統合シミュレーション技術の研究開発〜サイバー空間での航空機設計実現に向けて〜

宇宙航空研究開発機構 航空技術部⾨
数値解析技術研究ユニット⻑

⻘⼭剛史

1. 背景と⽬的
背景• 新型機開発の国際競争が激化している中、我が国航空機産業界の競争⼒を向上させるには、開発の効率化・迅速化を実現することが不可⽋。
• データやノウハウの蓄積が遅れている我が国においては、数値シミュレーション技術の適⽤範囲を拡⼤することが必須。
• JAXAでは、デジタル/アナログ・ハイブリッド⾵洞(DAHWIN)が運⽤されてきたが、適⽤範囲の拡⼤については、組織的な取り組みに⾄っていなかった。
研究の⽬的
フロントローディング化
1① 航空機開発のフロントローディング化によって効率化・迅速JAXA航空・基盤分野の優位技術化を実現するため、巡航状態以外(オフデザイン)を含めた従来型開発
航空機の手戻り全⾶⾏領域で使える数値シミュレーション技術を開発する。 完成度② 研究成果をユーザに提供するため、航空機開発⽤の多分
詳細設計
概念設計
飛行試験
野統合基盤システム(ISSAC: Integrated Simulation 0
時間
System of Aerospace vehiCles)を構築する。
（空力/構造/装備品）

型式証明
取得

商業飛行

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2. 研究内容（技術課題）
n 課題設定の考え⽅• メーカの実機開発からバックキャストし、研究期間(2018~2021)に社会実装を⽬指せる課題を設定。
• 公的研究機関として保有すべき技術、海外動向(NASA CFD Vision2030やボーイングの技術動向)も重視。

n 取り込む技術課題
⾮定常とマルチフィジックス(多分野統合)がキー① 低速/⾼速バフェット予測技術（空⼒振動）② フラッタ予測技術（空⼒/構造連成振動）③ 機内/機外騒⾳予測技術（⾳響/構造連成）④ 滑⾛路の⽔跳ね予測技術（混相流）⑤ 舵効き・動安定予測技術（空⼒/⾶⾏連成）⑥ 実機スケール（レイノルズ数効果）

これまでの解析範囲（信頼のおける範囲）

33. 低速/⾼速バフェット予測技術【背景】 フライトエンベロープ内で予期しないバフェットが発⽣すると、対策のために開発スケジュールの遅延や機体改修によるコスト増⼤といった問題が伴う。
【シナリオ】

地上・飛行試験

低速バフェットの検証データ取得

⾼速バフェットの検証データ取得• TSP(感温塗料)によるPSP(感圧塗料)計測
⾼精度化

数値シミュレーション
低速バフェットの予測ツール構築• ⾼精度⾼速CFD• 超⾼速LBM(格⼦ボルツマン法)

⾼速バフェットの予測ツール構築• ⾼精度⾼速⾮定常CFD(DES)• 全体安定性解析技術

バフェット現象の知識抽出• データマイニング(FY2022以降の課題)

バフェット境界のモデル化

データ科学【⽬的】 設計段階での任意機体に対する迅速なバフェット境界特定
43. ⾼速バフェットのキー技術
n TSPで⾼精度化されたPSP計測技術

n ⾼精度⾼速⾮定常CFD(DES)• CFDとの直接⽐較に向け、PSP(感圧塗料)の温度依存性をTSP(感温塗料)によって補正し、⾼精度化。

• JAXAの開発したツール(FaSTAR)を⾮定常現象解明に適⽤できるよう改良。

Cp

0.50-0.5-1-1.5-2NASA-CRMの主翼上圧⼒変動検証

マッハ数0.85, 迎⾓4.82°※DES(Detached Eddy Simulation)︓RANSとLESのハイブリッド
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3. 低速バフェット予測のキー技術
n 超⾼速LBM(格⼦ボルツマン法)• ⼤規模⾮定常流体解析を⾼速に実現するために安定・⾼解像なLBMソルバを開発し，主翼から剥がれた流れが尾翼に当たる低速バフェット現象に適⽤。

Q値の可視化図

断⾯速度コンター可視化図6

3. 低速/⾼速バフェット予測のキー技術
n データマイニング• データから物理の本質を把握するための有益な情報を抽出し、現象のモデル化に役⽴てる。
• JAXAの開発したツール(FBasis)は商⽤化され、モノづくりに活⽤されつつある。
⽀配構造１︓バフェットセル

⽀配構造２︓衝撃波振動

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4. フラッタ予測技術【背景】 ⾶⾏範囲内でフラッタが発⽣することがないよう、⼗分なマージンを取った空⼒弾性設計が⾏われているが、結果として構造重量が必要以上となり、燃費の悪化や製造費の増加を引き起こしている。
【シナリオ】

地上・飛行試験
フラッタの詳細検証データ取得• 空⼒と構造の同時計測技術

模型設計技術の獲得• 弾性体翼模型の設計技術

数値シミュレーション
フラッタの予測ツール構築• ⾼精度⾼速空⼒弾性解析技術• ROM(Reduced Order Modeling)による解析技術

フラッタ境界確定の⾼速化・効率化

機体形状と構造の同時最適化（線形空⼒解析）• 空⼒・構造統合最適化技術

機体形状と構造の同時最適化（⾮線形空⼒解析）(FY2022以降の課題)【⽬的】 設計段階での任意機体に対する迅速なフラッタ境界特定【⽬的】 機体開発の時間スケールに適う⾼性能な空⼒/構造統合設計

