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No.060 C O N T E N T S I N T R O D U C T I O N 3

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Academic year: 2021

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(1)

対談

中橋和博

杉浦一機

これからの航空機を考えてみよう

航空エンジン 過去から未来

未来の航空エンジンはどう変わる?

滑走路のいらない夢の航空機

次世代VTOL機技術の可能性を探る

実際に飛んで、技術を実証する

JAXAの実験用航空機

宇宙飛行士の健康を守り、

その成果を地上でも役立てたい

地球の水や生命の謎に挑む

「はやぶさ2」ミッション

消耗品ゼロで高効率にリサイクル

将来の有人探査に向けた

新たな水再生システム

JAXA航空本部長 航空アナリスト

特集

未来の航空機

宇宙航空研究開発機構機関誌 No.

060

March 2015

(2)

2 安全保障 防災 産業振興 フロンティアへの挑戦 JAXA’sでは、 JAXAが取り組む3つの分野での活動を ご紹介していきます。 1 安心・安全な社会を目指す「安全保障・防災」 2 宇宙技術を通して日本の産業に貢献する「産業振興」 3 宇宙の謎や人類の活動領域の拡大に挑む 「フロンティアへの挑戦」です。 宇宙航空研究開発機構機関誌 No.

060

C O N T E N T S 表紙画像:小型静粛超音速旅客機(イメージ) NEWS 油井亀美也宇宙飛行士  5月からISS長期滞在へ 20

宇宙飛行士の健康を守り、

その成果を地上でも役立てたい

古川 聡 宇宙飛行士 宇宙医学生物学研究室長 12

実際に飛んで、

技術を実証する

JAXAの実験用航空機

10

滑走路のいらない夢の航空機

次世代VTOL機技術の

可能性を探る

ヘリコプターの特徴を活かし、高速化を目指す 次世代高速ヘリコプター 青山剛史 航空本部 機体システム研究グループ 回転翼機セクション セクションリーダ 小曳 昇 航空本部 機体システム研究グループ 回転翼機セクション 主任研究員 田辺安忠 航空本部 機体システム研究グループ 回転翼機セクション 主任研究員 垂直離着陸で、Door to Doorの移動を短縮する 4発ティルト・ウィングVTOL機 村岡浩治 航空本部 機体システム研究グループ システム概念セクション 主任研究員 8 3 対談

