2023年1月27⽇（⾦）
2022年度 航空輸送技術講演会

脱炭素化に向けた航空機技術の研究開発について

国⽴研究開発法⼈ 宇宙航空研究開発機構
航空技術部門伊藤 健

背景︓社会動向、国際情勢
脱炭素は航空のトレンド︓ネットゼロ目標（ATAG）

⻄沢啓、ECLAIRコンソーシアム第4回オープンフォーラムhttps://www.aero.jaxa.jp/news/event/pdf/event211102/program03.pdf

2背景︓⽇本の経済政策︓グリーン成⻑戦略⑩脱炭素は航空産業政策のトレンド
目標、法制度（ 規制改革等） 、標準、 税、 予算、

2025年～2030年～2040年

４ ． 自立商用フェーズ⑦●具体化すべき政策手法：

⑥⑤

2024年

３ ． 導入拡大・コスト 低減フェーズ

③

●電動化

2023年

２ ． 実証フェーズ

②

輸送

2022年

１ ． 開発フェーズ①2021年●導入フェーズ：④

航空機産業の成長戦略「工程表」

金融、公共調達等～2050年★目標
2 0 5 0 年時点でCO 2 排出量を2 0 0 5 年比半減( I ATA目標）★規制
国際航空に関し、 I CAOにより2 0 1 9 年比でCO2 排出量を増加させないことを制度化（ 2 0 2 1 ～2 0 3 5 年）

装備品電動化の研究開発

技術実証

推進系電動化（ ハイブリッド電動） の研究開発

技術実証

技術搭載・採用拡大

技術搭載・採用拡大※ 電動化技術は小型機から順次搭載可能性（ 2 0 2 0 年代後半～）●水素航空機向け技術開発●軽量化
効率化

水素航空機向けコア技術の研究開発

技術実証

技術実証

エンジン効率化の研究開発（ 素材や設計等）

技術搭載・導入拡大

技術搭載・採用拡大

技術搭載・採用拡大
自立的拡大

技術実証

機体構造向け炭素繊維複合材の研究開発※ エンジン、電動化、水素関連技術は一部補完関係あり

上記項目での欧米との国際連携を強化●ジェット燃料コスト目標
2030年
1 0 0 円台/L
( ＝既製品と同等)

SAF（ 代替航空燃料、Sustainable Aviation Fuel） の国際市場の動向に応じて、国内外において、航空機へ競争力のあるSAFの供給拡大【ガス化FT合成】様々な原料の品質を均一化する破砕処理技術の開発を継続【ATJ】高温状態の触媒反応の制御技術の開発を継続【微細藻類】CO 2 吸収効率の向上や藻の安定的な増殖による生産性向上、品質改良の技術開発を継続 等
合成燃料の製造技術の開発

大規模製造の実証

・既存技術（ 逆シフト反応＋FT合成プロセス） の高効率化
・製造設備の設計開発

導入拡大・コスト 低減

自立商用

合成燃料の革新的製造技術の開発
・CO 2 電解（ ＋水電解） ＋FT合成プロセスの研究開発
・共電解＋FT合成プロセスの研究開発
・直接合成（ D irect-FT） プロセスの研究開発

151

2050 年カーボンニュートラルに伴う グリーン成長戦略、令和3年6月 18 日 、 https://www.meti.go.jp/press/2021/06/20210618005/20210618005-3.pdf

3

背景︓航空法の改正
脱炭素は航空⾏政でもトレンド︓2022年6月航空法改正／航空脱炭素化推進基本方針第⼀条 この法律は、国際⺠間航空条約の規定並びに同条約の附属書として採択された標準、⽅式及び⼿続に準拠して、航空機の航⾏の安全及び航空機の航⾏に起因する障害の防⽌を図るための⽅法を定め、航空機を運航して営む事業の適正かつ合理的な運営を確保して輸送の安全を確保するとともにその利⽤者の利便の増進を図り、並びに航空の脱炭素化を推進するための措置を講じ、あわせて無⼈航空機の⾶⾏における遵守事項等を定めてその⾶⾏の安全の確保を図ることにより、航空の発達を図り、もつて公共の福祉を増進することを目的とする。
（中略）
第⼗章 航空の脱炭素化の推進 （航空脱炭素化推進基本⽅針）
第百三⼗⼀条の⼆の七 国⼟交通⼤⾂は、航空の脱炭素化に関する施策の総合的かつ計画的な推進を図るための基本的な⽅針（以下「航空脱炭素化推進基本⽅針」という。）を定めるものとする。
（中略）
３ 航空脱炭素化推進基本⽅針は、地球温暖化の防⽌を図るための施策に関する国の計画との調和が保たれたものでなければならない。
第二〇八回 閣第四四号 航空法等の⼀部を改正する法律案（抜粋）︓
https://www.sangiin.go.jp/japanese/joho1/kousei/gian/208/pdf/t0802080442080.pdf

