静粛超音速機統合設計技術の研究開発〜陸上超⾳速⾶⾏が可能な⺠間超⾳速機の実現に向けて〜

宇宙航空研究開発機構 航空技術部⾨
航空システム研究ユニット ユニット⻑

牧野好和

発表の概要１．これまでの⺠間超⾳速機
２．⺠間超⾳速機に関する最近の動向
３．⺠間超⾳速機実現に向けた課題
４．JAXAの超⾳速機研究開発
４．１ これまでの取り組み
４．２ 現在の取り組み
４．３ 今後の⽅向性
５．まとめ

2

１．これまでの⺠間超⾳速機

⾶⾏速度の変遷2
速度（マッハ数）

⾳の壁

1
Ａ３８０

0
1920

1940
プロペラ機

1960

1980

2000

2020

就航年

ジェット機
3

１．これまでの⺠間超⾳速機

コンコルド

英仏共同開発超⾳速旅客機コンコルド（Concorde）
⾶⾏マッハ数 2.05
全⻑ 62 m
翼幅 26 m
最⼤離陸重量 180 ton
航続距離 6300 km
乗客数 128⼈
初⾶⾏ 1969.3.2
運賃 約70万円（NY-London⽚道）
離着陸騒⾳ ICAO Chapter II適⽤例外
陸地上空超⾳速⾶⾏ 禁⽌製造機数 16機（プロトタイプ4機を除く）
運航停⽌ 2003.5 （Air France）
2003.10（British Airways）

http://www.concordesst.com/home.html

4２．⺠間超⾳速機に関する最近の動向
⽶国ベンチャーによる実機開発計画
2020年代半ばの就航を⽬指して複数の⽶国ベンチャー企業が実機開発を進めている。
Aerion︓Boeingとの連携、GEとのエンジン開発、Honeywell等との装備品開発等で開発を加速。
Boom ︓JAL、Virgin等が出資。開発中のサブスケールプロトタイプで2020年に初の超⾳速⾶⾏試験予定。

実証機XB-1
https://boomsupersonic.com

https://www.aerionsupersonic.com

Aerion AS2

キャビンレイアウト例

Boom Overture

座席数

8-18席

座席数

40-55席

巡航速度

Mach 1.4

巡航速度

Mach 2.2

陸上⾶⾏速度 マッハカットオフ※

陸上⾶⾏速度

亜⾳速⾶⾏

エンジン

エンジン

TBD 3基GE Affinity 3基※ 超⾳速だがソニックブームが地上に届かない速度での⾶⾏

GE Affinityエンジン

GE J85-15エンジン（XB-1⽤）5

２．⺠間超⾳速機に関する最近の動向
NASA低ブーム実証機（LBFD,QueSST,X-59）
NASAはICAOにおけるソニックブーム基準策定に寄与することを⽬的として、有⼈低ブーム実証機の開発を進めている。
実証機スペックNASA QueSSTスケジュール
Phase1︓2018-2022

機体開発(初⾶⾏2021)

