その場しのぎ

航空機設計におけるイノベーション

一般的に、量産型航空機の設計は20世紀半ば以降、根本的な変化を遂げてはいない。何十年もの間、大型航空機は「チューブ・アンド・ウィング」構造を採用しており、その代表例がボーイング747やエアバス830シリーズなどである。同様に、固定翼量産機の推進システムも、ガスタービンエンジンの発明以来、大きな進化を遂げていない。また、回転翼機についても、1940年代に最初の大規模量産型ヘリコプターであるシコルスキーR-4が開発されて以来、実質的に変化がないままである。

とはいえ、航空宇宙業界には、ヴォート V-173「フライング・パンケーキ」、前方後退翼を備えたグラマン X-29、MITのイオン風力駆動プロトタイプなど、画期的な実験機が常に数多く存在してきた。こうした革新の伝統が、航空宇宙設計と技術の発展を今なお牽引し続けている。

今日、航空宇宙産業におけるイノベーションの主な原動力となっているのは、持続可能性、すなわち効率の向上と排出量の削減です。前回の記事では、航空宇宙産業の脱炭素化に向けた取り組みの一環として、代替エネルギー源がどのように検討されているかについて取り上げました。ここでは、航空機設計における2つの主要分野――空力学と推進――におけるイノベーションが、いかにして持続可能性という課題に取り組んでいるかについて見ていきます。具体的には、翼の設計におけるイノベーションと、分散型電気推進システムの導入について取り上げます。

翼の設計

航空機の排出ガスの主な要因の一つは空力効率であり、これは航空機の揚力対抗力比によって定義される。したがって、抗力を低減することで空力効率を高めることができる。おそらく、抗力を低減する最大の機会は翼の設計にある。そのため、長年にわたり、空力効率を最大化することを目指した翼の設計が次々と登場してきた。

そのような設計の一例として、カナード翼配置が挙げられます。カナード翼配置の一例では、機体の前方に配置された小型の翼（カナード翼）と、機体の後方に配置された主翼とを組み合わせています。カナード翼配置による効果は複雑かつ多岐にわたりますが、これを利用することで機体の全体的な抗力を低減することができます。その一方で、機体の安定性とのトレードオフが生じます。しかし、翼の設計が進化するにつれて、量産機においてもカナード翼がより広く採用されるようになる可能性は十分にある。

空力効率の向上を目指す、やや画期的な翼の設計例として、「ブレンドウィング」が挙げられます。その名の通り、ブレンドウィング設計では、機体の胴体を翼に一体化させ、機体全体が揚力を発生するように設計されています。現在、米国の企業JetZero（2050年までに航空業界のネットゼロ達成を目指す英国政府の戦略と混同しないように）が、このブレンドウィング設計の開発を進めている。JetZeroは、同社の設計により、一般的な民間旅客機に比べて燃料由来の排出量を半減できると主張している。

翼の設計例として最後に挙げられるのが、ストラットやトラスで補強された翼の採用です。この構成では、翼と機体胴体の間に伸びるストラットやトラスによって、翼が構造的に支えられています。この追加の構造的補強により、より長く、より細長い翼を採用することが可能となり、飛行時の抗力を低減させることができます。この翼構成を採用した航空機の例として、ボーイングX-66が挙げられます。その実証機は2028年に初飛行を行う予定です。

分散型電気推進

航空機設計におけるもう一つの比較的最近の革新は、分散型電気推進（DEP）である。DEPは、通常3つ以上の独立して制御される電気推進ユニットのアレイを利用する。一部のDEPシステムでは、推進ユニットを多数、時には2桁の数を用いることもある。推進ユニットは通常、航空機の翼幅全体にわたり配置される。DEPは、空力推進連成（すなわち、抗力を低減し揚力を増加させるための空力と推進力の相互作用）など、いくつかのメカニズムを通じて航空機の効率を向上させることができる。また、DEPは推進ユニットの冗長性により安全性の向上や騒音低減も実現できるため、DEPを採用した航空機は超短距離路線や都市内輸送に特に適している。この種の航空機の例としては、リリウム・ジェットやエアバス・シティエアバス・ネクストジェンなどが挙げられる。DEPを採用した大型航空機の例としては、エアバスE-スラストやNASAのN3-Xなどがある。

融合したイノベーション：空力と推進

未来の航空機は、おそらく空力学と推進システムの双方における革新を融合したものになるでしょう。これは、前述の航空機にも表れています。もう一つの例として、今年初飛行を果たした「エアバス・レーサー」が挙げられます。「エアバス・レーサー」は、一見すると従来のヘリコプターのように見えます。しかし、従来のヘリコプターとは異なり、レーサーは革新的なボックスウィング設計を採用し、空力効率を向上させて揚力を生み出すほか、メインローターと2基のプッシャープロペラで推力を発生させます。これらを組み合わせることで効率が向上し、同じ最大離陸重量クラスの従来のヘリコプターと比較して、燃料消費量を20％削減できるとされています。

概要

今後数十年の間に、航空機の外観が劇的に変化するとは想像し難い。しかし、持続可能性を追求する中で、かつては過激だと考えられていたデザイン要素が、量産機にも徐々に取り入れられていく可能性は十分にある。いずれにせよ、歴史や最近の動向が示しているように、航空機設計における革新の可能性は計り知れない。

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