航空機用メガワット級電動ハイブリッド推進システム技術実証

ーCO2排出量を削減するジェット旅客機のメガワット電力時代開拓を目指してー

宇宙航空研究開発機構 航空技術部門
航空機用メガワット級電動ハイブリッド推進システム技術実証（MEGAWATT）プリプロジェクトチーム長

西沢 啓

1. 背景（社会的要請）
CO2排出量技術改善無い場合は航空輸送需要の増加に伴いCO2排出量も増加

Covid-19による航空輸送需要減の影響

従来技術の改善次世代技術の導入①航空機性能改善によるCO2削減量②地上インフラや運航方法の改善によるCO2削減量③SAFへの転換によるCO2削減量
SAF: Sustainable Aviation Fuel

削減策適用後のCO2排出量
カーボンオフセット等

2020

2030

2040

2050

ネットゼロ

航空業界のCO2削減目標と削減シナリオ※1※1：ATAG（Air Transport Action Group）のレポートを参考にJAXAが再作成
出典： https://aviationbenefits.org/environmental-efficiency/climate-action/waypoint-2050/

 2050年の“ネットゼロ・カーボン”達成に向けて、SAF、水素、電動化等の次世代技術への期待が高まっている。

1. 背景（技術動向）
2010年代～直径1.2倍
燃費12％削減

10
大口径化
は限界※
※単通路機（細胴機）

81ˮ

68ˮ

10°

従来エンジン技術（大口径化）の限界

企業名

旅客機推進系電動化の研究開発国際動向
研究開発名

対象

技術方式

GE

EPFD

ターボプロップ機

電動ハイブリッド推進

GE

AMBER

ターボプロップ機

電動ハイブリッド推進（水素燃料電池）

CFM International

RISE

単通路旅客機Open fan(電動ハイブリッド含む)

Pratt & Whitney

SWITCH

単通路旅客機Water-enhanced turbofan(電動ハイブリッド含む)

Pratt & Whitney

STEP-Tech

ターボプロップ機

電動ハイブリッド推進

Rolls RoyceHEAVEN

双通路旅客機UltraFan(電動ハイブリッド含む)

Rolls Royce

HE-ART

ターボプロップ機

電動ハイブリッド推進

Heart Aerospace
ES-30(2028EIS)
純電動実績
電動推進系最大出力[MW]1990年代～

将来機
1

電動ハイブリッド旅客機（単通路機）

NASA & GE Aviation
2025 Flight demonstration
電動ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ
Eviation
Alice(2027EIS)
純電動

Pratt & Whitney
2024 Flight demonstration
電動ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ0.1

純電動0.01
1990

2000

2010

2020

JAXA
FEATHER(2015)

2030

2040

電動航空機の初飛行年と将来構想

 従来型エンジンの大口径化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 2030年代にはMW(メガワット)級の電動推進が実現する可能性あり

2050

２. 研究開発の目的・狙い
経済産業省「2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略」より抜粋

電動化 1.装備品電動化・推進系電動化研究開発

2.技術実証

3.技術搭載・採用拡大
2.技術実証

水素航空機向け技術開発 1.水素航空機向けコア技術の研究開発
2020年代: 小出力用途(小型電動航空機)を対象に電動化技術の社会実装を開始

開発の進捗

将来ビジョン

3.技術搭載・採用拡大

2030年代:電動化技術の適用範囲を旅客機(細胴機以下)まで拡大

①小型機

②細胴機

①MEA

2040年代:電動化技術を核として航空機の燃費を大幅に削減③広胴機

2050年代: 電動化の理想形に到達。CO2削減への明確な寄与

④理想形

航空機開発
地 飛
上 行

相当環境実証
電動システムシステム開発・統合

地上飛行

電動ﾊｲﾌﾞ
ﾘｯﾄﾞｼｽﾃﾑ

MEAシステム

耐故障

地上

地 飛
上 行

地 飛
上 行

水素コア
技術

電動ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ/水素ｼｽﾃﾑ

低騒音化
液体水素利用（エンジン、タンク）

研究開発

方式選定
概念検討
戦略策定

高出力密度化
高高度環境適合化
電動システム高効率化
電池高ｴﾈﾙｷﾞ密度化・安全性

地 飛
上 行

複合サイクル化・燃料電池
BWB形状、多発分散ファン
超電導化

 2030年代の細胴機(単通路機)にはMEA技術だけでなく、推進系電動化技術適用の可能性もでてきた。
 2020年代のシステム開発・技術実証を通じて技術リスクが十分縮減される必要がある。

高リスク技術概念検討

2020

2030

2040

2050年代技術ロードマップ（航空機電動化コンソーシアム将来ビジョンから抜粋）※1出典： https://www.aero.jaxa.jp/about/hub/eclair/pdf/eclair_vision.pdf

 燃費性能の限界突破とCO2排出削減を目指し, JAXAと国内企業の鍵技術を統合して,ジェット旅客機メガワット電力時代の先駆けとなる.

