案するというモデルを作る今回はそういう流れを作るための大きな機会になっていると思いますこれがうまく回り始めれば JAXAにとっては afjrの次のプロジェクトにつながると思います JAXAにはぜひ次につなげていただきたいと思います軽くて効率の良いエンジンを実現させる afjr プロジェクトは既存のエンジンに比べて 10% 程度軽くさらに効率の良いエンジンを実現するための技術開発プロジェクトです軽量化を実現する技術としては高効率軽量ファン技術軽量ディスク技術軽量吸音ライナー技術軽量低圧タービン技術です高効率軽量ファン技術ではターボファンジェットエンジンにおいて空気を取り込む役割を持つファンの空力特性を向上させることで高効率化を目指しファンに使用する素材や構造を工夫することで軽量化を目指します軽量ディスク技術ではファンの要となるディスクの研究軽量吸音ライナー技術ではファンの周囲に配置して騒音を抑える吸音ライナーの研究を行っています軽量低圧タービン技術ではファンを回転させる駆動力を生み出すタービンブレードの素材を変更し軽量化を図っていますこれらの技術についてそれぞれの担当者に話を聞きました高効率軽量ファン技術の研究素材と構造を見直しファンの質量を削減する近年旅客機などに搭載されるターボファンジェットエンジンは燃費の向上が求められて竹田智 afjr プロジェクトチーム研究開発員軽量ファン技術 ( ブレードディスク ) の技術とはおり高バイパス比化が進む傾向にありますしかしバイパス比を大きくするということは取り込む空気の量を増やすつまりファンの直径を大きくすることでありその分エンジンの質量が増しますまたエンジンを支える機体も剛性を持たせなければならないため機体の質量も増加してしまいます結果的に燃費が良くなった分を質量増加分が吸収してしまうことにもなりかねません高バイパス比で燃費の良いエンジンを作るには軽量化技術が必要です金属材料を使っていたファンを炭素繊維強化プラスチック ( C F R P ) に置き換えて軽くすることを目指していますと話すのはファンの軽量化技術を担当する竹田智研究開発員ですさらにファンの内部を中空構造にすることでより軽量化を図っていますまた軽くするだけではなくバードストライクなど軽量吸音ライナー技術の衝撃に耐えられる構造も必要ですつまり CFRPによって製造が可能でありかつファンブレードに求められる耐衝撃性を持った形状でなければなりません耐衝撃性を予測するための衝撃シミュレーションでは複数の大学と協力しながらファンブレード全体のモデル化を行い JAXA のスーパーコンピューターだけでなく理化学研究所の京なども使って過去に類を見ないような大規模な計算を行いました ( 竹田研究開発員 ) 多くの試験と計算を行う中で中空部分の構造に工夫を施し軽量で耐衝撃性を有するファンの設計が進められてきましたファンブレードの形状を空力的観点から見直す afjr プロジェクトではファンの軽量化とコアエンジンに流れ込む空気の量とコアエンジンの外側をバイパスして流れる空気の量の比バイパスの流れを多くすればバイパス比は高くなる 4 5

していますがバイパス比が高くなりファン afjr プロジェクトではショットピーニンいます今後 2 回目の回転正木大作 afjr プロジェクトチームセクションリーダの直径が大きくなると最適な圧力比が下がるためファンの回転数を落とすことができるので翼先端の衝撃波を弱くしたり発生しなグ加工を行った小型のディスク供試体を使用して

ファン効率向上のための層流翼 3D 設計の研究ではファンブレードの翼形状を空気力学的な観点から最適化することで効率の良いファンを目指していますとファンの効率向上を担当する正木大作セクションリーダは語ります具体的な方法としてファンブレード翼面の広い領域で層流境界層が長く続く形状を作り空力的な効率を向上させようとしています層流境界層では

