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1 航空の航空の Future of Aviation 未来 パネルディスカッション 1 未来の航空機 三菱重工 HP より 三菱航空機 MRJ (2013 納入予定 ) エアバス HP より 全日空 HP より ボーイング B787 エアバス A380 未来の航空機はどうなるか? 飛行機はなぜ飛ぶか? 次世代の機体 : より安全により効率化より環境にやさしい ( サスティナブル ) より大型化? 20 年後は : より速く! そして落ちない飛行機 経済産業省 HP より では 50 年後は? 技術面からがんばって予測します 技術分野で整理すると 空気力学 コーディネータ李家賢一 ( 東京大学 ) パネリスト 推進工学エンジン 飛行力学思ったように飛べる 構造 材料機体を形作る 空気力学 横川譲 ( 宇宙航空研究開発機構 JAXA) 構造 材料 横関智弘 ( 東京大学 ) 飛行力学 原田正志 ( 宇宙航空研究開発機構 JAXA) 推進工学 姫野武洋 ( 東京大学 ) 推進工学 岡井敬一 ( 宇宙航空研究開発機構 JAXA) 1

2 本日の予定 5 人のパネリストによる発表 総合討論会場からの質疑応答 まとめ 2

3 第 2 東京大学パネルディスカッション 未来の航空機 話題提供 : 50 年後の空気抵抗 揚力 風切り音 ~ 抵抗ゼロ 騒音ゼロへの挑戦 ~ これまで目指してきたもの 50 年後は 空気抵抗が小さく 揚力が大きく 静かな機体 形状の工夫により追求 過去 現代 主に遷音速飛行を行うための空力設計 円柱胴体 + 翼 + 補助装置 が基本 部分ごとに洗練された空力 現代 20 年後 使い方に合った効率的な空力設計 単純円筒胴体 + 翼 からの脱却 構造もエンジンも同時に最適に設計 ( 図 : 三菱航空機 ) 50 年後 ( 図 :NASA)?( 図 :NASA) 宇宙航空研究開発機構 (JAXA( JAXA) 航空プログラムグループ国産旅客機チーム 横川譲 高揚力装置 ( 図 :Honda) 機首層流化 ( 図 :Boeing) ( 図 :Aerion) ( 図 :NASA) ( 図 :NASA) ( 図 :MIT/NASA) ( 図 :CleanSky) エーリアルール ( 図 :NASA) 空力デバイス 年後の社会で必要となるもの ウルトラエコと生活利便性の追求 形状設計による飛躍的な低環境負荷化の限界 新しい生活空間への適応の必要性 ( 超高速 / 宇宙 ) 形状主体の設計 ( 図 :Boeing) ( 図 :NASA) ( 図 :Aerion) ( 図 :NASA) 移行 流体の制御による高性能化 AIAA AIAA AIAA 特に 生体技術との融合に期待 AIAA AIAA バス大学 Julian Vincent 教授 現在 生物学とテクノロジーの間でメカニズムが共有されている部分は 10% にすぎない バイオミメティックスにより空力性能が飛躍的に向上 表面ナノ加工技術の実用化 リブレットによる抵抗低減 メンテナンス性も改善 カタツムリの殻 ハスの葉 生物の模倣 : 生体工学 / 医工学との融合 MEMS による動的な流体制御 セレーションによる騒音低減 ふくろうの羽 リブレットや表面波動による抵抗低減 サメの肌 イルカの皮膚 ボルテックスジェネレーターによる失速防止 ふくろうの羽 ( 写真 : 地球に謙虚に 運動) プラズマアクチュエータ ( 写真 :AIAA ) サメの肌 ( 写真 :National Geographic) リブレット ( 写真 : 海上技術安全研究所 ) 乱流制御システム ( 写真 : 東京大学笠木 鈴木研究室 ) 遺伝子技術等の応用により 利用範囲を拡大 自己最適化と進化により新しい生活空間へ適応 宇宙旅行 コストやエコを意識した空力性能しかし 極限環境で模倣できる生物は地球上に存在しない 空力性能の自己認識と最適化 モーフィング技術との融合 脳 神経科学 / 人工知能 動的に変化する耐熱耐圧複合材 新しい環境に向けた進化 生物の皮膚のような表面素材 遺伝子技術 再生医療 / 生体制御技術 ( 図 : ( 図 :LAPCAT) ( 図 :EADS/DLR) ( 図 :EADS) ( 図 :