航空脱炭素化推進基本方針 (概要）、令和4年12⽉1⽇
https://www.mlit.go.jp/report/press/content/001573998.pdf
4背景︓科学技術政策（⽂部科学省航空科学技術委員会）
脱炭素は航空科学技術の最重要課題

5

航空科学技術分野に関する研究開発ビジョン 最終とりまとめ 、令和4年4月、https://www.mext.go.jp/content/20220218-mxt_uchukai01-000020582_2.pdf

JAXA航空の研究開発ビジョン
JAXA航空が目指す将来像

⼈と環境に優しい持続可能な航空利⽤社会
Sky Green+:環境負荷のない⾼速輸送で世界をつなぐ

Sky 4 All

:⽇常も災害時も誰にでも航空機の恩恵をSky DX:循環型のデジタル化した航空産業で世界をリード

JAXA航空が取り組む4つの重点課題
航空機のCO2
排出低減技術静粛超音速機多種・多様運航
統合／⾃律化技術

航空機ライフサイクルDX技術

脱炭素社会

新市場の開拓国土強靱化、
空の移動革命

新たな産業基盤Sky Green+

Sky 4 AllSky DX
66

（参考）技術目標の設定︓エコウィングの活動／TRA2022
JAXA航空シンポジウム2019（過去の検討例）

技術参照機体の性能評価に基づく技術目標(Technology Reference Aircraft︓TRA)
性能評価技術・燃費推算
・空港騒音推算

TRA2012A・巡航マッハ数 M=0.78
・乗客数︓120pax
・レンジ︓3,600nm
・A319相当機体

空⼒技術
・誘導抵抗低減
・摩擦抵抗低減

構造技術
・複合材適用・複合材最適設計
技術（板厚変化率

TRA2022

技術目標(TRA2012A比)

エンジン技術等

・エンジンSFC解析技術
・低騒音技術・燃費︓30%減- 空⼒・構造︓15%- エンジン︓15%
・空港騒音
ICAO Ch.4 -20dB

やバックリング許容設計， 薄層化積層最適化技術等）

・要素技術をシステム設計への組み込み技術参照機体を設定し，要素技術を機体形状に組み込み性能評価

技術目標を設定し、研究開発を進め成熟度を向上、技術の実用化を目指す

7

脱炭素化に向けた航空機技術の研究開発（JAXAにおける取り組み例）
エンジン⾼性能化
低燃費低排出エンジン
低圧系(aFJR)︓

燃費1％改善高圧系(EnCore)︓

タービン温度他

200℃向上等

燃費5％以上改善

全抵抗の2％低減

全抵抗の1％低減

扉フレーム重量18％軽量化

巡航中の燃費7.2％改善

電動ハイブリッド推進→ 1~1.5%燃費改善

機体性能向上空⼒抵抗低減

リブレット︓
層流化技術︓

複合材軽量化︓→ 9％燃費改善（全機に適用できた場合）

運航性能向上技術
高度判断⽀援︓

水素航空機

エミッションフリー
8脱炭素化に向けた航空機技術の研究開発（JAXAにおける取り組み例）
エンジン⾼性能化


低燃費低排出エンジン
 低圧系(aFJR)︓
高圧系(EnCore)︓

電動ハイブリッド推進

燃費1％改善タービン温度他

200℃向上等

燃費5％以上改善→ 1~1.5%燃費改善

機体性能向上空⼒抵抗低減 リブレット︓
 層流化技術︓
複合材軽量化︓

全抵抗の全抵抗の扉フレーム重量2％低減
1％低減
18％軽量化

運航性能向上技術
 高度判断⽀援︓

巡航中の燃費

7.2％改善水素航空機

エミッションフリー→ 9％燃費改善（全機に適用できた場合）

9エンジン高性能化︓低燃費低排出エンジン

売上高
11兆1191億円

JAXAを中核に進めたFJRエンジンプロジェクト（1970〜80年代）をきっかけに国内エンジンメーカがV2500エンジン国際共同開発へ参画。
国内エンジンメーカ（IHI、KHI、MHI）の合計シェアは約6％（2019年）
海外OEM（オリジナルエンジンメーカ）のリスク・シェアリング・パートナー(RSP)、サブコン等として、国際的にも⼀定の役割/存在感を示している。
海外OEMエンジン開発において低圧部（ファン、低圧圧縮機・タービン等）分担の獲得へ。
さらにエンジンの心臓部であるコアエンジン（⾼圧部（燃焼器、⾼圧タービン等））の分担を獲得すれば、我が国航空エンジン産業の大きな飛躍に繋がる。

