NASA X-57 マクスウェル
Cancelled experimental NASA electric aircraft

X-57 マクスウェル
X-57（Mod IV）のアーティストによるコンセプト
一般情報
タイプ実験用軽飛行機
国籍アメリカ合衆国
メーカーESAero [1]
状態中止（2023年6月）
プライマリユーザー米航空宇宙局（NASA）
歴史
開発元テクナム P2006T

NASA X-57マクスウェルは、 NASAが開発した実験機で、燃料消費量、排出量、騒音を削減する技術を実証することを目的としていました。[2] X-57の初飛行は2023年に予定されていましたが、推進システムの問題により計画は中止されました。[3] [4] [5]

発達

この実験では、イタリア製の双発機テクナムP2006T（従来型の4人乗り軽飛行機）の主翼を、電動プロペラを内蔵した分散型電気推進（DEP）翼に交換しました。試験飛行は当初2017年に開始される予定でした。[6]

第一段階の試験では、18基のエンジンを搭載したトラック搭載型の主翼が使用されました。第二段階では、地上試験および飛行試験を行うために、標準のP2006Tに巡航プロペラとモーターが搭載されました。第三段階の試験では、高揚力DEP主翼を使用し、高速巡航効率の向上を実証することになりました。前縁ナセルは搭載されますが、高揚力プロペラ、モーター、コントローラーは搭載されません。第四段階は、DEPモーターと折りたたみ式プロペラを追加し、揚力増強を実証することになりました。[7]

LEAPTechプロジェクト

先端非同期プロペラ技術（LEAPTech）プロジェクトは、NASAが実施する実験的な電気航空機技術の開発プロジェクトであり、多数の小型電動モーターで各航空機の翼の縁に沿って配置された個々の小型プロペラを駆動する。[8] [9] [10]性能を最適化するために、各モーターは異なる速度で独立して動作することができ、化石燃料への依存を減らし、航空機の性能と乗り心地を向上させ、航空機の騒音を低減する。[11]

LEAPTechプロジェクトは、NASAラングレー研究所とNASAアームストロング飛行研究センターの研究者が、カリフォルニア州ピズモビーチ のEmpirical Systems Aerospace（ESAero）とカリフォルニア州サンタクルーズのJoby Aviationという2つのカリフォルニア企業と提携した2014年に始まりました。ESAeroはシステム統合と計装を担当する主契約者であり、Jobyは電動モーター、プロペラ、炭素繊維製主翼の設計と製造を担当しています。[11]

2015年、NASAの研究者たちは、リン酸鉄リチウム電池で駆動する18個の電動モーターを搭載した、翼幅31フィート（9.4メートル）の炭素複合材製主翼の地上試験を実施しました。1月には、カリフォルニア州セントラルコーストのオーシャノ郡空港で、最高速度40マイル（64 km/h、35ノット）での予備試験が行われました。その後、2015年後半には、特別に改造されたトラックに搭載されたこの主翼は、エドワーズ空軍基地の乾燥した湖底を最高速度70マイル（110 km/h、61ノット）で飛行する試験が行われました。[11]

この実験は、NASAの変革的航空概念プログラムで提案されているX-57マクスウェルXプレーン実証機に先立つものです。テクナムP2006Tの主翼とエンジンを改良版のLEAPTech主翼とモーターに交換することで、有人Xプレーンは数年以内に飛行する予定です。既存の機体を使用することで、エンジニアはXプレーンの性能をオリジナルのP2006Tと容易に比較することができます。[11]

X-57 マクスウェル

マクスウェルは2016年の航空記念日のイラストに登場した。

X-57プロジェクトは、 2016年6月17日にNASA長官 チャールズ・ボールデンによってアメリカ航空宇宙学会（AIAA）のAviation 2016展示会での基調講演で公表されました。 [12] [13]この飛行機はスコットランドの物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルにちなんで命名されました。[2]

NASAにとって10年以上ぶりのX-57は、最大5機の大型機も開発予定のNASAのニュー・アビエーション・ホライズンズ・イニシアチブの一環である。X-57は、カリフォルニア州アームストロング飛行研究センターで4年間の開発期間を経てNASAのSCEPTORプロジェクトによって建造され、初飛行は当初2017年に予定されていた。[14] [15] [16]

2017年7月、スケールド・コンポジッツ社は、ピストンエンジンをジョビー・アビエーション社製の電動モーターに交換することで、P2006T初号機をX-57 Mod II構成に改造し、2018年初頭の飛行を計画していました。Mod III構成では、推進効率を高めるためにモーターを翼端に移動させます。Mod IV構成では、Xperimental LLC社製の高アスペクト比翼に、前縁に沿って12個の小型プロペラを取り付け、離着陸時の揚力を増加させます。[17]