4 航空機構造の軽量化 炭素繊維複合材料複合材技術の開発 改良 1960 年代 : 炭素繊維の発明 1970 年代 : 炭素繊維製造のスタート B787 Courtesy of Boeing 比強度 比剛性 = ( 強度 剛性 )/( 密度 ) 金属 : 比強度 <3~ cm 比剛性 <3~ cm 1990 年代 ~ 現在航空機等の構造材への適用 (B787, A350, etc) CFRP( 積層材 ): 比強度 >4~ cm 比剛性 >4~ cm 大幅な機体軽量化 燃費向上今後は? より効率的な適用 ( 現状は金属の置き換え ) エンジン周辺など チタン 15% アルミ 20% その他 5% 鉄 10% 複合材 50% 次世代材料 ナノファイバー (CNT etc.) 技術 CNT の発見 製造 (1990 年代 ) 複合材技術の開発 数十年後? 航空機構造の軽量化 * 炭素繊維をはるかに凌ぐ剛性 強度 (?) * 高い機能性 ( 熱 電気特性など ) スマート材料 * センサ ( 神経 ) アクチュエータ ( 筋肉 ) 制御 ( 脳 ) 機能の統合 * 自己修復機能 Courtesy of GSI Creos Corporation 耐荷能力の向上 構造に作用する荷重の制御 ( 低減 ) 機体軽量化 モーフィング (Morphing) 構造 形状可変構造 ( 飛行プロファイルに合わせた形状変化 ) 経済性 安全性 環境性能の向上 シームレス可変翼構造 ( 空気圧駆動 ) 形状可変構造の例 テレスコピック翼構造 必要な構造材料技術 AIAA 変形可能な構造 材料耐荷重能力と自在な変形性能を有する高性能アクチュエータ高い駆動力と変形能力を有する AIAA Bio-inspired Structures 生物から学ぶ構造 材料 1

5 第 2 回シンポジウムパネルディスカッション 未来の航空機 JAXA 所有 MuPAL-α 航空機が使用する舵 話題提供 : 50 年後の飛行機の乗り心地 宇宙航空研究開発機構 (JAXA( JAXA) 航空プログラムグループ無人機 未来型航空機チーム 原田正志 エレベータは機首の上げ下げを エルロンは左右の傾きを ラダーは機首の左右の向きを制御する 穏やかな風の中で飛ぶとき 突風に遭遇したとき 1 発生する揚力が一様に大きくなる 穏やかな風 穏やかな風の中では航空機が発生する揚力の分布は楕円形をしている 揚力の分布が楕円型のとき 抵抗が最も小さくなる 乗客は下から激しく突き上げられる 翼の付け根の曲げモーメントが大きくなり極端な場合 翼が折れる 近未来 突風に遭遇したとき 2 遠未来 突風に遭遇したとき 3 エルロンを左右同時に上げ 揚力を減らし 揚力分布を付け根に集中させる事で乗り心地を改善し 翼の破壊を防ぐ GLA:gust load alleviation 突風の大きさは翼の場所場所で異なっている そこで舵面を細かく分割し 素早く 細やかに動かす事で揚力分布を楕円に保ち 抵抗を小さくできる更には突風のエネルギーを推進力に換える事すら出来る