世界主要エンジンメーカーの航空エンジン⽣産(売上)高シェア（2019年）SJAC令和3年版「航空宇宙産業データベース」を元に作成

各エンジンの絵は⽇本航空機エンジン協会事業概要パンフレットより引用
1010

エンジン高性能化︓低燃費低排出エンジン
 技術動向 ガスタービンエンジンの低炭素排出には熱効率と推進効率の改善が必要
システムの超高バイパス⽐化

バイパス⽐の推移

コア⼩型高出⼒化
要素の効率向上
軽量化

高バイパス⽐➡推進効率向上・軽量化技術
・空⼒技術
・複合材技術高温化 エンジンを内包するナセルも縮⼩化設計がトレンドであり、推進効率改善に寄与する。

⼩型高出⼒化➡熱効率向上等・高温材技術
・冷却技術
・燃焼技術
・耐環境技術エンジンの低炭素排出技術

11

エンジン高性能化（低圧系要素） aFJRプロジェクト（2014〜2017年）
エンジンの低炭素排出(燃費改善)を目指した低圧系要素に関する研究開発プロジェクト
国内エンジンメーカ及び大学と共同で、ターボファンエンジンの高効率化・軽量化に寄与する技術を研究開発
低圧系要素であるファン、低圧タービンに関連する以下の4つの主要技術に取り組んだ。
①高効率ファン、②軽量ファン、③軽量吸音ライナ、④軽量低圧タービン、に取り組んだ。
①⾼効率ファン技術

ファン動翼に層流化設計を適用して空⼒性能を向上• ファン動翼を試作し、ファン試験設備で空⼒性能を評価。
• CFDによるフラッタ回避設計が有効であることを確認。

JAXAファン試験装置

適用前

適用後
12

エンジン高性能化（低圧系要素）②軽量ファン技術

CFRP製のファン動翼に中空構造を設け、複合材ファンを軽量化。
•

⿃衝突を想定した高速衝撃時の損傷解析、設計製造技術を向上③軽量吸音ライナ技術

中空構造ファン動翼

高速衝撃試験と解析

試作樹脂製吸音ライナ

気流中の吸音ライナ試験装置

ファン騒音低減のための吸音ライナをアルミ製から樹脂製に切り替え、軽量化。
•吸音ライナの成形可能性、軽量性を達成するとともに、気流中に置かれた場合の音響性能を維持。

④軽量低圧タービン技術

低圧タービン動翼の軽量化のため、セラミクス基複合材料(CMC)適用に向けた課題解決•

過回転防止設計を開発。CMC部材の回転衝撃破壊試験、タービン翼列のフラッタ発⽣限界試験を実施した。

CMC翼モデル回転衝撃破壊試験

タービンフラッタ試験供試体

 各要素技術成果を仮想エンジンに適用した結果、最新エンジンに対して燃費低減目標(1％)を上回る世界トップレベルの燃費低減を確認した。

13

エンジン高性能化（高圧系要素）En-Coreプロジェクト（2019〜2023）• NOx(窒素酸化物)やCO2(二酸化炭素)の排出量を減らす技術
で競争⼒を強化する研究開発プロジェクト

取り組み内容超低NOxリーンバーン燃焼器
これまでの低NOx燃焼器の研究成果をもとに、エンジンに搭載できるように実用レベルを高め、世界で最もNOxの排出が少ない燃焼器性能を実証する。

高温高効率タービン
損失の少ないタービンによるエンジン効率の向上を目的とし、• タービン翼の空⼒設計技術

超低NOxリーンバーン燃焼器

高温高効率タービン• 高温下での耐熱材料技術・冷却技術の研究開発にメーカと連携して取り組み、海外メーカーと勝負できるタービン効率を実証する。
1414

エンジン高性能化（高圧系要素）タービン材料実用温度

高温高効率タービン

CMC材料で1300℃（⾦属より＋約200℃）CMC静翼設計技術
En-Coreより耐熱性の高いCMC材料を静翼に採用して、冷却空気による損失を減らす。
空⼒損失を低減する三次元形状、冷却空気を表面に噴き出すフィルム孔形状をCMC静翼で実現する。

CMC静翼

CMC試作翼の健全性を実機相当の⾼温⾼圧ガス流試験等で実証する。

耐熱超合⾦のトレンド

⾼効率メタル動翼技術
現在実用化年代

CMC材料の耐熱性を生かしたタービン設計技術の獲得などにより、タービン効率の競争力を強化する。

三次元形状で空⼒損失の発⽣を減らす。
フィルム冷却性能、内部冷却性能の改善により冷却空気による損失を減らす効果を実証する。
CMC静翼と⾼効率メタル動翼の空⼒設計をもとに回転タービン試験を⾏い、目標効率値を実証する。

⾼効率メタル動翼
1515

エンジン高性能化（最近のトピック、今後の計画）

試験タービンと内部の回転翼回転タービン試験設備で効率改善値を実証

燃焼器

F7-10ターボファンエンジン

 2020年度から純国産ターボファンエンジンF7-10を運用し、共同研究成果を実証試験する活動を⾏ってきた。
 aFJR成果について、全樹脂製の軽量吸音ライナをF7エンジンに搭載して構造健全性等を確認した（2022年度）。

