（かなり裕福な）大衆向けの超音速飛行機の設計方法

2020年は、超音速旅客機の復活を話題にするにはあまり良い年ではないと思う人もいるだろう。新型コロナウイルスの影響で誰も飛行機に乗らず、航空会社は航空機を駐機させている。それに、経済格差を浮き彫りにするものは、間違いなくTwitterで批判されるだろう。新型コンコルド？ビールをちょっと待ってくれ。

デンバーに拠点を置く航空スタートアップ企業Boom Supersonicは先週、2014年から開発を進めてきた高速民間航空機の小型試作機を、臆することなく公開した。XB-1と名付けられた全長71フィート（約21メートル）、単座のこの試験機は、同社が最終的に計画している最終製品、オーバーチュア（2億ドル）の旅客機の設計と技術を検証するために製作された。オーバーチュアはXB-1の3倍の大きさで、55人の乗客を乗せてマッハ2.2で飛行する。鮮やかな黒、白、黄色の機体塗装をまとったXB-1は、サイドワインダーミサイルと軍用塗装を除けば、戦闘機のように見える。

3発エンジンのデルタ翼機は、民間資金で開発される初の超音速航空機であり、Boomは超音速飛行を目指す少なくとも3社のスタートアップ企業の中で、有人操縦の試験機を世に送り出した最初の企業です（他の2社はAerionとSpikeですが、どちらも小型ビジネスジェット機です）。XB-1は、数ヶ月以内にセンテニアル空港にあるBoom本社で、エンジンや地上走行試験を含む地上試験を開始し、その後、来年中にカリフォルニア州モハーベへトラック輸送され、初飛行を行う予定です。エンジニアたちは、このプログラムで得られた知見をOvertureの設計に統合し、2025年までに飛行試験を開始する予定です。最終的な目標は、例えばニューヨークとロンドン間の旅客輸送を6時間ではなく3時間に短縮することです。

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これほど派手で、おそらくは限定的で、物議を醸す可能性のある航空機を、たとえ試験的なプロトタイプであっても、そして実際に就航するのは現在の健康・経済危機が過ぎ去るまではないことを考慮しても、今がデビューのタイミングなのかどうかについて、Boomの創業者兼CEOであるブレイク・ショール氏は断言する。「今年は誰もが、人と人との繋がりを失っているという苦悩に苦しんでいます」と彼は言う。結局のところ、Zoomでの通話は対面でのやり取りのメリットのほんの一部しか提供できない。「人々はこれまで以上に、より多くの人々がより多くの場所へ、より頻繁に行ける世界を築きたいと切望しています。ただ、今は空港や飛行機内で、目的地へ向かう際に他の人々と過ごす時間を減らしたいと考えています。それが超音速航空機の役割です。」

確かに、成層圏を駆け抜ける蛍光色のロケットなら、そう主張するのは簡単だ。しかし、飛行試験プログラムでよくあるように、遅延やコストの急上昇に見舞われた場合、Boom社にとって現実は予想外の事態を招く可能性がある。実際、キャッシュフローが最大のハードルとなる可能性がある。「技術的には、この飛行機を製造できない理由はないが、30機や40機以上の需要が本当にあるかどうかが問題だ」と、Teal Groupの航空アナリスト、リチャード・アブラフィア氏は言う。「これはエアバスやボーイング、ノースロップ・グラマンといった、潤沢な研究開発資金を持つ企業ではない。ベンチャーキャピタルの投資家は、投資収益に関して異なる期待を抱いている傾向がある。航空宇宙産業は、ゆっくりと時間をかけて成長する長期投資なのだ。」

これまでにBoomは日本航空とヴァージン・グループから投資を獲得し、合計30機の先行販売を実施しています。また、Emerson Collective、Y Combinator Continuity、Caffeinated Capital、SV Angelなどからも1億6000万ドル以上の投資を受けています。しかし、新型機の認証取得に必要な60億ドルから80億ドルには、まだ程遠い状況です。

