宇宙航空研究開発機構契約報告 JAXA Contract Report

(1)

宇宙航空研究開発機構契約報告

JAXA Contract Report

120席級旅客機全機巡航形態の空力設計

Aerodynamic Design of a 120-Seat Class Passenger Aircraft at Cruise

野村聡幸

Toshiyuki NOMURA

2019年1月

宇宙航空研究開発機構

Japan Aerospace Exploration Agency

(2)

2.　翼胴形態の空力設計

1

2.1.

設計作業概要

···

1

2.2.

空力性能向上のための課題

···

2

3.　全機巡航形態の空力設計

2

3.1.

設計作業概要

···

2

3.2. ···

2

4.　まとめ

2

参考文献

2

付録１

3

付録２

77

(3)

Aerodynamic Design of a 120-Seat Class Passenger Aircraft at Cruise

^*

Toshiyuki NOMURA

^*1

ABSTRACT

The aerodynamic design of a 120-seat class passenger aircraft at cruise is conducted on the basis of its conceptual design data.

The aircraft configuration has almost the same aerodynamic performances at cruise as existing aircraft, and it is used to evaluate the drag-reducing effects of newly-developed aerodynamic technologies with CFD and wind-tunnel testing.

Keywords: Aerodynamic Design, Passenger Aircraft

1.

はじめに

JAXA

航空技術部門の研究事業「エコウィング技術の研究開発」（実施期間：

2013

年度〜

2019

年度）¹⁾で扱う航空技術に関して、その技術の燃費削減効果を評価するため、現行機相当の性能を持つ

120

席級旅客機

Technology Reference Aircraft 2012A

（

TRA2012A

）の概念設計を行っ

た²⁾。この

TRA2012A

に対して、空力技術による

抵抗低減、構造材料技術による重量削減を仮定すると、それらの技術によって達成される燃費削減量が算出される。

空力技術による抵抗低減を解析または風洞試験で評価するには、基準となる空力性能を持つ旅客機形状が必要である。そこで、

TRA2012A

概念設計形状に基づき、標準模型として広く使用されている

DLR-F4

³⁾及び

F6

^{4, 5)}等を参考にし

て、

TRA2012A

の空力設計を行った。設計要求

は

JAXA

が定め、設計作業は委託先の川崎重工業が実施した。

本報告では

TRA2012A

空力設計の概要を先ず説明し、設計の詳細は付録に示す。

2.

翼胴形態の空力設計

2013

年度に胴体、翼胴フェアリング、主翼で構成される

TRA2012A

翼胴形態の空力設計を行った。

2.1.

設計作業概要

TRA2012A

概念設計形状と、同機設計の際に

参考にしたエアバス

A319

及び

A320

の機体三面図を基に、翼胴形態の基本レイアウトを設定した。

TRA2012A

の胴体は、

DLR-F6

の胴体径を

TRA2012A

の胴体径に合わせた後、

DLR-F6

の胴

体断面一定部分をストレッチして作成した。

TRA2012A

の翼胴フェアリングは

A319

を参

考にしており、

SOB

での主翼前後への張り出しや胴体下部への膨らみを

A319

と同程度とした。

TRA2012A

の主翼平面形は概念設計形状と同

じとした。翼型は、設計点（巡航高度

35,000 ft

、

巡航速度

M0.78

）で空力抵抗が最小となる超臨

界翼型を遺伝的アルゴリズムで設計した。主翼平面形に合わせて超臨界翼型を配置した後、設計点での主翼揚力分布が楕円分布となるよう、

主翼に捩りを付けた。

主翼に燃料タンク及び脚を格納することを考え、

A320

の主翼とほぼ同様の翼厚比分布を

TRA2012A

の主翼に設定した。翼厚増加により

揚力が増えた分は捩り下げにより調整した。

バフェットを回避するため超臨界翼型に対してキャンバーを小さくする修正を行った。これにより今度は揚力が低下したため、捩りを再調整した。

以上の空力設計が行われた

TRA2012A

翼胴形態に対し、全域乱流の

NS

解析が行われ、設計点で下記が確認された。



楕円型に近い主翼揚力分布。



主翼表面の等圧線と等％翼弦線とが平行に

* 平成30年11月27日受付（Received November 27, 2018）

*1 航空技術部門　航空システム研究ユニット (Aviation Systems Research Unit, Aeronautical Technology Directorate)

1. ࡣࡌࡵ࡟

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^{4, 5)}

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(4)

なる

Isobar

設計。



最大値に近い空力効率（マッハ数と揚抗比の積）。

2.2. TRA2012A

翼胴形態の空力性能向上のために

は下記が必要である。



翼胴フェアリングで剥離を抑制するための形状修正。



主翼揚力分布をより楕円型に近付けるための捩り及びキャンバーの修正。

２節の詳細は付録１を参照されたい。

3.

