2019-01-19 (平成31年) 松尾芳郎
図１：(Boeing) 最新の“遷音速トラス・ウイング型旅客機「TTBW」は、2019年に高速・低速の風洞試験を予定している。
ボーイングは1月に開催された米国航空宇宙学会(AIAA)の会議で、燃費の優れたトラス・ウイング型旅客機の構想を発表した。これは、ボーイング737級の大きさで、主翼は抵抗の少ない幅170 ft (約51 m)の後退翼、巡航速度はマッハ(Mach) 0.8 、これで一般のジェット旅客機と同じ速度になり、以前の「SUGAR」案よりも高速になる。
Boeing announced swept-wing faster version Transonic Truss-Braced-Wing (TTBW) Airliner Concept refined from the “SUGAR” model at AIAA SeiTec Conference in San Diego. Boeing will start wind tunnel testing at NASA’s Aims and Langley facilities in 2019.
遷音速トラス・ウイング型旅客機「TTBW = Transonic Truss-Braced Wing」と呼ばれ、以前に発表された「SUGAR」を一段と改良し、洗練された機体になっている。
2010年にボーイングとNASAは、「SUGAR (Subsonic Ultra Green Aircraft Research / 亜音速・環境に優しい航空機研究) 」と題するトラス・ウイング旅客機の開発計画を発表した。今回の「TTBW」は「SUGAR」を上回る低燃費の航空機で、2035年頃からの就航を目指している。
図２：(Boeing) 2014年にボーイングが発表したNASAプロジェクト「SUGAR」の想像図。殆ど後退角のない主翼と単純なトラスで構成されている。尾部に描かれているのは胴体表面に生じる境界層吸収(BLI=boundary layer ingestion)用の電動ファン。
「TTBW」は1月の7-11日にサンデイゴ(San Diego, Calif.) で開催された米航空宇宙学会会議「AIAA(American Institute of Aeronautics and Astronautics) SciTech conference」で発表された。ボーイングによると「TTBW」は、現用機に比べ8%ほど燃費が優れている。
主翼は、後退角約20度して、マッハ(Mach) 0.8の巡航速度を可能にしている。翼幅は後退角付きだが「SUGAR」と同じ170 ft (約51 m)と同じ。翼端に生じる渦巻き「誘導抵抗(induced drag)」を少なくするよう縦横比(aspect ratio / 翼幅と翼弦長(wing chord) の比率) を[19.6 : 1]と大きくしたので、細長い翼になっている。翼型は厚みを抑え薄くして抵抗を減らしている。そしてこの薄くて長い主翼を、トラス(truss)で支えて構造重量が増えるのを防いでいる。
一方原型の「SUGAR」は、後退角のほぼ無い直線状の主翼で、燃費を抑えるため巡航速度はマッハ(Mack) 0.75に設定していた。
「TTBW」の想像図で判るように、主翼には後退角が付きトラスの形状と位置も「SUGAR」から変わっている。トラスは、胴体との付根付近で弦長(chord) が長くなり、やや前進角が付き、主翼との結合部に向けてテーパー(taper) を付け細くなっている。新しいトラスは若干の揚力を受け持つ。
トラスと胴体との結合部は少し後方に移り、後退角の付いた主翼の中程を支え、これで空力抵抗の低減を図っている。
図３：(Boeing) ボーイング「TTBW」は、前設計の「SUGAR」に比べ主翼が前方に移り、トラスが幅広になり揚力を受け持つように改められた。
地上ターミナル付近では、この細長い主翼はトラス結合部の外側で上向きに折り畳まれ、翼幅118 ft (36 m) の737が使っている空港ゲートをそのまま使えるようにする。
ボーイングの「TTBW」計画責任者“ニール・ハリソン(Neal Harrison)氏は次のように語っている；—
「TTBW」は在来型機に比べ8-10 %燃費が良くなると推定している。NASAのエイムズ(Ames) 研究所の11 ft (3.4 m)型遷音速風洞(transonic wind tunnel) を使い今年(2019) 初めからマッハ(Mach) ０.８の高速試験を始める。これが終わると続いて年末からNASAのラングレー(Langley) の14 x 22 ft (4.3 x 6.7 m) 亜音速風洞(subsonic wind tunnel) で低速試験を行う。
エンジンについては、主翼下面にターボファンを装備する。NASAでは「TTBW」の改良型「TTBW X」を考えていて、これにはハイブリッド電動推進方式(hybrid electric propulsion system)の採用を検討している。
「TTBW X」では、タービン・エンジン内部に電動モーターを組み込み、これからの電力で胴体尾部に付ける電動ファンを駆動し、胴体表面に生じる境界層を吸込み、胴体の摩擦抵抗を減らし燃費向上に役立てる。基本となるエンジンは、ロールスロイス(Rolls-Royce) が開発中のギヤード・ターボファン(Geared Turbofan) 型の「ウルトラ・ファン(UltraFan)」である。これを基本にした「EVE=Electrically Variable Engine(電動可変エンジン)」を使いたいとしている。
