次世代航空機への挑戦!

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 次世代航空機の開発動向は、同様に低環境負荷を目指す次世代自動車と極めて良く類似している。ただし、次世代航空機ではバイオジェット燃料の供給の可能性は十分にあるとして、空港のインフラ整備による持続可能な航空燃料(SAF)の検討が先行して進められている。
 一方で、航空機の形式を従来のジェットエンジン機から電動機を組み合わせたハイブリッド機、さらに電動航空機燃料電池航空機水素タービン航空機へと向かう研究開発が始められている。

次世代自動車とのアナロジー

次世代自動車の開発

 図1に、低環境負荷に向けて進められている次世代自動車の変革をまとめる。国内では、バイオ燃料の供給可能量が懸念され、今後も大きな伸びは期待できない。そのため、CO2排出量の低減を実現するために、インフラ整備を充実させて電力あるいは水素を燃料とする方向を目指している。

 また、構造材料も車体の軽量化に向けた技術開発が継続的に進められているが、これは駆動形式とは無関係に燃費節減のために必要な開発項目と位置付けられる。

図1 自動車の低環境負荷を実現する使用燃料と構造材料の変革

 現在は低環境負荷を実現するために、自動車の形式はガソリン車(ディーゼル車を含む)→ハイブリッド車→電気自動車・燃料電池車へと向かっている。ハイブリッド車は、ガソリン車から電気自動車・燃料電池車へと向かうための「つなぎ役との認識が一般的である。

 しかし、電気自動車・燃料電池車についても、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を使用することが前提である。経済的理由により火力発電による電力や化石燃料を改質して得られた水素を使う限り、低環境負荷の最終目的は達成されない。

 一方で、蓄電池の高性能化が急速に進行しており、普通乗用車に関しては走行距離の問題も電気自動車(BEV)でクリアできるレベルに達している。そのため燃料電池は大型のトラックやバスなど、さらなる長距離を輸送する移動体への採用検討に移行している。

次世代航空機の開発

 図2は、低環境負荷を実現するための次世代航空機の使用燃料と構造材料の変革を、次世代自動車で示した図1と対比したものである。同じ低環境負荷を目指す次世代自動車と次世代航空機の開発の流れは、極めて良く似ている。ただし、次世代航空機の開発は始まったばかりである。

図2 航空機の低環境負荷を実現する使用燃料と構造材料の変革

 ところで、2018年の日本における石油総消費量は2億631万kLで、その内訳は自動車が42%、航空機が2.6%、運輸・船舶が2.0%である。自動車の莫大な燃料消費量に比べ、航空機による消費量は限定的である。また、航空機の燃料供給拠点は空港に限定されるなど、自動車とは少々状況が異なる。

 実際に、次世代航空機ではバイオジェット燃料の供給可能性は十分にあるとして、空港のインフラ整備による持続可能な航空燃料(SAF:Sustainable Aviation Fuel)の検討が進められている。SAFの供給量が需要を満たせば、現状の航空機体系を大きく変える必要がないため期待度が高い。

 ジェットエンジンの開発には膨大な費用を要し、その安全性・信頼性確保には長い期間が必要とされている。このことがバイオジェット燃料の導入拡大の背景となっている。2020年代には、中~大型民間航空機へのバイオジェット燃料の導入が進むと考えられている。

 一方で、構造材料の軽量化に向けた開発は、航空機が自動車よりも先行して進めてきた経緯がある。しかし、今後は次世代自動車向けに開発された熱可塑性炭素繊維強化複合材料や異種材料接合技術などの航空機への適用展開が期待される。

 また、2050 年カーボンニュートラルを実現するため、航空機の形式をジェットエンジン機ハイブリッド機電動航空機燃料電池航空機水素タービン航空機へと向かう研究開発が始まっている。現在、次世代自動車と同様に、短距離向け小型航空機は電動航空機へと向かっている

 中~大型航空機は、ジェットエンジン・メーカーが燃料を水素に替えた水素タービンの開発を進めており、燃料電池は補機やハイブリッド化によるサポート電源と位置付けられる傾向にある。そのため燃料電池航空機の実現には、スタートアップ企業などによる斬新なアイデアが期待される。

 燃料電池航空機、水素タービン航空機いずれの場合も、大量の水素燃料の搭載方法が大きな課題である。自動車用の高圧水素タンクでは長距離運航に問題が生じるため、液体水素の検討も始まっている。

航空機のシステム電動化

電動化による燃費削減

 現状のジェットエンジンは航空機に推進力を与えるだけではなく、機体の空調システムや機体システムで用いられる発電機や油圧ポンプなどを駆動するための機械動力を供給するエネルギー源でもある。このような補機類の燃費削減のために、部分的な電動化が進み始めている。 

