人類は多くの問題で意見が分かれるかもしれませんが、形を変える金属でできた飛行機の翼があれば素晴らしいだろう、という点ではほとんどの人が同意するでしょう。この素晴らしい翼の形状は、飛行のほぼあらゆる側面に影響を与えます。空中で形を変える金属で翼を作れば、旅はよりスムーズで安全、そして効率的になるでしょう。
翼の形状変化は目新しいものではありません。ライト兄弟は、ノースカロライナ州の砂丘を飛行する際に、ヒップブレースとワイヤーを使ってフライヤー号の布と木の翼を変形させました。現代の航空機は、機械駆動のフラップ、スラット、エルロン、スポイラー、エレベーター、ラダーによって、同様の結果、いや、はるかに優れた結果を達成しています。
「従来の航空機技術を見てみると、非常に多くの可動部品が存在します」と、NASAグレン研究センターのエンジニア、オスマン・ベナファン氏は語る。これらの可動部品は不可欠なものであり、パイロットが操縦し、乱気流を抑制し、離陸し、着陸し、そして基本的にただ漫然と滑空する以外のあらゆる動作を行う上で重要な役割を果たしている。しかし、これらの部品を動かすために必要なアクチュエーター、ケーブル、モーター、潤滑油、油圧装置、その他の部品は、重量とスペースを占有し、あらゆる航空機にとって貴重な資源となる。
代替案は、形状記憶合金と呼ばれる金属を使って翼部品を動かすことです。「形状記憶合金で作られた部品は、通常、従来の部品に比べてサイズと重量が10～20%程度です」と、ボーイング社の形状記憶合金の第一人者であるジム・メイブ氏は述べています。昨年、燃料費に1330億ドルを費やした業界にとって、これより小さく軽い部品はどれも喜ばしいニュースです。
形状記憶合金は、本質的には可逆的な「シュリンキーディンク」です。特定の温度まで加熱すると、収縮し、ねじれ、曲がります。冷やすと元の形状に戻ります。熱、冷、そして熱。形状記憶合金は摩耗することなく、何百万回も熱を循環させることができます。必要なのは、熱を発生させるか、あるいはエンジンなど、既に非常に高温になっている機体の他の部分から熱を引き出す能力だけです。
航空機メーカー、研究者、そしてNASAのような政府機関は、これらの金属を燃料費の削減以外にも活用できます。形状記憶合金は、航空機に可動部品を追加する際にも利用でき、従来の機構ではサイズと重量が大きくなりすぎるようなことが可能になります。例えば、ジェットエンジンの轟音を抑えることができます。温度によって翼が折り畳めるようになれば、航空母艦はより多くの戦闘機を搭載できるようになります。この技術はソニックブームさえも抑制し、コンコルドのような超音速旅客機の復活への道を開くかもしれません。
形状記憶レーンを下る
形状記憶合金は航空宇宙分野で開発されましたが、厳密には飛行用ではありませんでした。1959年、海軍兵器研究所1で、ウィリアム・ビューラーという研究者が、大陸間弾道ミサイルのノーズコーン用の素材を開発していました。この素材は、宇宙空間の端まで飛行し、大気圏に再突入するといったミサイルの運用に伴う極限の温度と圧力に耐えられるものでした。ビューラーはニッケルとチタンの合金を考案しました。この合金は、強度と耐疲労性に優れているだけでなく、高温でも極めて展性が高いという特徴も持ち合わせていました。彼は、この合金の最も驚くべき特性を発見したのです。それは、わざと作業場にこの合金の棒を落とし、ドスンという音を耳にした時のことでした。（もちろん、こういう話はSTEMに疎い子供たちに聞かせるべき話ですよね。）
冷えた棒は、炉から出てきたばかりの温かい棒とは全く異なる音を立てた。ビューラーは、分子が温度によって異なる方向を向いている可能性があることに気づいた。これは金属にはあまり見られない特性だ。その後、同僚の一人が、アコーディオンのような合金の細片の下にライターをかざしてみた。すると、皆が驚いたことに、細片は完全に開いた。これは、加熱された分子が熱に反応して単に膨張するだけでなく、結合の向きを完全に変えていることを示している。これらの合金は相変化を起こすが、例えば固体から液体に変わるわけではない。氷が別の種類の氷に変わるように、ある固体相から別の固体相へと変化するのだ。
この発見以来、エンジニアたちは形状記憶構造を訓練し、正確な温度で予測可能な動きを生み出す技術をかなり向上させてきました。そして、様々な形状記憶材料、さらにはプラスチックさえも開発してきました。しかし、ビューラー社が開発したニッケルとチタンからなる形状記憶合金（ニチノール）は、今でも高い人気を誇っています。近年の材料革新の大部分は、合金の耐疲労性を高めることと、ニッケルとチタンの比率を微調整して合金の温度応答範囲をより適切に制御することです。
この試作翼は、形状記憶合金を用いて翼のキャンバー（翼の上部と下部の相対的な曲率）を変化させます。アントワーヌ・バルド/ステッド・ダレン・ハートル
例えば、ベナファン氏は長く中空のニチノールチューブを製造し、様々な可動翼部品のヒンジの代替品として使用している。彼はこのチューブを、多くの航空機の翼端にある上向きの部品であるウィングレットでテストしている。ベナファン氏によると、最終的にはこれらのアクチュエーターで、重さ300ポンド（約130kg）の翼部分を上下に180度動かすことが可能になり、乱気流に遭遇した際にパイロットが安定を保つための新たな手段となるという。10月には、ニチノール製の翼が様々な飛行条件下でどのように機能するかを長期にわたって試験する一環として、F/A-18戦闘機の翼の中空部分に形状記憶チューブを取り付け始めた。