試験部

高温高圧試験チャンバーで試作CMC翼の1300℃での健全性実証
バーナ装置で試作CMC翼の健全性実証

タービン効率、CMC静翼健全性の実証を⾏う

16脱炭素化に向けた航空機技術の研究開発（JAXAにおける取り組み例）
エンジン⾼性能化


低燃費低排出エンジン
 低圧系(aFJR)︓


高圧系(EnCore)︓

電動ハイブリッド推進

燃費

1％改善

タービン温度他

200℃向上等

燃費5％以上改善→ 1~1.5%燃費改善

機体性能向上空⼒抵抗低減 リブレット︓
 層流化技術︓
複合材軽量化︓

全抵抗の全抵抗の扉フレーム重量2％低減
1％低減
18％軽量化

運航性能向上技術
 高度判断⽀援︓

巡航中の燃費7.2％改善

水素航空機

エミッションフリー→ 9％燃費改善（全機に適用できた場合）

17電動ハイブリッド推進システム:技術動向
水素、電動化等

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/

電動航空機の飛行実績と将来開発構想

 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。
 電動航空機の出力規模は指数関数的に向上しており、旅客機の推進系電動化（MW級）が視野に入ってきた。

18

電動ハイブリッド推進システム︓国内連携体制■ 航空機電動化コンソーシアム（ECLAIR※）※Electrification ChaLlenge for AIRcraft (ECLAIR) Consortium

 航空輸送によるCO2排出を抜本的に削減する「エミッションフリー航空機」の実現と新規産業の創出に向けた
オープンイノベーションの場（2018年7月発⾜） 航空産業に加え、電機・⾃動⾞・素材・部品産業等の幅広い分野のメーカー、大学等の研究機関、商社等のマーケター、経産省、航空局が参加(142機関参加、2022年10月時点)
 産学官で将来ビジョンと技術開発のロードマップを共有。産学官連携による研究開発を進めると共に、国際標準化に向けた取組も進めている

JAXAをはじめ多数のECLAIR会員が参画

連携
航空機の脱炭素化に向けた新技術官⺠協議会

航空機電動化（ECLAIR）コンソーシアムの体制

19

電動ハイブリッド推進システム︓研究開発戦略

電動航空機開発戦略における他機関とECLAIRビジョンの違い

Clean Aviation※1(4MW～10MW)
2030年代のEIS※１：EUが17億€の競争資
M/G ターボプロップ

Battery
二次電池
プロペラ
電動モータ/発電機

欧米ではターボプロップ機が電動HB化の対象（燃費削減：３％程度）

VS.

FuelSAF
C

T M/G

T M

BatteryC

Jet fuel tank

T G

C

ジェット旅客機電動化の鍵技術
Electric
Fan

胴体尾部ファン方式

ジェット旅客機が電動HB化の対象(燃費削減:右図）

有望M

T MG

胴体尾部ファン

胴体尾部ファン

電動モータ

Battery

Parallel Hybrid(500Wh/kg)
高ﾊﾞｲﾊﾟｽ比（17）高ﾀｰﾋﾞﾝ入口温度（+100℃）

Turbo Electric(尾部ファン)※2: Series Parallel
Partial Hybrid

電池不要
巡航のみ電動利⽤

10%0.69MJ/seat/km

0.75MJ/seat/km

5%0.79MJ/seat/km
0.809MJ/seat/km

0%

SPPH※2(500Wh/kg)

電池(or直流電源)使⽤
離陸上昇も電動アシスト

従来技術の延長 15%電動モータ/発電機
ターボファン

CM

7～9%

ECLAIR(2MW級×2基)
2030年代のEIS

Jet fuel tankJet fuel tank

2040年代のEIS

12～15%

金を拠出する欧州最大規模の航空機技術研究開発
プログラム。CleanSky2の後継的位置づけ。2022年3月に1st call開始。

T

燃費削減率

Gear

SAF

C

2030年代のEIS 有望

電動HB推進推進システムの方式比較（比較参照機：A321neo）

 ターボプロップ機の電動化ではなく、CO2削減インパクトの大きい「ジェット旅客機」を電動化対象とする
20

電動ハイブリッド推進システム︓旅客機コンセプト【BLI方式の課題】

C

引起し角のためファン直径に制約あり

M

Jet fuel tank
T G

大径・単発

胴体尾部ファン

引起し角

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

海外競合機関の胴体尾部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【JAXAのWATコンセプト】

尾部電動ファン
BLI技術
BLI：Boundary Layer Ingestion

胴体尾部ファン形態の差別化技術
ファンの小型・双発化
胴体尾部形状の工夫

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

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

WAT（Wake Adaptive Thruster）コンセプト

 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、尾部電動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
21

