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eVTOL設計の複雑さと機会

電動垂直離着陸機 (eVTOL) は、都市部の航空交通における将来有望な飛躍であり、渋滞や輸送の非効率性に対する解決策を提供します。しかし、その開発には重大な技術的課題があります。

これらの課題には、効率的な推進システムの設計、バッテリーの信頼性と寿命の確保、構造の完全性を維持しながら重量制限を管理すること、都市環境での騒音低減への対応などが含まれます。さらに、自律運転のための高度な航空電子機器の統合と規制当局の承認の確保により、複雑さが増します。

私たちは、次の 3 つの主要分野に焦点を当て、企業が運用パフォーマンスと設計上の制限とのバランスを取るために行っているトレードオフを調査します。

  1. 運用要件 – eVTOLを都市交通に統合するために必要なもの
  2. 航空機アーキテクチャ – 運航者は航空機の設計を通じて運用上の要件をどのように解決しようとしてきたか
  3. 変化の力 – OEMとオペレーターがeVTOLの設計に取り組む方法に影響を与える可能性のある外部要因

運用要件

運用戦略の検討

航続距離と積載量のバランスを取ることは、車両設計者にとって重要な課題です。特に、技術の未熟さがこのトレードオフを悪化させる eVTOL の場合、これは顕著です。積載量を増やすには通常、航空機の大型化と重量化が必要となり、同じ航続距離を達成するにはより多くのエネルギーが必要になります。逆に、航続距離を延ばすには、エネルギーを節約するために積載量を減らす必要があることがよくあります。

設計者は、特定の運用要件を満たすためにこのバランスを最適化する必要があります。都市部のエアタクシーでは短距離移動のために積載量の増加を優先する一方、都市間 eVTOL では、乗客数や積載量を犠牲にして航続距離の延長に重点を置く可能性があります。

運用戦略は、航続距離と積載量のバランスをとる上で重要な役割を果たします。たとえば、eVTOL オペレーターは、特定のミッションに必要な航続距離に基づいて柔軟な積載量制限を実装できます。飛行経路とスケジュールを最適化することで効率を最大限に高めることができ、eVTOL が最適なパフォーマンス範囲内で動作することが保証されます。

バッテリーと充電に関する考慮事項

急速充電は eVTOL にとって極めて重要であり、これによりオペレーターは車両の稼働時間と収益を最大化できます。業界の推定では、厳しいスケジュールを維持し、短距離タクシー市場に効果的に対応するために、eVTOL の充電の 95% が急速充電になるのに対し、電気自動車の充電はわずか 10% になると予想されています。

eVTOL の急速充電の基礎は、高度なバッテリー技術にあります。

これらのバッテリーは、劣化することなく高電力入力を処理する必要があります。現在、リチウムイオン バッテリーが最も一般的な選択肢ですが、充電速度と熱管理の限界が大きな課題となっています。より高いエネルギー密度と優れた熱安定性を提供する固体バッテリーが、潜在的な代替品として研究されています。

eVTOL が頻繁に運用されると予想される都市部では、eVTOL バッテリーを迅速に充電するために、数百キロワットもの高出力を供給できる充電ステーションを戦略的に配置する必要があります。このインフラストラクチャの課題は膨大であり、持続可能で信頼性の高い充電をサポートするには、グリッドのアップグレードと再生可能エネルギーの統合に多額の投資が必要です。

従来の航空機と同様に、eVTOL は離着陸時にピーク電力出力を経験するため、過熱や急速な摩耗を起こさずにこれらの要求に対応できる推進システムとバッテリーが必要です。eVTOL は巡航時間が短いため、電力と熱のサイクルが頻繁に激しくなります。熱を管理しながらこのピーク電力を供給できるシステムを設計することは、大きなエンジニアリング上の課題です。

巡航パワーは、一定の速度と高度で水平飛行するために必要な持続パワーであり、最大パワーよりも大幅に低いですが、eVTOL の航続距離と耐久性を最大限に高めるには、非常に効率的でなければなりません。効率的な巡航パワー管理には、抗力を減らし、揚抗比を向上させるために、翼とローターの設計を含む空気力学の最適化が含まれます。設計者は、推進システムとバッテリーが、長期的な効率とバッテリー寿命を損なうことなく、ピーク負荷に対応できるようにする必要があります。

