エアロトレインのしくみと開発の現状科学者会議第7回市民講座2001年3月31日

宮崎大学工学部機械システム工学科菊地正憲2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

1

エアロトレイン構想二酸化炭素などの排気ガスを出さないクリーンな交通システム
 軌道敷地内に設置した太陽電池や風車で発電した電力（自然エネルギー）だけで、プロペラを回して推進力を得て、翼で浮上して時速500km/hで走行
 翼に働く「地面効果」を利用して効率を高めている2001/3/31

科学者会議第7回市民講座－1－2

2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

3

目次地球温暖化問題 ミレニアムプロジェクト
 地面効果 エアロトレインの親戚：WIG
 開発の現状 ビデオ
 東北大学・宮崎大学の実験 カスピ海の怪物2001/3/31

科学者会議第7回市民講座－2－4

地球の温暖化
ハワイ、マウナロア観測所 1950年代から大気中の二酸化炭素を測定
 98年の増加率が過去10年間の平均の2倍気象庁 98年の世界の平

均地上気温の平年差はこれまでの最高値の0.6度を抜き、0.82度に！







2001/3/31世界の年平均地上気温の平年差の変
年気年差 変化棒グラフは各年の差青い線は各年の差の5年移動平均赤い線は長期傾向を示す。
科学者会議第7回市民講座

5

100年後の日本（気温上昇2度のとき）地球温暖化の調査研究の国際組織IPCCによれば、このまま二酸化炭素が増加すると、100年後世界の平均気温は2℃上昇する3. 農業：日本人の主食、米に大影響1. 国土：砂浜の約7割が水没海面が50cm上昇すると、砂浜 割が水没 海水浴砂浜7割が水没し、海水浴を楽しめる砂浜がほとんどなくなる 1mの上昇で東京湾にみられるようなゼロメートル地帯が約2.7倍に増加⇒災害のリスクが大きい2. 水：水害が多発、水不足も深刻
化 降水パターンが変化 集中豪雨による洪水や渇水、干ばつなどが頻発2001/3/31

ジャポニカ米は、温度上昇に適応した品種が少ない
代わりにインディカ米が増加¾93年冷夏の時に輸入されたインディカ米は、日本人の口に合わず多量に残った健康：日本もマラリア流行の危険熱帯や亜熱帯でみられる感染症の媒介動物の生息地が拡大
猛暑が高齢者に及ぼす影響
大気中の光化学反応を助長、光化学スモッグの発生頻度が増す




4.

科学者会議第7回市民講座－3－

6

地球温暖化防止会議・京都議定書の概要（ＣＯＰ３＝気候変動に関する国際連合枠組条約第３回締約会議、1997年12月）

温暖化ガスの総排出量を、2008年～2012年中に基準年比で６％削減する。

 （アメリカ：７％削減（カ削減

ＥＵ：８％削削減） 二酸化炭素など（基準年１９９０年） ＨＦＣ冷媒など（基準年１９９５年）日本では 1989年：地球環境保全に関する関係閣僚会議設置 1990年：地球温暖化防止行動計画を決定
 1997年12月：内閣に地球温暖化対策推進本部設置

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7

科学者会議第7回市民講座

第6回地球温暖化防止会議（2000年11月） 気候変動枠組条約締結条約（オランダ、ハーグ）温暖化ガス削減物別れ 京都議定書の発効困難に

地球温暖化防止ハーグ会議の争点日米制限を最大限活用無制限に森林吸収

欧州

上限設定を排出権の国際売買ブッシュ米大統領、議会に京都議定書を批准しないよう要請（０１０３２８）2001/3/31

途上国支援途上国科学者会議第7回市民講座－4－

資金増額を8

世界の二酸化炭素排出量日本の二酸化炭素排出量は、世界全体の排出量の4.9%
 わが国における二酸化炭素の排出量削減は大きな責務

2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

赤旗2000年11月12日 9排出量の増加率



京都議定書では、開発途上国に対する削減目標は見送られたが、近年特に温暖化ガスの排出量が増加しているのは、むしろ開発途上国

月刊「ざ・にじゅういち」No.195(2001/01)
2001/3/31

科学者会議第7回市民講座－5－10

キーワード森林吸収
 京都議定書は、森林の樹木などが吸収する二酸化炭素の量をその国排出削減実績として認める原則を盛り込んでいる。
 日本は削減目標の6%のうち3.7%を森林吸収で賄う予定
排出量取引 温室効果ガスを目標よりも多く削減した国が、「余っ温室効果ガスを目標よりも多く削減した国が 「余った排出量」を目標を達していない国に金銭で取引できる制度。
 ロシアや東欧の排出枠を買う事態が予想される。
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科学者会議第7回市民講座