可能性は翼だけにとどまらない。数年前、ジム・メイブとボーイング社の同僚らはタービンエンジンの騒音を低減するシステムを発明した。可変形状シェブロンと呼ばれるこのシステムは、タービンの外側の排気口を取り囲む巨大なドーナツ状の追加フェアリングで、フェアリングの後端はジグザグになっている。チャーリー・ブラウンのシャツのV字パターンを思い浮かべてほしい。それぞれのV字には、厚い形状記憶合金の細片がボルトで固定されている。加熱されると形状記憶合金は曲がり、V字の先端が排気流に浸かることで、熱い空気にちょうどいい量の乱流が加わり、騒音が低減する。「形状記憶合金を加熱すればするほど、より曲がるので、さまざまな空気条件に合わせてV字の角度を大きくすることができる」とメイブ氏は言う。
騒音は航空業界、特に超音速飛行において、特に厄介な問題です。ケニー・ロギンスが語った話とは裏腹に、危険地帯への飛行はほとんどの場合、ミグの衝突を避けることはほとんどなく、飛行経路の下に住む偏屈者たちに高額な騒音違反を訴えられ、多額の罰金を払うことになります。「超音速飛行中の航空機は、その表面全体に衝撃波を経験します」と、テキサスA&M大学の航空宇宙エンジニア、ダレン・ハートル氏は言います。衝撃波は機首から始まり、機体のあらゆる不連続面で空気が急激に集まる場所で発生します。これらの無数の衝撃波は最初は独立していますが、地面に向かうにつれて合体します。そして、それらの衝撃波のエネルギーが合わさって爆発音が発生します。
航空機エンジニアは超音速機の設計において衝撃波を最小限に抑えようと試みますが、衝撃波は温度、湿度、気圧などの変数によって挙動が異なるため、あらゆる衝撃波を静める万能な解決策は存在しません。形状記憶合金を使用すれば、これらの変数に応じて形状が変化する航空機を設計し、衝撃波の間隔を数ミリ秒長くすることが可能になります。「そうすれば衝撃波は発生せず、わずかに振動する程度になります」とハートル氏は言います。
確かに、従来のモーターでも同じ仕事をすることはできますが、あまりにも大きくて手間がかかりすぎます。「形状記憶合金について覚えておくべき重要な点は、あらゆるアクチュエータの中で体積あたりの仕事密度が最も高いということです」とハートル氏は言います。重量あたりの出力がこれを上回るものは他にありません。
熱と冷
では、これらの奇跡の素材が航空宇宙に革命をもたらしたり、コンコルドを復活させたりすることを阻んでいるものは何でしょうか？ご想像の通り、政府の陰謀です。
冗談ですよ。お馴染みの官僚機構です。連邦航空局（FAA）は航空機の製造方法を厳しく管理しています。そのため、航空業界の安全記録はほぼ完璧で、変化のスピードも非常に遅いのです。最近まで、FAAには形状記憶合金を評価するための認証基準さえありませんでした。しかし数年前、メイブとハートルはNASA、軍、学界、そして産業界から形状記憶材料の愛好家を集めたグループを組織しました。彼らが開発した基準は、形状記憶合金の考えられるあらゆる側面の試験基準を概説したもので、今年ようやく承認されました。
もちろん、技術的な課題は依然として残っています。主な課題は温度です。形状記憶合金は比較的限られた範囲で相変化しますが、飛行機はそのような制約を受けません。「巡航高度ではマイナス50℃ですが、地上では40℃以上にまで温度が上がります」とハートル氏は言います（これは華氏マイナス58度から104度に相当します）。そこでハートル氏をはじめとする多くの研究者が、外界の状況に関わらず、これらの金属を適切な温度に保つ方法を研究しています。
温度に関連するもう一つの問題は、形状記憶合金の加熱と冷却にかかる時間を制御することです。金属製の鍋やフライパンを温めたり冷やしたりするのにかかる時間を考えてみてください。「この問題がいかに難しいか、直感的にわかるはずです」とハートル氏は言います。エンジニアがこの熱力学の抜け道を見つけない限り、形状記憶合金は主要な制御システム、つまり離着陸のような複雑な飛行操作中にパイロットが瞬時のフィードバックを得るために頼りにするシステムには使用されないでしょう。
それでも、騒音低減、飛行中の空気条件に合わせた翼形状の調整、抗力低減、その他二次制御など、多くの用途が残されています。ハートル氏をはじめとする専門家は、最初の形状記憶合金製制御技術がFAAの規制を通過し、10年以内に実機に搭載されると考えています。もちろん、この技術がロボットに変形し、人類の運命を賭けて戦う航空機の実現につながることはまずないでしょう。しかし、人類は既にロボット以外の分野でも多くの課題に直面しています。ですから、より軽量で小型のフラップで満足すればいいのではないでしょうか。
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1いいえ、'd'と'n'の間にある'i'をうっかり落としたわけではありません。言語サイトGrammaristによると、「ordinanceとordnanceは現在では共通の定義がありませんが、どちらも中英語のordinaunce（整頓する）に由来しています。3つ目の単語ordonnanceは今でも時々登場しますが、ordinanceの変形として始まりましたが、その後、建物、絵画、文学作品における部品の配置といった独自の意味を持つようになりました。」海軍の20世紀半ばの研究開発活動は特定のものを整えるためのものだったと主張する軍事史家もいるかもしれませんが、海軍兵器研究所の正しい綴りは、彼らが単に爆発するものを作っていたことを示唆しています。
