B787 A380 - aerospace.t.u-tokyo.ac.jp · 2009.3.25...

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空空航航イノベーション研究会イノベーション研究会空空航航イノベーション研究会イノベーション研究会空空航航イノベーション研究会イノベーション研究会

『『航空の航空の未来未来』』

Future of Aviation

パネルディスカッション１

「未来の航空機」

空空航航イノベーション研究会イノベーション研究会空空航航イノベーション研究会イノベーション研究会空空航航イノベーション研究会イノベーション研究会空空航航イノベーション研究会イノベーション研究会空空航航イノベーション研究会イノベーション研究会空空航航イノベーション研究会イノベーション研究会

三菱航空機 MRJ (2013 納入予定）

ボーイング B787 エアバス A380


三菱重工HPより

全日空HPより

エアバスHPよりエアバスHPより

全日空HPより

三菱重工HPより


未来の航空機はどうなるか？

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？

より速く！20年後は：

では50年後は？

技術面からがんばって予測します

経済産業省HPより

そして落ちない飛行機


飛行機はなぜ飛ぶか？


空気力学

推進工学エンジン

構造・材料機体を形作る

飛行力学思ったように飛べる

技術分野で整理すると


コーディネータ李家賢一（東京大学）

パネリスト

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)

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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

2009.3.252009.3.25第２回航空イノベーション研究会シンポジウム＠東京大学第２回航空イノベーション研究会シンポジウム＠東京大学

パネルディスカッション「未来の航空機」パネルディスカッション「未来の航空機」

話題提供：話題提供：

５０年後の空気抵抗、揚力、風切り音５０年後の空気抵抗、揚力、風切り音

~~抵抗ゼロ・騒音ゼロへの挑戦抵抗ゼロ・騒音ゼロへの挑戦~~

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宇宙航空研究開発機構（宇宙航空研究開発機構（JAXAJAXA））

航空プログラムグループ航空プログラムグループ国産旅客機チーム国産旅客機チーム

横川横川譲譲

(図:NASA)

これまで目指してきたもの、これまで目指してきたもの、5050年後年後は・・・は・・・

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空気抵抗が小さく、揚力が大きく、静かな機体空気抵抗が小さく、揚力が大きく、静かな機体

→→ 形状の工夫により追求形状の工夫により追求

(図:MIT/NASA)

(図:NASA)

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

・・

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

エーリアルール

機首層流化高揚力装置

空力デバイス

(図:三菱航空機)

(図:CleanSky)

(図:Aerion)

？？過去 ⇒ 現代 →

→ 現代 ⇒ 20年後 →

→ 50年後 →

(図:NASA)

(図:Honda)

(図:NASA)

(図:Boeing)

(図:NASA)

特に、生体技術との融合に期待特に、生体技術との融合に期待

5050年後年後の社会で必要となるものの社会で必要となるもの

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ウルトラエコと生活利便性の追求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）

形状主体の設計流体の制御流体の制御による高性能化AIAA2006-3027

AIAA 2002-3159 AIAA2004-2622AIAA2003-784

AIAA2006-2858

移行移行

(図:NASA)(図:NASA)

(図:Boeing) (図:Aerion)

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

MEMSMEMSによる動的な流体制御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

生物の模倣：生体工学／生物の模倣：生体工学／医医工学との融合工学との融合

サメの肌（写真:National Geographic）

乱流制御システム（写真：東京大学笠木・鈴木研究室）

ふくろうの羽（写真:「地球に謙虚に」運動）

リブレット（写真:海上技術安全研究所）

プラズマアクチュエータ（写真：AIAA2009-697）

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自己最適化と進化により新しい生活空間へ適応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

遺伝子技術等の応用により、利用範囲を拡大遺伝子技術等の応用により、利用範囲を拡大

(図:EADS)

(図:http://www.xcor.com)

(図:http://www.virgingalactic.com)

(図:LAPCAT)

(図:EADS/DLR)

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航空機構造の軽量化

炭素繊維複合材料

1960年代：炭素繊維の発明1970年代：炭素繊維製造のスタート

複合材技術の開発・改良 1990年代～現在

航空機等の構造材への適用（B787, A350, etc）

比強度・比剛性＝（強度・剛性）／（密度）

金属：比強度＜3~4×106 cm比剛性＜3~4×108 cm

CFRP（積層材）：比強度＞4~5×106 cm比剛性＞4~5×108 cm

大幅な機体軽量化 → 燃費向上

Courtesy of Boeing

B787

複合材

50%

チタン

15%

その他

5%鉄

10%

アルミ

20%

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

航空機構造の軽量化

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・・・？

＊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、環境性能の向上経済性、安全性、環境性能の向上

変形可能な構造・材料変形可能な構造・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性能アクチュエータ高い駆動力と変形能力を有する