CO2削減目標からバックキャストした電動推進による燃費削減率の目標
技術改善なく輸送需要のみ増加した場合

2000

2000

従来技術1034

1500

インフラ＆運航
SAF

53

500

オフセット

6

2010

2020

2030

2040

2050

ATAG Scenario 3※1

ATAGのCO2排出量削減目標と削減シナリオ

航空輸送のCO2排出総量の削減
シナリオからバックキャスト(※2)して機材単位の燃費削減目標値を設定

1800

技術改善

次世代技術
24

7

1000

0

ATAG Waypoint2050 senario3を参考に再構築したシナリオ

CO2 Emissions (Millions of tonnes (Mt))

CO2 排出量 (Mt)

３. 目標

※１：各削減手段のバランスが取れ実現性も高い。
https://aviationbenefits.org/environmentalefficiency/climate-action/waypoint-2050/

1600
1400
1200
1000
800

EIS時期

機材サイズ

燃費削減率

600

2035年頃

細胴(単通路)20％400

2040年頃

広胴(双通路)35％200

2045年頃

細胴(単通路)45％

0EIS：Entry Into Service

2015

2020

2025

2030

Year

2035

2040

2045

機材更新モデルの合計[Mt]

Technology(ATAG)W/O additional efforts(ATAG)

ATAG target

2035SA(▼20%)

2040TA(▼35%)

2050

2045SA(▼45%)(※2)要求されるCO2削減率は、「機体単位の燃費削減率」 「適用機体サイズのCO2排出量寄与率」「新機材への置換率」の積であるとの仮定のもと、それらをモデル化し算出

ATAG Scenario3 を考慮した従来技術＆次世代技術目標
EIS時期

機材サイズ

2035年頃

細胴(単通路)

20％

(※3)

10%

電動化 10％2040年頃

広胴(双通路)

35％

(※3)

10%

25％

2045年頃

細胴(単通路)

45％

(※3)

15%

30％

EIS：Entry Into Service(出典：ECLAIR将来ビジョンver.1.1)

燃費削減
率目標

従来技術に 次世代技術による寄与分 よる寄与分(※3)従来技術による寄与分はシナリオ３の従来技術（青点線）に合致するよう機材単位の性能としてモデル化

https://www.aero.jaxa.jp/news/event/pdf/event211102/program03.pdf(出典：ECLAIR将来ビジョン ver.1.1)
https://www.aero.jaxa.jp/news/event/pdf/event211102/program03.pdf

2035年頃に社会実装する単通路旅客機の目標[従来技術] = [推進]＋[空力]＋[構造]により10％削減[電動化] = [電動推進]＋[MEA※4]により10％削減※4 MEA：More Electric Aircraft(装備品の電動化)

JAXAの研究開発対象

5４. 研究開発対象の選定【選定根拠】CO2排出削減に寄与 ＆ 2030年代中頃の社会実装に間に合う技術方式

適用対象
プロペラ機

Source: James, D.H. 2015＠NASA

CO2排出量への寄与率

電動化方式 航続距離
全電動８％ハイブリッドﾞ 既存機並み

単通路ジェット機 54％
双通路ジェット機

パラレルハイブリッド

パーシャルハイブリッドﾞシリーズ・パラレル
パーシャルハイブリッドﾞ

電動推進フェーズ

Jet fuel tank
CT M

Battery
電動モータ

Jet fuel tank

ターボエレクトリック

ハイブリッド方式
シリーズハイブリッド

出力

20MW級

パーシャルハイブリッドﾞ 2MW級

例：7000km以上

38％

推進システム方式

500km

選定

不選定

C

M

T G
胴体尾部ファン

Jet fuel tankCM

離陸上昇（ﾌﾗｲﾄｴｯｾﾝｼｬﾙ）

巡航（非ﾌﾗｲﾄｴｯｾﾝｼｬﾙ）

離陸上昇（ﾌﾗｲﾄｴｯｾﾝｼｬﾙ）

T MG
胴体尾部ファンBattery

燃費削減方式
電動ファン

原理

BPR向上

胴体尾部電動ファン BPR向上＆BLI効果BPR：Bypass Ratio(バイパス比)
BLI：Boundary Layer Ingestion(境界層吸込み)＆巡航 推力の一部を電力で分担するﾊﾟｰｼｬﾙﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ方式のうち、ﾀｰﾎﾞｴﾚｸﾄﾘｯｸ方式は技術的実現性が最も高いので電動ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ方式の起点となり得る有力な候補として選定

