NASAの奇妙な翼のデザインは、未来的で燃費の良い飛行機につながるかもしれない

1 月にボーイング社は、この新しい豪華なワイドボディ機を初めて飛行させました。777x と呼ばれるこの飛行機の最も目立つ特徴は、文字通り先端が折りたためる主翼です。主翼は同機の以前のバージョンよりも長くなっており、この設計変更により機体の全体的な燃料効率が向上しています。一方、地上では先端が折りたたまれるため、空港のゲートにすっぽりと入り込むことができます。

そして4月末には、ボーイング社は2機目の777x試験機を3時間近く飛行させた。

翼が長く伸び、地上にいるときに先端がヒンジで開くという点を除けば、新型777x機は、最大426人の乗客を運ぶように設計されており、これまで見てきた他の飛行機と基本的に同じように見える。まっすぐに突き出た翼が付いたチューブだ。

しかし、NASAとボーイングは2008年以来、最大で約220人から240人の座席を持つ737やA320などのより小型の民間航空機に適した魅力的な翼の設計を研究してきました。そして、その翼の形状は、これまで飛行したどの航空機とも異なっています。この斬新な設計の細長い翼は抗力の低減を約束します。777xの場合と同様に、結果として生じる燃料節約が主な目的ですが、翼の下に追加されたトラスがその長い翼幅を支えています。NASAはカリフォルニア州とバージニア州の風洞でこの設計のさまざまなバージョンをテストしており、最新のテストは昨年秋にラングレー研究センターの風洞で行われました。

この設計は、遷音速トラス支柱翼（TTBW）と呼ばれている。標準的な737の翼幅は約118フィートだが、この機体の翼はなんと170フィートまで伸びる。また、ゲートに押し込むために端を折り畳むこともできる。

しかし、このような構造がどのような問題を引き起こすかは容易に想像がつくだろう。NASAの先進航空機プログラムの戦略技術顧問リチャード・ウォールズ氏は「翼が長く細くなると、柔軟性が増す」と話す。窓の外を見て、長すぎる翼があちこちでバタバタと揺れているのを見たい乗客はいないだろう。

実際、細長い翼が陥りうる悲惨な状況は、空力弾性フラッターとして知られています。ウォールズ氏によると、「間違った周波数」では、フラッターを経験した翼やその他の構造物は壊滅的な破損を起こすそうです。典型的な例は、1940年に崩壊するまでフラッターしていたタコマナローズ橋ですが、同じような運命が飛行機の翼にも起こり得ます。NASAエイムズ研究センターの研究航空宇宙エンジニアであるケビン・ジェームズ氏は、そのような翼に起こり得ることを、強風の中で一時停止標識が示すフラッター、曲がり、ねじれに例えています。「細長い翼も同じような状態になりがちですが、そうなったら最悪です。乗客にとって良い体験とは言えません」とジェームズ氏は冗談を言います。

それは物理学に関するものです

TTBW のような飛行機の場合、航空宇宙技術者は細長い翼のアイデアを好みます。翼の抗力を減らすことができるからです。この形状の翼は、理想的には翼の先端に強い渦ではなく弱い渦を発生させます。渦が弱ければ抗力も減り、燃料の節約にもつながります。「翼の先端では、空気から見える範囲以外に翼はありません。空気は非常に賢く、先端を迂回するだけです」とジェームズは言います。「翼を長く伸ばせば伸ばすほど、より効率的に揚力を生み出すことができます。」

しかし、明らかに、NASA や将来の航空機メーカーは、燃費の良い長い翼が曲がったり折れたりすることを望んでいません。

大型のトラスは必要なサポートを提供し、構造に胴体への接続ポイントを追加し、暴走によるフラッターを防止します。もう 1 つの問題は重量です。トラスのない細長い翼は硬くて重くなりすぎて、燃料節約の効果を帳消しにしてしまう可能性があります。結局のところ、車にスポイラーを付けたいとは思わないでしょう。スポイラーが固体鉛で作られていなければならないとしたら。

NASAのウォールズ氏は、新しい翼の構成により、将来のTTBW機の燃料消費量を約9パーセント削減できる可能性があると述べている。

この設計のもうひとつの利点は、翼が胴体の中央または下部に取り付けられるのではなく、この構成では上部に取り付けられていることです。これにより、航空機メーカーは、より大きなエンジンを翼の下に吊り下げることができます。直径が大きいエンジンは燃費も良く、地面に擦れる心配もありません。

ボーイングのような航空機メーカーが実際にこのような設計の航空機を製造することはないかもしれないが、ウォールズ氏は、2030年代のいつかにはこの技術を「正当に検討」できるレベルまで引き上げたいと述べている。

一方、可能な限り燃料効率が良く、持続可能な未来の飛行機に関しては、結局のところ、飛行機の効率が高ければ高いほど、電気推進に頼る可能性が高くなるため、NASAエイムズ研究所のジェームズ氏はTTBWのような飛行機を単なる「踏み石」と見ている。燃料使用の観点から見て、絶対に最良の設計は、機体と翼が一体化してマンタやB-2スピリット爆撃機に似た飛行機だろうと彼は言う。