電動ハイブリッド推進システム︓研究開発構想
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
装置を開発し実出力で駆動させる
ファン 燃焼器※ECLAIR将来ビジョンにおける目標値（現在の最新の解析では７～９％の燃費削減見込み）

機体外形状（空力形状）や構造・強度・重量
風洞試験やシミュレーションで検証

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

燃費削減量を再評価
 近い将来の技術実証プロジェクト化を目指してECLAIRとも連携しつつ準備中

22脱炭素化に向けた航空機技術の研究開発（JAXAにおける取り組み例）
エンジン⾼性能化
低燃費低排出エンジン
 低圧系(aFJR)︓

燃費1％改善タービン温度他

200℃向上等燃費5％以上改善

全抵抗の2％低減

全抵抗の1％低減

複合材軽量化︓

扉フレーム重量18％軽量化

運航性能向上技術
 高度判断⽀援︓

巡航中の燃費7.2％改善

水素航空機

エミッションフリー

高圧系(EnCore)︓

電動ハイブリッド推進→ 1~1.5%燃費改善

機体性能向上

空⼒抵抗低減

リブレット︓
層流化技術︓→ 9％燃費改善（全機に適用できた場合）

23

機体性能向上（空⼒抵抗低減）

空⼒抵抗低減技術

摩擦抵抗低減 乱流摩擦抵抗低減
 ⾃然層流翼技術

誘導抵抗低減 高アスペクト⽐翼
 先進翼端形状（ウイングレット）【②⾃然層流翼】【①リブレット】

翼の形状を⼯夫して層流境界層を維持することで摩擦抵抗低減する技術

1970年代にサメ肌からヒント
・機体表面に微細な縦溝

flow

従来翼-間隔︓約0.1mm，-高さ︓0.05mm

・乱流境界層の縦渦を制御し、 サメ肌の拡大写真
摩擦抵抗を低減- 摩擦抵抗の約5-6%低減- 機体全体に施⼯により全抵抗の約2%削減

出展) (C) Sue Lindsay © Australian Museum

リブレットの拡大写真

出展)鈴⽊雄二ら︓乱流の知的能動制御，システム／制御／情報、4（2004）131-137

flow

層流境界層は乱流境界層に⽐べ摩擦抵抗が数倍⼩さい
垂直尾翼の40%層流化で全抵抗の約1%削減

⾃然層流翼

吸込み＋層流翼

出展︓G. Kalarikovilagam Srinivasan, et al. 「Preliminary Design andSystem Considerations for an Active Hybrid Laminar Flow Control
System，Aerospcae-06-00109，2019.

リブレット表面近くの乱流流れ解析

リブレット効果イメージ図24空⼒抵抗低減︓①リブレット 【課題と取り組み】
リブレット形状︓抵抗低減効果の向上

施工良大⾯積
強度大 ✙
矩形溝
三角溝

従来リブレットを上回る空⼒性能
・施⼯性と空⼒性能を併せ持つ独⾃の⽚刃形リブレットを考案・従来より10%程度高い世界トップレベルの抵抗低減を実現

⁼効果大
強度大

JAXA独⾃の⽚刃形リブレット形状（特許出願）

施工性︓接着性、短時間・大面積施工

航空機塗料を用いた施⼯法
・既存の航空機用塗料を用いたリブレット施⼯技術を開発
転写シート成形法(オーウエル社)とレーザー加⼯法(Nikon社)
・エアラインでサンプル評価試験を実施し，実運用の密着性基準を満⾜

転写シート成形法

レーザー加工法

リブレット施⼯形状

耐久性︓エアラインでの実運⽤

2022.7からJAL機による耐久性確認飛⾏試験を開始
・運航中のJAL機にリブレットを施⼯
・塗料型リブレットによる高い密着性を評価
・実運用下において形状や耐久性を定期的に確認中

JALによる密着性確認試験（クロスカット試験の様⼦）

25

空⼒抵抗低減︓①リブレット 【飛⾏実証】
リブレット技術の⾶⾏試験実証(〜2018)

・JAXA試験用航空機(飛翔)にリブレット施⼯
・実飛⾏環境で抵抗低減効果を確認
・流れ場計測による飛⾏試験技術の確⽴

飛翔による飛⾏試験写真JAL機による耐久性確認⾶⾏試験(2022.7〜)
・JAL機の胴体下面の⼩面積に直接リブレットを施⼯
・実機運用環境においてリブレットの耐久性確認を定期整備毎に実施中．1⽇6回の飛⾏サイクルで，定期的な機体洗浄,整備,点検を含む
・⼀部の施⼯方法では，従来の運用環境において約800時間の飛⾏(2022/10末)を終え，形状が維持されていることを確認した