6

５. 技術課題と解決策
ターボファンエンジン

T GC①尾部ファン形態
一般的なBLI※1形態には課題あり

モータ

Jet fuel tank

①尾部ファン形態の課題

M

胴体尾部ファン
胴体尾部ファン

※1 BLI（Boundary Layer Ingestion）
胴体尾部ファンで境界層を吸い込む大出力発電機

WAT（Wake Adaptive Thruster：胴体後流適応型推進器）コンセプト

解決策

尾部ファン方式の電動HB推進システム
1.引起し角とファン面積の両立
一般的なBLI形態

2.減速域の捕捉と不均一の緩和
一般的なBLI形態

3.空力抵抗増の緩和
一般的なBLI形態

引起し角引起し角確保のためファン面積が制限される

電動フ ァンJAXAのWAT形態
電動モータ

尾部尾部の上側は減速弱い。上下で速度差が大きいので不均一性も大きい。
JAXAのWAT形態

独自形状

尾部ナセルが胴体尾部を前に推す力は弱い。
尾部ナセル位置に自由度もない尾部が前に推される

JAXAのWAT形態

高圧(赤い領域)
引起し角を確保しつつ双発化によりファン総面積拡大。ナセル横幅が減速域より広くなるがナセル形状を工夫して減速域を効果的に捕捉。

尾部の上側流れを吸込まない形態なので不均一性も小さくファン設計の負担が小さい。
胴体尾部形状を工夫してファン流入条件を改善

ナセル配置は前後に移動可能

ナセルの配置自由度と胴体尾部形状により、尾部ナセルが胴体尾部を前に推す力が発生。
尾部ナセル配置による空力抵抗増を緩和。

7

５. 技術課題と解決策

ターボファンエンジン

モータ

Jet fuel tank
C

T G

M

©IHI

②電力供給には発電機方式に課題あり

胴体尾部ファン大出力発電機

抽出動力[MW]/エンジン

5

課題：高圧軸（従来技術） 解決策
からのMW級動力抽出は困難

432②電力供給の課題

世界初，ジェットエンジン後方に搭載可能なエンジン内蔵型電動機を開発

株式会社IHI, 2020年03月30日プレスリリース,
https://www.ihi.co.jp/all_news/2019/aeroengine_space_defense/1196481_1594.html

株式会社IHI 井上氏「航空機適用を目指した電動化ソリューションの研究開発」,航空機電動化(ECLAIR)コンソーシアム第4回オープンフォーラム, 2021年11月2日,
https://www.aero.jaxa.jp/news/event/pdf/event211102/program05.pdf

電動HB旅客機目標

1
0
10000
20000
30000
40000
エンジン最大静止推力[lbf]従来方式（高圧軸）発電機の限界※：PW1133Gの推力がゼロになるときの各軸抽出動力（独立に抽出）を限界値として定義し、最大静止推力に比例配分させて限界値線をプロットした。実際には推力がゼロになるまで軸動力を抽出するわけではないことと、ギア伝達力の制約や、ギア部の空力損失による制約等があり、これより小さい値に制約される。

NEDOプロジェクト(2020年度～2023年度)実施中
航空機用先進システム実用化プロジェクト/
次世代電動推進システム研究開発/
電動ハイブリッドシステム

 国内企業の鍵技術が電動ハイブリッド旅客機実現の突破口になる8

6. 技術実証の構想

世界初の実証を目指す
demonstration of Massive Electric Generation for Aircraft and

航空機用MW級電動ハイブリッド推進システムの技術実証（MEGAWATT）Wake Adaptive Thruster Technologies

エンジン‐発電機統合実証試験

MW級供試体試験

主エンジン

発電機

モータ

G

M M M M

発電機

制御器

AC

電力変換器
制御器
Conv
Controller

2軸ターボファンエンジン(F7-10)

電力変換器

DCバス

発電機

DC

CB

Conv

遮断器

電力変換器

電力負荷

エンジン図出典：坪本、森脇、F7-10エンジンの設計、IHI技報Vol.57 No.1 (2017)

電力源システムInv Inv Inv Inv

電源 実エンジン統合環境
 発電機の出力性能計測
 発電時のエンジン性能計測
 模擬故障時の保護機能実証

供試体を組込み

MW級発電電動機試験装置

高空環境実証試験
WATナセル内模擬
低圧・低温

全機CFD/対応遷音速風試

Flow

M = 0.78,
風洞Re = 3.2e6

発電機(500kW*2)
制御器

尾部ファン

Cnv Cnv Inv Inv

電動機(500kW*2)

