【DEFENSE WORLD.NET】 06:25 AM, May 17, 2021 

日本は2040年までに大陸間の旅客便用に宇宙船を開発する

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日本は2040年までに、ロケット技術を利用して世界の主要都市間を2時間以上で移動できる大陸間宇宙船輸送を導入する準備を進めている。

文部科学省は、日本を出発・到着する宇宙船の市場規模が2040年には約5兆円に達すると予測しています。宇宙船には、飛行機のように滑走路を利用して離着陸するタイプと、米国スペースX社が開発中のスターシップロケットのように垂直に離着陸するタイプの2種類が想定されていると、地元メディアが報じています。

同省は5月12日、将来の宇宙船輸送に関するロードマップの中間案をまとめた。

まず、H3ロケットの価格を、部品の再利用により4,600万ドルから半減させる計画です。ロードマップでは、2030年頃にH3の後継ロケットを打ち上げ、2040年代初頭にはさらにコストを10%程度まで下げることを目標としている。次に、ロケット部品の再利用などの技術を活用して、地上と宇宙を頻繁に行き来できる輸送機の開発を民間主導で行います。これは乗客が乗れる宇宙船を想定しています。
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【CNN】2020.06.07 Sun posted at 12:35 JST 

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超音速旅行の復活を目指す取り組みでは、ブームとアエリオンの2社によるプロジェクトが主導的な役割を果たしている。写真はブームの超音速機「オーバーチュア」/Courtesy
Boom

(CNN) 超音速飛行の新たな時代の幕開けが迫っているようだが、音速を超えるスピードで飛ぶには克服すべき課題が3つある。航空の世界の「3つのE」、すなわち「engineering(工学)」「environment(環境)」「economics(経済性)」だ。

約16年前のフライトを最後に退役した超音速旅客機「コンコルド」は、3つの課題のうち工学を克服しただけに過ぎない。

コンコルドは他の商用機の半分以下の時間で大西洋を横断できたが、環境面や運用コストの課題は払しょくできなかった。

二酸化炭素排出や地球環境に注目が集まる今、超音速商用機が復活したとして本当に維持可能なのだろか。航空会社やメーカーに利益をもたらし、乗客に手ごろな価格を提供できるのだろうか。

米国には成功を確信する企業が2つあり、2020年代半ばまでに超音速機を市場投入する計画に全力を注いでいる。ニューヨーク―ロンドン間をわずか3時間15分で結ぶ案もある。

両社はそれぞれ航空会社とビジネスジェット市場に狙いを定め、環境面で超音速飛行の大きな妨げとなるソニックブーム(衝撃音)に関し、異なる解決策を打ち出している。

「世界は待てない」

「コンコルドは優れた機体で壮大な実験だったが、排出量や騒音が余りに大きく、運用コストも高すぎた」「我々の取り組みはそれとは大きく異なる」。こう語るのは米アエリオンの会長と社長、最高経営責任者(CEO)を兼任するトム・バイス氏だ。

アエリオンはネバダ州リノの本社で8~12人乗りの超音速ジェット機「AS2」の開発を進めている。

AS2の速度はマッハ1.4。ニューヨークから南アフリカのケープタウンまでの移動を3時間半、JFK国際空港とシンガポールや豪シドニーを結ぶ路線なら4時間以上を短縮できるとの触れ込みだ。

アエリオンはすでに最初の顧客となるフレックスジェットから20機を受注した。初飛行は2024年となる予定で、26年の市場投入を目指している。

価格は1億2000万ドル(約130億円)と高額だが、時間の節約になることから、買い手は出費を惜しまないはずだと同社はみている。

だが、アエリオンの野心は環境に優しい航空機の開発にも向けられている。「世界はカーボンニュートラル(二酸化炭素排出量を実質ゼロにすること)の実現を2050年まで待てない」(バイス氏)

「燃料燃焼をできる限り少なく」

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アエリオンのAS2はニューヨークからロンドンまで4時間半で飛行できる可能性がある/Courtesy Aerion