出展︓Kurita, M., et.al.,:Flight Test for

Paint-Riblet, AIAA Paper2020-0560

リブレット施⼯部

JAL機に施⼯されたリブレット(オーウエル社)

今後は，短時間での施⼯方法や抵抗低減効果を大きいリブレット形状を開発し、技術的な優位性のあるリブレット実用化技術を確⽴する．

26

空⼒抵抗低減︓②⾃然層流翼 【課題】
⾃然層流翼設計

層流翼製作・製造

層流翼維持

・高後退角翼の⾃然層流設計
・翼表面形状の不連続性
・航空機の空⼒・構造要求との両⽴ (ファスナ，ギャップ，段差等)
・対称翼(垂直尾翼)層流化
・強度を維持，高精度形状製作

・離着陸時の⾍汚染
・運用における汚染
・エロ―ジョン

EU BLADEプロジェクト
層流(浅い後退角の主翼外翼を⾃然層流翼化)

垂直尾翼の外板形状例
尾翼における形状の不連続性や粗度が境界層遷移を誘起

飛翔による飛⾏試験例
⾍の付着による汚れによる⽣成された
孤⽴粗度から遷移誘起787-9の垂直尾翼（前縁附近に吸込みを適用したHLFC）

27

空⼒抵抗低減︓②⾃然層流翼 【設計】12

• 翼根から翼端方向に圧⼒分布を⼯夫をする三次元設計⼿法を適用(JAXA特許)• 対称翼では，世界最高レベルの層流域を実現

NLF Wing
Initial Wing

初期形状の遷移位置

10Z [m]【技術内容】
垂直尾翼をターゲットに高後退角・対称翼における⾃然層流翼を設計

8

層流翼の遷移位置6

全機抵抗1.3%減
430

3234

36

38 X [m]垂直尾翼の視線層流翼設計効果（JAXA 技術参照機体TRA2022）

JAXA風洞試験による設計効果を確認(ReM=2〜10mil)
層流領域

JAXA 2m遷音速風洞TWT1(Re=2mil.)の風試様⼦
・感温塗料による層流域確認

European Transonic Wind-tunnle
設備 での風洞試験イメージ(ETW提供）
ETW:超低温風洞で実機レイノルズ数を実現

実機飛⾏レイノルズ数風洞試験で設計効果を確認予定 (ReM=24mil.)28

空⼒抵抗低減︓②⾃然層流翼 【製造】【技術内容】
⾃然層流翼製造における表面粗度の仕様策定• 実機の調査を踏まえ，不連続な表面形状を表現
ファスナ,継ぎ目,段差,⾍汚染→ 孤⽴粗度,分布粗度,ステップ,ギャップ• 形状の不連続性による境界層遷移への影響を解明，製造における仕様を策定
表面粗度仕様を満たす製造方法（機体メーカと連携）• 構造的な強度確保• 製造コストを抑制→前桁と後桁の位置を⼯夫→翼前縁部の⼀体成形

孤⽴粗度による境界層遷移流れの解析例(DNS)

出展︓Ishida, T., et al.: Numerical and Experimental Analysis of Three-dimensional Boundary-layerTransition Induced by Isolated Cylindrical Roughness Elements, APISAT2021, Jeju, 2021.

前桁と後桁⼀体成形部
767の垂直尾翼構造断面と改善案
出展︓飛⾏機の構造設計̲⽇本航空技術協会

29

空⼒抵抗低減︓②⾃然層流翼 【高洗浄塗料】【技術内容】
親⽔性塗料による高洗浄塗料の開発
・簡易的な洗浄により層流翼効果を維持- 親⽔性塗料→高洗浄性- 光触媒機能→⾃⼰洗浄機能- ポリマーブラシ（メッシュ状）付加することにより超親⽔化・要求される機能︓航空機塗料＋高洗浄性+表面平滑度

性能を地上試験で確認

従来航空機用塗料
⽔系親⽔性塗料
洗浄性能確認クーポン試験(航空機塗料スペック試験)

・航空機塗料スペック試験︓重要な塗料要求を概ね満⾜
・カーボン油試験︓洗浄性能が向上
・離着陸時の⾍付着に対する洗浄性︓大幅な洗浄性能向上を確認
従来航空機用塗料

⽔系親⽔性塗料

⾍射出装置による洗浄性能確認試験出展︓飯島秀俊ら:層流翼技術のための親⽔性塗料の研究開発, 飛⾏機シンポジウム講演集1C05, 2021.