これからの航空機を考えてみよう

中橋和博 × 杉浦一機  JAXA航空本部長 航空アナリスト 首都大学東京 客員教授 消耗品ゼロで高効率にリサイクル

将来の有人探査に向けた

新たな水再生システム

松村祐介 有人宇宙ミッション本部 有人宇宙技術センター 技術領域リーダ 16 地球で思ふ事 <宇宙飛行士の訓練> 星出彰彦 宇宙飛行士 18 6

航空エンジン 過去から未来

未来の航空エンジンはどう変わる? 西澤敏雄 航空本部 aFJRプロジェクトチーム プロジェクトマネージャ 19 JAXA最前線

地球の水や生命の謎に挑む

はやぶさ2

ミッション

渡邊誠一郎 「はやぶさ2」プロジェクトサイエンティスト 名古屋大学大学院 環境学研究科 教授 14

号は、航空分野の中でも未来の航空機に関す

る研究を中心にお届けします。表紙は、未来

の超音速旅客機のイメージ画像です。巻頭の

対談では、中橋和博航空本部長と航空アナリ

ストの杉浦一機氏が、これからの航空機について語り合い

ました。また、JAXAが目指す低燃費で環境に配慮した

航空エンジンや、滑走路を必要としないVTOL(垂直離着

陸)機技術の研究を取り上げ、航空機の未来像に迫ります。

グラビアページではJAXAが所有している実験用航空機

MuPAL-αと実験用ヘリコプターを紹介しています。

今年の5月には油井亀美也宇宙飛行士の国際宇宙

ステーション滞在を予定しています。宇宙

での長期滞在が人間に与える影響や

最近の研究について、宇宙医学生物

学研究室長の古川聡宇宙飛行士

に聞きました。将来の有人探査

も見据えた新たな「水再生シス

テム」の研究も進んでいます。

昨年12月3日に打ち上げられた

「はやぶさ2」は順調に飛行を続

けています。ミッションの科学

的目標を、プロジェクトサイエ

ンティストの渡邊誠一郎教授に

聞きました。

I N T R O D U C T I O N

これからの航空機を

考えてみよう

中橋

JAXA

杉浦

航空

フロンティア への挑戦 産業振興 安全保障防災 空機 は す で に 私たち の 経済活動 や社会生活 に お い て欠 か せ な い 重要な社会基盤 の 1 つ に な っ て い ま す。 今後も需要 の 拡大 が 見 込 ま れ 、 世 界 的 競争 が 激 し く な っ て い くと予想され る 航空機産業 の 将来 は ?  そ し て必要な 技術と は ? 長年航空機技術 の 研究 に 携 わ っ てきた中橋和博航空本部長と 、 航 空機 の 利 用者 の 立 場 に た っ て航空輸送 を考えて こ られた航空 ア ナ リ ス ト の 杉 浦 一 機 氏 が 、 これからの航 空 機に つ い て 語り合 い ま し た 。 構成寺門和 夫 ︵ 科学 ジ ャ ー ナ リ ス ト ︶ 杉浦 航空技術 素晴 1952 年ま う空 下請 JAXA 中橋 関係 M R J 新し うと 杉浦 三菱 M R J 初め 、JAXA MRJ

M

R

J

国民

わくわくさ

よう

して

時代

換期、

革新的な技術が

望まれ

思い

3

(3)

中橋和博

NAKAHASHI Kazuhiro 航空本部長 中橋 航空機産業 、こ 体の 航空宇宙技術研究所 時代 国産旅客機 数値流体力学 、 い 。MRJ 使 JAXA M R J 、﹁型式証明 型式証明 機体 全性 環境適合性 型式証明 発行 JAXA 杉浦 30年間 空機 便 使 、一 で、 て、 す。 動は起 経済発展 貢献 しま 機の 者も 方も 中橋 研究 1月 QU 、 エ 陸時 高揚力装置 着装置 ︵車輪 騒音 る研 究を ら騒 技術 JA 験用 ﹁飛 翔﹂ 使 旅客機 使 研究 開発 杉浦 そう す。 、ヘ の航 中橋 JAXA し変え また 陸で 航空関係者 最終目標 使 、 や 音が の解 杉浦 側か の軽 燃費 利用者 目線 り心 点か 杉浦 私は今 は転 革新的 技術 が望 、1 超音速旅客機 用化 航空輸送 変わ 中橋 革新性 超音速 機は非 。 ア 十数時間乗 なれ ば、 りま 開発費 、一 きな 製造 設計 参加

航空機

大きな問題

静かな超音速旅客機

挑戦

開発中のMRJ(イメージ)(三菱航空機株式会社 提供) 「飛翔」を使用した騒音源計測 試験の様子。滑走路に195本 のマイクロフォンを配置し、その 上を飛ぶ「飛翔」のフラップや 脚から発生している騒音を測定 した 4

杉浦一機

SUGIURA Kazuki 航空アナリスト。 首都大学東京 客員教授。 長年にわたって日本の航空輸送や 空港問題を取材してきた。利用者 の立場からの評論に定評がある 、一 生懸命研 究し 杉浦 音速旅客機 燃料消費 超音速 飛ぶ 波︶ を解 す。 250 200 速機 術的 小型 超音速機 中橋 経済性 超音速 旅客機 理想 、ソ り難 と、 50人乗 杉浦 、 コ JAXA そうと ます 中橋 4分 1以下 考え を減 の先 け少 杉浦 最近 客機 、ビ 、 フ 小型 超音速旅客機 で好 は短 、こ 航空輸送 杉浦 未来 空機 話題 中橋 電動航空機 世界的 最近 素社会 実現 が顕 著で 池の 杉浦 未来 空機 今よ 便 中橋 今、 深刻 無人操縦 杉浦 航空会社 負担 運賃 中橋 今、 T ︵ I n t e r n e t o f T h i n g s ︶ 使 、 エ 況な 無人操縦 不可 能で 人航空機 自動操縦関係 技術 を高 すね J AXA る期 杉浦 科学技術 大事 多様 研究開発 中橋 研究機関 産業 ん。 で、 を持 も非 な役 目と

さら

航空機と

こ れ か ら の

航 空 機

考 え て み よ う

JAXAが研究している小型静粛超音速旅客機(イメージ) J A X A が 飛行実証 し た 電動推進 シ ス テ ム 5

(4)