 以下に、航空機の電動化の動向と未来予測を、以下にまとめる。

『航空機電動化の動向と未来予測』:
●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機体システムにおいて実用化された。
●2000年代以降、エンジン・システム電動化(MEE:More Electric Engine)が進められ、MEA との連携により、航空機全体のさらなる効率向上や最適な運航が実現された。
●2010年代後半には、一転して電動垂直離着陸機(eVTOL:electric Vertical Take-Off and Landing)に代表される「空飛ぶクルマ」の発表が相次ぎ、小型電動航空機による都市航空交通(UAM:Urban Air Mobility)の実現性がPRされた。
●2020年代に入ると、小型電動航空機のUAM運用が始まると予測されている。電動航空機の最大の利点は燃料費や整備費など運航に係るコスト削減効果である。
 現時点で、電動化により燃費削減効果が顕著なのはガソリンエンジン搭載の小型プロペラ機であり、エンジン整備が不要となり運航コストの40%近い削減効果が試算されている。
●2030年代には、中~大型民間航空機エンジンのハイブリッド電動化が始まる。中~大型機エンジンでは完全電動化で実用的な航続距離を確保することが困難なためである。
 ハイブリッド化による燃費削減は数%~10数%程度と試算されている。燃費削減のメカニズムも小型機とは異なり、電動ファンの活用による空力抵抗低減や、多発化によるファンの総面積拡大で推進効率向上を図る方法が検討されている。
●2040年代以降には、大型民間航空機エンジンの電動化が進み、水素タービン航空機の実用化が始まると予測されている。 

航空機電動化コンソーシアム(ECLAIR)のビジョン

 2018年7月に、航空機電動化コンソーシアム(ECLAIR:Electrification ChaLlenge for AIRcraft (ECLAIR) Consortium)が、宇宙航空研究開発機構(JAXA)が中核となり経済産業省、IHI、川崎重工業、日立製作所、三菱電機など、政府や航空・電機産業の民間企業が参画して設立された。
 産学官連携により、日本の航空機電動化の技術開発と、航空・電機産業間の連携を促進し、航空機電動化技術の国際競争力向上を目指すことを目的としている。

 2018年12月には、航空機電動化コンソーシアム(ECLAIR)のオープンフォーラムを開催され、図3に示すように、コンソーシアムではICAOの示したCO2削減目標(2050年に2005年比で半減する)に対して、従来技術改善と次世代技術導入による寄与率の予想を具体的に掲げた。

 すなわち、ジェットエンジンのさらなる高バイパス比化、機材運用などの従来技術改善により35%分のCO2排出量削減を実現し、残り60%超分はバイオ燃料の導入航空機電動化水素燃料の利用などの次世代技術の導入で対応する。

 2021年以降には航空会社へのCO2排出権を規定する枠組みが開始されるため、航空各社はCO2排出対策を加速させる必要がある。

図3 CO2排出量半減に向けた電動化の寄与の予想
出典:航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

 図4には、ECLAIRコンソーシアムで設定された電動化ビジョンを示す。すなわち、比較的難易度の低い小型機から始めて、中大型機と段階的に電動化を推進する構想である。

図4 世界の航空機電動化の動向とÉCLAIRのビジョン
出典:航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

 現状の小型固定翼機ではピストンエンジンやターボプロップエンジンの採用が多く、機体が小さく飛行速度が高速になるほど燃費は高くなる。そのため小型垂直離着陸機(VTOL)を含む小型機推進系の完全電動化により、燃費削減を図る必要がある。

【電動化ビジョン1】では、2020年代に「空飛ぶクルマ」を始めとした小型垂直離着陸機(VTOL)や、推進系を除く装備品部分で電動化を進めた航空機(MEA)など、小出力用途で電動化を進める。

【電動化ビジョン2】では、2030年代に航空機全体のCO2排出総量の大部分を占める民間航空機のうち席数が100~200席程度のナローボディー機に、電動化技術の適用を広げる。

 しかし、民間航空機の電動化は装備系での採用が始められたばかりで、推進系への採用は技術的に未開拓な分野である。そのため小型機では推進系を含む完全電動化が主流となるが、旅客機は航続距離の面からジェットエンジンを併用するハイブリッド方式で電動化が進む。

【電動化ビジョン3】では、2040年代に200~400席程度のワイドボディー機を含めたほぼ全ての航空機で電動化を適用して燃費を大幅に削減し、一部で水素燃料の導入によりCO2排出量の削減を進める。

