低騒音航空機の初飛行が間近に迫る中、超音速飛行はもうすぐ実現するのでしょうか?

X-59 はユニークな実験機です。マッハ1.6～1.8の速度で飛行するように設計された超音速航空機です。重要なのは、音速を超えたときに非常に「静か」であることです。地面に伝わる衝撃音の音量は、6メートル離れた場所で車のドアを閉めるときの音とほぼ同等です。 X-59は今年初飛行を行い、関連テストに合格したら、NASAは2026年に選ばれた都市の上空を飛行させてさらなる実験データを取得する予定だ。これらのデータは商業的な超音速飛行の限界を打ち破る可能性があります。米国は、飛行ルート周辺の地上コミュニティにソニックブームによる甚大な妨害を与えるため、50年以上にわたり、自国領土上をマッハ1を超える速度で飛行する民間航空機を禁止してきた。

執筆者：崔凱（中国航空学会科学コミュニケーション普及委員会委員長）

2024年1月12日、NASAはX-59低音ブーム研究航空機を正式に打ち上げました。この航空機は、NASAのQuiet Supersonic Technology (QueSST)プロジェクトの支援を受けてロッキード・マーティン社によって開発・製造された。

図 1 X-59 航空機の物理的な表示。出典: NASA

この航空機に関して、NASAはプレスリリースで次のように述べている。「X-59は、超音速で飛行する能力を実証するだけでなく、大きなソニックブームではなく穏やかな音しか出さないことも示す、ユニークな実験用航空機です。」プロジェクトリーダーのキャサリン・バーム氏は、「この航空機の打ち上げは、クエスト・ミッションにおけるソニックブームの除去という全体目標を達成する上で大きな節目となる」と語った。 NASA本部の航空研究担当副長官ボブ・ピアース氏は次のように宣言した。「NASAはこのユニークなミッションで得られたデータと技術を規制当局や業界と共有します。また、陸上で『静かな』超音速飛行を行う能力を実証し、世界中の旅行者に利益をもたらす米国企業のための新たな商業市場を開拓することを目指します。」

このような圧倒的な宣伝を前にして、私たちは一連の疑問を抱かずにはいられません。なぜ X-59 航空機はこれほど注目を集めているのでしょうか?この航空機はどのような機能を実現できますか?なぜ名前がXで始まるのでしょうか?これは、20年以上も民間航空から遠ざかっていた超音速航空機が「復活」しようとしていることを意味するのだろうか？この記事では、上記の質問に一つずつ答えていきます。

X-59 航空機がこれほど注目を集めているのはなぜでしょうか?

X-59航空機は、人々の超音速商業飛行に対する記憶と憧れを再び呼び起こした。

1903年にライト兄弟が最初の飛行機を発明して以来、飛行速度の追求は過去100年間ほぼ永遠のテーマとなっています。マッハは一般的に航空機の速度を測定するために使用され、音速の倍数です。現在、民間船舶の航空機の速度は音速（一般的にマッハ 0.8 ～ 0.9）よりも遅くなっています。航空機が音速よりも速く飛行する場合、その航空機は超音速航空機と呼ばれます。

飛行速度の測定単位として音速が使用される理由は、飛行中、航空機は周囲の気流を絶えず乱し、その乱れが音速で空気中のより遠い場所に伝播するため、飛行速度と音速の間には密接な関係があるからです。したがって、航空機の速度を測定するために音速を使用することは、合理的かつ最適な選択となります。航空機の飛行速度が音速に近づくか音速を超えると、周囲の空気の流れが急激に変化し、衝撃波と呼ばれる物理現象が発生します。

図2 航空機の周囲の「斜めの線」は衝撃波です。出典: NASA

衝撃波の発生により、航空機の抵抗が急激に増加し、より速く飛行できなくなります。そのため、かつては航空機の速度が音速を超えることは決してないだろうと多くの人が考え、この現象に「音の壁」という名前さえ付けていました。

しかし、この誤解はすぐに払拭されました。 1947 年 10 月 14 日、アメリカ空軍のテストパイロット、チャック・イェーガーが X-1 ロケット機をマッハ 1.06 の速度で飛行させ、有人航空機による初の音速突破を達成しました。

その後、ジェットエンジンの発達により、超音速飛行は基本的に戦闘機の標準性能となりました。

対照的に、民間航空機の速度の増加ははるかに緩やかです。これまで歴史上、超音速民間航空機は2機しか存在せず、1機は英国とフランスが共同開発したコンコルド、もう1機は旧ソ連が開発したTu-144である。後者は開発中にコンコルドの技術を多く「秘密裏に参考にした」と言われており、「コンコルデスキー」という愛称も付けられている。 Tu-144は、ある意味政治的な産物であり、多くの問題を抱えていたため、数十回飛行した後に廃棄されました。コンコルドの寿命ははるかに長く、1976年の商業運航を開始してから2003年の最終飛行まで27年間運航された。