数値計算による解析を行った後 CFRPでハーフサイズの試作モデルを作製し試験を行いました 2016 年 11 月には実物大の中空 CFRPファンブレードを作製し鳥を模擬したゼラチンを衝突させる予備試験を行っています試験ではファンブレードに取り付けた歪みゲージの数値を見るだけでなくハイスピードカメラで衝突の様子を撮影しどのような変化が起きるのかを観測しました 2017 年度には

エンジンの試験設備に空気の流れを整える装置を取り付けて上空を飛行する際の入口乱れの少ない状態を再現しました 2017 年度には試験の解析結果を反映させて改良したサブスケールモデルでの試験を行いプロジェクト目標の技術実証を行う予定ですアルミから樹脂に変えて軽量化を図る軽量吸音ライナー技術の研究はエンジンの音を低減する役割を持つ吸音ライナーを金属材料 ( アルミニウム )

表面板の開口率やハニカムのサイズを調整することで吸音したい周波数帯を決めることができます JAXA の強みは評価技術にあり軽量吸音ライナー技術の研究もメーカーとの共同研究として進めておりその中で JAXA は吸音ライナーパネルのさまざまな性能の評価試験を担当しています評価試験は大きく音響試験と強度試験の二つに分けられます音響試験には三段階ありその一段目が垂直入射吸音率試験です

