航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム© 2022 Japan Aerospace Exploration Agency

電動ハイブリッド推進システムの研究開発と技術実証構想
電動ハイブリッド航空機チーム

宇宙航空研究開発機構

横川 譲

航空技術部門航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

目次
01

研究開発の背景02

電動ハイブリッド旅客機システムTRAe

03

技術実証構想04

まとめ© 2022 Japan Aerospace Exploration Agency

1

航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

01

研究開発の背景

電動航空機の開発状況と計画

JAXA(ECLAIR)電動HB旅客機(150～200席)目標（4MW、2035年頃EIS）

 従来型エンジンによる燃費低減は限界に近付いている一方、推進系の電動化技術は着実に進歩 現在MW級要素技術の開発が各国で進行しており、2030年代には電動推進旅客機が実現する可能性© 2022 Japan Aerospace Exploration Agency

2

航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

研究開発の背景

燃費削減率と方式選定
欧米が小型機を対象に積極的に取り組み

Jet fuel tankJet fuel tankC

有力候補として選定

MT G
胴体尾部ファンC

T M

Battery
電動モータ

T M

CBattery

MT MG
胴体尾部ファンBattery※1: BLI（Boundary Layer Ingestion）

Jet fuel tankC

Jet fuel tank

Turbo Electric(BLI方式※1)

Parallel Hybrid(500Wh/kg)

SPPH※2(500Wh/kg)※2: Series Parallel Partial Hybrid

従来技術の延長

0.69MJ/seat/km

15%

燃費削減率

01

10%
5%0%

0.75MJ/seat/km

0.79MJ/seat/km

推進システムの方式比較（A321neoを電動化した場合の試算）

0.809MJ/seat/km

ジェットエンジン

電動推進 JAXA／ECLAIRは、2050年のカーボンニュートラルに向け、欧米がまだソリューションを持たない「ジェット旅客機の電動ハイブリッド化」で先行する戦略
 有力候補は“Partial Turbo Electric（BLI搭載）”方式© 2022 Japan Aerospace Exploration Agency

3

航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

01

研究開発の背景JAXAのコンセプト【BLI方式の課題】
Jet fuel tankC

引起し角のためファン直径に制約あり

MT G
胴体尾部ファン

従来型旅客機ジェットエンジンのみで推力発生

電力変換装置（胴体内）

Partial Turbo Electric

電動ファン
BLI技術BLI：Boundary Layer Ingestion

大径・単発
引起し角

海外他機関の胴体尾部BLI形態【JAXAの新BLI形態】

Overview of the NASA STARC-ABL(Rev. B) Advanced Concept - NASA
Technical Reports Server (NTRS)JAXA独自技術によるブレークスルー

胴体BLI形態の差別化技術
 ファンの小型・双発化
 胴体尾部・ナセル形状の工夫

翼下ジェットエンジン＋発電機
胴体尾部BLI搭載 電動ハイブリッド旅客機
ジェットエンジンと高効率電動ファンが推力を分担

ナセル

JAXAが提案する電動ハイブリッド旅客機コンセプト

小径・双発

 電力変換ロスや追加機器重量、空気抵抗増を加味してもシステム全体として効率向上/燃費低減を狙う
 JAXAは、電動BLIファンに関する独自技術により海外競合と差別化し、実用化を促す© 2022 Japan Aerospace Exploration Agency

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航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

01

研究開発の進め方
TRAe（Technology Reference Aircraft for electrification）

想定機体の設計

燃費低減目標：5%以上
機体への要求事項を設定

電動ハイブリッド旅客機 TRAe

「仕様・性能」と「飛行環境条件」
設計検証

システム実証
電動ハイブリッド推進システム

機体外形状（空力形状）や構造・強度・重量

装置を開発し実出力で駆動させる

風洞試験やシミュレーションで検証

ファン 燃焼器

発電機

電力
低圧タービン
高圧圧縮機
低圧圧縮機
高圧タービン

CFDによる空力設計

胴体尾部やT尾翼の構造設計

航空機システムのシミュレーション

燃費削減量を計算：JAXA提案コンセプトで燃費削減可能か評価
電動化システム技術を獲得© 2022 Japan Aerospace Exploration Agency

5

航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

02

電動ハイブリッド旅客機システムTRAeTRAe（Technology Reference Aircraft for electrification）

想定機体の設計

燃費低減目標：5%以上機体への要求事項を設定

電動ハイブリッド旅客機 TRAe

「仕様・性能」と「飛行環境条件」
設計検証

システム実証
電動ハイブリッド推進システム

機体外形状（空力形状）や構造・強度・重量

装置を開発し実出力で駆動させる

風洞試験やシミュレーションで検証

ファン 燃焼器

発電機

電力
低圧タービン
高圧圧縮機
低圧圧縮機
高圧タービン

CFDによる空力設計

胴体尾部やT尾翼の構造設計

航空機システムのシミュレーション

燃費削減量を計算：JAXA提案コンセプトで燃費削減可能か評価
電動化システム技術を獲得© 2022 Japan Aerospace Exploration Agency