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機体性能向上（複合材軽量化技術）
 複合材の最適設計による軽量化
 アルミニウム合⾦からCFRPに変更することで、⽐強度等の材料特性からはおよそ20%の軽量化できると⾒込まれるが、Boeing 787では10%程度の重量軽減効果に留まっている。
 CFRPは異方性を持った材料だが、異方性を活かした構造設計の⼿法は確⽴されていない。
 近年、ロボットを用いた複合材⾃動積層装置（AFP:Automated Fiber Placement）によって曲線的な繊維の配向（ステアリング積層）や、局所的な板厚変化も可能になってきた。
 これらの技術を活用した複合材の最適設計により、重量軽減を目指す。

Automated Fiber Placement (AFP)

ステアリング積層

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機体性能向上（軽量化技術）
 AFP製造装置の制約条件を考慮
 繊維配向最適化と板厚分布最適化を同時に実現する複合材構造設計プロセスを開発
直線積層の状態でFEM解析を実施し、得られた主応⼒/主ひずみ方向を抽出
その方向をベースに、製造制約を考慮しながら、繊維配向角に⾃動で設定できるステアリング積層設計ツールを開発

複合材構造設計プロセス

直線積層で設計

FEM静解析によりひずみ分布を取得得られたひずみ分布から主ひずみ方向を取得

0°層を主ひずみ方向に変換

ステアリングした状態
32
でFEM静解析

機体性能向上（軽量化技術）
 最新の研究開発成果
 ステアリング積層設計ツールを用いた複合材構造設計プロセスの実証を進めている。
 単通路機の非常脱出扉まわりの胴体フレームを対象として、実大部分構造による実証試験を実施。
 事前の解析では、従来の設計および製造方法と⽐較して、18%の軽量化を実現。
 翼胴モデルに適用したところ、⾦属材と⽐較して30%軽量化、複合材従来設計と⽐較して10%の軽量化を達成。

TRA2022翼胴モデル
複合材0°層の繊維配向33

脱炭素化に向けた航空機技術の研究開発（JAXAにおける取り組み例）
エンジン⾼性能化


低燃費低排出エンジン


低圧系(aFJR)︓燃費1％改善

高圧系(EnCore)︓

タービン温度他200℃向上等

燃費5％以上改善

全抵抗の全抵抗の2％低減
1％低減

扉フレーム重量18％軽量化

巡航中の燃費

7.2％改善電動ハイブリッド推進→ 1~1.5%燃費改善

機体性能向上空⼒抵抗低減

リブレット︓
層流化技術︓

複合材軽量化︓→ 9％燃費改善（全機に適用できた場合）

運航性能向上技術
高度判断⽀援︓

水素航空機

エミッションフリー
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運航性能向上（スマートフライト/高度判断⽀援）• 航空交通量は15年毎に概ね倍増– 交通量増大に伴う航空機運航における課題① 空港・空域の容量不⾜による遅延の増大② 環境負荷（CO2、騒音等）の増大③ 航空機事故の増加 ④耐障害⾼ 信頼性航法• 航空交通量の増大に対応可能な次世代航空交通システムを実現• 運航判断⽀援により燃費を改善する技術に取り組む

電波⼲ 渉等の障害の影響を低減し、耐障害⾼ 信頼性航法を提供⇒ 事故要因の低減（出典︓ICAO Doc. 9750）①運航判断⽀ 援周辺の航空機・気象情報を活⽤ し、経路を最適化⇒ 燃費の改善③パイロット モニタリング
パイロットの状態をモニターし、ヒューマンエラーを低減⇒ 事故要因の低減②適応型時間管理
航空交通流等の状況に応じて時間管理を動的に変更⇒ 空域混雑の緩和
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運航性能向上（スマートフライト/高度判断⽀援）
時間管理精度、低燃費、快適性を両⽴するEFB（簡易計器）のソフトウェアを開発、シミュレーションおよび評価• 低燃費の実現– 航空局が将来導⼊予定の時間管理運用（メタリング）との併用– 飛⾏経路（速度・高度）を最適化することで、巡航時の平均7.2％の燃料消費削減（低燃費）•飛⾏試験でパイロット評価。

– 燃費や定時性の改善に有効なシステムであるとの評価を得ている
福岡発羽田着路線 （対象路線）

運航実績
計画経路
CFDT地点福岡空港
羽田空港＊燃料消費削減率＝1 ー 最適軌道の燃料消費／運航実績の燃料消費対象区間：離着陸区間を除く高度10,000 ft以上の区間
対象便：福岡発羽田着路線の全4518便（2018年度の84日分）FAA AC120-76D EFB Design Considerationに適合するよう、視認性・Color Coding（Legibility）や表示機能（Usability）を改良
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脱炭素化に向けた航空機技術の研究開発（JAXAにおける取り組み例）
エンジン⾼性能化
低燃費低排出エンジン
 低圧系(aFJR)︓
高圧系(EnCore)︓

