飛行船は復活できるのか？

ジャック・ローパー著

1937 年、飛行船の短い全盛期は空中地獄の中で突然終わりを告げました。 しかし、推進力、飛行制御、複合材料、気象学、計算能力の進歩のおかげで、空気よりも軽い新たな黄金時代が今、現実の敷居で震えています。 Googleの共同創設者からLTAリサーチオハイオ州アクロンから英国ベッドフォードシャーに拠点を置くハイブリッド航空機 (HAV) ヘリウム充填ハイブリッド航空機。

HAV の飛行船は電気推進を使用しており、その起源は 1990 年代にまで遡ることができます。 「エアランダー 10 は揚力にヘリウムを使用し、前方に進むエネルギーのみを消費するため、固定翼に比べて燃料を大幅に節約できます」と HAV の最高技術責任者マイク ダーラム氏は述べています。 「欠点は速度です。時速 115 マイル以下が最も快適です。しかし、航空貨物の場合、それはあまり重要ではありません。コストの 25% で商品を輸送できますが、時間が 3 倍かかります。」

エアランダーは、長さ 100 メートル (330 フィート)、幅 50 メートル (165 フィート)、高さ 28 メートル (90 フィート) です。 軽く加圧されたヘリウムがその豊かなお尻の二重楕円を満たし、上昇ガスとして機能します。 空気が満たされたバロネットは、ヘリウムが膨張および収縮して​​も内部圧力を維持します。 飛行すると、その四隅にある 500 馬力のディーゼル エンジンが、この重量のあるハイブリッドを前進飛行で推進させます。

「飛行船の世界では、大きいほど良いのです」とダーラム氏は言います。 「全長を 2 倍にすると、抗力は 4 倍になりますが、ガス揚力は 8 倍になります。100 人の乗客を 186 ～ 250 マイル運ぶのに適した適度なサイズから始めるのは、リスクの低いステップです。最終的には、航空貨物が当社の最大の市場になる可能性があります。」

エアランダーは、史上初で唯一のハイブリッド飛行船であり、資金を打ち切られた米陸軍長期耐久多知能車両（LEMV）をベースとしています。 HAV は 2016 年と 2017 年に英国のカーディントン飛行場からこの機体を入手、改造して飛行させました。当初はディーゼル駆動でしたが、電気推進に移行する予定です。 HAVすでに500kWの電気モーターを開発中およびコリンズ・エアロスペースおよびノッティンガム大学の管制官。

「15年後には、CO2について議論するのではなく、飛行効率について議論するようになるでしょう」とダーラム氏は言う。 「私たちは常に約4分の1のエネルギーを使用し、電気飛行機よりもインフラへの負担を軽減します。」

航空輸送には、50トンの積載量を備えた140メートル（460フィート）のエアランダー50が想定されています。 しかし、エアランダー 10 はモビリティと遠征型観光市場にサービスを提供します。 高度 3,000 メートル (9,850 フィート) 未満で航行する場合、乗客は振動や乱気流に悩まされることなく、与圧されていない客室の窓を開けることができます。 飛行機というよりはヨットに近いエアランダーは、草や水の上に静かに着陸します。

飛行船の大きな非与圧キャビンは、乗客に異なるスタイルと旅行のペースを提供するでしょう (画像: Airlander)

「騒がしく混雑した空港は避けたいのです」とダーラム氏は言う。 「多くの都市は水域の近くにあります。テムズ河口に着陸すれば、高速水上タクシーでロンドンに到着します。

「私たちは低炭素水を利用する人々と友達になりたいと思っています。私たちは誰にでも溶け込み、飛行機やボートを不要にすることを目指しているわけではありません。」

フランスの会社フライング・ホエールズは、木材業界にサービスを提供するために LCA60T (大容量飛行船、60 トン) を最初に考案しました。 200メートル（650フィート）はエアランダーの長さの2倍です。 巨大な船体の内部にあるヘリウムで満たされたセルが揚力を生み出し、分散された 32 個の直径 4 m (13 フィート) プロペラが水平飛行を可能にします。

「私たちは従来の飛行船です」と、フライング・ホエールズの飛行船設計全体のリーダーであるニコラス・ワイス氏は言います。 「HAV は空気静力学揚力と空気力学揚力の両方を使用し、飛行するには前方に移動する必要があります。しかし、私たちはヘリウムからの空気静力学揚力のみを使用します。

「私たちは常に平衡状態にあります。空気静力学的揚力は体重に等しいままです。私たちは平衡付近の騒音を管理するためにのみ推進力を使用します。私たちの骨は飛行船の構造であり、皮膚は内部の環境を遮断し、ヘリウムで満たされた肺は息をしている。」

主に低空飛行ですが、LCA60T は森林に覆われたフランスの山々で 3,000 メートルの航行高度に達することができます。 空気静力学的な揚力のみを利用することで、木々に覆われた場所の上でホバリングして荷重を交換することができますが、そうすることでいくつかの複雑な問題が発生します。