ドナー機であるテクナムP2006Tは、 2016年7月にカリフォルニアで受領された。2016年12月の試験で、バッテリーセルがショートし、過熱が他のセルに広がったため、アルミニウムハニカムセパレーターを使用してパッケージを8モジュールから16モジュールに再設計する必要があった。Mod IIでは、 Rotax 912が60kW（80馬力）の電気モーターに置き換えられる。Mod IIIの目標重量は、P2006Tの2,700ポンド（1,200kg）から3,000ポンド（1,400kg）に軽量化され、主翼が小さくなることで巡航抵抗が低減し、翼端プロペラが翼端渦に対抗するため、高速巡航効率が500%向上することを目指している。P2006Tと同じ速度で離着陸を行うために12枚のプロペラを搭載したMod IVはまだ資金が確保されていない。[18]

2017年12月、リチウムイオンセル数を640個から320個に減らしたパッシブ冷却式バッテリーモジュールが再設計され、試験に合格しました。この経験は、Electric Power Systems社がBye Aerospace社のSun Flyer 2用バッテリーを開発する上で役立ち、同機は2018年4月に初飛行を行いました。Joby Aviation社は2017年に巡航モーター3基を納入し、2018年6月には最後の2基を組み立てていました。80時間の耐久試験を含むモーター受入試験は、機体への組み込み前に簡素化される予定でした。契約業者であるES Aero社が数ヶ月にわたる大規模な地上試験を実施し、ミッション並みの30分間のフルパワー試験を経て、2019年中の飛行開始が予定されていました。[19]

2018年9月までに、モハベのスケールド・コンポジッツ社において、ジョビー・アビエーション社製のJM-X57電動クルーズモーター1号機にコントローラー、バッテリー、新型コックピットディスプレイが搭載され、2019年半ばに飛行試験が開始される予定でした。ESAero社の高アスペクト比・低抗力複合材主翼の製造はほぼ完了し、Mod 3は2020年半ばまでに飛行開始予定です。[20]

2019年6月、元の翼に新しい電動モーターを搭載したMod II地上テスト

Xperimental社によって構築された巡航最適化翼面荷重試験は、設計荷重限界の±120%まで2019年9月までに完了し、操縦翼面の自由運動の検証とフラッター予測のための振動試験が行われた。モーター地上走行後、ESAero社は、元のピストンエンジンを電気モーターに置き換えたMod 2 Xプレーンを、10月第1週にカリフォルニア州のNASAアームストロング飛行研究センターに納入する予定であった。[21] ESAero社は2019年10月2日に納入した。[22] 当時、システムの地上試験は2019年末までに開始され、飛行試験は2020年第3四半期に開始される予定であった。[23]

2021年2月までに、NASAはカリフォルニア州エドワーズにあるアームストロング飛行研究センターでMod 2高電圧機能地上試験を開始し、タキシング試験と初飛行に備える予定だった。[24]

2023年6月、推進システムに安全上の問題が発見され、割り当てられた予算と期間内では解決できないため、このプログラムは中止されました。このプログラムは、既存の電気推進技術が安全な飛行に十分成熟しているという前提で開始されましたが、実際にはそうではありませんでした。[4] [5]

デザイン

最終改造4のセンターラインカットモデル。バッテリーシステム、高アスペクト比の主翼、電動モーター、トラクションパワーバスが見える。

テクナムP2006Tを改造したX-57は電気飛行機で、14個の電気モーターで翼の前縁に取り付けたプロペラを駆動する予定だった。 [25] 離着陸時には14個の電気モーターすべてが使用され、巡航時には外側の2個のみが使用される。追加モーターによって翼上に生み出される追加の気流によって揚力が大きくなり、翼を狭くすることが可能になる。この飛行機には2人乗りの座席が設けられる予定だった。 [26]航続距離は100マイル（160km）、最大飛行時間は約1時間 だった。X-57の設計者は、軽飛行機を時速175マイル（282km/h、152ノット）で飛行させるために必要なエネルギーを5分の1に削減することを目指した。[14] これには、ピストンエンジンからバッテリー電気への切り替えによる3分の1の削減も含まれていた。[21]

分散推進方式は、航空機エンジンの数を増やし、サイズを縮小します。電気モーターは、同等の出力のジェットエンジンに比べて大幅に小型軽量です。これにより、より適切な位置に配置することが可能になります。この場合、エンジンは翼の下部に吊り下げるのではなく、翼の上部に分散して搭載されます。[7]

