ハイブリッド推進システム：電動航空機の基幹技術をモデルリング
サステナブルな航空 ブログシリーズ (ブログ１)
航空宇宙産業において、よりサステナブルな航空機を開発するための技術開発は非常に重要な課題であり、技術者はその課題をクリアしようと日々励んでいます。本ブログでは、ハイブリッド推進システムによる燃料削減と飛行距離を伸ばすためのモデリングとシミュレーションに焦点を当てています。今回のブログで取り上げたシミュレーションは、弊社のクラウドベースのモデリングとシミュレーションのプラットフォームであるModelon Impactを使用して行われました。
サステナブルな航空を実現するための重要なトレードオフの関係
よりサステナブルな地球を目指すために、航空機の排出量を削減する技術がいくつか研究されてきています。航空環境技術には、水素などの代替燃料、フルおよびハイブリッド電気推進システム、原料、廃棄物、バイオマスから作られる持続可能な航空燃料（SAF）などが幅広く含まれます。これらはすべて、現行技術（ターボファン、ターボプロップなど）に匹敵する性能を、排出ガスを大幅に削減またはゼロにし、納得できるコストで提供する必要があります。しかし、排出量は航空機、特に炭化水素（ジェット）燃料を使用する航空機の燃料およびエネルギー消費量と深く関わっているため、持続可能な技術の候補の燃料消費量を定量化することが最も重要です。
ある技術の検討対象が、一部またはすべての動作条件においてより効率的であるにもかかわらず、従来のものより重い場合、全体的な影響はマイナスになる可能性が非常に高い（つまり、そのような技術を搭載した航空機は、より持続可能性が高いどころか、より低くなってしまう）。結局のところ、推進サブシステムを含む航空機の質量は、航空機が担わなければならない。質量が 1 単位増えるごとに、推進システムに必要な推力がある程度増加する（揚抗比の逆数にほぼ比例する）。この推力の増加は、航空機が運搬しなければならないエネルギーまたは燃料の消費量の増加につながる。
電動ハイブリッド推進システムは、電気システムの利点（排出ガスの削減）と従来の推進システム（高出力密度）の組み合わせにより、排出ガスの削減が期待できますが、エネルギー効率向上のすべての利点を悪化させる重い設計にならないように、ある程度の注意が必要です。 最終的に、航空機の設計は最適化の問題であり、サステイナブルな航空も例外ではありません。効率と質量のトレードオフが中心で、質量は金銭的コスト（燃料や乗客・荷物の数）に容易に換算できます。このトレードオフによって、電気システムのサイズと使用する推進技術が決定されます。サステイナブル航空は、より優れたエネルギー変換、航続距離の拡大、燃料の節約など、航空機の性能に大きな可能性を秘めていますが、バッテリーのエネルギー密度が低く、重量が増加するなどの制限があることも事実です。この問題を解決するために、エンジニアは電動ハイブリッド推進システムのモデリングとシミュレーションを行い、貨物や乗客を犠牲にすることなく燃料を節約しています。
ハイブリッド推進が飛行距離に与える影響
ハイブリッド推進を使用する場合、従来の技術で通常のジェット燃料を燃やす航空機と同じ航続距離が得られるのか、少ないのか、それとも多いのか、ということが根本的な疑問となるでしょう。
重量と航続距離の関係を調べるには，Modelon Impact の Aircraft Dynamics Library にある「ConstantAltitudeCruise」実験を使用することができます。 この実験では、高度と迎え角を一定に保ちながら、航空機の巡航中に（燃料の燃焼により）質量が減少し、航空機が移動するにつれて重量が減少する現象を実証しています。
図1は「ConstantAltitudeCruise」実験の重量対航続距離の挙動を記述したもので、3種類のシミュレー ションを実行することにより構築されています。シミュレーションAは、航空機の設計や種類による物理的制約から、航空機が搭載可能な最大重量である最大離陸重量（MTOW）を表しています。シミュレーションBでは、貨物の質量を犠牲にして、タンクに燃料を追加充填します。しかし、タンクに充填できるのは、タンク自体の容量に制限されたある値までです。それ以降は、貨物質量を落とすことでしか飛行距離を伸ばせないので、シミュレーションCになります。
A点とB点の間の傾きは、航空機の燃費を表しています。つまり、タンクの燃料を追加することで、約800kmも航続距離を伸ばすことができるのです。
ハイブリッド推進システムの燃費削減をモデル化
ハイブリッド推進システムの燃費削減をモデル化
ハイブリッド推進システムの燃費削減をモデル化する多くの場合、パワーオフテイクとパワーインテイクに注目します。パワーオフテイクとは、エンジンのシャフトから引き出されるトルクのことで、発電機や油圧ポンプなどのさまざまな付属品に電力を供給するために必要なものです。一方、パワーインテイクは、エンジンシャフトからパワーを取り出す代わりに、電気系統から余分なパワー（ブースターパワーとも呼ばれる）を与えていると解釈することもできます。
このパワーインテイクは、燃料消費量の節約につながります。これをモデル化する一つの方法は、軸出力係数を導入することです。このような係数により、推力比燃料消費量（TSFC）とブースター電力を燃料節約に結びつけることができるようになります。