それでもCEOは楽観的な姿勢を崩さず、現在の旅行業界の苦境を踏まえると、飛行機は「時は金なり」と考える経営幹部層だけでなく、他の多くの人にとって解決策になるかもしれないと主張している。パンデミックへの対応として、ブーム社は非接触体験の技術や、物理的および気流の障壁を備えた座席環境を統合し、乗客の安全性を高めると述べている。ショール氏は、既存の航空機に簡単に後付けすることはできないと指摘する。ショール氏はさらに、世界的なパンデミックは、航空会社を含むブーム社の見通しをむしろ押し上げるだろうとさえ述べている。「航空会社が再び成長を望むようになるまでには、2年から4年かかるとの予測を見てきました」と彼は言う。「航空会社は記憶力が良く、この時期をしばらく忘れないでしょう。彼らは、次に何が起こっても、人々が引き続き旅行に満足できるように、どのように運営するかを考えています。」

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こうした楽観的な見方は、航空会社が必ずしもそのように考えることを意味するわけではない。ショール氏と彼のエンジニアたちは、1976年から2003年まで飛行し、称賛と嘲笑の的となったコンコルドの、経済的に実現可能で、少なくともビジネス旅行の基準では手頃な価格の新しいバージョンを開発するという、依然として大きな課題に直面している。コンコルドは航空宇宙産業の勝利であったが、同時に経済的にも破綻し、環境にも脅威を与えた。ブーム社は、同社のフライト料金は国際線ビジネスクラスの座席と同等になると述べている（コンコルドの料金は少なくともその2倍だった）。また、先週公開されたXB-1実証機は、持続可能な燃料メーカーであるプロメテウス・フューエルズとの提携により、カーボンニュートラルとなる予定だ。（プロメテウスは、空気中の炭素を抽出し、電気で燃料に変換する直接空中炭素回収（Direct Air Carbon Capture）と呼ばれるプロセスを採用しており、このプロセスはBMWとトヨタの自動車メーカー向けにも開発中だ。）しかし、より重要な問題は、実際に生産されるオーバーチュア自体が、環境に優しいかどうかだ。それは、ブーム社とエンジンメーカーのロールスロイス社が、効率的な最終パッケージをどれだけうまく製造できるかにかかっている。しかし、批評家たちは再び、それが実現するかどうかに懐疑的だ。国際クリーン交通評議会（ICCT）は、専用エンジンでさえ、亜音速航空機（それ自体が既に温室効果ガス排出の膨大な要因となっている）と比べて、乗客1人あたり最大7倍の燃料を消費すると主張している。

さらに、コンコルドの悪名高い離陸時の騒音と、音速を超えた際に続く耳をつんざくようなソニックブームの問題もある。XB-1試作機は特に静かではないだろう。旧式だが信頼性が高く、整備も容易な、1950年代に開発されたGE J85-15軍用エンジンを搭載するからだ。しかし、カリフォルニアの広大な砂漠の上を飛行するため、騒音は問題にならないだろう。しかし、ロールスロイスが開発中の新型エンジンが期待通りに成功すれば、最終的なオーバーチュアは離陸時に同サイズの民間航空機と同じくらい静かになる可能性がある。アブラフィア氏は、コンコルドがデビューして50年で推進工学は大きく進歩したが、現時点でオーバーチュアに匹敵するエンジンは実際には存在しないと指摘する。ほとんどの航空機エンジンは、戦闘機用にコンパクトで強力なか、民間航空機用に大型で効率的なかのどちらかだ。オーバーチュアのエンジンは機体内部に収まり、コンコルドで必須だった燃料の大量消費と騒音を出すアフターバーナーなしで飛行機を超音速まで加速させる必要があり、しかも騒音と排出ガスの基準も満たさなければならない。

窓ガラスを揺さぶったり赤ちゃんを起こしたりする悪名高いソニックブームについては、Boom は Overture が超音速で飛行中に陸上ルートを避けるようにすることでこの問題を回避する。また、いずれにせよ、Boom の形状により、コンコルドや一般的な戦闘機ほど目立たない、くぐもった爆音を発生するはずだと Scholl 氏は言う。

超音速飛行は材料にも課題をもたらします。超音速機は従来の航空機よりもはるかに大きな熱と応力にさらされ、例えばアルミニウムは高温で強度が低下します。一方、炭素繊維は形状と強度の両方を維持するため、設計者は気流の乱れを最小限に抑え、抗力を低減するために、翼と胴体の形状をより自由に設計することができます。