4 していますがバイパス比が高くなりファン afjr プロジェクトではショットピーニンいます今後 2 回目の回転正木大作 afjr プロジェクトチームセクションリーダの直径が大きくなると最適な圧力比が下がるためファンの回転数を落とすことができるので翼先端の衝撃波を弱くしたり発生しなグ加工を行った小型のディスク供試体を使用してエンジンの運用条件を模擬した回転速度を繰り返し増減させる回転試験を行って試験も予定しており加工シミュレーションによる寿命予測の精度確認を行いますファンディスクいようにしたりできます翼先端の衝撃波形状を上手くコントロールすることもファンブレード表面の層流境界層を長く持続させることにつながります軽量吸音ライナー技術の研究同時に効率の向上も課題の一つとなっていますファン効率向上のための層流翼 3D 設計の研究ではファンブレードの翼形状を空気力学的な観点から最適化することで効率の良いファンを目指していますとファンの効率向上を担当する正木大作セクションリーダは語ります具体的な方法としてファンブレード翼面の広い領域で層流境界層が長く続く形状を作り空力的な効率を向上させようとしています層流境界層では渦による乱れがなく空気が整然と流れるため翼面の抵抗が小さくなるので効率が良くなりますまたファンブレードの先端では衝撃波が発生高効率ファンに関する技術は低騒音で CO 2 排出の少ないエンジンを目指したクリーンエンジンプロジェクトでの成果をベースにして世界トップレベルの効率を目指しています 2017 年度に実証試験を実施して技術を確立させる軽量化ファンの研究では数値計算による解析を行った後 CFRPでハーフサイズの試作モデルを作製し試験を行いました 2016 年 11 月には実物大の中空 CFRPファンブレードを作製し鳥を模擬したゼラチンを衝突させる予備試験を行っています試験ではファンブレードに取り付けた歪みゲージの数値を見るだけでなくハイスピードカメラで衝突の様子を撮影しどのような変化が起きるのかを観測しました 2017 年度には予備試験中空 CFRP ファンブレードの供試体色とラインは観測を容易にするための結果を受けて改良された中空 CFRPファンブレードによる実証試験を行う予定です一方高効率ファンの研究では層流翼 3D 設計で効率が向上していることを確認するため 2016 年度に試作した約 3 分の1のサブスケールモデルを使用した試験を行いましたこの試験ではエンジンの試験設備に空気の流れを整える装置を取り付けて上空を飛行する際の入口乱れの少ない状態を再現しました 2017 年度には試験の解析結果を反映させて改良したサブスケールモデルでの試験を行いプロジェクト目標の技術実証を行う予定ですアルミから樹脂に変えて軽量化を図る軽量吸音ライナー技術の研究はエンジンの音を低減する役割を持つ吸音ライナーを金属材料 ( アルミニウム ) から樹脂素材に変更することで軽量化することを目的としています担当する石井達哉ファンクションマネージャは樹脂は軽量というだけでなく金型を使って一体成形できるのでコスト面でも有利ですと語ります一般的な吸音ライナーパネルは中空ハニカム構造を表面板と背後板で挟み込む構造になっていて表面板には小さな孔が開いています表面板側を伝播する音は吸音ライナーパネルによって減衰されますこの際表面板の開口率やハニカムのサイズを調整することで吸音したい周波数帯を決めることができます JAXA の強みは評価技術にあり軽量吸音ライナー技術の研究もメーカーとの共同研究として進めておりその中で JAXA は吸音ライナーパネルのさまざまな性能の評価試験を担当しています評価試験は大きく音響試験と強度試験の二つに分けられます音響試験には三段階ありその一段目が垂直入射吸音率試験ですこれは小さく切り取った吸音ライナーパネルを管の一端に付けもう一方の端から発生させた音を吸音体に垂直に当てた時の吸音体の吸音率を求める評価試験です次の段階では吸音パネルを流れ場に置いて流れ場に音を伝播させた時の吸音率を評価します航空エンジンではナセル内壁のような気流に接する箇所に吸音パネルが使われるため垂直入射吸音率試験における静止場でナーパネルが克服すべき実用的課題例えば音の減衰量周波数特性気流の影響構造健全性などを確認します強度試験では試作した樹脂製吸音ライナーパネルが実用に耐えうる構造強度を持っていることを確認します強度試験には静荷重試験と衝撃試験があり静荷重試験では吸音ライナーパネルにゆっくりと荷重をかけた場合の強度を評価します一方衝撃試験はパネル表面にひょうなどが衝突した場合でも損傷が所定の許容範囲で済むことを確認する試験です本研究では錘 ( おもり ) を落下させて吸音ライナーパネルが破損しないことを確認する落錘試験で評価します錘の重量と落下距離は衝突にかかる運動エネルギーから求められますこのように JAXAはその強みであるさまざまな評価技術を通して軽量吸音ライの吸音率に加えて空気の流れがある条件でのナー技術に貢献しています軽量ディスク技術の研究ファンディスクはエンジンの隠れた重要部品投射材と呼ばれる硬い材料でできた小さな球を金属表面に高速で当てる金属加工方法で表面に圧縮応力を発生させることによりき結果と試験結果に基づいて予測した寿命増加量を設計に反映させることで設計寿命を維持したままでファンディスクをより薄く軽吸音率などが設計上必要となるのですそこで本研究では気流を通す長い管の途中に吸音パネルを設置する特殊な実験装置を使います最後の段階がファンリグ試験と呼ばれる試験で実機のファンを模擬したファン試験装置に円筒状の吸音ライナーパネルを配置して吸音ラ石井達哉 afjr プロジェクトチームファンクションマネージャファンディスクは高速で回転するファン裂の発生や進展を抑制する効果がありますくすることができますイナーの音響性能を評価するものです本研究ブレードをしっかりと支えなければならないただし実機のディスク寿命設計においてはでは共同研究先のファン試験装置を利用してため高い信頼性が要求される部品でライフリミテッドパーツ ( 規定寿命に到達する前にショットピーニング加工による寿命増加量は設計寿命には含まれていませんでしたショットピーニング粒子気流中の吸音ライナーパネル吸音率試験装置の前で試験を行いますファンリグ試験では吸音ライ交換が必要な部品 ) に指定されていますファンブレードの大型化に伴ってディスクにはますます大きな荷重がかかり頑丈にする必要があるのでディスク軽量化のための技術開発が重要になっていますディスクには寿命を増加するためのショットピーニング加工が施されていますショットピーニング加工は JAXA では加工シミュレーション技術の開発に取り組んでいてショットピーニング加工による寿命の増加量を精度良く推定する技術の研究開発を行ってきました加工シミュレーションシミュレーション結果ひずみ大小軽量低圧タービン技術の研究セラミック素材でタービンの軽量化を目指すファンを回転させる力を生み出す低圧タービンは通常 50~60 枚程度のタービン翼を円周上に配置したディスクが 7 段程度使われていますタービン翼の質量を少しでも小さくすることができればエンジン全体の軽量化に大きく貢献できます afjrプロジェクトではエンジン全体の約 9%( 低圧タービンの約 30%) の軽量化目標を実現するためタービン翼を金属材料からセラミック基複合材料加工シミュレーション ( 右 ) と解析結果の例 ( 左 ) 6 7