6 技術的問題点 小さくて信頼性の高いアクチュエーターがない 人工筋肉 生物の模倣 突風を受けてから加速度計などで突風を推定している 突風の情報の取得に遅れを生じる 新技術ライダー ライダーとは レーザーを使ったレーダー 離れた地点の風向風速を計測する事が出来る JAXA が開発中のライダー 未来の航空機は 主翼の後縁に無数の舵面があり 細やかに動かす事が出来る 舵面は小さく分割されたものではなく 生物のように連続してしなやかに動くものかも知れない ライダーを用いる事で事前に正確な突風の情報を知る事が出来る 上記の二つの技術で安全性と乗り心地を大幅に良くする事が出来る 追記 : 突風のエネルギーから推進力を生む事が出来る

7 ジェットエンジンの推進原理 航空エンジンの将来像 化石燃料ジェットエンジン代替燃料ジェットエンジン 出典 : 日航財団 WEB ページ /sankoushiryo_kitai.htm 低バイパス比ターボファンエンジン m ΔV 小大 小型大推力 超音速巡航機 高バイパス比ターボファンエンジン 東京大学宇宙航空研究開発機構 姫野武洋岡井敬一 推力 : T m ΔV 質量流量 : 平均増速 : m ΔV m ΔV 大小 以下 大量輸送用の航空エンジンを中心に説明 低燃費 亜音速巡航機 ジェットエンジンが進化してきた方向 燃料の低炭素化 脱化石燃料 B (BPR 1.0) B (BPR5.5) 短期 想定される代替燃料の動向ジェット燃料 + 合成燃料 ( 石炭 天然ガス由来 ) 低温特性良好 不純物少機体改修不要 経済性 と 環境適合性 の追求 高効率高バイパス比 低騒音静粛ノズル 高負荷圧縮機 高温タービン 低有害排出物 低 NOx 低 HC 高信頼性 低炭素 (CO2) ジェット燃料はケロシン ( 灯油 ) 材料 耐熱合金 複合材料 伝熱 タービン翼冷却 空力 三次元翼設計 燃焼 クリーン燃焼器 潤滑 高負荷軸受 2050 年 ~? 中期 長期 バイオ燃料 + 合成燃料 (?) 注意点 : 低温特性 熱的安定性 貯蔵特性 水素 メタン低炭素 ゼロ炭素 出典 : JAXA 岡井氏資料 運輸部門 CO2 排出量 出展 : 国土交通省 (2006 年度 ) 化石燃料ジェットエンジンの将来像 中間冷却 再生熱交換 ( 軽量熱交換器搭載 ) Ultra high-bypass fan (UHB) Open rotor (UDF/ATP) 材料伝熱空力燃焼潤滑 超低燃費 環境適合性を指向 ( 高バイパス + 高効率コア ) Inter-cooling cycle 出典 : Rolls-Royce 進化を支える基盤要素技術の方向性 耐熱合金複合材料 材料 傾斜機能材料耐熱複合材料 タービン翼冷却 伝熱 軽量熱交換器 三次元翼列設計 空力 非定常損失 騒音予測 クリーン燃焼器 燃焼 触媒利用 機能性流体 高負荷軸受 潤滑 磁気軸受 1

