航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム© 2021 Japan Aerospace Exploration Agency

電動ハイブリッド推進システムの技術実証構想
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

02

03

技術実証の背景•

航空機電動化技術の進歩とシステム方式•

電動ハイブリッド推進システムの適用方法

実証構想•実証の目的•

目標と技術課題•

技術実証構想の概要

•

現状の進捗

まとめ

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1

航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

01100

技術実証の背景

航空機電動化技術の進歩とシステム方式
2030年代前半

実用機

実験機

2030年代後半～2040年代前半

推進系最大出力[MW]100席超級ジェット機
旅客機
（大電力）

10

1

推力の一部を電力で分担（ﾊﾟｰｼｬﾙﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ）
小型機

CCity Airbus(800kW)

0.1

0.01
1990

T G

①パーシャルターボエレクトリック

Cessna 208B
(560kW)✔尾部への配置でファン効率向上可能
200020102020

2030

2040

T M

M

2MW/基 胴体尾部ファン

eFlyer(2席, 4席)
Alice(9席)350Wh/kgC
Jet fuel tank

2050

電池は目途が立ち始めた

Jet fuel tank

初期の電動ハイブリッドシステム
30MW/基旅客機（小電力）

30MW/基Battery

電動モータ
4MW/基

離陸上昇をアシストするため、電力規模が大きく技術リスク高い②パラレルハイブリッド✔主エンジンを外部電力でアシストして燃料を節約✔主エンジンコアを小型化⇒エンジンバイパス比向上

30MW/基Jet fuel tankM

初飛行年と将来展開
C

T MG
4MW/基 胴体尾部ファン

１MW~２MW級の要素技術に目途が出てきた

30席級プロペラ機
1MW/基②パラレルハイブリッド

Battery③シリーズ・パラレル・パーシャルハイブリッド✔①と②の両方の効果

 推力の一部を電力で分担するパーシャルハイブリッド方式のうち、100席超級ジェット機の電動化としては①ターボエレクトリック方式は技術的成立性が最も高いのでハイブリッド方式の起点となり得る有力な候補
 ②パラレルハイブリッド方式は100席超旅客機用としては技術リスクが高いので、数十席級プロペラ機が初期の対象© 2021 Japan Aerospace Exploration Agency

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航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

01

技術実証の背景

電動ハイブリッド推進システムの適用方法
Jet fuel tank
CM

従来型旅客機T G
胴体尾部ファン231m/s

パーシャルターボエレクトリック

従来型旅客機（チューブ＆ウィング形態）

315m/s539m/sBoundary Layer

胴体内に電力変換装置を搭載
胴体尾部に電動BLIファンを搭載

165m/s
270m/sBLIファン

231m/s464m/s231m/s

胴体尾部BLI搭載
電動ハイブリッド旅客機

315m/s

電力系統を介してBLIファンを駆動→効率的に推力を発生

ガスタービンエンジン
翼下ガスタービンエンジンに発電機を搭載

電動ハイブリッド推進システムを搭載した旅客機のイメージ（出典：JADC）

電動ハイブリッド旅客機

コア排気エネルギーを低圧タービン段追加で吸収

胴体尾部BLIファンによる燃費低減の原理（BLI：Boundary Layer Ingestion）

 胴体尾部に形成される境界層／Wakeの低速流にファンを配置することで推進効率を向上
 翼下ガスタービンエンジンの出力の一部を取り出し、電動航空機ならではの推進システム配置の自由度を積極的に活用© 2021 Japan Aerospace Exploration Agency

3

航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

02

実証構想

技術実証の目的

電動ハイブリッド航空機技術の有効性と適合性を、技術成熟度の高い統合システムとして早期に実証
目的： 世界の航空産業の持続的発展を可能とする新事業領域として、国内企業が個社の強みを活かした電動化製品事業を世界に先駆けて開拓“Initial Hybrid System” の実装（旅客機初）

Jet fuel tank
C

MT G
胴体尾部ファン

初期の電動ハイブリッドシステム

システムの基本方針• 出力が大きすぎない• 電圧が高すぎない• 故障したら停止できる• 機体のコンフィギュレーションを大きく変えない• 巨大な試験設備が不要© 2021 Japan Aerospace Exploration Agency