図3 コンコルド（左）とTu-144（右） |出典: データ

コンコルドは地球の自転よりも速いマッハ2を超える速度で飛行でき、ニューヨークからパリまでわずか3時間強で移動できました。時差により、一部のフライトでは、到着時の現地時間が出発時の現地時間よりも早くなり、乗客は「出発する前から到着した」という感覚になります。このユニークな高速飛行体験により、コンコルドは当時の富裕層の間で人気を博しました。

しかし、ユニークな体験にもかかわらず、コンコルドは実際の運用において致命的な問題を抱えていました。それは、赤字だったことです。当時、英国とフランスの航空会社はコンコルドの運航で毎年4000万～5000万ドルの損失を被っていました。こうした大きな負担により、コンコルドは結局歴史の舞台から退くことになった。損失につながった理由の中で最も重要なのは、ソニックブームの問題が解決されていないことだ。これは超音速商業飛行の開発を制限する主なボトルネックでもあります。

X-59の出現により、この状況は変わり、超音速民間航空機はより速いペースで歴史に戻ってくるだろう。

X-59 はどのような機能を実現できますか?

X-59 は、低ソニックブーム設計の超音速試験機です。

ソニックブーム（ソニックブームとも呼ばれる）は、超音速飛行における特異な現象です。上の図 2 からわかるように、超音速で飛行する場合、航空機の多くの部分が空気と相互作用して衝撃波を生成します。これらの衝撃波は空気中を外側に伝播するだけでなく、常に相互作用して融合し、最終的にはヘッド衝撃波とテール衝撃波と呼ばれる 2 つのより強い衝撃波に収束します。強い衝撃波の両側の圧力差は非常に大きいため、この2つの強い衝撃波が地上に到達すると、地上のさまざまな施設や生物に影響を及ぼします。それが人間の耳に届いたら、2つの大きな爆発のように聞こえるでしょう。

この現象に最初に注目したのは、ジェラルド・B・ウィサムというイギリスの大学院生でした。彼はこの現象を分析・説明しただけでなく、理論的な分析による計算予測法まで提案しました。 1956年、アメリカ空軍はエドワーズ空軍基地でソニックブーム飛行試験を実施しました。これは、知られている限り最も古いソニックブーム飛行試験でもありました。当時使用されていた測定機器は比較的単純なものでしたが、実験結果は理論分析と基本的に一致しており、その後の飛行試験と地上試験で理論がさらに検証されました。

1950 年代には、超音速戦闘機の在庫と飛行試験の必要性が高まり、米国全土の基地周辺で多数の航空機の試験が行われ、ソニックブームが世間の注目と嫌悪感を集め始めました。記録によれば、1956年から1968年の間に、米国空軍はソニックブームに関する約38,831件の申し立てを受け、そのうち14,006件が全面的または部分的に承認された。主張の主な理由は、音波爆発によりガラスが割れ、石膏ボードが損傷し、物が落下したためである。住民の訴えの中には、爆風でペットが死んだ、あるいは家畜が狂ったといった奇妙なものも含まれている。

ソニックブームの問題により、連邦航空局 (FAA) は 1973 年に、民間航空機が米国内の陸上でマッハ 1 を超える速度で飛行することを禁止する規制を実施せざるを得なくなりました。この規制により、運行開始間近だったコンコルドの路線は大幅に制限され、路線選択肢の減少は乗客数の大幅な減少と運行コストの大幅な増加を意味し、その打撃はほぼ致命的なものとなった。

この問題の重要性から、米国政府は 1960 年代からこの問題に関する広範な調査を実施し、今日まで継続しています。関連する研究には、（1）関連する流体力学および大気物理現象をより正確に定量化するための飛行試験の実施など、多くの側面が含まれます。（２）混乱したサンプル集団から世論データを収集するためのコミュニティ調査を実施する。（３）人や構造物の反応を評価するための音響シミュレータを構築し、使用する。（４）家畜や野生動物への影響の可能性についての現地調査の実施（５）地上実験を実施し、試験飛行データと総合的な分析を組み合わせて理論構造を改善し、数学モデルを確立する。

これらの研究の核心は、低ソニックブーム航空機の設計技術、つまり、比較的合理的な形状を使用して衝撃波の形状と強度を変更し、ソニックブームを低減することです。この研究プロセスは数十年にわたって続き、主な結論は、航空機の頭部の形状を最適化すること（下顎をペリカンのくちばしの形状に似た形状に設計するなど）と、頭部を長くすることであった。両方のノーズデザインは、広範囲にわたる計算シミュレーションと風洞試験を経ています。今世紀の初めに、これら2つの技術はF-5E戦闘機とF-15B戦闘機を改造して飛行試験され、ソニックブームの抑制効果が検証されました。