11日本の6%削減目標98年の二酸化炭素排出量は90年よりも5.6％増加し、2010年には90年比約20％増に達することが予測される。
 ところが、政府は、森林による吸収分を3.7％、「抜け穴」の京都メカニズム1.8%を計上してして6%になるとしているて6%になるとしている。
 原子力発電 4,525万kW（97年） 7,050万ｋW（2010

赤旗2000年11月12日年）2001/3/31 約20基分

科学者会議第7回市民講座－6－12

新エネルギー供給構成の見通し

京都議定書で課せられた課題を満たすためには総合エネルギー調査会需給部会 2010年までの長期エネルギ 需給見通しの中間報告ギー需給見通しの中間報告（98年6月） 基準ケース（経済成長率2%程度）から最終エネルギー消費量で、5,600万Kl（原油換算）の削減が必要
 そこで期待されているのが新エネルギー総合資源エネルギ 調査会総合資源エネルギー調査会 2010年の風力発電容量を300万KWに伸ばせるとの試算（現行目標の10倍） 朝日新聞社説（010308）

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科学者会議第7回市民講座

環境会議Vol.3(2000）

13

二酸化炭素排出の部門別内訳



運輸部門は全体の約20%産業部門に次いで2番目

環境庁資料、1997年

赤旗2000年11月12日2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

－7－

14

NHKスペシャルヨーロッパで化石燃料から自然エネルギネルギーへの転換が始まっている転換 始まる

2001/3/31

不安定性克服（ISET）1時間後の出力
 風車1基のとき 同じ出力のケースは21.7％
 変化の幅も0～2倍

その背景には、「自らが使うエネルギーを自ら選ぶ」市民の意識変化と政治の決断があった。
エネルギーシフトの最前線を追う。

科学者会議第7回市民講座

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2001/3/31

風車160基のとき 同じ出力のケースは48.7% 変化の幅は±20%に減少

科学者会議第7回市民講座

－8－

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新エネルギーのメリット1. 新エネルギーとして代表的な太陽や風力等の自然エネルギーは地球温暖化の原因となる二酸化炭素などのガスを排出しない2. 新エネルギーの多くは再生可能で、無尽蔵なエネルギーであり枯渇の心配がない3. 新エネルギーは地域的エネルギーが中心。需要地と近接しているため輸送中のロスが少ない。
エアロトレインにとって特に有利な点

4. 新新エネルギーは普遍的に存在するエネルギーが中心ネルギ は普遍的に存在する ネルギ が中心
海外にエネルギーの大部分を依存する日本のエネルギー供給構造の弱さを克服できる

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科学者会議第7回市民講座

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ミレニアム・プロジェクト（故小渕恵三前首相）の趣旨：新しいミレニアムに向かって、“社会に明るい夢と希望をもたらし、人類の幸せに大きく貢献できる革新的な技術開発”を公募する○我々を取り巻く環境：

○本研究プロジェクトのゴール：

深刻な地球温暖化問題

（化石燃料の無秩序大量消費が原因）

出口の見えない我々の将来

もうこれ以上エネルギーを使えない現実



○本研究プロジェクトの目的：
1000年後の子孫からも高く評

価される新しいライフスタイルと、エネルギーシステムへの突破口を開くこと2001/3/31



時速500ｋｍという、未だ地上に存在しない高速型輸送システムを、自然エネルギーのみ（ゼロエミッション）で実現、環境に負担をかけない負[環境親和型エネルギーシステム]の可能性を交通物流部門から実証すること

科学者会議第7回市民講座

－9－

18

本研究プロジェクトのフォーメーション

2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

東北大学提供19

環境親和型システムの基本コンセプト

2001/3/31

科学者会議第7回市民講座－10－

東北大学提供20地面効果とその利用の利点

2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

東北大学提供21

各種乗り物の環境親和特性の比較

2001/3/31

科学者会議第7回市民講座－11－

東北大学提供22

最終目標と本研究プロジェクトの目的








○最終目標：技術的に極めて困難である
輸時速500ｋｍ走行の高速輸送システム（三両編成、325人乗り）をゼロエミッションで実現する事

太陽電池パネル○本プロジェクトの目的：その第二ステップとして 無その第二ステップとして、無人で時速150ｋｍ走行のシステムを研究開発する事

電動モーター駆動ダクテッドファン

ミレニアムプロジェクトの趣旨にピタリ合致する提案

2001/3/31

バッテリー燃料電池

電気分解槽

G.L.