プロペラを翼の上に取り付けると、低速時に翼上の空気の流れが増加し、揚力が増加します。揚力の増加により、より短い滑走路での運航が可能になります。このような翼は、置き換える翼の幅の3分の1にすることができ、重量と燃料コストを節約できます。一般的な軽飛行機の翼は、機体が失速するのを防ぐために比較的大きくなっています（これは、翼が十分な揚力を提供できない低対気速度で発生します）。大きな翼は過剰な抗力を生み出すため、巡航速度では効率が悪くなります。[6]翼は巡航用に最適化され、モーターが低速失速から機体を保護し、小型飛行機の標準である70 mph（113 km/h、61 kn）を達成します。[7]

各プロペラの速度は独立して制御できるため、突風などの飛行状況に応じて翼上の気流パターンを変化させることができます。巡航時には、胴体に近いプロペラを折り畳んで抗力をさらに低減し、翼端に近いプロペラで機体を移動させることができます。このような航空機は飛行中の排出ガスがなく、騒音も少なく、運用コストは推定30%削減されます。[6] 巡航効率は3.5～5倍向上すると予想されました。[7]

翼幅31.6フィート（9.6メートル）、アスペクト比15の主翼は、ストックP2006T主翼の翼幅37.4フィート（11.4メートル）、アスペクト比8.8と比較すると、この細い翼の翼弦は、翼根で2.48フィート（0.76メートル）、翼端で1.74フィート（0.53メートル）である。[7] 主翼には、直径1.89フィート（0.58メートル）の巡航プロペラが12個装備されており、各プロペラは、時速63マイル（102キロメートル、55ノット）で14.4kW（19.3馬力）のモーター出力を必要とし、4,548rpmで回転する 。5枚羽根のプロペラは巡航時には折りたたまれ、抗力を減らす。各翼端には、直径5フィート（1.5メートル）の3枚羽根の巡航プロペラが2基搭載されており、それぞれ時速170マイル（280キロメートル、150ノット）で48.1kW（64.5馬力）の出力を発生し、回転数は2,250rpmです。翼端の位置は翼端渦との良好な相互作用を実現し、5%の抗力低減効果が期待されます。[7] 47kWh（170MJ）のバッテリーパックは、重量860ポンド（390kg）で、密度は121Wh/kgです。[20]

12枚のプロペラからなる高揚力アレイは、失速速度67mph（107km/h、58ノット）を維持するはずです。最適化された翼はベースラインの40%の面積を持ち、摩擦抵抗を低減し、翼面荷重は2.6倍になります。[21] 翼幅は32.8フィート（10.0m）ですが、翼弦長は40%短くなり、翼面荷重は17psfから45psf（83kg/m2から220kg/m2）に増加します。また、巡航時の揚力係数は約4となり、ベースライン翼の2倍以上になります。[23]

  • 修正II
    修正II
  • 修正III
    修正III
  • 修正IV
    修正IV

仕様（Mod IV）

NASAのデータ[27]

一般的な特徴

  • 定員： 2人
  • 翼幅： 32.8フィート（10.0メートル）[23]
  • 翼面積： 67.0平方フィート（6.22平方メートル） 14.8平方メートル[28]の基準面積の42％
  • アスペクト比： 15 [7]
  • 総重量: 3,000ポンド (1,361 kg)
  • バッテリー: リチウムイオン、460V、合計69.1 kWh、使用可能47 kWh、860ポンド（390 kg）、比エネルギー80 Wh/lb（180 Wh/kg）
  • 動力装置: 2基のカスタム電動モーター、各97馬力（72kW）（最大）、各80馬力（60kW）（連続）、
    各117ポンド（53kg）（プロペラを含む）、空冷式、巡航中に使用される唯一のモーター、翼端に搭載
  • 動力装置: 12 × カスタム電動モーター、各14.1 hp (10.5 kW)、
    各15 lb (6.8 kg) (プロペラを含む)、空冷式、離着陸専用、翼前縁に搭載
  • プロペラ： 2×カスタム3ブレードプロペラ、直径5フィート（1.5メートル）、2,250 rpm、[7]独立制御可変速度
  • プロペラ： 12×カスタム5ブレードプロペラ、直径1.9フィート（0.58メートル）、4,548 rpm、[7]独立制御可変速度、折りたたみ式

パフォーマンス

  • 巡航速度: 8,000フィートで149ノット（172 mph、277 km/h）
  • 失速速度: 58 kn (67 mph、107 km/h)
  • 範囲: 87 nmi (100 マイル、160 km) [14]
  • 持久力：約1時間[14]
  • 実用上昇限度： 14,000フィート（4,300メートル）
  • 翼面荷重: 45 [23] ポンド/平方フィート (220 kg/m 2 )
  • 揚力係数：4 [23]（翼上の空気の流れを増やすために配置されたプロペラによって追加の揚力が得られるため可能）