【電動化ビジョン4】では、2050年の電動化対象と電動化率の最大化を進める。

航空機電動化のリスク対応

 一方で、航空機の電動化には様々なリスクが伴う。

「空飛ぶクルマ」を始めとした小型垂直離着陸機(VTOL)のリスク
①従来の回転翼機のオートローテーション機能がないため、推進系の故障発生時には即時に墜落
②操縦系統に機械的機構がなく、コンピューターや通信系などの電気系故障により即座に制御不能
③騒音が大きいため低空飛行が許容されないなど。。。

高高度飛行を行う電動旅客機のリスク
①低圧下における電気系統のコロナ放電と絶縁破壊による損傷
②高放射線下における半導体素子の故障(シングルイベント効果)
③低空気密度による冷却機能低下
④ジェットエンジンとのハイブリッド化による電気系統の故障と故障確率の増加
⑤最大出力持続時間(離陸定格で5分以上)が長いため電動デバイスが過熱

 ECLAIRコンソーシアムでは、これらの電動化リスクに対応した重要技術課題として、以下の8項目を重要開発課題としている。

共通の重要技術課題
①電動要素の高出力密度化
②蓄電池の安全性と高エネルギー密度の両立
③推進効率の高効率化
④推進系の安全性・信頼性保証
高高度飛行の重要技術課題
⑤電気の耐放電・耐放射線
⑥電動要素の熱&パワー管理・制御
低高度飛行の重要技術課題
⑦電動推進システムの耐故障
⑧ファン・プロペラの低騒音化

特に重要である①電動要素の高出力密度化と②蓄電池の安全性と高エネルギー密度の両立については、それぞれ定量的な数値目標を図5と図6に示している。

図5 電動モーターとインバータの合計出力密度の目標
出典:航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

 ①電動要素の高出力密度化の目標値に関して、小型電動航空機については現状技術に近いオーダーの数値が示されているが、民間航空機レベルについては現状技術とは大きなギャップが存在するため、今後の重要な開発課題としている。

図6 蓄電池の電源電圧とエネルギー密度の目標
出典:航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

 ②蓄電池の安全性と高エネルギー密度の目標値に関しては、小型電動航空機については現状技術でもエネルギー密度が1/2程度と低く、民間航空機レベルについては現状技術とは大きなギャップが存在するため、今後の重要な開発課題である。

航空機駆動システムの分類

 航空機ジェットエンジンは、前方から取り込んだ空気を圧縮機で高温高圧状態にし、そこにジェット燃料を噴射して燃焼させることで後方に排気し、その反作用により推進力(推力)を得ている。

 現在、航空機の主流であるターボファンエンジンは、さらに燃焼ガスによってタービンを回転させ、その回転力によってエンジン前方に配置した推進ファンを駆動して推力を増している。ファンは大径化してその流量を増加させることで効率向上を目指す「高バイパス比化」が進められている。

 近年、さらなる高バイパス比化を目指し、ファンを低圧圧縮機および低圧タービンと異なる低回転数で駆動できるギアード・ターボファン(GTF:Geared Turbo-Fan)エンジンが開発されている。
 エアバスA320neoに搭載されるPratt & Whitney製のPW1100GJMエンジンは、先進GTFを採用し、バイパス比を同クラスの従来エンジンの約5から約12まで増加させ、高い推進効率を実現している。

図7 ターボファンエンジンの基本構成

 図8には、航空機用ジェットエンジンの電動化の分類を示す。電気を使う航空機の総称として電動航空機(EA:Electric Aircraft)という表現が使われている。

 広義の電動航空機(EA)には、ジェットエンジンと電動モーターを併用するハイブリッド航空機(HEA:Hybrid Electric Aircraft)、蓄電池のみの狭義の電動航空機のピュアエレクトリック航空機(PEA:Pure Electric Aircraft)、燃料電池航空機(FCEA:Fuel Cell Electric Aircraft)が含まれる。

 また、小型航空機の電動化が進めば、プラグイン・ハイブリッド航空機(PHEA)が現れるであろう。また、次世代航空機には燃料電池航空機(FCEA)に加えて、燃料を水素としてジェットエンジンで飛行する水素タービン航空機(HTA:Hydrogen Turbine Aircraft)の開発が進められている。

図8 広義の電動航空機(EA)の分類

 自動車の電動化と類似した様相を示す航空機の電動化であるが、大きな違いがある。広義の電気自動車に共通するのは回生ブレーキで、減速時に生じるエネルギーを蓄電池に充電することで燃費が向上する。しかし、航空機では回生ブレーキが使われず、異なる燃費向上の仕組みが採用されている。

ハイブリッド航空機(HEA)

 ハイブリッド航空機(HEA)ではジェットエンジンと電動モーターを動力源とするが、2つの動力源の使い方により、図9に示す(a)パラレル方式、(b) シリーズ・パラレル・パーシャル方式、(c)シリーズ方式の3種類が検討されている。