20世紀前半までの飛行機には、 ピストン運動を回転運動に変えてプロ ペラを動かすレシプロエンジンが使わ れてきましたが、 現在ではジェットエ ンジンが飛行機用エンジンの主流とな っています ジェットエンジンは 方から吸い込んだ空気を圧縮し燃料を 混ぜて燃焼させ 方に噴流 ェッ を噴き出すことで推力を得ます ジェ ットエンジンにも ロペラを 回転させるターボプ ップ ジンや 圧縮機を使わないラムジ ットエ ンなど いくつか種類がありますが タービンの回転力で圧縮機を回す最も 基本的な構造のものがターボジ エンジンです らに旅 どで ターボジェットエンジンにファン を追加したターボファンエンジンが今 の主流になっています ーボファン エンジンは、 ターボジェットエンジン に比べて速度は落ちますが 費が良 く、 が低いことから 用され ています JAXA 40年ほど前の航空宇 宙技術研究所 N A L 時代に 用のターボファンエンジン を開発しています は短距離離着陸 S TOL 験機 に搭載されるなど 実証試 験でも高い性能を示しました。 その性 能が認められ F J R 710 の開発に よって確立した要素技術は国際共同開 V 2500 エンジンに採用さ 高い評価を受けています 近年の航空機エンジンは、 燃費など の経済性が良く、 騒音が小さいものが 求められているため、 年々バイパス比 が大きくなる傾向にあります。 バイパ ス比とは コアエンジン 燃焼を 行う中核部分 を通過せず 燃焼せず

旅客機用

ターボ

が主流

比を実現

技術が飛行機を変える

産業振興 安全保障 防災 フロンティア への挑戦

旅客機

、昔

て前面

非常

きくな

とを

知で

騒音も

ても小さくな

す。

燃費

く、

環境

影響

配慮

航空

中、

J

A

X

A

とは

どんな

のなの

。そ

姿

は。

これから

れる

、もし

かす

ると

える

かもし

聞き 手水 野 寛 之︵ サ イ エ ン ス ラ イ タ ー ︶

航空

過去

未来

未来

う変わ

西澤敏雄

NISHIZAWA Toshio 航空本部 aFJRプロジェクトチーム プロジェクトマネージャ 実験用ターボファンエンジンとして 開発された。研究開発を通じて培わ れた要素技術は、現在も活用され ている

FJR710エンジン

6 にエンジンを通る空気の量と、 コアエ ンジン内で燃焼する空気量との比率 で、 バイパス比が高いほどエンジンの 効率が上がって燃費が向上し、 音も 低くすることができます 主に 使用されている旅客機用ジェットエン ジンは このバイパス比が 前後で す。 次世代のエンジンはバイパス比が 13以上となると予想されていますが JAXA では超高バイパス比ターボ ファンエンジンに対応できる技術とし 、﹁ 高効率軽量ファン タービン技術 実証 a F J R プロジェクト めています 同プロジェクトの西澤敏雄プロジェ クトマネージャは 、﹁ バイパス比を高 めるには、 コアエンジンに対してファ ンを大きくして通過する空気の量を増 やせばいいのですが、 そうすると全体 も重くなって、 エンジンを支える構造 も強くしなければならず、 航空機が重 くなって、 かえって燃費が悪くなって しまいます。 超高バイパス比エンジン を実現するためには、 エンジンを構成 する部品を軽くする必要があります aFJR プロジェクトでは ファンと 低圧タービンの軽量化を目指していま 説明します aFJR プロジェクトでは ファン 部分を通過する空気の流れを滑らかに するため、 ファンに使われる翼型部品 ファンブレード 形状を最適化す る検討や、 重量を軽くするためにファ ンの材質を金属から CFRP 維強化プラスチック︶ などの複合材へ 変更することを考えています。 CFR のファンはすでに実用化されてい ますが らに軽くするため ではファンブレードの中を中空構造 にするなどの新しいアイデアを持ち込 むことも検討しています ファ ンを取り囲むカバーに配置されている 吸音ライナーと呼ばれる吸音材は、 ルミニウムからより軽量な樹脂へ材料 化は 進む うか。 の航 空機は た形 のまま きく するだ 接触 す。 りに ンジ きくな て燃 ます ﹁バ は空気量 の比率な ファンを るのでは ンジ 対し複数の小さなフ ァンに むことで 高バ イパ ス比を実現できます ﹂︵ 西 燃料も 化石燃料 電に ては ファン自体も軸をモーターで回す のではなく、 ファンの外周に配置した コイルを使って回すことで、 軽量で効 率の良い航空機用の電動ファンも可能 です ﹂︵ 西澤 60年 が現 れ、 化し に優 従来 概念 す、 革新的 の変更を検討するほか、 ファンから出 る騒音を抑える新しい形状も研究対象 となっています ファンが大きくなれば、 ファンを回 す低圧タービンの段数も増えるため 低圧タービン自体も重くなってしまい ます。 ファンの軽量化と同時にタービ ンも軽くするために、 軽量で耐熱性と 靱性 ばり強さ に優れた C M C ラミック基複合材料︶ を使った低圧タ ービンの開発を行っています