山根敬 afjr プロジェクトチームファンクションマネージャなりませんと山根敬ファンクションマネージャは説明しますフラッターとは窓のブラインドが風でビリビリと震えるように羽根が振動する現象 (FLIGHT PATH No.

1 年大大研究航空課程 1 年技術航空技術研究 (NAL) (CMC) へ置き換える研究を進めていますセラミックを主体とする CMC は一般的に金属よりも軽くて耐熱性に優れるためすでに海外のエンジンメーカーでは一部の部品にCMCが使用されたエンジンが実用化されようとしており今後 CMCの利用範囲は拡大していくと考えられますと北條正弘主任研究開発員は語ります

これまでに供試体を作り空気力で振動させる試験を行ってきましたとフラッターの研究を担当する賀澤順一主任研究開発員は説明します 2017 年度には実機同様のモデルで試験を行いその結果とCFDの解析結果を比較する予定ですもう一つのタングリング設計はタービン動翼を意図的に破壊させる構造設計のことですジェットエンジンは不具合の発生によってエンジンの正常な運転が困難になったとしても

同様に動翼を破壊できなければなりませんこれまでにCMCタービン動翼の破壊シミュレーションや予備試験を行った結果 CMCタービン動翼を根本から破壊することができる構造が見つかっています今後は CMC タービン動翼を模擬した供試動翼を実機のエンジンと同様に回転させた状態で静翼を模擬した供試静翼と接触させる試験を行いタングリング設計手法を実証する予定です CMC

軽さと耐熱性を兼ね備えた素材として注目されているCMCは発電用タービンなどにも応用が可能でありそのための研究も行われていますまた CMCの素材メーカーとして代表的な2 社はいずれも日本企業であり日本の独自技術といっても過言ではありません afjrプロジェクトを通じてcmcの設計技術を確立すれば航空分野のみならず日本の製造業に貢献できると考えています賀澤順一 afjr

解しているかによって決まりますは一つに見えても実にはいいな性質のものがみ合わさっている場合があります例えばき上りの場合構造を分析してみるとはつの構造の合体であることが分かります ( 図参照 ) この発見はあるからいたいたドイスがきっかけでしたくのがさままなで同じものを見ることで一つの現象のうも見え今まで分からなかった見をきすことができるのです