全機巡航形態の空力設計

2014

年度にナセル、パイロン、水平尾翼、垂直尾翼の空力設計を行い、それらを

TRA2012A

翼胴形態にインストールして、全機巡航形態の空力設計を行った。

3.1.

^{設計作業概要}

TRA2012A

のナセルは、

DLR-F6

のロングナセ

ルをスケーリングして設計した。このナセルを主翼へマウントするにあたっては、実機を参考にスパン方向配置、上下前後配置、地上高、取り付け角度を設定した。

TRA2012A

のパイロンは、主翼との取り付け

位置及び側面形状は

A320

を参考にして、ナセルとの取り付け位置及び断面形状は

DLR-F6

を参考にして設計した。

TRA2012A

の水平尾翼及び垂直尾翼は、概念

設計形状の平面形と翼型をそのまま用いることにした。

ナセル及びパイロンのマウントにより内翼の圧力分布が変化したが、これを改善するため、

内翼の翼型の修正を行った。これにより内翼と外翼の等圧線を揃えることができた。

以上の空力設計が行われた

TRA2012A

全機巡航形態に対し、全域乱流の

NS

解析が行われ、設計点での揚抗比

16.8

が得られた。概念設計では設計点での揚抗比は

16.2

であり、両揚抗比はほぼ等しくなった。また、設計点で下記が確認された。



楕円型に近い主翼揚力分布。

 Isobar

設計。



最大値に近い空力効率。

 1.3G

バフェット・クライテリア（設計点で設計

C

Lの

1.3

倍である

C

L

= 0.65

までバフェットを生じないこと）に適合。

3.2. TRA2012A

全機巡航形態の空力性能向上のた

めには下記が必要である。



翼胴フェアリングで剥離を抑制するための形状修正。



主翼上面の衝撃波を弱めるための翼型修正。



主翼揚力分布をより楕円型に近付けるための捩り及びキャンバーの修正。

３節の詳細は付録２を参照されたい。

4.

まとめ

120

席級旅客機

TRA2012A

の概念設計形状に基づき、標準模型である

DLR-F4

及び

F6

等を参考にして、

TRA2012A

全機巡航形態の空力設計を行った。得られた空力設計形状は設計点（巡航高度

35,000 ft

、巡航速度

M0.78

）で概念設計とほぼ等しい揚抗比を持つ。また、設計点での主翼揚力分布、空力効率等が適切であることを確認した。

TRA2012A

空力設計形状はエコウィング研究

事業において、インハウスの研究開発及び大学との共同研究等に広く利用されている。

参考文献

1) JAXA

ホームページ

.

http://www.aero.jaxa.jp/research/ecat/ecowing/

2)

野村聡幸

, “

燃料消費削減を目指した将来旅客機の概念設計

,” JAXA-RR-13-007, 2013.

3) Redeker, G., Schmidt, N., and Müller, R.,

“Design and Experimental Verification of a Transonic Wing for a Transport Aircraft,”

AGARD-CP-285, pp. 13-1 to 13-14, 1980.

4) Rossow, C.-C., Godard, J.-L., Hoheisel, H., and Schmitt, V., “Investigations of Propulsion Integration Interference Effects on a Transport Aircraft Configuration,” AIAA Paper 92-3097, 1992.

5) Brodersen, O. and Stürmer, A., “Drag Prediction of Engine-Airframe Interference Effects Using Unstructured Navier-Stokes Calculations,”

AIAA Paper 2001-2414, 2001.

(5)

付録１

「120 席級旅客機翼胴形態の空力設計」

成果報告書

川崎重工業株式会社

(6)

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付録２

「120 席級旅客機全機巡航形態の空力設計」

成果報告書

川崎重工業株式会社

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