の先の

ンジン

姿

とは

現在検討中のハイブリッド推進シス テムを搭載した航空機のイメージ図

革新形態航空機

(イメージ) タ ー ボ フ ァ ン エ ン ジ ン の 構 造 。 コ ア エ ン ジ ン に 対 し て フ ァ ン を 大 き く す る こと で 、バ イ パ ス 比 を 高 く で き る

ンジン構

電動分散ファン 高効率超低排出発電機 空気吸い込みダクト 燃焼器 高圧タービン コア排気ガス (高温高速) バイパスエア (低温低速) 低圧タービン 高圧圧縮機 低圧圧縮機 ファン AIR コアエンジン 複数のファンを並べることで、1つの 大きなファンと同等かそれ以上の 空気を後方に送り出す 吸い込みダクトから取り入 れた空気によって発電し、 ファンなどを動かす電気を まかなう 7

(5)

垂直離着陸できる航空機で、 現在最 もポピュラーなのは ヘリコプター です。 ヘリコプターは垂直離着陸や空 中でのホバリング 止飛行 ができ ることから、 特に国土が狭く島 とうしょ 嶼も多 い日本では 近距離の旅客輸送から 捜索 人命救助 救急搬送などすでに さまざまな場で活躍しています しかし、 のヘリコプターにも課題 があります。 えば全国に救急医療用 のドクター リが配備されています 、﹁ 度が遅 ﹂﹁ 航続距離が短 めに 命のカギといわれる 15分以内 に処置が可能な リアは 日本全土の をカバ しているにす ぎません ドクターヘリの速度が 倍になれ ば、 それぞれのヘリがカバーできる面 積は 倍になります。 ドクターヘリの 拠点や配備数を増やさなくても、 日本 の約 をその範囲に入れることがで きます ﹂︵ 青山 5 0 0 が実現できれば 本の大部分に都内から 時間以内で行 ける。 災害や事故現場にすぐに行って 必ず救済できるというのは、 つの大 きな夢です ﹂︵ 田辺 しかし 般的に回転翼 体上部 で回転する翼︶ で揚力を発生させて飛 行するヘリコプターでは、 出せる速度 に限界があります リコプターは いわば立ち泳ぎ なんです。 普通の固定翼の飛行機はク ロールのように推進することで浮きま すが、 ヘリコプターは回転翼で浮く力 と抵抗に逆らって進む力を両方出さな くてはいけない ﹂︵ 小曳 ヘリコプターは、 高速になって前方 から受ける気流が速くなると、 回転翼 をより速く回さなければならず、 程度以上になると回転翼の翼端が音速 を超えて衝撃波が発生し、 抵抗が激増 するため、 出せる速度にどうしても限 界があるのです JAXA ヘリコプターは、 ヘリコプタ ーとプロペラ機が合体したようなデザ インで、 機体後部の推進用プロペラで 高速移動を可能にします。 また左右の 翼で揚力を得るとともに の先端に つく電動プ で補助的な推進力を 得たり 回転翼のトル クを打ち消した りします ンチトルク ︶。 ちろん機 体上部の回転翼で上昇 ホバ リン グも可能で 従来型のヘリコプターの 約2 いま ホバ リン ター に活 かし より 範囲 大す 世代高速 ーが実 ター 躍の 場はます ます 増え ると期 ます

滑走路

航空機

次世代

V

T

O

L

機技

滑走路

不要な

ら、

未来

市型交通機関や

平地

場所で

災害救援で活用でき

航空機と

世界

れて

V

T

O

L

直離着陸

︶機

な姿な

。そ

社会

変革をも

聞き 手山 村 紳 一 郎︵ サ イ エ ン ス ラ イ タ ー ︶ P.8/寺門和夫 ︵ 科学 ジ ャ ー ナ リ ス ト ︶ P.9

ヘリコプターの

特徴を活かし、

高速化を目指す

次世代

高速ヘリコプター

VTOL / STOL

VTOL(Vertical Take-Off and Landing)機は、ヘリコプターのよう に垂直に離着陸が可能で、かつ通 常のヘリコプターよりも高速で長 距離を飛行できる航空機を指す。 ヴイトール、あるいはヴィトールと読 み、垂直離着陸という意味。一方、 STOL(Short Take-Off and Landing)機は、短い距離でも離 着陸が可能な航空機を指す。エス トールと読み、短距離離着陸という 意味。