Phase2︓
2022-2023

⾳響検証

Phase3︓
2023-2025

社会反応調査Phase4︓
2026

規制当局へ最終データ提供

https://www.nasa.gov/mission_pages/lowboom/index.html

6３．⺠間超⾳速機実現に向けた課題
経済性に関する課題

エンジン配置エンジンバイパス⽐

巡航性能向上翼下航続距離を伸ばすために必須
抵抗を1%下げると3%乗客を増やせる
軽量化には亜⾳速機同様、複合材の適⽤が有効

翼上／側胴

システム統合設計の必要性

環境適合性に関する課題

⾼バイパス⽐環境適合性に関する課題

ソニックブーム低減陸上超⾳速⾶⾏を可能にするために必須
現在の規制では陸上超⾳速⾶⾏は禁⽌
現在ICAOにおいてソニックブーム基準が議論されている

低バイパス⽐空港騒⾳基準適合
低アスペクト⽐⾼アスペクト⽐ 亜⾳速機と同じ騒⾳基準への適合が必須

主翼平⾯形

現在のICAO基準はChapter 14
現在ICAOにおいて超⾳速機の離着陸騒⾳基準が議論されている

7

４．JAXAの超⾳速機研究開発
⼩型超⾳速実験機（NEXST-1）

これまでの取り組み
低ブーム設計概念実証機（D-SEND#2）
逆キャンバ⽔平尾翼

Arrow翼低抵抗／低ブーム翼

超⾳速⾃然層流翼

後胴揚⼒⾯

Warp翼

Area-Rule胴体

低抵抗技術実証

無推⼒実験機ロケット打ち上げ試験

⾮軸対称機⾸低ブーム技術実証

無推⼒実験機バルーン落下試験

8

４．JAXAの超⾳速機研究開発

現在の取り組み

静粛超⾳速機統合設計技術の研究開発
p 超⾳速旅客機が実現するには、環境基準への適合性と経済的成⽴性の両⽴が不可⽋。これまでの成果（低抵抗設計技術︓
NEXST1及び低ソニックブーム設計技術︓D-SEND#2）を踏まえ、超⾳速旅客機が成⽴するための鍵となる3つの課題、ソニックブーム低減／空港騒⾳基準適合／巡航性能向上の⽬標を同時に満たす機体設計技術を獲得し、最終的にはシステムとしての実現性を実証することを⽬指す。
p 超⾳速機市場開拓に必要な国際基準策定への貢献に取り組むとともに、上記3つの課題解決に必要な要素技術（下右表）に対する技術⽬標（下左図）を満⾜する機体を提⽰するため、 要素技術の⾼度化とそれらをシステムとして統合するための設計技術の開発を実施している。
p 基準策定後に想定される低ブーム超⾳速機の国際共同開発において、わが国産業界が競争⼒を発揮できるよう、欧⽶に対する優位性を獲得するための技術実証構想の検討を進めるとともに、産学官を⼀体化した研究開発体制の構築に取り組んでいる。
【技術参照機の要求仕様と技術課題】【要求仕様】
乗客︓50⼈巡航速度 ︓マッハ1.6
航続距離 ︓3,500nm（6,500km）以上【課題】
ソニックブーム
空港騒⾳
巡航性能【技術⽬標】: 85PLdB以下: ICAO Chapter 14適合
: 巡航揚抗⽐8以上、構造重量15%減【3つの課題と4つの要素技術との関係】
要素技術

課題

低ブーム／低抵抗

ソニックブーム低減

空港騒⾳基準適合✔

✔

エンジン低騒⾳化✔

低速空⼒性能向上✔

機体軽量化

巡航性能向上✔
9

４．JAXAの超⾳速機研究開発

現在の取り組み【課題１︓ソニックブーム関連要素技術研究】p エンジン排気がソニックブームに与える影響評価
エンジン排気が後端ソニックブーム強度に与える影響につき、数値シミュレーション（CFD）と⾵洞試験で確認。
p エンジン排気の影響を遮蔽する固定フィンコンセプトの創出
エンジン排気の影響を考慮した低ブーム設計コンセプトとして遮蔽フィンを考案し特許出願。
CFD

上⾯図

③Plume expansion④Opposite lip
shock①Boattailexpansion

遮蔽フィン②Near lipshock

⾵試

後胴揚⼒⾯

Cp0.1

側⾯図-0.1

主翼

エンジン排気がソニックブームに与える影響評価

ノズル出⼝圧⼒分布

後胴揚⼒⾯

エンジン排気遮蔽低ブームコンセプト10

４．JAXAの超⾳速機研究開発

現在の取り組み【課題２︓空港騒⾳関連要素技術研究】

離着陸時

95

巡航時

SPL [dB]

90Baseline

低騒音ノズルθ = 150°8580

揚抗⽐（L/D）

p 低騒⾳ノズルによるジェット騒⾳低減推⼒損失を最⼩化しつつ離着陸時のジェット騒⾳を低減する可変ノズルコンセプトの効果を検証試験等で確認。
p 最適⾼揚⼒装置による離着陸時空⼒特性改善
超⾳速機に適⽤例のないクルーガーフラップについて、駆動機構が簡素な設計を⾏い、⾵洞試験により検証。