8 第 2 回シンポジウムパネルディスカッション 2 未来の航空機 話題提供 : 脱化石燃料の視点 (50 年後の脱化石燃料航空機 ) ( 水素燃料社会の実現に併せて ) 水素を燃料とした航空機が実現 燃料電池 電池などとの組み合わせにより 航空機全体の電化が進む (MEA=More Electric Aircraft) 脱化石燃料 ( 石油製品を燃料として消費すること 地球環境保全の視点 ) 厨房のかまどに紙幣をくべて煮炊きするのと似た行為だね ( 元素周期表を提唱したロシアの ) メンデレーエフ 19 世紀末 油田地帯を訪問した折 我々の子孫は 自分たちが使うべき原料物質を燃やしてしまったとして我々を恨むに違いない その通りである 我々は 石油や石炭といった貴重な資源を使い尽くそうとしているだけではなく 汚染を深刻化させ また 地球温暖化に拍車をかける二酸化炭素を増やしているのである Ronald Breslow, 科学がもたらす持続可能性 (2001 年 2 月 ) ( 代替燃料 燃料の選択肢拡大の視点 ) 航空燃料 原油価格のガソリン燃料に対する高止まり傾向 : 技術革新によりエネルギー源の転換がすでに行われつつある自動車 と異なり 航空機について新たな燃料が開発されつつあるとの情報がない ( 航空輸送産業に与える燃油価格高騰の構造的な影響について 日本航空 HP 2005 年 11 月 ) 注意すべき点 地球環境への CO 2 排出などの影響は研究が進んでいるが評価が確定しているとはいえないところもある 代替燃料 脱化石燃料の問題は 有限な資源 地球環境問題と現実の燃料価格の視点で議論される 燃料価格の上下に一喜一憂されない視点が重要 穀物由来の燃料からのバイオ燃料生成による穀物価格の高騰に見られるように一元的な見方は好ましくない 水素燃料の精製も 原料からのコスト 環境への影響といった全体を見渡す視点が重要 ( 上 2 項目は 実感する化学 NTS 引用 ) 水素燃料と水素燃料航空機 重量 液体水素 ジェット燃料 < 機体としてみた場合 > CO 2 排出しない クリーンな燃料 単位質量あたりの含有エネルギは大きいが分子量が小さく 体積で換算すると大きなタンクが必要 極低温の水素の管理が容易でない 1. 燃料消費は改善 2. 空虚重量増大 ( 大型化 ) 3. 最大離陸重量は低減 4. 揚抗比悪化 ( 翼が小さく構造的にも問題 ) 液体水素 体積 ジェット燃料 4 : 1 <エンジンとしてみた場合 > 希薄燃焼が安定して可能 純粋燃料より 寿命が長くなる 燃焼特性より燃焼器を小型化出来る 冷却空気を減らすことが出来る 置き換え ジェット燃料 ガソリン 脱化石燃料航空機に至る複数のシナリオ 水素燃料 2 次電池 水素燃料エンジン 燃料電池 + 電動モータ 電動モータ 1988 年飛行試験 ( 離着陸時作動 ) 水素燃料航空機 ボーイング社 2008 年燃料電池 / 電池飛行試験実施 電池航空機 小型燃料電池航空機 特殊用途 ( 監視 通信等 ) 無人機 極超音速水素ジェットジェット航空機 ( 高速化 ) 宇宙輸送への展開 極超音速機実現に向けて ( 極低温燃料のエンジン作動範囲拡大 機体冷却への活用 ) 燃料電池航空機 ( 大型化 ) 燃料電池旅客機実現に向けて ( 極低温燃料の超電導利用 大口径モータ 燃料電池の軽量化 ) 今後の航空機は電力要求の高まり 電動機構の増大の傾向が加速 推進系も含めたMEA(More Electric Aircraft) の視点が重要 1

9 ここまでのまとめ ( パネリストの意見より ) 生物の応用 ( 空気力学 構造 材料 飛行力学 ) モーフィング 燃料について脱化石燃料? 超高速機 宇宙航空機の実現 安全性向上環境適合性 ( エコ ) 向上低燃費低排出ガス低騒音 未来の航空機? 東京大学航空宇宙工学専攻の学生 大学院生による航空機概念設計結果 Rinoie Lab., Dept. Aero. & Astro., Univ. Tokyo Rinoie Lab., Dept. Aero. & Astro., Univ. Tokyo Rinoie Lab., Dept. Aero. & Astro., Univ. Tokyo 50 人乗り M1.6 超音速リージョナルジェット機 1

10 Rinoie Lab., Dept. Aero. & Astro., Univ. Tokyo 125 人乗りサスティナブル水素燃料航空機 無人火星航空機 Rinoie Lab., Dept. Aero. & Astro., Univ. Tokyo 水素燃料タンク 疑似生物舵面 本日の意見をまとめると未来の航空機は? 疑似生物表皮 モーフィング主翼 JAXA-SP

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