6

航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

02

電動ハイブリッド旅客機システムTRAe

機体概念設計の結果
従来型旅客機 A321neo

引起し角＝11.2°

総推力の約33％

比較参照エンジン = PW1133G

電動ハイブリッド旅客機 TRAe

T尾翼に変更総推力の約67％
参照機と同等
PW1133G※＋発電機※発電機搭載のため仕様を変更

主脚＆主翼の位置変更
双発BLIファン

TRAe（Technology Reference Aircraft for electrification）• 2MWの発電機をエンジン低圧軸直結し搭載• 1.8MWの電動モータで直径1.4mのBLIファンを駆動• 胴体尾部にBLIファンを搭載するためT字尾翼へ変更• ノンフライトエッセンシャルシステム
BLIファンが故障しても飛行が継続できる• 電動BLIファンは機体全体の約33％の推力を発生© 2022 Japan Aerospace Exploration Agency

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航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

電動ハイブリッド旅客機システムTRAe

現段階の燃費低減量の推算

 解析方法• 機体の設計結果をもとに、離陸～着陸に至る過程の飛行シミュレーションを行い、消費燃料を計算
 想定飛行環境• 航続距離：4,000ｎｍ（約7,400km）• 巡航マッハ数：0.78• 巡航高度：30,000ｆｔ（約10,000m）

120
100

離陸重量内訳[ton]

02

80

96ton

97.7ton

24.2

22.5

電動化要素

60

推進系

40

システム・構造など

20
ペイロード0従来型旅客機
参照機

降下
離陸上昇

離陸滑走

消費燃料

巡航
順次高度を上昇
着陸滑走

電動ハイブリッドTRAe
旅客機• 電動化のための機器追加により、離陸重量が従来型旅客機よりも1.7％増加• しかし、消費燃料重量については約7.2％節約

電力変換ロスや追加機器重量、空気抵抗増を加味してもシステムも効率向上/燃費低減が可能となる、競争力の高い「電動ハイブリッド旅客機コンセプト」を明確化し、飛行環境条件を設定
この機体を実現に近づけるため、『システムの実証』と『設計結果の検証』を行う© 2022 Japan Aerospace Exploration Agency

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航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

03

技術実証構想TRAe（Technology Reference Aircraft for electrification）

想定機体の設計

燃費低減目標：5%以上
機体への要求事項を設定

電動ハイブリッド旅客機 TRAe

「仕様・性能」と「飛行環境条件」
設計検証

システム実証
電動ハイブリッド推進システム

機体外形状（空力形状）や構造・強度・重量

装置を開発し実出力で駆動させる

風洞試験やシミュレーションで検証

ファン 燃焼器

発電機

電力低圧タービン
高圧圧縮機
低圧圧縮機
高圧タービン

CFDによる空力設計

胴体尾部やT尾翼の構造設計

航空機システムのシミュレーション

燃費削減量を計算：JAXA提案コンセプトで燃費削減可能か評価
電動化システム技術を獲得© 2022 Japan Aerospace Exploration Agency

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航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

技術実証構想03

電動ハイブリッド推進システムの重要技術【重要な技術課題の抽出】
大電力を作る技術

発電機

C

T G

エンジン・発電機 システム統合実証試験
実ジェットエンジンの低圧軸に発電機を統合し、出力や安全保護技術を実証

電子負荷装置燃焼器

発電機
エンジンに直結

新方式発電機の実現が鍵

高圧圧縮機
低圧圧縮機

世界初の実証を目指す

M

コンバータ

低圧タービン
高圧タービン

実ジェットエンジン

電動ファン

高空環境実証試験

Jet fuel tank

大電力を使う技術

設備に直結

電動 BLI ファンを模擬した供試体を飛行環境模擬設備に入れ、 電動モータ出力や熱管理技術を実証

日本初の実証を目指す

桁違いの放熱技術
が鍵

電動モータ

胴体尾部と同条件の気流
BLIファン

電源

インバータ JAXAコンセプトと国内の有望技術を統合し、電動ハイブリッド旅客機実現の鍵技術を実証する© 2022 Japan Aerospace Exploration Agency

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航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

03

技術実証構想技術実証における我が国の問題点とJAXAの解決方針【欧米における航空用MW級電動機の試験設備】

問題点
 電動機器の市販品は仕様が航空機に適合しない
 MW級の電動機供試体を試験する設備は国内にない

https://www.nasa.gov/feature/glenn/2022/nasa-ge-complete-historic-hybrid-electric-propulsion-tests← https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20180005342/downloads/20180005342.pdf

NASA Electric Aircraft Testbed(NEAT)

GEがNEATを用いてMW級モータの高高度環境試験を実施【我が国の状況の一例】
国内で利用可能な大型モータ
ダイナモ設備は400kWが最高（JARI：日本自動車研究所）