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実証構想

02

電動化による燃費低減の目標と技術課題
10%

Block Fuel 低減率

3.0
2.5
2.0

電動化技術による新しいトレンド

1.5
1.00.5

実機形態・電力損失＆重量影響織り込み

9%

従来技術のトレンド

3.5[MJ/km/seat]

単位座席km当たりのエネルギ消費量

4.0

8%
7%
6%

JAXA Target

5%
4%

他機関B

3%

他機関C

2%

他機関A

1%
0%
0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

BLIファン推力分担率＋：従来技術の改善●：従来技術＆電動化技術

0.0
1950

1970

1990

Year

2010

2030

2050

旅客機における単位エネルギ消費量の推移と開発機の目標

胴体尾部BLIファン方式（電動ハイブリッド推進）における他機関との比較
他機関よりも優位になるよう、燃料消費量として現状に比べて５％以上の削減効果（CO2削減率としても５％に相当）を目指す。

【主要な技術課題】
1. 「胴体尾部にファンを設置するBLI方式」では、実機として成立させるための形態とする必要
2. 航空機の歴史上初めてとなる大電力を機上で生成するため、新方式の発電機へ移行する必要
3. 電気系コンポーネントにおいては、高効率化・高出力密度化の他、高空環境（低圧＆高放射線）への適応© 2021 Japan Aerospace Exploration Agency

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航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

02

実証構想

技術実証構想の概要
実証する主要技術
1.BLIファンシステム
胴体尾部の遅い空気を電動ファンが吸込むことにより推進効率を向上し、燃費を削減する技術。

1. BLIファンシステム

2. 電力源システム
3. 電動ハイブリッド推進システム
150-190席級の短通路機

2.電力源システム（エンジン＋発電機）
エンジン低圧軸の動力を大容量発電機出力として抽出し、電力を生成する技術。
3.電動ハイブリッド推進システム
電力源の生成電力を電動ファンに供給、各電動要素を統合化、熱と出力のバランスを管理してシステムの健全性を維持する技術。

2021年度

2022年度～

電動ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄ推進ｼｽﾃﾑ
概念検討

実証計画
策定

システム
設計製作

予備試験

2026年度
電動ハイブリッド推進システム
地上試験

解析評価

※：2022年度以降の計画については検討中（2021年11月時点）

 多数の国内企業と連携して技術開発＆実証試験を行う© 2021 Japan Aerospace Exploration Agency

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実証構想

02

実証技術①：BLIファンシステム【JAXAコンセプト】

燃費削減効果[%]電動要素の損失

BLIの制約による損失
変換効率 重量増

(2)

(3)
燃費削減効
果が乏しい

(0)

(1)

軸対称胴体

引起し角を損なう

推力分担率低下(1) ﾌｧﾝ直径の制約(感度大)(2) 尾部形状の制約

ファンの上半分はBLI効果弱い

特許出願手続中電動要素の損失

BLIの制約による損失

(2)
(0)

(1)小さいと重量増
大直径BLIﾌｧﾝ(0) 理想的胴体BLI

燃費削減効果[%]

【他機関】

(3)

燃費削減効果を最大化(1)(1) ファン配置：双発化によりファ側面図

ン直径を抑制しつつファン面積を増加

平面図

JAXA独自技術によるブレークスルー(2) 尾部形状：端部を切り詰めて引起し角を確保＆ﾌｧﾝ全面で減速流を吸入

他機関
JAXAコンセプト(3) ナセル形状：境界層のキャプチャ効率を(3) 空力抵抗増加

主にBLIナセルの抵抗でL/D低下向上する非軸対称インテーク（濡れ面積抑制のため、双発ファン用一体型 ）JAXAコンセプト

 実機形態の制約条件の下、胴体尾部およびナセル空力形状を工夫し、BLI方式の得失を最適化する。
 CFD解析とエンジンシステム解析を組み合わせた手法による設計を行う。
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実証構想