フライング・ホエールズの飛行船は、森林から丸太などの嵩張る貨物を移動するために使用される（画像：フライング・ホエールズ）

「丸太が降ろされると、飛行船は軽くなって上昇します」とワイセ氏は言う。 「私たちは60トンの水を引き受けることで補償し、均衡を維持しなければなりません。」

給水車は、LCA60T の長手軸に沿って、地面から最大 60 立方メートルの水を 4 つのバラスト タンクに汲み上げます。 以前の飛行船は水を投棄して、緊急時のガス漏れを補っていました。 バラスト システムのバルブとポンプにより、パイロットは飛行船の重量のバランスをとることができ、その巨大な慣性によりスロッシングの危険が最小限に抑えられます。 ログがロードされると、プロセスが逆に行われます。

「下にいる人々が頭にプールを浴びないように、広い範囲に水を噴霧する予定です」とワイセ氏は言う。 「森では普通の雨が降るでしょう。」

飛行船の設計原理はよく理解されているため、開発には基本的なエンジニアリング上の課題はほとんどありません。 エアランダーは、船体の設計が特殊なノウハウを必要とすることを除けば、ほぼ従来型の航空機です。 HAV では、航空宇宙産業の標準であるアルミニウム、カーボンファイバー、および電気システムを使用しており、HAV は従業員のほとんどをそこから集めています。

「私たちの飛行は比較的順調です」とダーラム氏は言う。 「私たちは 1.5 g で設計しており、剛性を重視する傾向があります。」

「当社は機能上の危険性分析を提出しており、従来の航空機と同じ安全基準の認証を受ける予定です」とダーラム氏は付け加えた。 「しかし、リスクは一桁少ないです。壊滅的な裂傷は確かに一日を台無しにしますが、それでもある程度のヘリウムが同伴された巨大なパラシュートが頭上に残ることになります。私たちはゆっくりと墜落します。」

HAV と Flying Whales は、2022 年 1 月に発行された EASA SC-GAS 規制の開発に協力し、型式認証への道を切り開きました。 フライング・ホエールズは予備設計レビューを完了し、2023年にヌーヴェル・アキテーヌの生産工場で飛行船の建造を開始する予定である。資格と認証の飛行試験は2025年に行われ、就航は2026年後半になる予定である。

HAV は LEMV の飛行から多くのことを学びました。 高度 6,000 メートル (19,685 フィート) での長期にわたる諜報監視および偵察 (ISR) のために設計されたこの機体は、乗客ミッションの前段階として 500 回の改造を受けました。 米陸軍は民間空域を有人で通過できる本質的に無人航空機を意図していたが、HAVはそれをより単純な有人航空機に改造した。

エアランダーの設計は、米陸軍の長期耐久型マルチインテリジェンスビークルでの飛行試験から得た知見を利用して洗練されている（画像：エアランダー）

「私たちの飛行テストは、史上初のフルサイズハイブリッドからの知識を吸い上げました」とダーラム氏は言います。 「私たちは航空機の挙動、上昇と降下のパフォーマンス、さまざまな速度での燃料の燃焼、船体がどのように偏向またはエネルギーを吸収するかを理解しようとしました。私たちは地上で機体を維持する方法を学びました。私たちはそのデータをシミュレーターで使用し、量産航空機を改造しました」 。」

しかし、2017年11月のある夜、地上職員が航空機を確保できずに惨事が発生した。 係留が外れ、おそらく無人時代の運命の再現として取り返しのつかない損傷を負った。 HAV の主要資産はもうありませんでした。

HAV は、将来の係留マストの取り外しを防ぐために自動システムを導入しました。 「私たちはお咎めのない企業です」とダーラム氏は言います。 「それは大きな打撃でしたが、千載一遇のチャンスであることが分かりました。その航空機の世話をするのに、事実上私たちのエネルギーのすべてが費やされました。私たちはこの3年間、本当に理解し、そこから得た教訓を発展させるという贅沢に恵まれてきました。」 」

メルセデス グランプリ チームのシルバーストーン風洞で行われた最近の空力テストでは、LEMV のぴくぴくとしたピッチ反応が取り上げられました。 HAV は、ピッチ特性を改善するために変更された新しい船体の形状をテストしました。 エンジニアは CFD モデリングを使用して実物大の航空機の挙動を分析します。 HAV は、LEMV の着陸装置を再開発するためにサブスケールテストも使用しています。

ハイブリッド航空機のエアランダー設計の風洞試験（画像：エアランダー）

「LEMV は持続的な無人高高度ミッションに焦点を当てていたため、着陸装置はとにかく寄生重量に過ぎませんでした」とダーラム氏は言います。

「その初歩的な設計は、機動性のある航空機として十分な減衰や剛性がありませんでした。私たちは予測可能な着陸能力を提供するために再設計し、特許を取得しました。」

フライングホエールズはこれまで主にシミュレーションを中心にLCA60Tを開発してきました。 「サイズが大きいため、プロトタイピングは困難です」とワイス氏は説明します。 「60トンではなく10トンを持ち上げるスケールされたLCA60Tプロトタイプでも、長さは100メートル[330フィート]を超え、建設には広大な工場が必要です。私たちは200メートル[660フィート]の航空機を直接構築し、最初の1機をプロトタイプとして使用します。