 WATナセル内相当環境（低温・低圧） 電動機の出力・冷却性
能の計測
 冷却器の空力損失計測

制御器

DC電源

電動ファン駆動システム
全機システム性能評価

97. 研究開発体制
主エンジン 発電機

電力変換器

電動ファン

電動機

WATシステム
全機システム評価

JAXA『WATコンセプト』『CFD・風洞試験技術』
大学『空力設計最適化』
機体メーカ等『航空機設計』

電力源システム

電力変換器・遮断器等

電動ファン駆動システム

JAXA『電動HB推進システム設計技術』 『解析・試験・評価』
国内企業『SiCインバータ』©IHI

JAXA『エンジン保護技術』『解析・試験技術』
株式会社IHI『低圧軸直結型発電機』（高耐熱発電電動機）

大学『電力変換器』
大学『半導体遮断器』

JAXA『電動ファン駆動システム設計技術』『高空環境試験技術』

住友精密工業株式会社『高性能表面冷却器』
ヤマハ発動機株式会社『多重化電動機』
東京大学『絶縁試験・評価』
エスペック株式会社『低圧低温試験・評価』

 2023年5月1日JAXAにて「MEGAWATTプリプロジェクトチーム」が発足。
 各社と共研等を開始し、プロジェクト化に向け準備中。

10

8. 現在までの研究成果

全機システムの概念設計(2023年3月時点※)※設定している各コンポーネント の性能や全機空力性能等は。研究の進捗を反映して今後も適宜概念設計を更新する予定

比較参照旅客機 A321neo(相当)Generator

CoolerCB

コンバータ

電動ハイブリッド旅客機 TRAe

冷却器
インバータ

Conv

Controller

Conv

T尾翼に変更Cooler

Inv

CB

M

比較参照エンジン = PW1133G

Inv

CB

M

引起し角＝11.2°

DC配線

制御器

AC配線
Generator

CB

参照機と同一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WAT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WATファンを駆動• 比較参照機に比べて運用空虚重量は増加

Cooler

AC遮断器
電動機

WATファン（巡航時に使用）

AC遮断器
発電機

主エンジン
（ターボファンエンジン）• 電動HB推進システムは巡航時のみ駆動（ノンフライ
トエッセンシャルシステム WATファンが推力喪失しても主エンジン推力で飛行を継続可能）

11

8. 現在までの研究成果
機体表面

低速条件のCFD解析

WATナセルまわりのCFD解析

低速風洞試験

WAT形態空力性能のCFD解析と風洞試験

電動機のプロトタイプ開発

気流

IRカメラ

表面冷却器の高空環境試験
表面冷却器(空気側フィン)多重化電動機設計(2MW= 500kW×4台)研究開発委託冷媒オイル模擬ヒータ（供試体裏面）後流測定用の機器(総圧・総温)500kW級電動機の運転試験（400kWまで試験実施）

表面冷却器周り流れ場のCFD解析

共同研究

電動機用冷却器のCFD解析と高空環境試験

12

9. 標準化活動への貢献
研究
開発

社会実装

航空機の脱炭素化に向けた新技術官民協議会
https://www.mlit.go.jp/koku/koku_tk11_000005.html

標準化活動

研究開発と標準化活動の連動
Electrification ChaLlenge for AIRcraft

航空機電動化（ECLAIR）コンソーシアム
https://www.aero.jaxa.jp/about/hub/eclair/ JAXAプロジェクトにおける研究開発と技術実証の結果を共有し標準化活動に貢献する

13

まとめ
 Covid-19で航空業界が大きな影響を受けたにもかかわらず、航空分野におけるCO2排出削減への要求は全世界規模で関心が高まっており、SAF(Sustainable Aviation Fuel)や水素等、新しいエネルギへの転換が注目される中、電動化技術は依然として次世代技術の有力な候補である。
 従来のエンジン大口径化が限界に近付きつつある中、推進系の電動化技術は小型機において実用化のフェーズに入りつつあり、近い将来は旅客機に適用可能なMW級の電動推進システムが実現する可能性も出てきた。
 JAXAでは、CO2削減に寄与する新しい技術方式として推進系電動化を旅客機に適用することを目指し、国内の各機関と連携を図りながら重要技術の研究開発に取り組んでいく。
 技術研究開発と並行し、得られた知見を迅速に国際的な産業標準に反映していくため、「航空機の脱炭素化に向けた新技術官民協議会」とも連携しながら、標準化活動にも取り組んでいく。

ご清聴ありがとうございました。