航空機

 抜本的なゼロエミッション航空機の実現に向け、現行蓄電池性能の観点から、小型機(レシプロエンジン機)はピュアーエレクトリック航空機(電動航空機)に向かい、主力となる中大型機はハイブリッド機を経て、最終的に燃料電池航空機あるいは水素タービン航空機を実現する必要がある。
 特に、開発リスクの高い大型機では、既存の機体への持続可能な航空燃料(SAF:Sustainable Aviation Fuel)の導入が進むと考えられる。

航空機の未来予測

図1 航空機の未来予測

 抜本的なゼロエミッション航空機の実現に向け、現行蓄電池性能の観点から、小型機(レシプロエンジン機)はピュアーエレクトリック航空機(電動航空機)に向かい、主力となる中大型機はハイブリッド機を経て、最終的に燃料電池航空機あるいは水素タービン航空機を実現する必要がある。
 特に、開発リスクの高い大型機では、既存の機体への持続可能な航空燃料(SAF:Sustainable Aviation Fuel)の導入が進むと考えられる。

 現在、航空機に供給されるエネルギー源が一次エネルギーから二次エネルギーへと移行する過渡期にあることを認識しておく必要がある。その中で次世代航空機の鍵を握るのは、CO2ゼロを実現するための水素SAF(バイオ燃料、合成燃料)の供給である。 

 すなわち、再生可能エネルギーで発電した電力、その電力を使って製造したグリーン水素、あるいはバイオマスを原料としたバイオ燃料や、カーボンリサイクルにより製造された合成燃料(e-fuel)である。低コスト化と十分な供給量が必須であるが、既に欧米先進国はその方向に舵を切っている。  

 経済的理由により化石燃料から製造されたジェット燃料、化石燃料を使う火力発電で発電した電力、化石燃料を改質して得られた水素を使う限り、CO2ゼロの目標は達成されない。

次世代航空機の電動化トレンド

 中~大型航空機を対象に、1990年代以降、世界的に航空機システム電動化(MEA:More Electric Aircraft)が進められ、動力源を電力に統合してマネジメントする仕組みが実用化された。

 2000年代以降、MEA との連携を考慮したエンジン・システム電動化(MEE:More Electric Engine)では、大手航空機メーカーを中心にハイブリッド化による航空機全体の効率向上や最適運航による燃費改善が進められた。 

 2017年11月、エアバス、ロールスロイス、シーメンスが、シリーズ方式のハイブリッド電気推進システム「E-Fan X」の実証機開発で協力協定を結んだが、経済的な視点と技術的な成熟段階を見据えた結果、2020年4月にハイブリッド航空機の事業化計画を破棄した。大きな転換点である。

 「2050 年までに2005年比でCO2排出量の50%削減」という目標を達成するため、次世代航空機の開発ではさらなる電動化が求められている。すなわち、ハイブリッド航空機から電動航空機燃料電池航空機水素燃焼タービン航空機へのエンジン・システムの変革である。

 現在、次世代自動車と同様、小型航空機(レシプロエンジン機)は電動航空機(ピュアエレクトリック航空機へと向かう方向が明確になってきた。これは現状の蓄電池性能でカバーできる搭乗人数や飛行距離から決まったもので、蓄電池性能の向上と共にカバーできる範囲は広がる。

 また、レシプロエンジンをPEFC+電動機に置き換えた燃料電池航空機の飛行試験が実施されている。中大型機を対象に、機内分散電源や非常用電源のハイブリッドシステム(SOFC or PEFC+ガスタービン)への置き換えや、燃料電池プロペラ推進システムの開発も始まっている。

 一方、航空機業界で主力となる中~大型航空機が、燃料電池航空機と水素燃焼タービン航空機のどちらに向かうかは、今後の技術開発レベルによるところが大きい。燃料電池航空機と水素燃焼タービン航空機のいずれも、大型の水素タンクを搭載することが大きな開発課題である。

図2 エアバスが発表したゼロエミッション機「ZEROe」

 しかし、ジェットエンジンメーカーは実績のある水素燃焼タービン航空機を推進しており、燃料電池に関しては、補機やハイブリッド化によるサポート電源として位置付けられる傾向にある。そのため、真の燃料電池航空機の実現に向けては、スタートアップ企業の斬新なアイデアに期待が掛かる。 

 次々世代航空機については、米国NASAや日本JAXAが、将来を見据えてウィングボディ形状のターボ・エレクトリック分散推進方式(TeDP:Turbo-electric Distributed Propulsion))の旅客機構想を発表している。ウィングボディ後端に超電導ファンを複数個並べて推力を得る新方式である。 

SAFと水素燃焼タービン航空機

 エンジン・システムの開発には膨大な費用を要すると共に、その安全性・信頼性を実証するために長い期間が必要とされる。2020年代に入り、現状のエンジン体系を大きく変える必要のな持続可能な航空燃料(SAF)の採用に注目が集まっている。