水素タンク科学者会議第7回市民講座

酸素タンク

東北大学提供23

リニアモーターカー



山梨実験線における走行実
験（１９９７～１９９９年度） 最高速度５５０Ｋｍ／ｈ（ ５両編成） 相対すれ違い速度日経サイエンス4,2000

1000Km/h2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

－12－

24

リニアモーターカー

今後５年間(2000年～）の計画2001/3/31



長耐久性の確認車両の空気力特性の改善コスト低減

日経サイエンス4,2000

25

科学者会議第7回市民講座

浮上および推進効率の比較

2001/3/31

科学者会議第7回市民講座－13－

東北大学提供26

地面効果ラム圧の増加
 誘導抵抗の減少
 紙飛行機の例（NHK宮崎放送局）

Http://www.agport.co.jp/Whitewings/2001/3/31

27

科学者会議第7回市民講座

揚抗比、滑空比とエアロトレインの性能の関係PTV D1== =WV WV L 揚抗比w
1
 ジャンボ：15= =U 滑空比 グライダー：40～60

エネルギー消費率 =

揚力

揚力抗力

推力抗力重さ2001/3/31

重さ飛行の科学入門、ヘンクテネケス著、草思社28科学者会議第7回市民講座－14－地面効果(ラム圧）による揚力の増加

The Biokinetics of Flying and Swimming,A AzumaA.
Azuma, Springer-VerlagSpringer Verlag

M. Kikuchi

2001/3/31

高さによる変化29

科学者会議第7回市民講座

NACA4412 α=4°表面圧力分布

1h/C=0.40

Cp

0h/C=0 10h/C=0.10

h/c=0.40h/0 40h/c=0.10h/c=0.05-1.52001/3/31

h/C=0.05

0

科学者会議第7回市民講座－15－

0.5x/C130

飛行機の翼端渦2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

31翼端渦により誘起される速度

The Biokinetics of Flying and Swimming,A. Azuma, Springer-Verlag2001/3/31

科学者会議第7回市民講座－16－32

翼端渦に起因したセスナの墜落事故航空事故調査委員会の報告（831201） エアバスA300機が飛んだ直後にできた小型台風並みの後方乱流に巻き込まれ、操縦不能になった 渦の規模 直径約32m
 最大周速 23m
 朝日新聞（831202）2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

33

翼端渦と誘導抗力の関係翼端渦により、翼の下流側には 下向きには，下向きの速度が誘起される
 この下向きの速度により、抗力が発生する
 揚力が発生するときには必然的に伴う抗力2001/3/31

Foundation of Aerodynamics, A.M.Kuethe,他、John Wiley & Sons科学者会議第7回市民講座－17－34

翼端渦の地面に対する鏡像

流体力学(前編）、今井功、装華房2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

35

地面効果による抵抗の低減

Http://www se-technologyHttp://www.setechnology.com/wig/com/wig/抗力 （粘性抗力）と（誘導抗力）

2001/3/31



地面は翼幅を見掛け上、増加させ翼端渦を弱める。
↓誘導抗力の低減

誘導抗力は翼端渦による流体の運動エネルギーに起因 科学者会議第7回市民講座

－18－

36

誘導抗力とアスペクト比との関係

Foundation of Aerodynamics, A.M.Kuethe,他、John Wiley & Sons

アスペクト比が大きいほど誘導抗力は小さくなる

2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

37

飛行する鳥の後ろにも翼端渦が発生


渡り鳥は、この翼端渦を利用して飛行する

The Biokinetics of Flying and Swimming,A. Azuma, Springer-Verlag

2001/3/31

科学者会議第7回市民講座－19－38

WIGとはWing-In-Groundeffectの略
 ホーバークラフトホ バ クラフト

 船体の下にファンで空気を送り、そのときに発生するエアクッションにより浮上（静的）

水面滑空艇 翼の空気力学的作

用に作られたエアクッションより浮上（動的）Http://www.se-technology.com/wig/2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

39

WIGの歴史

地面効果は１９２０年代から知られていたソ連が1960年代に開発カスピ海の怪物：Caspian Sea Monsterカスピ海の怪物カ海 怪物 550t, 90m, 500km/h
 浮上用に8基のジェットエンジンを搭載 巡航用には2基のスパイ衛星から撮影されたカスピ海の怪物ジェットエンジンアメリカのスパイ衛星が捉えたOrlyonok (Little Eagle) 1972年, 120t, 70m,450km/h
 軍隊の輸送用,1000km
 水陸両用 Http://www.se-technology.com/wig/Orlyonok (Little Eagle)