後部胴体にはチタンが使用され、着陸時の衝撃（車輪1つあたり推定11万2000ポンド）への耐性を高め、3基のエンジンの重量をよりしっかりと支えることができました。XB-1はまた、Ultem 9085と呼ばれる熱可塑性プラスチックも使用しています。これは、3Dプリントによって強度、軽量性、耐火性を備えた部品を製造できると同社は述べています。数百個のスペーサー、ダクト、ブラケットなどを格納庫でプリントできるため、時間と費用を大幅に節約できました。

これらの材料は先進的であるにもかかわらず、業界ではよく知られています。しかし、超音速飛行における複雑で、しばしば不気味な空気力学については、まだ解明されていません。高速飛行では、機首から発生する空気の渦が翼や尾翼から発生する渦と相互作用し、飛行機の挙動に影響を与えるため、エンジニアはこれらの衝突を回避するために空気力学を調整する必要があります。また、翼は低速と高速の両方の性能を最適化するために機械的に前後にスイープすることはできないため（映画「トップガン」のF-14を想像してみてください）、主に高速飛行向けにデルタ翼形状を構成すると、離着陸時の低速飛行時の安定性に影響を及ぼします。そこでエンジニアは、従来の油圧式機械式リンクを操縦装置に使用し、安定性向上のために電動アクチュエータを補助するハイブリッド・フライ・バイ・ワイヤ・システムを開発しました。さらに、低速時の翼下面の気流を最大化するために、機首角度を高く設定しました。しかし、着陸時に尾翼が機首に衝突する可能性があるため、着陸装置の高さを高く設定しました。もちろん、機首角度が高くなると、パイロットの前方視界も制限されます。コンコルドはこの問題を、機首を垂れ下げる機構で解決しましたが、ブーム社はそのシステムの機械的な複雑さを気に入らず、離着陸時のパイロットの視界確保のため、機首ギアに拡張現実（AR）ベースのカメラシステムを搭載することにしました。

小型機XB-1の飛行試験では、「マッハタック」と呼ばれる現象への対処法も明らかになる。これは、航空機が超音速に近づくと、衝撃波が速度の上昇とともに後方に移動し、圧力差が生じて翼後部の揚力が増加し、翼が不安定になるため、機首が下がる傾向にある現象だ。「この現象については予測はできていますが、実際の航空機でデータを収集し、これを完全に打ち消すことが非常に重要です」と、Boom社に入社する前はロケットメーカーのSpaceX社と航空宇宙イノベーターのScaled Composites社で働いていた主任エンジニアのグレッグ・クラウランド氏は語る。「飛行制御のプログラム方法に影響が出る可能性があります。そのため、XB-1を亜音速試験から遷音速、そして超音速へと進めていく中で、こうした問題を検討していくことになります」

XB-1の秘密が明らかになるにつれ、オーバーチュア試作機の設計・建造作業が進み、すべての製造工程とパートナーが調整され、民間航空会社への就航が予定されている。これまでのところ、この機体の導入に踏み切った航空会社は、主要都市間の飛行時間を半分に短縮できるという魅力に惹かれている。この機体の航続距離は概算で4,000マイルと予想されており、一部の飛行では燃料補給のための「テクニカルブレイク」（Boom社が言うところの）が必要となる。これには、例えば東京からロサンゼルスまたはサンフランシスコへの太平洋横断飛行（アラスカでのピットストップを含む）が含まれるが、大西洋横断飛行はほぼ1回のフライトで実現可能となる。Boom社が公表した飛行時間推定には、この追加の燃料補給が考慮されている。

航空会社以外にも、ショール氏によると、米空軍からも関心が寄せられているという。戦闘機としてではなく、「幹部輸送機」としての可能性としてだ。もちろん、これは超音速機エアフォースワンの略称で、どの大統領でも即座に承認するだろう。

2020年10月15日午後6時15分（米国東部夏時間）に更新。本記事は、同社から提供された新たな認証データを反映して更新されました。

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