「私たちは、ペイロードや荷重交換中の飛行船の振動など、シミュレートするのが難しい動作のテストを実行します」とワイセ氏は言います。 「これらは互いに励起し、慣性や突風の影響を受けます。対数振動のシミュレーションを検証するために減衰システムをテストします。現在、スケール調整されたガスセルのテストが進行中です。」

LCA60T の肺は 14 個のヘリウム セルで構成されており、高度と気圧の差によって膨張および収縮します。 地上では小さいままですが、高度では完全に展開します。

「内部に 3 分の 1 サイズのガスセルを備えた飛行船のスライスを作りました」とワイセ氏は言います。 「設置、生地の気密性、構造内での展開、ヘリウムの浄化を検証します。ミッキーマウスの風船よりもはるかに優れた材料を使用していますが、それでも侵入する空気の一部を除去する必要があります。」

エアランダーの船体は、アメリカズカップに出場するヨット用に開発された織物素材であるベクトランで作られています。 船体には紫外線保護のためにウレタンとカーボンブラックが含浸されており、ガス保持のためにマイラーと耐候性のためにテドラーが重ねられています。

船体の材質は、高い安全マージンを確保するために特別なテストを受けています。 他の材料試験はより従来的なものです。

「船体はセグメントごとに溶接されています」とダーラム氏は言います。 「私たちは、高温、湿潤、長期耐久試験を行っています。溶接接合部を備えたクーポンを最大動作温度と湿度で飛行荷重下に 10 ～ 12 日間置き、くしゃくしゃになるかどうかを確認します。」

金属胴体の旅客機のファラデーケージを 100 メートルの飛行船で再現するのは困難です。 HAV は、LEMV から継承した、雷や電磁干渉に耐性のあるフライ・バイ・ライト飛行制御システムを使用します。 エアランダー 10 は、自動操縦で機首方位と高度を固定して飛行できますが、スロットルとサイドスティック制御を備えた従来の操縦航空機のままです。 LCA60T には 1 つの負荷交換ステーションと 2 つのパイロット ステーションがありますが、制御則アルゴリズムを使用してホバリング高度を維持します。 パイロットインザループ シミュレーションが両方のシステムを形成しました。

「私たちはパイロットの難易度を古い航空機と比較して分析しています」とダーラム氏は言います。 「私たちはクーパー・ハーパーの飛行容易性スコアを使用して、通常の状況と突然故障した 2 つのエンジンを評価します。」

これらの素晴らしい空の船は、間もなく現実世界の空を浮かんでパタパタと飛行するようになるかもしれません。 「飛行機は 70 年間あまり変わっていませんが、飛行船の世界には多くのアーキテクチャがあります」とワイセ氏は言います。 「数年ごとに、私たちは復活を予測します。なぜ今なのかと人々は尋ねます。新たな環境緊急事態が生じています。コンピューティング、飛行制御システム、材料は進化しました。そして今日では、飛行船の最大の敵である天候を予測できるようになりました。」

ほとんどのアナリストは、グリーン水素が化石燃料からの移行に最適な手段であることに同意しているが、トラックでの輸送に基づく研究によると、市場への輸送は依然として課題となっている。

ハワイのプナ島では、豊富な地熱エネルギーをグリーン水素に変換できますが、それを輸送する方法がありません。 H2 クリッパーの創設者、会長、CEO であるリナルド・ブルトコは、飛行船で海の上に浮かべることを提案し、そのアイデアは最終的に会社に発展しました。

「クリッパーは長さ300メートルで、中空の外骨格を持っています」とブルトコ氏は言う。 「これは、最大 400,000 ポンド [180,000 kg] の液体水素を運びながら、水素の浮力を揚力ガスとして利用します。そのペイロード容量は、速度、距離、高度によって異なります。燃料電池内の液体ペイロードの一部を使用してプロペラを駆動し、時速150マイルから時速300マイルの間で走行します。」

H2 クリッパーは気体の揚力と液体の推力を組み合わせていますが、化石燃料と競合できるエネルギー密度を持つのは液体水素だけです。 ケープ・ケネディに世界最大の極低温タンクを建設したマット・モランを含む技術者は、-250°C (-418°F) で液体水素を飛行させる独自の軽量技術を開発しました。

この飛行船の厳重に保護された設計は、205 件の個別の請求項を具体化した 9 件の特許によってカバーされており、さらにいくつかの特許が取得される予定です。 その重量を支える外骨格には、貨物と燃料の両方である水素を持ち上げるガスと液体水素のタンクのためのスペースが含まれています。 これは、ダッソー・システムズの 3DEXPERIENCE プラットフォームを使用して設計されました。

「私たちは CFD を使用して層流にできる限り近い空気の流れを設計しました。飛行船の周囲で外骨格をその中間点で 360 度曲げ、空気がその上を流れるようにします。

「私たちは基本的な研究開発段階を完了しました。私たちは製造技術に取り組んでいます。両端にドアのある24階建ての工場が必要です。実物大の航空機を作りながら、実験ライセンスの下で400フィートのプロトタイプを製造して飛行させます。」 」とブロトゥコは言います。