電動ハイブリッド推進

燃費

1％改善

タービン温度他

200℃向上等

燃費

5％以上改善→ 1~1.5%燃費改善

機体性能向上空⼒抵抗低減 リブレット︓
 層流化技術︓
複合材軽量化︓

全抵抗の全抵抗の扉フレーム重量2％低減
1％低減
18％軽量化

運航性能向上技術
 高度判断⽀援︓

巡航中の燃費

7.2％改善水素航空機

エミッションフリー→ 9％燃費改善（全機に適用できた場合）

37

⽔素航空機︓技術動向
海外の動向• Airbus社が水素航空機ZEROeの開発構想を発表。2035年の運航開始を想定。
• 再生可能エネルギーで製造した水素燃料を供給する水素空港構想の検討も開始。

水素航空機 ZEROe

水素空港構想出典： https://www.airbus.com/

国内の動向• 日本でもグリーンイノベーション基金事業として、水素航空機向けコア技術開発を開始。
（川崎重工業／JAXA）• 経済産業省の主導で、水素空港の整備に関する検討も進められている。
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⽔素航空機︓技術課題• 水素航空機の実現には、既存エンジンを基にした水素ジェットエンジンの実用化が現実的• 水素燃焼技術、液体水素電動ポンプ技術、液体水素複合材タンク技術の実用化が課題• 他に、水素燃料搭載の安全管理技術、環境影響評価、電力管理技術の構築も必要

水素燃焼技術（低NOx、振動燃焼抑制）

液体水素電動ポンプ技術（少流量、高吐出圧、精密制御）

液体水素複合材タンク技術（口金接合部、漏洩対策、疲労対策）

水素ジェットエンジン

安全管理技術（防爆対策、漏洩検知）

環境影響評価（燃料製造方法、水蒸気排出）

電力管理技術（燃料電池、APU）

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⽔素航空機︓液体⽔素電動ポンプ• 水素タンクの小型化/軽量化が課題• 気体水素タンクでは、小型化を実現するため、高圧化が必要。→ 非常に重くなる• 液体水素では、蒸発しやすい燃料を安定的に供給するため、30気圧程度の加圧が必要→加圧タンクでは、やはり重くなる。
• 「液体水素タンク（３気圧）＋電動ポンプ（加圧）」により大幅な軽量化の実現を目指す
重量

流体吐出

700気圧
大幅な軽量化

30気圧
3気圧
気体水素タンク

液体水素 液体水素タンク
タンク（加圧式） （ポンプ式）

水素燃料タンクの重量比較

液体水素電動ポンプ試験装置

40

⽔素航空機︓概念検討• 液体水素貯蔵・供給技術を活用して、飛躍的な低排出／低燃費を実現する水素航空機の実用化を目指した概念検討を行っている。
• 液体水素（-253℃）の冷却能力を生かし、極低温で作動する超電導発電機と超電導モータ駆動・分散ファンを搭載した高効率エンジンを検討。

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⽔素航空機︓⻑期研究構想
2020

2025

2030

2035

2040

グリーンイノベーション基金研究
⽔素航空機開発（⺠間企業）

水素燃焼器・供給系開発（KHI)

水素ジェットエンジン
技術実証（KHI）

⽔素航空機開発（JAXA）

水素設備・ポンプ開発

水素試験設備運用

⽔素航空機
研究開発（JAXA）

燃焼器・ポンプ・タンク要素技術開発

水素航空機開発（Airbus, P&W）

燃焼器・ポンプ・タンク技術拡張

有翼宇宙輸送機
研究開発（JAXA）
極超音速水素エンジン技術研究

有翼宇宙輸送水素化技術実証

有翼宇宙輸送機・P2P開発
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脱炭素化に向けた航空機技術の研究開発（JAXAにおける取り組み例）
エンジン⾼性能化


低燃費低排出エンジン
 低圧系(aFJR)︓


高圧系(EnCore)︓

電動ハイブリッド推進︓

燃費

1％改善

タービン温度他
燃費

200℃向上等
5％以上改善全抵抗の2％低減

全抵抗の1％低減

扉フレーム重量18％軽量化

巡航中の燃費7.2％改善→ 1~1.5%燃費改善

機体性能向上

空⼒抵抗低減 リブレット︓
 層流化技術︓
複合材軽量化︓→ 9％燃費改善（全機に適用できた場合）

運航性能向上技術
高度判断⽀援︓

革新航空機システム
 ⽔素航空機︓

エミッションフリー

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まとめ 脱炭素は社会動向。技術トレンドもさらなる向上 JAXAでは多様な研究開発を実施


低燃費低排出エンジン技術向上により、低圧系で燃費1％改善、高圧系でタービン温度の200℃向上等により燃費1~1.5%改善。

電動ハイブリッド航空機の技術実証により、燃費5％以上改善



低抵抗化技術として、リブレットにより全抵抗の2％低減、層流化技術により全抵抗の1％低減。



複合材軽量化技術として、非常扉フレーム重量で18％軽量化
運航技術として巡航中の燃費を7.2％改善



最終的には、⽔素航空機技術により、カーボンニュートラルを目指す。

 各方面との連携を通じ、脱炭素社会の実現に貢献してゆく。

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