エンジンに供給されるブースター出力は、エンジニアが選択した電気システムによります（設計の飛行範囲と電気システムの機能において）。エンジニアが吸気パワーの特性を定義したら、それをモデル内の入力として与えることができます。また，Modelon Impact でターボファンやターボプロップの詳細なサイクルシミュレーショ ンを行い，吸気出力特性を求めることも可能です。
図2は、既存の “ConstantAltitudeCruise “の例に追加できるパワーモデルのエンジンに接続された電気系統を示し、吸気パワーをモデル化するものです。
Modelon Impact による航空機の航続距離の改善
図3は、Modelon Impact内のAircraft Dynamics Libraryを使用したモデルで、燃料フローの節約を表現したものです。ここでは、ブースターの電力を「elecPwrTable」として表現し、Modelon ImpactのElectrification Libraryを使用してエンジンの電気ネットワークに接続しています。信号電力と「dCplug」がこの電力を電流に変換します。
ブースター電力による燃料フローの節約分を補正したら、Electrification Library を使って燃料フローモデルを Aircraft Dynamics Library の “ConstantAltitudeCruise” 実験のエンジンとパワーモデルに簡単に統合することができ ます。そこから、電化された吸気パワーを使った定速巡航の例を実行することができます。
下の図4は、コンスタントクルーズ実験の構成と、燃料フローモデルが実装されているところです。
ハイブリッド電気飛行機と従来型アプリケーションの比較
Modelon Impactの統合されたエアクラフトダイナミクスライブラリで、同じ定巡航実験をシミュレートすることができますが、今回は電動化されたモデルを含めます。
冒頭で述べたように、電気システムの重量だけでなく、それによって供給されるエネルギーも考慮することが重要です。今回のコンセプトでは、400kgの定質量（バッテリーの質量は充電状態によって変化しないため、電気システムの動的質量損失はない）、最大出力222000Wh（ワットアワー）を想定しています。これは、電気システムの比エネルギーとして表すこともできます。比エネルギーとは、電気システムの重量に対して、どれだけのエネルギーが含まれているかを示す比率です。このブログで紹介したコンセプトの場合、比エネルギーは550Wh/kgとなります。これは、現在の最高の比エネルギー設計（約250Wh/kg）よりも高く、したがって、将来の能力を楽観的に予測することができます。
最後に、電気系統から追加される400kgを補うために、航空機に搭載される初期の燃料質量は減少し、その結果、MTOWを超えないようにすることができます。
上の図 5 では、400kg の電気エレメントを含めることで、十分な電力が供給され、航空機がより遠くまで移動できるようになったことがわかります。この例では、300kgの燃料とペイロードのトレードオフにより、ベースモデルで800kmの航続距離が得られますが、ハイブリッド電気モデルでは、同じ300kgのトレードオフで約1050kmとなり、およそ250kmの距離延長となります。 ハイブリッド化のレベルは、出力対重量比（電気システムの比エネルギー）と航空機がカバーする航続距離の間の最適化タスクになることが重要である。電気システムが重くなりすぎると、航続距離を犠牲にして燃料を節約したり、汚染を少なくしたりすることになります。
結論
上記の仮定により、ハイブリッド電気推進の利点とトレードオフを見ることができます。貨物や乗客を犠牲にすることなく、燃料を節約し航続距離を伸ばすことができますが、電気システムの比エネルギー（Wh/kg）が、余分な重量を補うのに十分高い場合のみです。
物理的な世界では、主に3つの領域で紹介したブログを展開することができます。これらは、このサステイナブル・アビエーション・ブログシリーズの今後の追加記事で展開される予定です。
1. パワーファクター（kp）は、高度と機速の関数でさらにモデル化することができ、電気系統から取り込む電力に対する燃料消費の特性に関連するものである。このような特性は、経験的に生成し、表や制御モデルの形で実装することができる。より詳細なモデリングが必要な場合は、力率に基づくモデルの代わりに、フルサイクルモデルを含めることも可能である。
2. 電気システムの電力／質量関係は、コンポーネントベースのブレークダウンの例を表すために、さらに拡 張することができる。
3. ブースター出力の定義は、航空機の用途と電気システム自体の機能になる。より複雑な制御ロジックにより、ブースターパワーの特性は航空機の飛行ミッションそのものの関数となる。
この結果から、Modelon Impactは、電化された航空機システムのバックボーンを構築するために組み合わせることができる既製のモデルを使用して、柔軟性を提供していることがわかります。Modelon Impact に統合された Modelon のライブラリの横断的な使用は、ハイブリッド電気推進システムのモデル構築とシミュレーションに大きな強みを発揮します。