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航空機装備品の電気化:サブシステムの設計、統合、性能評価、最適化

Michael Sielemann May 13, 2021

本ブログでは、モデロンの航空宇宙業界のIndustry DirectorであるMichael Sielemannによる航空機装備品の電気化(More Electric Aircrraft)のコンセプトのご紹介およびモデル構築やシミュレーションが航空機サブシステムの設計や統合をどのように形作っているかをご説明します。

More Electric Aircraft: Vehicle Sub-System Design and Integration

航空機の電気装備品におけるサブシステムとは、航空機の機械的構造(主翼、胴体、テールで構成されるいわゆる「機体」)と推進力(ポッド型「航空エンジン」または翼の下の一般的な「タービン」)以外のシステムを指します。言い換えると、航空機のサブシステムは揚力、構造完全性、推進力以外に、使命目的を達成するために不可欠な機能を提供します。

今日の民間航空機では、航空機サブシステムが機体の外側の着氷防止や操縦翼面やランディングギアを動かすアクチュエータの電源供給といった機内の重要な機能を提供しています。自動車産業では、ブレーキブースターやパワーステアリング、空調、パワーウィンドウシステムがこれに相当します。

従来、航空機のサブシステムの動力源は、空気圧、油圧、電力の3つの動力が混在しており、これを二次動力または非推進動力と呼んでいました。2000年代になり、運転コストや維持費の削減が求められる一方で性能を最適化したいというニーズが高まり、ボーイング787型機およびエアバスA380型機のような世界初のMEAが登場しました。これらのメーカーは、従来の航空機サブシステム構造を取り去り、空気圧や油圧の使用を削減し、電力の使用を増やす航空機装備品の電気化を推し進め始めました。

この先進的な構造であるMEAは、最新の設計や統合の知見を具現化したもので、エミッションの削減や維持費の削減といった多くのメリットがあります。電気ケーブルは漏れることがないので、確実性と低維持費がMEAの重要なメリットです。また、複雑さも大幅に軽減できます。このことについては次のセクションでより詳しく説明します。

すべての非推進システムに電力を利用するためには、性能、システムおよび制御の最適化、統合、検証を慎重に分析する必要があります。

Conventional Intake vs More Electric Intake

MEAの典型的なラムエアインレットのペア。新鮮な空気を供給するための高圧回収機能付きスクープインテーク(“more-electric intake”)と、従来のラムエア冷却用のフラッシュインテーク(”conventional intake”)。

航空機装備品の電気化:性能と最適化

航空機装備品の電気化を進めるための最大の課題は、エネルギー効率だけではなく、より多くの要素に影響される総合的な性能にあります。民間航空機の場合、総合的性能は通常、ペイロード対航続距離または単純にミッションブロック燃料消費量で測定されます。航空機のサブシステムは、以下のように影響します。

  • エネルギー需要と効率 ― 航空機サブシステムでどれだけ有用な作業が行われ、無駄になっているか
  • 航空機の外部抗力の増加 ― システムを搭載するために、空力学的視点での理想的な航空機の形状をどの程度変更する必要があるのか
  • 質量 ― 航空機サブシステムの質量を運ぶために、航空機がどれだけ余分な揚力を発生させなければならないか、その結果、現在の揚力対抗力比に基づいて空力抵抗が増加するかどうか

例えば、民間航空機の環境制御(空調・加圧)システムではどうでしょうか。航空エンジンのガスタービンコアから排出される空気を利用する場合、従来の空気サイクル機では、効率はそれなりに良いのですが、大きな効果は得られません(空気は冷凍サイクルの流体として使われます)。これにより、航空機の空気抵抗の増加を抑え(周囲のラムエアをヒートシンクとして取り込むことで、若干の空気抵抗の増加が発生しますが、片側に1つのフラッシュインテークがあれば十分です)、質量も小さくなりました。また、キャビンエアコンプレッサを使用し、電気を多く利用する要設計することで、エンジンブリードエアシステムが不要となり、質量とエネルギー効率が向上します。しかし、この方法では、新鮮な空気をキャビンエアコンプレッサに供給するための第2の外気エアインテークなど、いくつかのコンポーネントが追加されます。必要な圧力比のために、高い吸気圧力の回復とスクープインテークの使用が必要となり、フラッシュインテークと比較して航空機の外部抗力が増加します。装備品の電気化設計は、適切な組み合わせでなければ意味がないため、総合的性能に影響を与えるすべての要因を注意深く記録することが重要です。