実証技術②：電力源システム※エンジン発電機容量の合計値（APUは除く）

5000
4000
主発電機容量※[kVA]02

SA 単通路機TA 複通路機2030年代のEIS予想
2MW×2基低圧軸 永久磁石型
同期発電機

2000
1000

250kVA×4基(230VAC)787

高圧軸 巻線型同期発電機（永久磁石不使用）

500

A380

MEA

電動旅客機

 MW級への大容量化 kV級への高電圧化
 プレイヤーが変わる

A350XWB

747-800 A340
777 767-400ER
A330
767 A320

50
1960

737NG

A320neo

737max

737

1980

2000

2020

2040

運用開始年

 2030年代電動旅客機の実現に向け、エンジン搭載発電機のブレークスルーを目指す© 2021 Japan Aerospace Exploration Agency

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実証構想

実証技術③：電動ハイブリッド推進統合実証システム
制御装置
エンジン
シミュレータ

商用交流電源02

ファン
シミュレータ

低温・低圧
CONV

G1 G1
【仮想】
エンジンシステム

発電機
10000rpm

CONV

INV

CONV

INV

M M

モーター
3600rpm【仮想】
BLIファンシステム

コンポーネント単体環境試験のイメージ

Cooler

電動ハイブリッド推進システム地上試験（HILS試験）のイメージ
 実機相当出力規模（２MW級）のシステムを国産コンポーネントで構築 国産ワイドバンドギャップ半導体を用いた高効率システム（飛行プロファイル＆冷却条件）
 永久磁石型回転機との直結を前提とした安全遮断システムの構築
 高高度環境（特に低圧）への適合性 コンポーネント単体試験で実証© 2021 Japan Aerospace Exploration Agency

9航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

実証構想

現状の進捗：想定実機の設計と性能評価
空力抵抗増の抑制が鍵

航続距離（最大）＝4000nm

 比較参照機体=A321neo
10%

実機形態・電力損失＆重量影響織り込み

引起し角＝11.2°

比較参照エンジン=PW1133G
T尾翼に変更 電動HB旅客機

8%

燃費削減効果のポテンシャル

7%
6%
5%
4%

ΔCD0小+++ JAXA Target

9%

Block Fuel 低減率

02

ΔCD0中
ΔCD0大

他機関B

3%

他機関C

2%

他機関A

1%
0%
0%

参照機と同等

PW1133G改＋発電機(2MW/基)

主脚＆主翼位置1.1m後退
航続距離（最大）＝3762nm

電動モータ（1.8MW/基）

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

BLIファン推力分担率

提案する電動ハイブリッド航空機の燃費削減量見込み（解析結果）

参照機と電動HB旅客機の形態比較

 提案する電動HB旅客機は、参照機と比較して一定の燃費削減効果を有する見通し。
 BLI形態への変更による空力抵抗増加を抑制することが、燃費削減効果を向上する鍵となる。
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航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

02

実証構想

現状の進捗：BLIファンシステムの設計

Good

燃料消費量 大発電力の増加とともに主エンジンの燃費は悪化

主エンジンとBLIファンの合算燃費は改善

空力設計（1次）が完了した電動HB旅客機
直径=1.4ｍ

V/V∞

直径=1.07ｍ

従来型ナセル

JAXAナセル発電力 大主エンジンとBLIファンの推力分担割合を最適化
ナセル形状の工夫によるインテーク流入条件の改善

JAXAコンセプトの胴体尾部とBLI
ファンナセルの実機構造設計
構造強度や重量を詳細に評価

 主エンジンとBLIファンの推力分担割合を最適化
 BLIファン方式の得失を最適化する独自胴体尾部形状とナセル形状を設計© 2021 Japan Aerospace Exploration Agency

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航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

02

実証構想

現状の進捗：統合実証システム／電力源システム

電力源システム エンジン低圧軸への発電機搭載および耐故障機能について概念検討を実施中。

統合実証システム
 実証システム(2MW級)の要素・機能を網羅し、出力のみを抑えたBBM試験装置により、安全機能等のJAXAコンセプトや全システム評価を実施中。
電動ハイブリッド推進システムBBM試験装置（BBM：Bread Board Model）© 2021 Japan Aerospace Exploration Agency

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航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム

03

まとめ JAXA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、実負荷の技術実証構想を検討中。
 現在、想定実機設計と全機性能評価、BLIファンの空力・推進設計、統合実証システムのBBM試験を始めとする各種技術研究を順調に進めている。
 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
会員を始めとする関係企業・機関との連携を強化し、技術実証プロジェクトに向けた研究開発と体制構築を積極的に推進していく。

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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14