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4. フラッタ予測技術
n 空⼒と構造の同時計測技術

n ⾼精度⾼速空⼒弾性解析技術• PSP(感圧塗料)による圧⼒計測と、MDM(変型量計測)による変型量を同時計測する技術を開発。

• NASAのソルバよりフラッタ境界を精度よく予測。

AGARD445.6モデルのフラッタ解析

94. フラッタ予測技術
n 空⼒・構造統合最適化技術• 空⼒性能と構造重量を同時に最適化する⼿法を開発中。

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5. 機内/機外騒⾳予測技術【背景】 乗客の快適性向上を図るための機内騒⾳低減と、年々厳しくなっている空港騒⾳に対するICAO基準をクリアするための機外騒⾳低減が重要な課題となっている。
【シナリオ】

機内騒⾳の検証データ取得• NAH(近距離⾳場⾳響ホログラフィ)を⽤いた機内騒⾳の⾳場特性把握技術

機内騒⾳低減デバイスの開発• 遮⾳・吸⾳デバイス基本設
計・最適化技術

騒⾳低減デバイスの設計・検証

地上・飛行試験
機内騒⾳解析の境界条件計測• 壁⾯インピーダンス計測技術

数値シミュレーション
機内騒⾳の予測ツール構築• FDTD(時間領域差分法)による機内騒⾳予測技術

巡航時機内騒⾳源のモデル化

機外騒⾳の予測ツール構築• 遮蔽・移流効果を考慮できる解析⼿法

機体外部表⾯⾳源データの取得(FY2022以降の課題)【⽬的】 設計段
階で遮蔽を含む機外騒⾳を予測【⽬的】 新造機・既存機の機内騒⾳低減
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5. 機内/機外騒⾳予測技術
n NAHを⽤いた機内騒⾳の⾳場特性把握技術
⾶⾏試験の概要
試験⽬的 ︓実機の機内騒⾳環境データの取得
計測機材 ︓NAH、シングルマイクロホン
⾳響インピーダンス計測器
使⽤機体 ︓JetFTB「⾶翔」

⾶翔

天井パネルの⾳響インピーダンス特性把握

⾶翔機内へのNAHシステム搭載の様⼦125. 機内/機外騒⾳予測技術
n FDTDによる機内騒⾳予測技術• 広い空間の透過⾳を⾼周波まで⾼速・⾼精度に解析可能。
⾳響インピーダンス
計測データ

数値解析の⼊⼒データとして使⽤
壁⾯近傍⾳圧計測データ「⾶翔」の機内⾳響解析例13

6. 滑⾛路の⽔跳ね予測技術【背景】 滑⾛路における⽔跳ねのエンジンへの流⼊や⽔の抵抗による滑⾛距離増加の事前予測が望まれている。これらは、型式証明の際の必須評価項⽬として挙げられている。
【シナリオ】

⽔跳ねの検証データ取得

Water Spray Test of A350

• ⽔跳ね試験・計測技術

地上・飛行試験
⽔跳ね予測ツール構築• 粒⼦法解析技術(P-Flow)
K. Zhao et al. J. Aircraft, 2017

数値シミュレーション
機体の抵抗予測• ⽔滴による機体の抵抗推算技術

機体の抵抗計測• 抵抗予測に関する検証データ取得技術(FY2022以降の課題)【⽬的】 設計段階で⽔跳ねのエンジン
流⼊や機体抵抗の予測

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6. 滑⾛路の⽔跳ね予測技術
n ⽔跳ね試験・計測技術【簡易試験】 最⼤速度 2m/s（左︓front、右︓side）【準実機スケール試験】※動作確認テスト

最⼤速度 12m/s

台車
供試体

レール
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6. 滑⾛路の⽔跳ね予測技術
n 粒⼦法解析技術(P-Flow)• タイヤの変形を考慮することで、⽔跳ね⾓度の予測精度を向上。

変形なし

変形あり

タイヤ断⾯形状⽐較【他の適⽤事例】• スロッシング• 汚濁⽔の流れ
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7. システム構築
n ISSACは、試験計測技術で検証された、数値シミュレーション技術をベースとするCPS(サイバーフィジカルシステム)n 最新の成果のみならず、過去の研究成果も蓄積
C-Sim(サイバーシミュレータ)【サイバー】• 数値シミュレーションツール群の管理(バージョン管理、ライセンス管理、ツール配布)

P-Sim(フィジカルシミュレータ)• 試験・計測ソフト及びノウハウの管理(バージョン管理、ライセンス管理、ツール配布)

統合データベース• 解析及び試験結果の蓄積と検索

スパコン
ソフト開発者
情報提供者

ISSAC

（CPS: サイバーフィジカルシステム）
技術や知⾒を蓄積
ワンストップポータル• 申請受付と情報提供• 利⽤者間コミュニケーション【フィジカル】
試験設備群
（⾵洞等）

利⽤者
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まとめ
n 全⾶⾏領域で使える数値シミュレーション技術及びそれを搭載するシステムの開発状況をご紹介した。
n 今後、以下のスケジュールで研究開発を進める予定。
年度

以前

第4期中期計画～2017

2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

第5期中期計画 第6期中期計画
2025～2031

2032～2038
フェーズ３︓
機体/運航統合

フェーズ２︓

ISSAC

機体/エンジン統合

フェーズ１︓機体技術統合

⼀般研究
事業

FaSTARの開発
航空機開発の⾼速化を実現する基盤応⽤技術の研究開発
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ご清聴ありがとうございました。

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