アエリオンの提携企業には、ゼネラル・エレクトリック(GE)やスピリット・エアロシステムズなどが名を連ねる。GEは超音速エンジン「アフィニティ」を昨年お披露目。スピリットは与圧胴体を開発中だ。

操縦室の設計に関しては、ハネウェル社が超音速軍用機でのノウハウを生かし、処理装置や表示装置、センサー、飛行制御システムの開発に当たっている。

「燃料燃焼をできる限り抑えた効率的な機体設計にする必要があったため、高度な空力性能や高燃費エンジンの開発に10年を費やした」(バイス氏)

企業は年142時間を節約

さらに騒音の問題もある。バイス氏によると、AS2は離着陸時の騒音に関する最も厳格な規制「航空機騒音基準ステージ5」を満たすよう設計されている。

だがおそらく、AS2の最も革新的な特徴のひとつは、衝撃波を地上に到達させずに陸地上空を超音速飛行できる「ブームレス・クルーズ」だろう。衝撃波は地面に向かう代わりに、大気内に戻っていくことになる。

静粛性の高い超音速飛行の方法としては他にも「ローブーム」と呼ばれる方式があり、コンコルドに比べれば騒音が少ないものの、地上で遠雷に似た音が生じることから、アエリオンでは「ブームレス・クルーズ」の開発に踏み切った。

米ニューヨークでビジネスジェットを利用する企業を分析したところ、代替機としてAS2を利用すれば、年間で142時間の節約につながる見通しであることがわかった。

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AS2の客室の完成予想図/Courtesy Aerion

時間短縮にどれだけ払うのか

コンコルドの運賃はビジネスクラス席の約4倍に上ったが、コンコルドはビジネスジェットではなかった。

超音速チャーター機で成層圏を高速飛行するために、忙しい企業幹部は一体いくらまで払うだろうか。

プライベートチャーター機の国際予約サービス「プライベート・フライ」のアダム・トウィデルCEO兼創業者は「我々の顧客なら4時間の経路を30分短縮することに料金を払う」と主張する。

「プライベートジェットを利用する顧客は、スピードが2倍になれば料金も2倍払うと思う。もっとも、顧客は超音速機に乗ったという名誉も欲しがるだろう。これこそまさにコンコルドで起きたことだ」(トウィデル氏)

狙いは航空会社

だが、超音速飛行の名誉を得るのはチャーター機市場の高級層だけにとどまらない。

コロラド州デンバーにあるブーム・スーパーソニック社の格納庫では、55~75座席の超音速旅客機「オーバーチュア」の開発が進んでいる。

オーバーチュアの巡航速度はマッハ2.2となる予定で、価格は2億ドルに上る。すでに英ヴァージン・グループから10機、日本航空から20機の計60億ドルの仮受注を受けた。

ブーム・スーパーソニックのブレーク・ショール創業者兼CEOはCNNの取材に、「オーバーチュアは設計段階にあり、主要技術や仕様の開発と洗練を進めている」と明かす。

持続可能な代替燃料を使ったエンジンなど主要部品の多くは既に試験に成功しており、2020年代半ばには試験飛行を開始する予定だという。

オーバーチュアはマッハ2.2の速度が生きる海洋横断ルートを中心に、500路線あまりに投入される予定。ニューヨーク発ロンドン行きやサンフランシスコ発東京行きなどが候補に挙がっている。

1日の出張で大西洋を往復

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日本航空はブーム社の「オーバーチュア」20機を仮発注した/Courtesy Boom

オーバーチュアは陸地上空では亜音速飛行を行う計画で、人口密集地域にソニックブームの影響が及ぶことはなさそうだ。超音速で飛行するのは海上だけとなる。

ブームの試算によると、2020年代半ばには就役開始から10年で1000~2000機の需要が見込まれ、市場規模は2650億ドルに達するという。

ショール氏は「オーバーチュアなら1日で大西洋を往復する出張も可能になる」「想像してほしい。午前中にロンドンに飛び、昼のうちに取引先と商談を行い、子どもを寝かしつける時間には米国に戻れるようになる」と力を込める。

