気象影響防御技術の研究開発〜雪氷・雷・⽕⼭灰などの影響を軽減するための技術群〜

宇宙航空研究開発機構 航空技術部⾨
次世代航空イノベーションハブ 気象影響防御技術チーム⻑

神⽥ 淳

1. 特殊気象の問題
特殊気象が航空機運航に与える問題• 事故の発⽣• 気象が事故の最⼤要因• 特殊気象（着氷、雷、乱気流、⽕⼭灰など）が関与した事故が29%以上（2013年〜2017年）• 今後20年間で運航便数が約2倍、事故数も2倍に達する可能性

IATA Safety Report 2017
(in 2013-2017)• 運航効率の悪化（遅延・⽋航）• 気象による国内エアライン遅延は2,693便※（全体の3%、2017年度）• 遅延による経済的損失（推定値）︓年間1.2億ユーロ（EU）、6.6億ドル（⽶国）• 気象による国内エアライン⽋航は6,767便※（全体の70%、2017年度）※国⼟交通省HP 「定時就航率・輸送実績に係る情報」 2

2. 航空機への影響
特殊気象が航空機運航に与える問題
エンジン着氷の問題
内部着氷による推⼒喪失エンジン内部破損やセンサーの誤作動による推⼒損失機体着氷の問題
空⼒性能が低下（揚⼒の減少、抗⼒の増⼤）
操縦性への有害な影響や墜落（Roll Upset / Ice Contaminated Tailplane Stall）
防氷剤散布による環境負荷

滑⾛路雪氷の問題
⽋航やダイバート（⽬的地変更）等
局所的な滑りによるオーバーランやスタック

32. 航空機への影響
特殊気象が航空機運航に与える問題
被雷の問題
⾦属外板に⽳／⾮⾦属構造が破損／ヒンジの溶解
雷による電場が運航計器や航法装置に⼲渉
スパークにより燃料が発⽕
複合材料の修理期間

⽕⼭灰の問題
⽕⼭灰の吸込みによるエロージョンや粒⼦付着が発⽣
エンジンの性能や寿命の低下
翼やコーティングに対する減⾁補修、付着物の洗浄が必要

43.研究開発スコープ
航空機運航における9種類の特殊気象の抽出• 9種類の気象（雪・氷・過冷却⽔滴・⾬・雷・⽕⼭灰・⾵・霧・電磁波）

スコープ
特殊気象
①雪問題
滑⾛路上の積雪重点化○

誘導路上の積雪
滑⾛路積雪（制動低下）②氷

機体着氷（翼）機体着氷（着陸装置）
機体着氷（燃料消費）

○

氷晶吸込

○

雹の衝突
③過冷却⽔滴過冷却⽔滴吸込④⾬

⾬⽔のセンサ侵⼊⑤雷

被雷⑥⽕⼭灰（等）⽕⼭灰吸込（エンジン）○○

⽕⼭灰衝突（機体）
⼤気汚染物質吸込⑦⾵

9種類の特殊気象

スコープの設定• 発⽣する19種類の問題をスコープとする• 影響度が⾼い9種類の問題を重点化スコープとする• 頻度・被害規模（経済性・安全性）で整理

乱気流遭遇

○

低層ウィンドシア遭遇○

⾵のエンジン流⼊
⑧霧

霧への遭遇

○

⑨電磁波

宇宙線

○

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4. WEATHER-Eye
過酷な特殊気象の影響を複数の技術で防ぐWEATHER-Eye※技術の研究開発• 特殊気象状況の検知・予測技術※WEATHER-Eye:• 特殊気象の回避・防御技術
Weather Endurance Aircraft Technology to Hold, Evade and Recover by Eye
JAXAを含め、産学官連携にて研究開発を進めている• WEATHER-Eyeコンソーシアム• メーカ・エアライン・⼤学・研究機関
機体防着氷

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5. WEATHER-Eyeの開発状況
機体防着氷技術⽬標︓機体の着氷を防ぐコーティング技術の開発と⼤型⾵洞/⾶⾏実証
現在︓• 世界トップレベルの防除氷性能を有するコーティング”JAXA4”を開発• テフロンを塗料化したもので、超撥⽔性能を有する
⼤型⾵洞/⾶⾏実証を終え、企業で製品化に向けた開発フェーズに移⾏撥⽔性能の⽐較