 次世代航空機の開発動向は、次世代自動車と類似している。ただし、次世代自動車では供給量に問題があるとされたバイオ燃料であるが、使用量が限定される次世代航空機では供給可能性は十分にあるとし、SAFの導入に向け空港のインフラ整備が始まっている。

 一方、現状では航空機用の水素燃焼タービンは実用化されていない。これはジェットエンジンで水素を燃やすための燃焼器の改良軽量・コンパクトな極低温液体水素貯蔵タンクの開発大幅な機体の軽量など開発課題が山積のためである。

 中大型航空機を対象として、航空機メーカーはSAFに軸足を置くボーイングと、水素燃焼タービン航空機開発に一歩踏みだしたエアバスとに2極化している。一方で、エンジンメーカーはGE、P&W、ロールス・ロイスのいずれもが、現在の航空機エンジンの水素燃料化を長期的に進めていく戦略である。

 以上から、短期的には需要を満たすSAF供給のサプライチェーン構築長期的にはグリーン水素のサプライチェーン構築が重要となり、現状のジェット燃料並みの低コスト化が大きな課題である。

航空機開発の成功と失敗

 2023年2月、三菱重工業は連結子会社の三菱航空機が進めていた国産初となる「三菱スペースジェット(MSJ、旧MRJ)」の開発事業から撤退すると発表した。三菱重工業が約1兆円、経済産業省も約500億円を投入して開発を支援したが、事業化に失敗した。

 2003年5月に経済産業省の助成事業で研究開発を開始、2008年4月に国産リージョナルジェット機の事業化を目的に三菱航空機を設立した。
 2011年に初飛行、2013年に最初の顧客となる予定の全日本空輸へ機体納入の予定であった。しかし、2009年9月に設計変更を理由に納入延期、2015年11月に実験機での初飛行に成功するものの、検査態勢の不備や試験機の完成遅れなどで6度の納期延期を繰り返した

 事業撤退の原因は様々取り沙汰されているが、米国連邦航空局(FAA)からの型式証明の取得で設計変更が相次ぎ大幅な納期遅延を生じた点、設計変更による性能低下でライバルのブラジル製エンブラエル機に負けた点、購入契約の解消により採算ラインを割り込んだ点などがあげられている。

 「MSJ」は、76席と88席の2機種で、長さ33.4m、高さ16.4m、幅29.2m、プラット・アンド・ホイットニー製のPW1215G ギヤードターボファンエンジンを搭載し、最大運用高度:14450m、最大巡航速度:829 km/h、航続距離:1880~3740mである。

図3 三菱航空機の三菱スペースジェット「MSJ」  出典:三菱重工業

 一方、2006年8月、本田技研工業は小型ビジネスジェット機「HondaJet」の開発・製造・販売を行うHonda Aircraft Companyを分社し、米国ノースカロライナ州グリーンズボロ市に設立した。

 機体とともにエンジン開発が順調に進められ、2010年12月に量産機で初飛行に成功した。エンジンを主翼上面に配した独自技術で量産体制を整え、2015年12月には米国連邦航空局(FAA:Federal Aviation Administration)から型式証明を取得し、顧客への引き渡しを開始した。 

 その後、航続距離を伸ばした改良版「HondaJet Elite」で、2018年4月にFAA、5月に欧州航空安全機関(EASA:European Aviation Safety Agency)、12月に国土交通省航空局から、それぞれ型式証明を取得した。
 現在は、さらに航続距離を伸ばした「HondaJet Elite S」「HondaJet Elite II」をラインアップし、2022年2月時点で世界で約200機以上が運用されている。

 「HondaJet Elite」は、乗員を含む最大7人乗りで、長さ12.99m、高さ4.54m、幅12.12mで、GE・ホンダ・エアロ・エンジンが開発・製造したHF120ターボファンエンジンを搭載し、最大運用高度:13106m、最大巡航速度:782 km/h、航続距離:2261 kmである。

図4 Honda Aircraft Companyの小型ビジネスジェット「HondsJet」
出典:本田技研工業

 航空機構安全造材については、まず型式証明を取得し、その後に当局の安全要求規定に従い、航空証明の発効・許可などを受ける必要がある。その型式証明は、材料・設計・製造工程を特定した型式が、航空法の全要件に適合していることを証明する必要がある。

 対象がリージョナルジェット機小型ビジネスジェット機で航空機開発に関する単純比較はできないが、戦闘機やヘリコプターを開発し、航空機部品の一次サプライヤーでもある重工メーカーが失敗し、航空機とは無縁の自動車メーカーが成功したのである。 
 今後、空飛ぶクルマ次期戦闘機など次世代航空機の開発は避けて通れない、これらを成功に導くための興味深い事例として総括しておく必要がある。

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