2001/3/31

科学者会議第7回市民講座－20－40いろいろなWIG：Ram Wing初期のWIGで多用されたタイプ 低アスペクト比の矩形翼 たて安定性を高めるために大きな水平尾翼を有している
 翼端には、翼下面のラム圧を保持するために端板を有している Kawasaki KAG-3,181Sky-2(鳥取大学）等
Ram Wing

Http://www.se-technology.com/wig/2001/3/31

Kawasaki KAG-341

科学者会議第7回市民講座

いろいろなWIG：LippischRam Wing の特別な形で逆デルタ翼
 矩形のRam Wingよりも安定性が高い
 比較的小さなT-tailで縦安定性が得られる
Lippisch

RFB X-114Http://www.se-technology.com/wig/2001/3/31

Ａｉｒｆｉｓｈ 3科学者会議第7回市民講座－21－42

いろいろなWIG：Tandem二つのRam Wing が比較的狭い間隔で縦方向に並んだ形 初期のロシアの形初期シ
形SM-1
 操縦性が悪いという理由でSM-2に移行

Tandem

水平尾翼を持たない エアロトレインもこの形ただし、翼間隔は長い
Jorg TAF VIII-2

Http://www.se-technology.com/wig/2001/3/31

43

科学者会議第7回市民講座

いろいろなWIG：Ekranoplan or PAR-WIGEkran=Screen,Plan=plae
 PAR-WIG (PowerAugmented RamWing in Groun Effect)PAR-WIG

Caspian Sea MonsterHttp://www.se-technology.com/wig/2001/3/31

科学者会議第7回市民講座－22－44

いろいろなWIG:Aero-TrainU字形のガイドウエイを走行
 地面は平らなので、ぎりぎりまで地面に接近可能
 WIGの特長を最大限に引き出すことができる

2001/3/31

Http://www.se-technology.com/wig/

科学者会議第7回市民講座

45

エアロトレインと水面滑空艇の抗力

2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

－23－

46

WIGの適所

Von Karman-GabrielliDiagram 自転車からコンコルドまで、種々の乗り物の揚抗比を速さの関数として表現 全ての乗り物が、Technology lineの下にある
 良く設計されたWIGは黄色のハッチングのところに位置する
 大きな湖、河川、等の水大きな湖 河川 等の水面が滑らかなところが必要 エアロトレインはその条件を満たすHttp://www.se-technology.com/wig/

2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

47

過去４０年のWIG開発にもかかわらず成熟していない理由

旧ソ連で軍用に開発されたため機密性が高かった
 ソ連崩壊後、商用に使われはじめてきた

離水時の抵抗が非常に大きい 巡航時の数倍のエンジンパワーが必要

WIGの性能を十分に発揮するには、大きなスケールが必要 数百～数千トン
 十分に水面（地面）に接近してはじめて性能を発揮できる
 水面が滑らかであることが必要Http://www.se-technology.com/wig/2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

－24－

48

宮崎大学実験モデル：Ｍａｒｓ横方向の動きを制御する翼揚力を発生させる翼

2001/3/31

49

科学者会議第7回市民講座

実験装置全体図

SUBARU

測定部（風洞部）

2001/3/31

測定部支持台車

科学者会議第7回市民講座－25－

加速車SUBARU LEGACY

50

供試翼型

上面

30880mmy

翼表面に37個の圧力測定孔幅1810mm

固定軸（空力中心）

測定部t=120mm

0xc=1000mm

NACA４４１２反り比=0.04 反りの最大位置=0.4 厚み比=0.12

翼型

側面レーザー変位計

1040mmm

正面

1830mm

1840mm2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

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宮崎大学のモデル

2001/3/31

科学者会議第7回市民講座－26－52圧力分布（40km/h) Re=7×1051.210.80.6040.40.20-0.2 0Cp -0.4-0.6-0.8-1-1.2-1.4-1.6-1.8-28°α=8°0.20.40.60.81h/c=∞h/c=0.35h/c=0.2h/c=0.1h/c=0.05h/c=0.025

x/C2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

53

東北大学第1ステップのモデル

2001/3/31

科学者会議第7回市民講座－27－54

ジェットエンジンによる走行実験

2001/3/31

科学者会議第7回市民講座

東北大学提供55

ジェットエンジンによる走行実験（ビデオ）

2001/3/31

科学者会議第7回市民講座－28－

東北大学提供56