着氷（従来）

着氷（JAXA4）

⾶⾏実証（JAXA ⾶翔）⼤型⾵洞実証（NASA GRC)

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5. WEATHER-Eyeの開発状況
滑⾛路雪氷検知技術• 滑⾛路⾯の雪氷状況をリアルタイムにモニタリングし、航空機・空港管理者にデータを送るシステム• 離着陸判断⽀援• 滑⾛路の除雪判断⽀援
滑⾛路の雪氷モニタリングセンサ

散乱光の強度分布を利⽤し、路⾯上の雪氷の深さや雪質をリアルタイムで検知する世界初の技術

システム

雪氷モニタリングセンサイメージ• ⽬標︓空港でのセンサ実証（2021年〜2022年）• 現在、センサの屋外実証を実施し、雪氷状態の同定に成功• 今後、センサ性能を改良し、空港でのセンサ実証フェーズへ
屋外環境実証（北⾒）85. WEATHER-Eyeの開発状況
被雷危険性予測技術• 離着陸に向けた経路を⽀援する技術• 空港周辺の複数の気象センサーを⽤いて気象データを取得し、雷気象状態を検知・予測• 空港の地上職員，管制官，もしくは機上のパイロットに伝達し、選択可能な⾶⾏経路を判断する．
• 離着陸判断を⽀援する技術• 雷気象状態の検知・予測に基づいて，離着陸タイミングを判断し、必要な場合は適切な退避場所にてHoldingする．

システム• ⽬標︓空港でのシステム実証（2022年〜2023年）• 現在、被雷危険性予測アルゴリズムを開発したところ• 今後、被雷事例データをさらに集めて性能改良を進める
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5. WEATHER-Eyeの開発状況
被雷防御技術• 機体電界の変化を検出し運航経路を変更• 危険性が低い雷に対しては、被雷部を制御することで、強い構造部位に被雷させる（着雷制御）• ⾼導電性樹脂による耐雷複合材料の開発• 現在、材料のプロトタイプが完成。強度・剛性向上に向けて研究開発中。
＋--

システムイメージ＋-

Case 0:航路変更

従来素材

---

機体電界の変化を検出
Case 1:機体電荷を制御し着雷を防ぐ

Case 2:耐雷複合材料に着雷させ、被雷損傷を抑える

着雷制御

新素材
材料導電性と雷撃試験による損傷⽐較(横関他、 導電性⾼分⼦を⽤いたCFRPの特性評価、第６回⽇本複合材料会
議講演集）

耐雷複合材料10

5. WEATHER-Eyeの開発状況
エンジン防除氷技術 / エンジン砂塵防御技術• 「軽量低圧タービン技術」「⾼効率軽量ファン技術」に対し、耐エロージョン性、防氷性の⾼付加価値化を⾏う。
• 現在、エロージョンや着氷現象を捉える数値解析技術・試験技術を確⽴したところ。

チャンバー バレル

テストセクション

着氷計測試験
粒子供給チューブ

エロージョン試験装置外観

ベース形状
スイープ形状三次元翼設計防除氷コンセプト

付着量大エロージョン結果例

付着量小付着量小ヒーティング防除氷コンセプト

前縁模擬形状のデポジション予備計算

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6. ロードマップ
2030年ごろの実⽤化を⽬指して研究開発を進めている
ただし⼀部の課題については実証・実⽤化を前倒しで進め、2020年代半ばの実⽤化を⽬指す

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7. まとめ
特殊気象は航空機運航にとって⼤きな問題
安全性の低下運航効率の低下
9種類の気象（雪・氷・過冷却⽔滴・⾬・雷・⽕⼭灰・⾵・霧・電磁波）が問題
気象から航空機を守る技術WEATHER-Eyeの開発• 特に重要な課題について優先的に研究開発を進めている• 機体防着氷• 滑⾛路雪氷検知• 被雷危険性予測• 被雷防御• エンジン防着氷• エンジン砂塵防御
JAXAを含む産学官連携体制 ーWEATHER-Eyeコンソーシアム
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ご清聴ありがとうございました。

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