図4 頭部を改造したF-5E機（左）と頭部に「静音スパイク」を装着したF-15B機（右） |出典: データ

X59は全長29メートル、翼幅は9メートルです。 NASAが公開したX-59の実物写真から判断すると、上記2つの技術を組み合わせて使用する必要がある。つまり、細身のヘッドデザインを採用するだけでなく、ヘッド、特に下顎の形状を最適化しています。この明らかな特徴に加えて、X-59はより小さな翼面積とより大きな後方傾斜角（スイープ角）を採用し、エンジンを機体の後方に配置することで、衝撃波の形状と強度を改善し、ソニックブームを効果的に抑制します。従来の超音速航空機と比較すると、X-59が生み出すソニックブームは「轟く雷鳴」から「車のドアが閉まる穏やかな音」にまで低減されると言われている。

ソニックブームをなくし、空気抵抗を減らすために、超音速航空機の機首は非常に鋭く長くする必要があり、パイロットの視野に重大な支障をきたすことになります。この問題を解決するために、X-59 コックピットの前の窓は高解像度のパノラマディスプレイに置き換えられ、飛行中にフロントカメラからの画像をリアルタイムで表示して前方の視界を提供します。

X-59 コックピットスクリーンの芸術的なレンダリング |出典: NASA

飛行機のモデル番号はなぜ「X」で始まるのですか?

X-59は研究用航空機です。

アメリカの軍用機はもともと各軍種によって独立して番号が付けられており、陸軍、海軍、空軍はそれぞれ独自の航空機の命名と番号付けの規則を持っていました。航空機が戦闘においてますます重要な役割を果たすにつれて、各軍種が購入し使用する航空機の種類と数量は大幅に増加しました。したがって、あるメーカーが製造した特定のタイプの航空機が、同時に異なる軍部門に提供される場合があります。当時の環境では、異なる軍隊の規則に適応するために、同じ航空機に異なる番号が付けられることが多く、管理に大きな問題を引き起こしていました。

この混乱した状況を変えるため、1962年にアメリカ三軍はアメリカ国防総省の命令に従い、従来の規則を参考にして軍用機の番号付け方法を統一しました。この作業は空軍が特に担当しており、その後も継続的に改訂されています。この規則によれば、軍用機の番号は主にモデルコード、設計コード、およびその他のコードで構成されます。航空機のモデルコードは、攻撃機はA、爆撃機はB、輸送機はC、戦闘機はFなど、ほとんどが1文字です。設計コードは設計時の年代順に番号が付けられ、モデルコードの後にリストされます。また、改造コードなどの追加情報も実際の状況に応じて追加していきます。例えば、前述の F-5E や F-15B もこの規則に従って命名されています。

この番号付けの枠組み内のほぼすべての航空機は、攻撃、爆撃、輸送、電子戦など、明確な実用的な戦闘使用指向を持っており、X シリーズの航空機は唯一の例外です。このタイプの航空機は、新しい技術の探索または研究の目的でのみ開発されます。このタイプの航空機をベースに開発された新技術は、他の実際の航空機にも移植されて使用される予定です。文字 X は英語の単語「explore」の 2 番目の文字に由来します。同時に、X は一般に数学では未知数を表します。すべての X-craft が新しいテクノロジーを探索し、未知の問題を研究するという任務を負っていることは理解しにくいことではありません。

この探査の結果は歴史的な大発見となるかもしれない。例えば、最初のXプレーンはX-1であり、「音の壁」を突破した最初の有人航空機であり、超音速航空機の開発を直接促進しました。もう一つの例は、1950年代から60年代にかけて開発されたX-15極超音速航空機で、合計199回の飛行が行われ、有人操縦航空機として初の極超音速飛行を達成し、その後のスペースシャトル開発に向けた膨大な経験とデータを蓄積しました。新世紀に入ってから、X-43AとX-51A航空機はそれぞれ初の水素燃料と炭化水素燃料による空気吸入式極超音速飛行を達成し、極超音速航空機の発展に確固たる基礎を築きました。

探索の道は常に平坦なわけではありません。歴史上、多数のXプレーンが失敗したり途中で消滅したりしています。典型的な例は X-30 航空機で、その目的は滑走路から水平に離陸し、宇宙まで飛行する単段式軌道車両を構築することです。当初の実証が過度に楽観的であったことと、膨大な技術的困難が十分に予測されていなかったことから、プロジェクトは10年も続き、数十億ドルの費用がかかり、最終的には失敗に終わりました。しかし、このプロジェクトは、コンピューターシミュレーション技術、空気吸入式推進技術、新素材の急速な発展に直接つながり、その後のX-43AとX-51Aの成功の基礎を築きました。