5 山根敬 afjr プロジェクトチームファンクションマネージャなりませんと山根敬ファンクションマネージャは説明しますフラッターとは窓のブラインドが風でビリビリと震えるように羽根が振動する現象 (FLIGHT PATH No.8 参照 ) ですフラッターが進行すると破損する場合もあるのでフラッターが発生しないように設計しなければなりませんが CMCのような新素材は特性が異なるので正確にフラッター発生を予測する技術が必要となりますこの予測技術の正確さを評価するためにフラッターが発生するような試験を実施する必要がフラッター試験用の低圧タービン供試体 18 年大部航空業 12 年大大研究航空課程 1 年大大研究航空課程 1 年技術航空技術研究 (NAL) (CMC) へ置き換える研究を進めていますセラミックを主体とする CMC は一般的に金属よりも軽くて耐熱性に優れるためすでに海外のエンジンメーカーでは一部の部品にCMCが使用されたエンジンが実用化されようとしており今後 CMCの利用範囲は拡大していくと考えられますと北條正弘主任研究開発員は語ります一般的にニッケル合金で作られている低圧タービン翼をCMCに変更すれば質量を3 分の1から4 分の1 程度小さくできると考えられていますしかし CMCを採用するためには解決しなければならない課題もありますフラッターとタングリング設計が重要 CMCを用いるためにはフラッター設計とタングリング設計の技術を確立しなければ北條正弘 afjr プロジェクトチーム主任研究開発員ありますこれまでに供試体を作り空気力で振動させる試験を行ってきましたとフラッターの研究を担当する賀澤順一主任研究開発員は説明します 2017 年度には実機同様のモデルで試験を行いその結果とCFDの解析結果を比較する予定ですもう一つのタングリング設計はタービン動翼を意図的に破壊させる構造設計のことですジェットエンジンは不具合の発生によってエンジンの正常な運転が困難になったとしても安全に停止させることができなければなりませんが例えばファンと低圧タービンを連結している軸が破断した場合低圧タービンは抵抗を失って回転数が急上昇その状態で破壊が起きると重たい破片がエンジンケースを突き抜け航空機の安全を脅かす危険性もありますそのため軸破断の発生時には低圧タービン動翼を静翼に接触させて破壊し回転力をなくすような構造設計が採用されています CMCを使った場合にも同様に動翼を破壊できなければなりませんこれまでにCMCタービン動翼の破壊シミュレーションや予備試験を行った結果 CMCタービン動翼を根本から破壊することができる構造が見つかっています今後は CMC タービン動翼を模擬した供試動翼を実機のエンジンと同様に回転させた状態で静翼を模擬した供試静翼と接触させる試験を行いタングリング設計手法を実証する予定です CMC の設計技術で日本の産業を支援する CMC は金属に比べて 100~200 も高い温度に耐えることができます現在低圧タービンは冷却の必要はありませんので afjrプロジェクトでは耐熱性の向上を目標とはしていませんが将来エンジンが高性能化した時この特性は有利に働くでしょうまた低圧タービンよりも高温高圧になる高圧タービンでもCMC が利用できないか検討しています軽さと耐熱性を兼ね備えた素材として注目されているCMCは発電用タービンなどにも応用が可能でありそのための研究も行われていますまた CMCの素材メーカーとして代表的な2 社はいずれも日本企業であり日本の独自技術といっても過言ではありません afjrプロジェクトを通じてcmcの設計技術を確立すれば航空分野のみならず日本の製造業に貢献できると考えています賀澤順一 afjr プロジェクトチーム主任研究開発員 20 年どに航空技術研究 ( 現 JAA) にったはスののシミュレーションをやっていました研究には大きな計機があって大なデータを力することができたのですが現象の根にれているエッセンスを解していないといくら計をしても新しい見はられませんてきた結果からどういう見をきすかは研究がのを解明して現象の本質をきんと解しているかによって決まりますは一つに見えても実にはいいな性質のものがみ合わさっている場合があります例えばき上りの場合構造を分析してみるとはつの構造の合体であることが分かります ( 図参照 ) この発見はあるからいたいたドイスがきっかけでしたくのがさままなで同じものを見ることで一つの現象のうも見え今まで分からなかった見をきすことができるのです現在は航空機エンジンやロケットエンジンの現象を解析するためのシミュレーション技術を高度化する研究がです具体的にはスーーンューターを使って大模でな数シミュレーションを行い現象の的な本質を解した上でモデル化するというをしていますまた航空分野でったCFD 数体力技術をースに日本の自動エンジン解析のプラットフームとなりるフトの開発も行っています開発のきっかけはロケットエンジンのの解析を見た自動エンジン研究からロケットエンジンのようないれの解析ができるのなら自動エンジンの解析もできないかとをっていたいたことでした自動と航空機やロケットのエンジンとの一のいは自動エンジンの場合ストンやルブが動くということです JAAでは来そこをカーしるさままな法の研究も行っていたこともあり 201 年からまった的イーション造プログラム (IP) 1 の新的技術プロジェクトに参することになりましたこれは大や自動社など数の機がまったプロジェクトです JAAはそのエンジンの解析をするの部分を作りの大などが開発するエンジンで起こるさままなプロセスにするのブモデルを合するというを担っていますそれら全てをまとめて HINCA() とんで開発を進めています現在はになっていますが自分の部のいがいい研究をした時はやりがいをじますとしてはいが研究しやすいをえるのが重要なの一つなのでそので果がたらうれしいですねもん HINCAもやりがいの一つです現在自動開発のシミュレーションに使われているフトは全部外製なのでフトのが航空技術の見をかした自動エンジンシミュレーションをにブラックックスのため独自のができませんまたいモデルを開発してもすにみことができませんとも日本製のフトが必要というもきますこの日本製のフトが実現すれば実験の回数や供試体の製作ストがり自動の設計プロセスから変わってくるでしょう度がいシミュレーションができるようになれば製品の確に使うなど C A 2 やシミュレーション技術を使った設計ができるようになりますま解明されていないの研究をすることでこれまで行ってきたシミュレーションによる設計から一進んより体の在能力をきした設計が可能となることをしていますそして日本の航空機業けでなく自動業をめた業にく貢献できればとっています 1 合技術イーションが主する技術イーションを実現するために設されたプログラム来のや分野のをえ研究開発課題とに PD( プログラムデレクター ) を定し研究から実用化業化までを見えて進していく CA(Co A ) 実にを作るにンューター上でシミュレーションし分析する技術試作や実験の回数をらすとともにさままな題を予し製品の設計製造程設計の検討のを行うき上りの構造 8 9