75

CL=0.65(設計点)
80
100
125
160200250315
400
500
630
800
1,000
1,250
1,600

70

1/3 Oct. 周波数

低騒⾳可変ノズルコンセプト

実験⽤エンジン適⽤検証

エンジン低騒⾳化（低騒⾳ノズル効果検証）

揚⼒係数（CL）

低速性能向上（クルーガーフラップ効果検証）

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４．JAXAの超⾳速機研究開発

現在の取り組み【課題３︓巡航性能関連要素技術研究】
p 摩擦抵抗を低減する⾃然層流翼設計技術
NEXST-1で⾶⾏実証した⾃然層流翼設計技術を⾼度化し、⼩型SSTの主翼に適⽤検討。
p 機体推進系統合設計技術
低ソニックブームと低抵抗を両⽴し得るエンジン配置を検討し、その妥当性を⾵試検証。
p 複合材料適⽤による機体重量軽減化
亜⾳速機よりも薄翼である超⾳速機主翼に対する複合材適⽤に関し、繊維配向⾓や積層数及び桁配置を検討。

4.6%軽量化

主翼構造とサイジング対象範囲

機体推進系統合設計検証

⾃然層流翼設計結果

低抵抗化

桁配置の最適化

機体構造軽量化（複合材適⽤検討）

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４．JAXAの超⾳速機研究開発

現在の取り組み【システム設計技術】
研究開発した各要素技術を適⽤し、技術参照機体である⼩型超⾳速旅客機の概念検討を実施した。
p ソニックブーム︓遮蔽フィン技術により、低ブーム⽬標(85PLdB)の達成を⾒込める87.1PLdBを実現。
p 空港騒⾳︓最適⾼揚⼒装置による低速空⼒特性改善効果、低騒⾳ノズルや機体によるエンジン騒⾳遮蔽効果等により、⽬標の離着陸騒⾳基準（ICAO Chapter 14）適合の⾒通しを⽰した。
p 巡航性能︓⾃然層流翼設計との併⽤により、低抵抗⽬標(L/D=8)を実現するとともに、複合材の配向⾓や板厚の最適設計や桁配置の最適化により、構造重量軽減⽬標達成の⾒通しが得られた。

機体直下の地上ブーム強度
⾮低ブーム︓103.8 PLdB
低ブーム︓ 87.1 PLdB

遮蔽フィン

機体表⾯Cp分布
M1.6, CL=0.16, L/D=8

Mach1.6
h=14.9 km
CL=0.16

技術参照機体のシステム成⽴性検討

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４．JAXAの超⾳速機研究開発

今後の⽅向性【技術実証構想の検討】
静粛超⾳速機統合設計技術の研究開発で実施している要素技術研究開発やシステム設計技術の成果を、⺠間超⾳速機実現につなげていくための最終フェーズとして、キー技術の実証構想の検討を進めている。

【技術実証システムに求められる機能要求】
p エンジン排気の影響を評価できる推進系を有すること
p 低ブーム性を評価できる超⾳速で⾶⾏が可能なこと
p 低ブーム設計のロバスト性を⽰すため繰り返し実験が可能なこと

空港騒⾳基準適合

ソニックブーム低減

巡航性能向上技術実証機検討の⼀例

⾶⾏実験概要イメージ14

５．まとめ
現在JAXAが進めている静粛超⾳速機統合設計技術の研究開発の概要と今後の⽅向性について紹介しました。
p 世界的に⺠間超⾳速機開発に向けた機運が⾼まってきており、いくつかの海外ベンチャー企業が海上を超⾳速⾶⾏する実機の開発を進めています。さらに低ソニックブーム設計技術の進歩により、将来的な陸地上空超⾳速⾶⾏に向けた国際基準策定の議論が進められています。
p この様な背景から、JAXAではこれまでに実施してきたNEXST-1（低抵抗設計技術）やD-SEND#2（低ソニックブーム設計技術）の⾶⾏実証成果をベースに、それらを統合した静粛超⾳速機統合設計技術の研究開発を進めており、低ブーム／低抵抗設計技術や離着陸騒⾳低減技術の⾼度化により、低ブーム超⾳速旅客機の技術成⽴性が⽰されてきています。
p 低ブーム⺠間超⾳速機実現のキー技術である統合設計技術の実証構想⽴案に向けて、無⼈技術実証機による⾶⾏実証構想を検討しています。
引き続き静粛超⾳速機の技術開発を⾏うとともに、将来的な実機開発における体制も念頭にエアラインや⺠間企業とも連携し、効率的で効果的な実証構想の検討を進めていきます。

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ご清聴ありがとうございました。

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