X-59に与えられたXシリーズ番号から、この航空機の目的は超音速民間航空機の試作機ではなく、ソニックブームの問題を研究し、関連する設計技術を検証することであることがわかります。実際、X-59 航空機は QueSST プロジェクトによって開発された製品の 1 つに過ぎず、その飛行テストがこのプロジェクトのすべてではありません。公開された情報からは、今後の飛行試験では地上試験装置を多数設置してX-59のソニックブーム情報を収集する予定であることが分かります。この目的のため、研究者らはNASAのアームストロング飛行研究センター近くの30マイルの砂漠に10個のマイクステーションを設置する予定で、これらの装置の開発もプロジェクトの一部となっている。

超音速民間航空機はいつ「復活」するのか？

X-59の飛行試験が大成功だったとしても、超音速民間航空の復活がすぐそこまで来ているわけではない。

まず、X-59 の発売は、航空機の開発が完了したことを示しているだけです。 QueSST プロジェクトの開発計画によれば、これはプロジェクトの 4 つのフェーズのうちの最初のステップが完了したに過ぎません。残りの 3 つの研究フェーズは、ソニックブームの性能の飛行検証 (フェーズ II) を含め、順次実行されます。米国の選ばれた都市の上空を飛行し、住民にX-59の音に対する反応を尋ねて、この技術が一般市民にどの程度受け入れられているかを把握する（フェーズIII）。陸上での静かな超音速飛行に関する新しい規則の策定の参考として、コミュニティの反応データの完全な分析を米国および国際規制当局に提供します（フェーズIV）。プロジェクト全体は2030年に完了する予定です。

第二に、X-59機体の位置づけから、その機能は主に低ソニックブーム設計技術の検証であり、超音速民間航空機の試作機ではないことがわかります。 NASAの計画によれば、2031年にICAOの航空環境保護委員会（CAEP）会議で新たな騒音基準を提案する予定だ。承認されれば実用的な航空機の開発には約10年かかり、超音速の民間モデルは早ければ2040年にも実現する可能性がある。これは比較的長いプロセスとなるだろう。また、米国のBoom Corporationに代表される民間企業は超音速民間航空機の開発を正式に開始し、現地時間2024年3月22日にXB-1機の初飛行を完了したが、その外観は典型的な低ソニックブーム特性を示しておらず、公開された宣伝情報でもソニックブーム特性について言及されていない。同社はすでに130機の受注を獲得しており、2029年に正式に商業運航を開始するとしているが、それまでに耐空証明を取得できるかどうかは不明だ。

第三に、超音速民間航空機の運航には、技術的、経済的側面だけでなく、社会的問題も伴います。超音速飛行では飛行抵抗が劇的に増加するため、それに応じて燃料消費量も増加し、排気ガスの増加につながります。また、こうした航空機の飛行高度は一般的に海抜約18キロメートルであり、オゾン濃度の高い地域に近い。新たな環境汚染問題をもたらすかどうかも、今後の研究の焦点となるだろう。世界が環境保護にますます注目するにつれて、この問題は超音速航空機の開発にも大きな影響を与えるでしょう。

図 5 Boom の XB-1 (上) と超音速民間航空機のレンダリング |出典: ブームテクノロジー

しかし、米国に加えて中国も超音速民間航空機技術を開発している。中国科学技術協会が2019年に公式発表した20の重要な科学課題と工学技術問題の中に、「グリーン超音速民間航空機の設計技術」がある。中国航空研究所の専門家によると、中国はソニックブームの高精度予測や低抗力低ブーム設計など、グリーン超音速民間航空機の中核キーテクノロジーで画期的な進歩を達成した。したがって、現時点では超音速民間航空機の復活の具体的な時期を示すことはできませんが、近い将来、環境に優しい超音速民間航空機が再び青空に舞い戻り、人類に、より速く、より快適で、より環境に優しい移動手段を提供するものと信じられています。

参考文献

[1] https://www.nasa.gov/news-release/nasa-lockheed-martin-reveal-x-59-quiet-supersonic-aircraft/。

[2] https://www.space.com/nasa-x-59-quesst-supersonic-jet-unveiled。

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[4] デニス・R・ジェンキンス、トニー・ランディス、ジェイ・ミラーアメリカの X 車両一覧 - X-1 から X-50 まで。 NASA/SP-2003-4531、2003年。

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[7] https://news.cri.cn/uc-eco/20190701/6eaede1a-6e64-dd98-4ea8-906a43b92a7a.html

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

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