テレスコピック翼構造

形状可変構造の例

必要な構造材料技術

シームレス可変翼構造（空気圧駆動）

AIAA 2004-1772AIAA 2004-1888

Bio-inspired Structures→生物から学ぶ構造・材料

第２回航空イノベーション研究会シンポジウム第２回航空イノベーション研究会シンポジウムパネルディスカッションパネルディスカッション「未来の航空機」「未来の航空機」

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（宇宙航空研究開発機構（JAXAJAXA））

航空プログラムグループ航空プログラムグループ

無人機・未来型航空機チーム無人機・未来型航空機チーム

原田正志原田正志

航空機が使用する舵

JAXA所有MuPAL-α

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

穏やかな風の中で飛ぶとき

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。

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

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

突風に遭遇したとき２

GLA:gust load alleviation

近未来

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

突風に遭遇したとき３

遠未来

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

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。

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化石燃料ジェットエンジン

代替燃料ジェットエンジン

航空エンジンの将来像

東京大学

宇宙航空研究開発機構

姫野武洋

岡井敬一

ジェットエンジンの推進原理

出典 : 日航財団WEBページ低バイパス比ターボファンエンジン

高バイパス比ターボファンエンジン

小型大推力 ⇒ 超音速巡航機

低燃費 ⇒ 亜音速巡航機

推力 :

質量流量 : 平均増速 :

VmT Δ×≈

VΔm

大

小VΔm

小

大VΔm

http://www.jal-foundation.or.jp/shintaikikansoku/sankoushiryo_kitai.htm

以下、大量輸送用の航空エンジンを中心に説明

ジェットエンジンが進化してきた方向

環境適合性

高効率高バイパス比高負荷圧縮機高温タービン

高信頼性

低騒音静粛ノズル

低有害排出物低NOx、低HC低炭素(CO2)

経済性との追求

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

B737-200(BPR 1.0)

B737-700(BPR5.5)

ジェット燃料はケロシン(灯油)http://www.techtransfer.berkeley.edu/aviation02downloads/

燃料の低炭素化・脱化石燃料

水素、メタン

低炭素、ゼロ炭素長

期

バイオ燃料＋合成燃料 (？)

注意点：低温特性、熱的安定性、貯蔵特性中

期

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

短

期

想定される代替燃料の動向

2050 年 ~ ?

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)

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列設計燃焼クリーン燃焼器潤滑高負荷軸受

材料傾斜機能材料耐熱複合材料

伝熱軽量熱交換器空力非定常損失、騒音予測燃焼触媒利用、機能性流体潤滑磁気軸受

化石燃料ジェットエンジンの将来像

出典 : Rolls-Royce

Open rotor (UDF/ATP)

Ultra high-bypass fan (UHB)

Inter-cooling cycle

進化を支える基盤要素技術の方向性

超低燃費、環境適合性を指向(高バイパス + 高効率コア)

中間冷却・再生熱交換(軽量熱交換器搭載)

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第２回航空イノベーション研究会シンポジウム第２回航空イノベーション研究会シンポジウムパネルディスカッション２パネルディスカッション２「未来の航空機」「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CO2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

重量体積

4 : 1

液体水素

ジェット燃料液体水素

ジェット燃料

・CO2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．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）

・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

＜機体としてみた場合＞＜エンジンとしてみた場合＞

脱化石燃料航空機に至る複数のシナリオ

燃料燃料電池航空機（大型化）電池航空機（大型化）

特殊用途（監視、通信等）無人機

ジェット燃料

ガソリン

水素燃料

2次電池

置き換え

燃料電池＋電動モータ

水素燃料エンジン

ボーイング社２００８年燃料電池／電池飛行試験実施

１９８８年飛行試験（離着陸時作動）

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

水素燃料航空機水素燃料航空機

極超音速水素極超音速水素ジェットジェット航空機（高速化）航空機（高速化）

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）

宇宙輸送への展開

電動モータ

小型燃料電池航空機小型燃料電池航空機

電池航空機電池航空機

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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

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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




50人乗りM1.6超音速リージョナルジェット機


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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



本日の意見をまとめると未来の航空機は？


モーフィング主翼

水素燃料タンク

疑似生物表皮

疑似生物舵面

JAXA-SP-04-001

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