方針
 電動ファンを駆動するMW級電動機もJAXAで開発する
 巨大試験設備の新設は困難なのでやり方を工夫する
JAXA “FEATHER”で培った開発・試験ノウハウを活用

https://www.aero.jaxa.jp/research/frontier/feather/news200219.html

https://www.jari.or.jp/contract_testing_equipment/facilities_equipment/other-equipment/large-motordynamo/

https://www.aero.jaxa.jp/spsite/eclair-sp/emission_free.html

JAXA FEATHERプロジェクト(2015)

 MW級電動機の試験を国内で実施するための試験装置をJAXAで開発する
 プロジェクト終了後は国内共用設備を目指して技術移転を検討する© 2022 Japan Aerospace Exploration Agency

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航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

03

技術実証構想TRAe（Technology Reference Aircraft for electrification）

想定機体の設計

燃費低減目標：5%以上
機体への要求事項を設定

電動ハイブリッド旅客機 TRAe

「仕様・性能」と「飛行環境条件」
設計検証

システム実証
電動ハイブリッド推進システム

機体外形状（空力形状）や構造・強度・重量

装置を開発し実出力で駆動させる

風洞試験やシミュレーションで検証

ファン 燃焼器

発電機

電力
低圧タービン
高圧圧縮機
低圧圧縮機
高圧タービン

CFDによる空力設計

胴体尾部やT尾翼の構造設計

航空機システムのシミュレーション

燃費削減量を計算：JAXA提案コンセプトで燃費削減可能か評価
電動化システム技術を獲得© 2022 Japan Aerospace Exploration Agency

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航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

03

技術実証構想空力性能の検証計画

CFD
TRAeの空力設計

CFD（風洞模擬解析）
計測やデータ分析技術の開発
現在、実施中低速風洞を模擬したCFD

胴体尾部の気流速度 CFD結果

風洞試験（低速）風洞試験：FY2023～
実機飛行速度でCFD設計を検証
JAXA 2m*2m低速風洞での試験

胴体尾部の気流速度 計測結果

 機体外形状はCFD（空気流のコンピュータシミュレーション）で設計する
 CFDで得られた結果（空気抵抗値など）を実機飛行速度を模擬した風洞試験で検証する© 2022 Japan Aerospace Exploration Agency

13

航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

04

まとめJAXAでは「CO2排出インパクトの大きい旅客機サイズに適用可能な電動ハイブリッドシステムの実現」を目指し、研究開発と技術実証準備を実施中
 「胴体尾部BLIファンを含むPartial Turbo Electric方式」の電動推進システムを搭載した180席級の電動ハイブリッド旅客機TRAeを概念設計
 実機を模擬した環境において重要技術を実証し、また、空力設計結果等を検証することで、電動化システム技術を獲得すると共に、得られた結果を反映し航空機システムのシミュレーションにより燃費削減量を推算
今後、システム忠実度ならびに統合度の向上を図るとともに、当コンソーシアム会員を始めとする国内関係企業・機関との連携を強化し、実証プロジェクトを積極的に推進していく。
© 2022 Japan Aerospace Exploration Agency

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航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム© 2022 Japan Aerospace Exploration Agency

本コンソーシアムの運営サイト
http://www.aero.jaxa.jp/about/hub/eclair/index.html
問い合わせ先eclair_sec chofu.jaxa.jp
注：＠が画像化されているので、使用時はテキストを入力してください

15航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム
第5回オープンフォーラム プログラム

敬称略

時刻（時間）

講演等

14:00-14:05(5分)

オンライン開催に関する事務連絡14:05-14:10(5分)

開会挨拶
青山剛史 航空機電動化コンソーシアム代表（JAXA 航空技術部門 ）14:10-14:35(25分)

基調講演１ 「航空機の脱炭素化に向けた新技術官民協議会」
石井靖男 国土交通省 航空局 安全部 航空機安全課長

14:35-15:00(25分)

基調講演２ 「空の移動革命に向けた大阪における取組み～空飛ぶクルマのある未来社会へ～」
時岡貢 大阪府商工労働部成長産業振興室副理事（産業化戦略センター長）

15:00-15:20(20分)

航空機電動化コンソーシアムの第1期まとめと第2期計画について
西沢啓 JAXA 航空技術部門

15:20-15:35(15分)

休憩

15:35-15:55(20分)

電動ハイブリッド推進システムの研究開発と技術実証構想
横川譲 JAXA 航空技術部門

15:55-16:15(20分)

多種多様運航統合技術の研究開発
又吉直樹 JAXA航空技術部門

16:15-16:35(20分)

ハイブリッド電動航空機（HEA）の電気系・ガスタービンエンジン推進部並びに全システムモデル化へのアプローチ
山本真義 名古屋大学 未来材料・システム研究所 教授

16:35-16:55(20分)

質問への回答（講演中にチャットで質問を送ってもらい、事務局が抽出＆読み上げ、各講演者から回答してもらう）

16:55-17:00(5分)

閉会挨拶
呉村益生 経済産業省製造産業局 航空機武器宇宙産業課長※：当講演に限り、講演直後の質疑応答時間を設けております。
チャットにてご質問を送ってください。