参照

参考文献

  1. ^ Julie Lynem (2015年9月29日). 「オセアノに拠点を置くESAeroがNASAのX-planeを製造」. The Tribune .
  2. ^ ab Beutel, Allard (2016年6月17日). 「NASA​​の電動研究機がXナンバーと新名称を取得」NASA . 2016年6月19日閲覧。
  3. ^ 「NASA​​打ち上げスケジュール」NASA . 2022年12月25日閲覧。
  4. ^ ab Verger, Rob (2023年6月23日). 「NASA​​、航空機が地上を離れる前に電気飛行機プログラムを中止」.ポピュラーサイエンス. 2023年6月25日閲覧。
  5. ^ ab Niles, Russ (2023年6月25日). “NASA Axes X-57 Maxwell Before First Flight”. AVweb . 2023年6月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年6月26日閲覧。
  6. ^ abc 「電化飛行」エコノミスト誌、2015年9月17日。ISSN 0013-0613  。
  7. ^ abcdefghi グラハム・ワーウィック (2015年9月4日). 「NASA​​の電動推進翼テストが次期X-Planeの構想を形作る」. Aviation Week & Space Technology .
  8. ^ Grady, Mary (2015年3月18日). 「NASA​​の電気飛行機プロジェクトが前進」. AVweb .[永久リンク切れ]
  9. ^ Szondy, David (2015年3月18日). 「この18個のモーターを搭載した翼は、電動航空機の未来となるのか？」Gizmag .
  10. ^ Golson, Jordan (2015年3月20日). 「NASA​​、科学のため翼に18個のプロペラを装着」Wired .
  11. ^ abcd Merlin, Peter (2015年3月16日). 「LEAPTech、電気推進技術を実証」NASA. 2018年5月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2024年1月2日閲覧。
  12. ^ ゲイリー・デインズ (2016 年 6 月 17 日)。 「今週 @ NASA、2016 年 6 月 17 日」。NASA。
  13. ^ 「AIAA AVIATION 2016 ボルデン長官への発言「構想から現実へ：航空変革への私たちの旅」」(PDF) 。NASA。2016年6月17日。9 ～ 11ページ。  2017年2月24日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2021年9月23日閲覧。
  14. ^ abcd Matt McFarland (2016年6月16日). 「NASA​​の新しい電気飛行機は、よりクリーンな航空時代に向けた大きな一歩となる可能性がある」ワシントン・ポスト.
  15. ^ アラン・ボイル (2016年6月17日). 「NASA​​、10年ぶりの公式Xプレーンを取得：電動機「X-57 マクスウェル」」GeekWire .
  16. ^ Yasmin Tayag (2016年6月17日). 「NASA​​長官チャーリー・ボールデン氏：X-57は来年飛行予定」Inverse.com .
  17. ^ グラハム・ワーウィック（2017年7月19日）「NASA​​、電動Xプレーンの開発を推進」Aviation Week Network。
  18. ^ グラハム・ワーウィック（2017年10月26日）「電動Xプレーン、重要なバッテリーテストに近づく」Aviation Week Network。
  19. ^ ワーウィック、グラハム、ノリス、ガイ（2018年6月5日）。「NASA​​、全電動X-57の前進に際し厳しい教訓を共有」Aviation Week & Space Technology。
  20. ^ ab Guy Norris (2018年9月5日). 「モーターマウントがNASAの電動Xプレーンのマイルストーンとなる」. Aviation Week & Space Technology .
  21. ^ abc Graham Warwick (2019年9月30日). 「The Week In Technology, Sept. 30-Oct. 4, 2019」. Aviation Week & Space Technology .
  22. ^ ポッター、ショーン（2019年10月3日）「NASA​​、初の全電動実験航空機を受領」NASA . 2019年11月8日閲覧。
  23. ^ abcde ガイ・ノリス (2019年11月14日). 「NASA​​の全電動X-57、地上試験フェーズに向けて準備完了」. Aviation Week & Space Technology .
  24. ^ 「NASA​​、全電気式X-57の高電圧地上試験を開始」（プレスリリース）。NASA。2021年2月25日。
  25. ^ Keith Button (2016年5月). 「電子飛行」(PDF) . アメリカ航空宇宙学会.
  26. ^ Steve Fox (2016年7月26日). 「初の全電気推進航空機のコックピット」NASA.
  27. ^ “X-57 Maxwell” (PDF) . NASA . 2021年6月28日. LG-2018-04-048-AFRC. 2022年12月29日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2022年12月29日閲覧。
  28. ^ "P2006T".テクナム.
  • 航空機の推進力の未来は電気だ
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