(a) パラレル方式
(b)シリーズ・パラレル・パーシャル方式
(c)シリーズ方式
図9 ハイブリッドエンジンの分類と基本構成

 パラレル方式は、ファンをジェットエンジンと電動モーターの両方で駆動させる方式で、ターボファンエンジンに電動モーターを直列に接続する。主にジェットエンジンでファンを駆動して二次電池(蓄電池)に充電し、燃料を多く消費する離陸時に電動モーターがアシストする。

 シリーズ・パラレル・パーシャル方式は、エンジン軸動力の一部を発電機により電力に変換し、胴体尾部に設置されたファンを電動モーターで駆動する。胴体尾部ファンは胴体表面の境界層を吸い込み、摩擦抵抗を抑制するためBLI(Boundary Layer Ingestion)ファンと呼ばれ、同時に推力も発生する。 
 従来のチューブ&ウィング形状の機体への適用が容易で、蓄電池がなくても成立するなど、技術的リスクが比較的小さいため、旅客機の電動化手法として有望と考えられている。

 パラレル方式とシリーズ・パラレル・パーシャル方式のハイブリッド航空機は、2030年代から社会実装され、従来よりも約10%程度のエネルギー消費量の低減が可能と想定されている。

 シリーズ方式は、ジェットエンジンに連結された発電機を駆動させて得られた電力で、電動モーターによりファンを回転させる。現在検討されている電動航空機の多くは、このシリーズ方式である。
 ジェットエンジンは発電機の駆動用で設置位置は比較的自由で、推力を生み出す電動ファンの配置やファン数も自由度が高い。余剰電力が発生する場合には蓄電池に充電して、必要な場合に使用する。

 シリーズ方式ではファンの設置自由度が高いため、機体形状をチューブ&ウィングからさらに効率的な翼と胴体が一体となった機体形状(BWB:Blended Wing Body)とすることができる。さらには燃料電池と組み合わせた複合サイクル化も可能である。

 シリーズ方式のハイブリッド航空機は2040年代からの社会実装が想定されており、従来技術から30%以上のエネルギー消費の低減が見込まれている。

プラグインハイブリッド航空機(PHEA)

 外部からも充電が可能なプラグインハイブリッド航空機(PHEA)は、ジェットエンジンを動かすことなく蓄電池の充電が可能であるため、小型電動航空機の実用化段階では有効となる。

ピュアエレクトリック航空機(PEA)

 図10のように蓄電池、電動モーター、推進ファンで構成され、蓄電池からの電力で推進ファンを回転させる方式である。静粛性に優れジェット燃料を使用しないため、運行中のCO2排出量は零である。

 現状の技術レベルで、小型航空機のピュアエレクトリック化は可能である。しかし、中~大型旅客機のピュアエレクトリック化を実現するためには、出力密度の高い高性能蓄電池の開発が必須である。

図10 ピュアーエレクトリックエンジンの基本構成

 2006 年、ドイツの Lange Aviationが型式証明を取得した電動モーターグライダー (Antares 20E)は、有人飛行機としては世界で初めてリチウムイオン電池(LIB:Lithium-Ion Battery)を採用した。Antares 20E以後、世界各国で電動航空機の開発が加速され、航空機性能は著しく進歩した。

燃料電池航空機(FCEA)

 図11で示すように電動モーター、推進ファン、燃料電池、水素燃料タンク、蓄電池により構成され、燃料電池からの電力で推進ファンを回転させる方式である。静粛性に優れ、ジェット燃料を使用しないため、運行中にCO2排出量はゼロであるが、軽量・コンパクトな水素燃料タンクが必要である。

 現状で小型航空機の燃料電池駆動は可能で、BEAに比べて長距離飛行ができる。しかし、中~大型の旅客機への適用には高性能燃料電池と水素燃料タンクの開発が必須であり、現状は補助動力装置の燃料電池への置き換え、次世代航空機に向けてジェットエンジンとのハイブリッド化が検討されている。

図11 燃料電池駆動機構の基本構成

水素タービン航空機(HTA:Hydrogen Turbine Aircraft)

 図12で示すように、水素タービン、推進ファン、水素燃料タンクにより構成され、水素タービンで推進ファンを回転させる方式である。水素燃料を使用するため、運行中にCO2排出量はゼロである。しかし、軽量・コンパクトな水素燃料タンクと水素燃焼器の開発が必要である。
 特に、水素燃料タンクの小型化が課題であり、エアバスなど航空機メーカーは、短~中距離向け旅客機の開発に的を絞っている。

図12 水素タービンエンジンの基本構成
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