騒音と規制に関する考慮事項

eVTOL 技術が進歩するにつれ、規制上のハードルにも対処する必要があります。eVTOL の運用は都市部で行われるため、騒音は重大な懸念事項となります。欧州連合航空安全機関 (EASA) は、eVTOL の騒音基準の作成を主導してきました。

都市の空中移動には、周辺地域への影響を最小限に抑えることに重点を置いた、特定の空中回廊と垂直離着陸場の設置が必要になります。都心の空港が厳しい騒音規制に直面しているのと同様に、eVTOL は規制枠組みに準拠する必要があり、特定の時間帯には飛行経路が最適でなくなったり、運用が制限されたりする可能性があります。

高度なローター設計、防音材、アクティブノイズキャンセリングシステムなどの騒音低減技術が不可欠です。規制基準を満たし、コミュニティの受け入れを確実にするためには、これらの技術を eVTOL 設計に統合する必要があります。

航空機のアーキテクチャ

分析では、OEM が示すより一般的なアーキテクチャ設計を表す 3 つの設計方向が取り上げられています。AAM メーカーが対応しようとしているアプリケーションの範囲により、検討できる設計方向はほぼ無限にあります。これは設計の新しい領域であるため、よくある設計の収束はまだ行われていません。


図1. 各OEMの設計方針


マルチコプター

Volocopter や EHang などの OEM は、垂直方向の揚力を提供する複数のローターを特徴とするマルチコプター設計を採用しています。一般的なローター構成では、機体の周りに対称的に配置された 4 つ以上のローターが使用され、安定性と制御性が向上します。この構成により、1 つのローターが失われても飛行安定性に重大な影響が及ばないことが保証され、重要な冗長性と安全性が確保されます。

VTOL 機能により、マルチコプターの設計は都市部のエアタクシー サービスや緊急医療輸送に適しており、迅速なポイントツーポイントの移動が可能です。現在のマルチコプター eVTOL のほとんどは短距離都市ミッション向けに設計されており、通常 1 回の充電で 20 ~ 50 マイルの距離をカバーします。この範囲は都市内移動には適していますが、都市間の運用には制限があります。

ホバリングと正確な垂直操縦が可能なことは重要な利点であり、従来の航空機では行けないエリアでの運用を可能にします。現在の設計では、多数の小型ローターが使用され、複雑さを犠牲にして操縦性が向上しています。

リフトプラスクルーズ

Eve と Archer では、揚力と前進巡航能力を組み合わせた、より複雑な設計が採用されています。これらの航空機は通常、垂直揚力と水平巡航用に別々の推進システムを備えており、各飛行フェーズのパフォーマンスを最適化します。

垂直方向の揚力は通常、マルチコプターと同様に複数のローターによって実現され、離着陸時に安定性と制御を提供します。空中に浮上すると、専用の前進プロペラまたは固定翼が引き継いで効率的な水平飛行を行います。

リフトプラスクルーズ eVTOL の運用戦略は、効率と柔軟性を最大化することに重点を置いています。これらの航空機は、短距離の都市間飛行と長距離の地域飛行の両方に適しており、マルチコプターに比べて幅広い用途を提供します。垂直飛行モードと水平飛行モードを切り替える機能により、オペレーターはミッション要件に基づいてルートと飛行プロファイルを最適化できます。たとえば、長距離の都市間飛行中は、航空機はより高い高度と速度で巡航できるため、エネルギーを節約し、航続距離を延ばすことができます。

ベクトルスラスト

最も複雑な設計でありながら、最大の運用上の多様性を提供するのがベクトル推力です。Supernal と Lilium はこのカテゴリの例です。この革新的な設計は、従来の固定翼航空機の効率性とヘリコプターの垂直離着陸能力を組み合わせた、都市の空中移動に対する多目的なアプローチを提供します。ベクトル推力 eVTOL は通常、垂直方向と水平方向の間で旋回できるティルティング ローターまたはダクテッド ファンを備えており、さまざまな飛行フェーズでパフォーマンスを最適化します。