基礎基盤技術超小型ターボファンエンジン技術ジェットエンジンの研究では実機に搭載されるエンジンは実験設備も限られ実験コストも高くなります手軽に実験が可能でコストも安いそんな研究者のニーズから生まれた研究用超小型ターボファンエンジンを紹介します P NE2013 を ATF に配置して行う試験の様子ファンの回転状態を確認するため前方は透明の樹脂で作った部品を用いている

コアエンジンのメインシャフトを二軸構造にしそれに合わせて圧縮機や軸受などを変更していますまたフロントファンなどについては新規設計し低圧タービンを追加したものです最大推力は176.

のようにコンピューター上でモデルを作り燃焼状態をシミュレーションすることもできるようになっていますが部品一つをとっても試作品を作製して実際に動作させる試験も必要不可欠ですしかし実機のターボファンエンジンで試験を行うとなると 1 枚のファンブレード ( ファンの羽根 ) を作るだけでも数百万 ~ 数千万円もの費用が必要となってしまいますそのためいくつもの試作モデルファン回転数 :

7 圧縮機外径 : 66mm 高圧タービン外径 : 66mm 低圧タービン外径 : 85mm を作って試すことはできません NE2013は実際に使用されているターボファンエンジンのスケールモデルです研究用の試作部品も低コストで作製可能であり限られた予算の範囲内でもトライ & エラーを繰り返す試験ができます例えば 3Dプリンターで作製した部品を使って実験することもできます現在