ローンチカスタマーとなる日本航空(JAL)の幹部は現在、ブームと緊密に連携しつつ、機内体験の構築や適切なルートの立案に当たっている。

JAL事業創造戦略部の森田健士グループ長は「調査や顧客のフィードバックのおかげで、時間が新たなぜいたく品になっていることが分かった」「フライト時間の短縮により、たとえばサンフランシスコ―東京間をわずか5時間半で結ぶことで、顧客により多くの柔軟性を提供できるだろう」と指摘する。

就航日と路線については、「まずはブームで生産中の試験機『XB1』の成功を確認しなければならない」「確認でき次第、オーバーチュアの実機の生産に目を向けていく」(森田氏)

「成功が確認できれば、JALの国際線網にとってどのルートが最も実現性が高いか、検討を進める予定だ」



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極超音速エンジン作動時の排気火炎 (マッハ4飛行状態)

2020年2月12~14日に、JAXA角田宇宙センターのラムジェットエンジン試験設備において、極超音速旅客機の機体とエンジンの一部を模擬した実験模型を用いて、マッハ4飛行状態での燃焼実験を実施しました。

この実験では、極超音速飛行時の断熱圧縮により発生する高温気流から旅客機内部の客室や搭載機器を保護するための新たな遮熱構造を適用し、マッハ4飛行状態でも機体内部がほぼ常温に保たれていることを確認しました。

また、機体に搭載された形態で極超音速エンジンを作動させ、機体による気流の変化を受けても、極超音速エンジンの始動状態を維持できることを確認しました。機体内部に搭載された水素燃料供給系も正常に機能しました。

今後は、極超音速エンジン単体での性能と機体搭載時の性能を詳しく比較し、エンジン性能を向上させるための機体形状の研究等を進めることを構想しています。

今回の実験は、JAXAの宇宙イノベーションパートナーシップ(J-SPARC)事業として実施しました。本実験の成果は、PDエアロスペース株式会社が事業化を目指しているサブオービタル・スペースプレーン(到達高度:110km、最高速度:マッハ4)にも適用される予定です。

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極超音速機体/エンジン統合実験模型
(早稲田大学、東京大学、慶應義塾大学等と連携して設計)

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ラムジェットエンジン試験設備 実験模型設置状態
(赤外線計測のために黒体塗料で塗装)

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JAXAは太平洋を2時間で横断できるマッハ5クラスの極超音速旅客機の実現を目指して技術を確立することを目指して研究開発を進めています。マッハ5で飛行する極超音速旅客機においては、マッハ2以下の超音速旅客機と比べ、高温な環境で飛行することになるため、新しいエンジンや耐熱構造等の研究開発が必要になってきます。
現在は、離陸からマッハ5まで連続作動できる極超音速ターボジェットの研究開発を中心にして、極超音速旅客機のシステム検討、空力設計、耐熱設計等を進めています。



極超音速ターボジェットの研究開発

極超音速ターボジェットの技術実証を目的として、推力1kN級の小型実証エンジンの研究開発を進めています。2004年にエンジン試作実験に着手し、2008年に世界で初めて離陸状態でのエンジンシステム実証実験に成功しました。
マッハ5で飛行すると、空気の流れを減速させるインテークの出口部分の温度は1,000℃にもなります。そこで、極超音速ターボジェットでは、燃料の液体水素が非常に冷たいという特徴を生かして、高温空気を燃料で冷却して、コアエンジンが耐えられる約300℃に冷却する方式を採用しています。この方式により、1つのエンジンで離陸からマッハ5まで連続作動させることが可能となっています。冷却によって空気の密度が大きくなるので、エンジンの推力が増大するという利点もあります。