離着陸時には、ヘリコプターと同様に、ローターまたはファンが垂直に向いて揚力を生み出します。空中に浮上すると、これらの推進システムは水平位置に旋回し、航空機が従来の飛行機のように巡航できるようにします。このデュアルモード操作により、マルチコプターや揚力プラス巡航設計に比べてエネルギー効率が向上し、航続距離が延長されます。

ベクトル推力 eVTOL には利点があるものの、いくつかの制限があります。傾斜推進システムの複雑さにより重量とメンテナンス要件が増加し、全体的な積載量と運用コストに影響を及ぼします。

変化の力

eVTOL の設計方向は最終的には収束する可能性がありますが、この収束は、エンジニアによる新しい材料や構造上の革新だけでなく、外部の力によっても推進される可能性があります。環境条件、インフラストラクチャの開発、戦略的パートナーシップなど、さまざまな要因が eVTOL 設計の進化を形作る上で重要な役割を果たします。

注目すべき傾向として、eVTOL に関する覚書 (MOU) の大半がドバイやアブダビなどの暑い気候の都市と締結されていることが挙げられます。これらの地域では外気温が高いため、バッテリーの劣化が早まり、充電頻度が高まり、動作範囲が狭くなります。さらに、気温が高いと、離着陸時の推進システムにかかる負担が増します。必要な揚力を生成するためにエンジンはより高い回転数で作動する必要があり、航空機のコンポーネントにさらに負担がかかり、寿命が短くなる可能性があります。

インフラ整備は、eVTOL の普及を可能にするもう 1 つの重要な要素です。eVTOL 開発には多額の投資が行われていますが、資金は必要なサポート インフラよりも OEM に優先されることがよくあります。その結果、eVTOL の技術的機能は、不適切な運用環境によって妨げられる可能性があります。たとえば、エネルギー供給が不十分であったり、充電設備が不足していると、eVTOL の運用能力が大幅に制限される可能性があります。

戦略的パートナーシップは、メーカーと大手エンジニアリング会社 (Avincis や Airbus など) のコラボレーションにより、eVTOL の設計と方向性を形作る上で重要な役割を果たし、貴重な専門知識とリソースをもたらします。ただし、これらのパートナーシップは、小規模 OEM が、当初のミッション ステートメントではなく、大規模パートナーのより広範な目標に合わせて設計を調整するように影響を与える可能性があります。さらに、軍事用途と商用用途など、外部パートナーによって決定される運用プロファイルによって、設計のバリエーションがさらに促進され、多様な使用事例に対応するカスタマイズされたソリューションの必要性が浮き彫りになります。

さらに、規制と経済の要因が eVTOL の展望を形作る可能性が高くなります。規制機関は、特に安全性、騒音公害、環境への影響に関して、eVTOL 運用の標準とガイドラインを策定しています。これらの規制への準拠は市場参入に不可欠ですが、設計の変更や適応が必要になる場合があります。先進的な材料や技術のコストなどの経済的考慮事項も、さまざまな eVTOL 設計の実現可能性と拡張性に影響を与えます。

結論

eVTOL 業界が進化を続ける中、実行可能で効率的で、広く受け入れられる都市型航空モビリティ ソリューションを開発するには、内部と外部の影響のバランスを取ることが不可欠です。設計の方向性が収束したり、異なる設計に適した個別の市場が出現したりする可能性もありますが、最終的な決定は、最終的には技術革新、環境への適応、インフラストラクチャのサポート、戦略的コラボレーション、規制遵守の複雑な相互作用を反映することになります。

 


出典

IEEE Spectrum。(2021)「固体電池技術の進歩」
国立再生可能エネルギー研究所 (2021)。「電気航空機の電力管理の最適化」
航空宇宙工学ジャーナル。(2020)「航空宇宙設計における軽量材料」
Urban Air Mobility News。(2021)「分散型電気推進とその利点」
Journal of Energy Storage。(2020) 「高出力リチウム電池の熱管理」
欧州航空安全機関 (EASA)。(2022)「eVTOL 騒音レベルの認証仕様」