すべての航空機サブシステムには最適化が求められますが、その内容はしばしば異なります。従来、油圧オイルは配管を介して機体全体に配置されたアクチュエータに動力を供給していました。これらのアクチュエータは、ボールスクリュードライブの電気機械式アクチュエータや、完全な油圧ネットワークの代わりに局所的な油圧ポンプを備えた静電式アクチュエータに置き換えることもできます。ここでいうネットワークとは、トレードオフの自由度のことです。また、パラレルアクチュエータの設計によっては、故障時にアクチュエータを自由に動かせることが要求される場合があり、普通のスクリュードライブでは不可能なため、安全性も課題となります。

Modelon Impactで航空機装備品の電気化を促進

Modelon Impact logo

航空機サブシステムの電気化は徐々に進み、例えば最新のエアバスA350型機には、エレクトロハイドロ式の静電アクチュエータは搭載されていますが、電動の環境制御システムは搭載されていません。そのため、開発コストやリスクを考慮した適切な判断を慎重に行う必要があります。トレードオフの複雑さは、弊社が提供する完全なシステム最適化によってのみ評価することができます。Modelon Impact Proには、航空機のサブシステム、エアフレーム、推進系の全範囲をカバーするオープンモデルライブラリが付属しています。

  • 弊社の航空機ダイナミクスライブラリ(Aircraft Dynamics Library)にはパラメトリックな航空機モデルが付属しており、民間航空機のプラットフォームをスケールアップしたり、航空機サブシステムの質量に応じたいわゆるスノーボール効果を捉えたり、与えられたすべての要因によるミッションブロックの燃料への影響を定量化したりすることができます。
  • 弊社の環境制御ライブラリ(Environmental Control Library)は、ラムエアインテークモデルを提供しています。ラムエアインテークモデルは、飛行条件や取り込まれた流量に基づいて空気抵抗を予測します。
  • 弊社の熱交換器ライブラリ(Heat Exchanger Library)は、シンプルで複雑な熱交換器のジオメトリをパラメータ化し、その質量を予測することができます。
  • 弊社の油圧ライブラリ(Hydraulics Library)は、力対速度の要求範囲に基づいてアクチュエータを設計することができます。
  • 弊社の電動化ライブラリ(Electrification Library)は、柔軟な電気機械モデルを提供し、設置スペース、利用可能な冷却、質量、および性能の間の設計トレードオフを明らかにします。
  • 弊社のジェット推進ライブラリ(Jet Propulsion Library)は、シャフトパワーや顧客のブリードエアなどの二次的なパワーオフテイクが、あらゆるサイクルや設計条件/設計条件以外での航空機エンジンの燃料消費に与える影響を予測します。

そして最後に、電動化航空機の要件は、弊社の開発ロードマップにとって重要な要素です。

MEAのアーキテクチャは、飛躍的な性能向上、排出ガスの削減、メンテナンスコストの削減を実現します。しかし、MEAは、エネルギー効率、外部抗力、航空機サブシステムの抗力などの要素間の微妙なトレードオフや、電動化コンポーネントの導入など、エンジニアリング上の課題も抱えています。Modelon Impactは、内蔵されたカスタマイズ可能な弊社のモデルライブラリ製品群、シミュレーションと最適化のための高度な数学的エンジン、インタラクティブモードのマイクロスクリプトから解析ノートブックやコラボレーションを可能にするWebアプリまで、カスタマイズ可能なワークフローによって、これらの課題に効率的に対処できるプラットフォームです。このプラットフォームには、弊社の世界クラスのコンテンツと特定分野の専門知識が豊富に盛り込まれています。モデロンは、この技術でお客様の新しいモデルベース開発をご支援いたします。

航空機装備品の電気化のコンセプトは、(航空機のサブシステムではなく)航空機の推進力に焦点を当てたハイブリッド航空機、電動化航空機、完全電気航空機とは異なります。ハイブリッド航空機や電動化航空機は、従来のエンジン(ガスタービンや内燃機関)と電力システムを組み合わせたものであり、完全電気航空機は燃料を必要とせず、バッテリなどの電気エネルギーで駆動するものです。電動化航空機ブーストターボファンに関する弊社の他のブログも合わせてご覧ください。

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