6 基礎基盤技術超小型ターボファンエンジン技術ジェットエンジンの研究では実機に搭載されるエンジンは実験設備も限られ実験コストも高くなります手軽に実験が可能でコストも安いそんな研究者のニーズから生まれた研究用超小型ターボファンエンジンを紹介します P NE2013 を ATF に配置して行う試験の様子ファンの回転状態を確認するため前方は透明の樹脂で作った部品を用いている世界最小クラスのジェットエンジン 2011 年度から開始した小型ターボファンエンジンの適用研究では成果の一つとして小型ターボファンエンジン NE2013 を開発しました NE2013は世界的に広く作られているKJ66 系統のターボジェットエンジンをベースに JAXAの知見を活かした変更を加えて開発したターボファンエンジンです旅客機に搭載されるターボファンエンジンと同等の構造にするためコアエンジンのメインシャフトを二軸構造にしそれに合わせて圧縮機や軸受などを変更していますまたフロントファンなどについては新規設計し低圧タービンを追加したものです最大推力は176.4N バイパス比は 3 大きさはファン直径 120mm 長さ487mm 質量は約 10kgと非常に小型で燃料はジェット燃料または灯油と取り扱いも容易です超小型エンジン研究開発の背景 NE2013のような超小型のターボファンエンジンを JAXAが開発する理由は航空機用ジェットエンジンの研究開発に役立てるためです近年ではコンピューターの性能向上により CFD( 数値流体力学 ) のようにコンピューター上でモデルを作り燃焼状態をシミュレーションすることもできるようになっていますが部品一つをとっても試作品を作製して実際に動作させる試験も必要不可欠ですしかし実機のターボファンエンジンで試験を行うとなると 1 枚のファンブレード ( ファンの羽根 ) を作るだけでも数百万 ~ 数千万円もの費用が必要となってしまいますそのためいくつもの試作モデルファン回転数 : 30,000rpm ファン圧力比 : 1.2 ファン外径 : 120mm NE2013 の内部構造と諸元圧縮機回転数 : 126,000rpm 圧縮機圧力比 : 2.7 圧縮機外径 : 66mm 高圧タービン外径 : 66mm 低圧タービン外径 : 85mm を作って試すことはできません NE2013は実際に使用されているターボファンエンジンのスケールモデルです研究用の試作部品も低コストで作製可能であり限られた予算の範囲内でもトライ & エラーを繰り返す試験ができます例えば 3Dプリンターで作製した部品を使って実験することもできます現在 JAXAではNE2013 を使用し可変機構を組み込んだタービン静翼の評価やエンジン制御プログラムの研究など数々の試験を行っています量産化も夢ではない超小型エンジン NE2013の試験は実際に航空機が飛行する上空の環境を模擬できる高空性能試験設備 (ATF : Altitude Test Facility) で行われています日本国内のATFで実機サイズのエンジンの試験を行うことは困難ですが小型のNE2013であれば容易に行えるのです ATF での試験は今後も継続して行われます並行して通常の風洞内で NE2013を稼働させる試験も検討されています NE2013は研究機関である JAXAとしてはTRL の高い研究ですその技術は新潟市が進めている NIIGATA SKY PROJECT ( 下記囲み記事参照 ) でも利用されています NIIGATA SKY PROJECT のような取り組みを通じ将来的にNE2013が日本企業によって商品化量産化されることを期待しています現時点でも航空機に搭載されるジェットエンジンに比べれば非常に低コストで製作できる NE2013ですが量産化されることにより1 台あたり数十万円台で販売することもできるようになるでしょうそうなれば日本の航空エンジン研究が充実するだけでなく無人航空機への組み込みや大学などの機関が教育目的で使用できるようになるはずです NIIGATA SKY PROJECT 新潟市が地域活性化の一環として行っている新潟地域における産学官連携による航空機関連産業支援の取り組みが NIIGATA SKY PROJECT です新潟市の地元企業が得意とする機械金属加工技術を活かし低騒音で効率の良い小型ジェットエンジンの開発と 100kg の貨物を運搬できる貨物無人飛行機 ( カーゴ UAS) の開発を行っています詳しくは新潟市のウェブサイト ( lg.jp/) をご覧ください技術成熟度レベル (Technology Readiness Level) 技術の実用に向けた実証度を 1 から 9 のレベルで示した指標数字が大きいほど実用に近い技術とされる 10 11

7 Topic 1 Topic 2 Topic 3 上

ビジネスグリッドコンピューティングプロジェクト事後評価の概要について

ビジネスグリッドコンピューティングプロジェクト事後評価の概要について第 1 回航空機関連分野技術に関する施策事業評価検討会資料 5-8-4 軽量耐熱複合材 CMC 技術開発の概要について平成 24 年 11 月 29 日目次 1 1. プロジェクトの概要 2. 目的政策的位置付け 3. 目標 4. 成果目標の達成度 5. 事業化波及効果 6. 研究開発マネジメント体制等 1. プロジェクトの概要 2 概要軽量耐熱材料である CMC(Ceramic