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極超音速ターボジェット

極超音速ターボジェットは以下の主要部品で構成されています。

可変インテーク:マッハ5の流入空気をマッハ1以下に減速するダクト
空気予冷器:高温空気を低温の液体水素で冷却する熱交換器
コアエンジン:空気を圧縮して高圧のガスを生成するジェットエンジン
アフターバーナー:高温燃焼ガスを生成する燃焼器と燃焼圧を調整する可変ノズル
現在は、極超音速ターボジェットの主要技術の確立を目指して、耐熱設計を適用した小型実証エンジンを完成させ、高温環境で耐熱機能を確認しています。今後は、マッハ5飛行状態を模擬できるラムジェットエンジン試験設備(JAXA角田宇宙センター新しいウインドウで開く)において極超音速ターボジェットの推進性能を取得していく予定です。

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極超音速ターボジェット 地上燃焼実験

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極超音速ターボジェット マッハ4模擬環境実験

極超音速機旅客機のシステム検討

最適化設計プログラムを用いて極超音速旅客機の設計検討を進めています。東京-ロサンゼルス間を運航する100人乗りの機体について、機体重量を最小化するための形状を導出しました。また、極超音速旅客機の搭載機器(客室、燃料タンク、降着脚等)の配置の検討を進めています。液体水素の燃料タンクは、機体の前方と後方に配置され、離陸から極超音速で飛行する際に、重心位置を移動して、安定して飛行できるようにしています。

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極超音速旅客機の搭載機器配置

極超音速旅客機の空力設計

高速で長距離を飛行するために必要な燃料を搭載できる体積を確保するとともに、高い揚力と低い空気抵抗を両立可能な機体空力形状に関する研究を進めています。

マッハ5巡航飛行と離着陸飛行の両方で安定して飛行できる形状を得るために、風洞実験や数値解析で空力性能を評価し、形状を改良しています。

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極超音速旅客機の極超音速風洞実験(マッハ5)

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極超音速旅客機の低速風洞実験(30m/s)

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極超音速旅客機の数値解析(マッハ5)

極超音速旅客機の耐熱設計

マッハ5巡航飛行時の高温環境からの熱の侵入を抑える遮熱壁と、客室や機体構造を一定温度に保つための熱管理設計について検討を進めています。極超音速風洞実験で機体表面の温度分布を求めるとともに、遮熱壁の要素実験を進めています。最も高温となる胴体と主翼の先端部には高温に耐えて軽量の炭化ケイ素系の複合材料を適用することを検討しています。

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極超音速風洞実験で得られた温度分布

極超音速技術実験機の検討

極超音速ターボジェットのマッハ5飛行環境実証を主目的とした極超音速技術実験機の検討を進めています。固体ロケット等の外部加速手段で実験機を加速した後、マッハ5巡航状態におけるエンジン性能を取得する計画です。

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極超音速技術実験機










中共ウイルスの感染拡大で瀕死の航空業界は、はたして極超音速ジェットを導入できるであろうか?移動を伴わない生活様式やビジネス慣行が広まり、たとえ経済が回復しても患禍前の状態には戻りにくい。

経済協力開発機構(OECD)によると、世界経済は2021年末までにコロナ前の水準に回復する見通しだが、航空旅客需要、特に国際線の状況は改善の兆しがなく、経済回復にまったく追従できていない。

各国の出入国規制で依然、国際的な移動が制限されているし、特にビジネスでは現地に出向かずオンライン会議で代替することも一般化しつつあるからだ。たとえウィルス患禍が過ぎても
危機管理の点から感染症のパンデミック再来を想定し、今後もオンライン会議やテレワーク、サプライチェーンの一部国内化を推進し、できるだけ人の移動に依存しないビジネスモデルを追求するだろう。

今後破綻する航空会社も出てくると予測している。

ただ、個人的には海外旅行にいきたくてしょうがないといった欲望はある。いずれ個人顧客旅客需要は戻るはずだが、極超音速旅客機の客層はビジネス需要中心であるから、中共ウィルス患禍が終息しても、患禍前に予想した需要は間違いなく、減少し、採算ラインを越えるだけの需要が見込まれるには10年はかかるかもしれません。下手をしたら10年後また中国発の新たなウイルス患禍が発生しているかもしれません。技術的には可能だとしても、2040年までに 極超音速旅客機は残念ながら今のところ飛ぶことは難しいだろう。