「ウルトラ・ファン」は2軸式で、P&Wギヤード・ターボファンと似た構造である。
図４：(Rolls Royce) ２軸式「ウルトラ・ファン(UltraFan)」のカットビュー。RRは2018年6月のファンボロー・エアショーで、「社内開発審査(internal development review)」で承認され基本設計が完了した」と発表した。現在細部設計と生産準備に入っている。
「ウルトラ・ファン」は、ファンバイパス比(Fan Bypass Ratio) 15:1 、これは「トレント(Trent) 700」の２倍に相当。圧力比(overall pressure ratio)は70:1 、燃費(fuel burn)は「トレント700」対比で25% 向上。ファンと低圧コンプレッサー(LPC)駆動シャフトの間に、ファン減速用の「パワー・ギアボックス(power Gearbox)」を入れる。ファン減速比は[4 : 1]。ファンには可変ピッチ機構がありスラスト・リバーサーを不要にする。
「ウルトラ・ファン」は推力(thrust) 25,000 lbs 〜100,000 lbsの範囲をカバーする。2021年には12項目の新設計コンポーネントを組み込んだ試作エンジンを完成、試運転を開始、2025年に機体搭載、就航を目指している。
低圧ローター(LP rotor) の構成は、可変ピッチ・ファン(variable pitch fan) 、パワー・ギアボックス(power gearbox)、3段低圧コンプレッサー( 3 stage LP compressor)、それにLP駆動タービン（LP turbine）である。
「EVE」では、3段LPコンプレッサーとパワー・ギアボックスの間に、1.5 メガワット(megawatt)のモーター／ジェネレーター(motor/generator)を取付ける。
図５：(Rolls-Royce) RRウルトラ・ファン(UltraFan)のローター(Rotor)部分。1.5 megawattのモーター／ジェネレーターは「パワー・ギアボックス」と3段低圧(LP)コンプレッサーの間に組み込まれる予定。
「TTBW X」の運航は次のように行われる。すなわち、地上タキシー(taxi)中はバッテリー・パワー（buttery power）でモーターを回しファンを駆動する、そして離陸・上昇(Takeoff & Climb)はタービンの力でファンを回し大推力を発生させる。離陸・上昇中は、バッテリーの力で尾部に装着のファン・モーターを回し、胴体表面に発生する境界層の吸収(BLI=boundary-layer ingestion) を行い、抵抗削減をする。巡航・下降(Cruise & Descent)時は、ジェネレーターの発電力で尾部ファン・モーターを回すと同時にバッテリーを充電する。
ボーイングの予測では、「TTBW X」はハイブリッド電気推進(hybrid-electric propulsion) の採用で、3,500 nm ( 6,500 km) 設計飛行距離(design mission) を飛ぶ場合、原型の「TTBW」に比べて燃費(fuel burn)とカーボン排出(carbon emission)量は4.5 % 減る。窒素酸化物(nitrogen-oxide emissions) は19 %低減し、空港ノイズは1 %減る。
—以上—
本稿作成の参考にした主な記事は次の通り。
Boeing January o8, 2019 “Spreading our wings: Boeing unveils new Transonic Truss-Braced Wing”
Aviation Week Network January 8, 2019 “Boeing Unveils Refined Truss-Braced-Wing Airliner Concept” by Graham Warwick
Aviation Week Network “Boeing Refines Truss-Braced-Wing Airliner Concept” by Guy Norris and Graham Warwick
Simple Flying Jan 10, 2019 “Boeing Reveals New Efficient Plane that could fly by 2035” by Nicholas
Boeing .com “How sweet the future of aviation”
NASA/CR-2015-218704/Volume II “Subsonic Ultra Green Aircraft Research: Phase II- Volume II- Hypbid Electric Design Exploration” by Marty K. Bradley and Chris K. Droney
AIN online July 16,2018 “Rolls-R0yce UltraFan Design Frozen” by Chris Kjelgaard
TokyoExpress 2017-11-15 “NASAが開発中の電動ターボファン旅客機と超小型電動飛行機X-57”
TokyoExpress 2017-05-08改定“ロールスロイス、新エンジン「アドバンス」と「ウルトラファン」の開発を促進”