青山剛史

(中央) AOYAMA Takashi 航空本部 機体システム研究グループ 回転翼機セクション セクションリーダ

小曳 昇

(左) KOBIKI Noboru 航空本部 機体システム研究グループ 回転翼機セクション 主任研究員

田辺安忠

(右) TANABE Yasutada 航空本部 機体システム研究グループ 回転翼機セクション 主任研究員 JAXAが提案する次世代高速ヘリコプター(イメージ) JAXAが提案する4発ティルト・ウィングVTOL機(イメージ) 8 高速で飛行できる固定翼機の特徴を 活かしたまま垂直/短距離離着陸でき るようにした VTOL 航空機の研究 も進んでいます。 えばアメリカで開 発された V 22オスプレイ に代表 される ティルト ローター ﹂、 ハリア ーや F 35B など軍用機に多くみら れる ベクタード ラスト ども VTOL機 JAXAで このうち ティルト ィング いう V T O L 技術に注目し 機体の前 後に の翼が配置され、 それぞれの 翼に ずつ、 つのエンジンを 搭載した Q T W クアッド ティル ウィング ︶﹂ を研究しています ーは ように見 ィル はヘ 回転 ウィ た翼ご します ターやテ ター 大な 角な く制 御し 転さ ります が、 りま J A X A Q T W 、4 時は普 定翼 速巡 でゆっくりと離陸する ことや、 より多くの貨物を積むことも できます。 ﹁ティルト ウィング VTOL機 にJAXA で行われた STOL 短距離離着陸 機の研究開発の延長 線上にあり、 推進系と翼との組み合わ せで高揚力を発生させつつ、 らに翼 の角度を変化させてゆっくりと離着陸 させるという発想です ﹂︵ JAXAで ウィングの 機体設計や飛行特性などの研究を ほど前からスタートさせ、 現在は 程度 らに将来は 40名程度 の乗客 を乗せて飛行するビジネス向けの旅客 機の実現を目指しています。 し実用 化されれば、 大型航空機でハブ空港に 着いた乗客が ィルト ウィング VTOL機 乗り換えてローカル空 港やビルの屋上にあるヘリポートに着 陸したり、 高速道路のサービスエリア に降りてそこから車で移動するといっ たことが可能になり、 通システムは 大きく変貌するでしょう 。﹁ r  o  間を短縮する とが できます ﹂︵ 村岡 現在、 世界各国でさまざまな 技術が研究されており、 海外ではテ ィルト ローターの旅客機も検討され ているそうです 私たちが V T O L 空機を日常的に利用できるようになる ためには、 術的にも社会的にもクリ アしなければならない課題はあります VTOL 技術で航空機の活躍の場 が増える未来は、 そう遠くないかもし れません

垂直離着陸で、

Door to Doorの

移動を短縮する

4発ティルト

・ウィング

VTOL機

左:4発ティルト・ウィングVTOL小型 技術実証機による飛行実験の様子 右:都心のビルからの離発着 (イメージ) フロンティア への挑戦 産業振興 安全保障防災

村岡浩治

MURAOKA Koji 航空本部 機体システム研究グループ システム概念セクション 主任研究員

VTOL機の

分類と特性

速い 遅い 巡航速度 ホ バ リン グ 時 間 長い 短い 現在の ヘリコプター 次世代高速 へリコプター ティルト・ ローター ティルト・ ウィング ファンイン ウイング ベクタード・ スラスト 9

(6)

実際に飛んで、技術を実証

証する

JAXA

の実験用航空機

R e

s

e a r c h A i r c r a

f

t M u

P

A L -

α

空機の研究では、最終的に航空機を実 際に飛ばして実証することが必要です。 JAXAは実験用航空機として、ジェット機の「飛 翔」、プロペラ機の「MuPAL-α」、実験用ヘリコ プターを所有しています。 「飛翔」については、『JAXA’s』の44号で紹介 しました。 写真は、調布航空宇宙センター飛行場分室のハ ンガー内の実験用ヘリコプターとMuPAL-αです。 ヘリコプターは狭い場所でも離着陸できるため、 日本の国土事情に適しており、災害時の救援活 動、患者の救急搬送などの場面で利用されてい ます。ヘリコプターの利用拡大に向け、実験用ヘ リコプターを使って、安全技術の研究開発を行っ ています。 MuPAL-αの注目すべき機能として、フライ・バイ・ ワイヤ操縦装置を用いた「インフライト・シミュレー ション機能」があります。別の航空機の飛行特性 を模擬したり、あえて一部の舵が効かない故障時 の状態などもつくり出すことが可能です。これによ り新しい航空機の性能評価や故障時に対応する 安全技術の評価などに威力を発揮しています。

10

実際に

実際に飛んで、技術

技術を実証する

JAX

AXA

の実験

実験用航空機

R e

s

e a r c h H e l i c o

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11

参照

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