「21世紀のコンコルド」設計変更ナゼ? “胴体太らせて効率UP理論”とは ジャンボ747に先例

アメリカのブーム社が開発中の超音速旅客機「オーバーチュア」が、大きな設計変更を実施。胴体が不均一に太くなったのです。このウラにあるのが、「エリア・ルール」という理論です。
2022年7月にイギリスで開催されたファンボロー(ファンバラ)航空ショーで、アメリカのブーム・テクノロジー社が、SST(超音速旅客機)「オーバーチュア(Overture)」の設計を大きく変え、実用化へむけ開発を進めると発表しました。端的にいうと、胴体の一部をやや太くしたのです。
「21世紀のコンコルド」設計変更ナゼ? “胴体太らせて効率U…の画像はこちら >>「オーバーチュア」新設計機のイメージ(画像:boomsupersonic)。
当初の「オーバーチュア」のルックスは、かつて実用化された唯一のSST「コンコルド」とそっくりで、細長い胴体断面形状がほぼ一定で客室最後部まで続く形でしたが、今回の改修で、断面形状が変更されました。先頭が尖がっているのは変わらないものの、操縦席付近の断面が一番太く、後部にかけて胴体がどんどん細くなるスタイルになりました。
なお、「オーバーチュア」改修版は長さ約60m、幅約30m、高さ約12mで、80席程度を収容できます。スピード性能も海上では超音速のマッハ1.7(約2100km/h)まで達する一方で、陸上の上空では「ソニック・ブーム(超音速で飛行した際に生じる衝撃波)」の影響を避けるためか、現代のジェット旅客機と同等のスピード「亜音速(音速をわずかに切る速度帯)」であるマッハ0.94(約1161km/h)の速度で巡航します。航続距離は大西洋横断可能な約6000kmとなっています。

先述の通り、「オーバーチュア」改修版では胴体が不均一に太くなるという設計変更が施されました。この根拠となるのが、「エリア・ルール」、日本語に訳すと「断面積法則」です。
「エリア・ルール」の起源は、実は航空機ではなく弾丸と記録されています。
1950年代にNACA(現在のNASA)が、19世紀の砲弾において知られていたとある理論を「エリア・ルール」として発表します。その理論をひとことでいうならば、「その物体が音速を超えるさい、断面積の変化が少ない方が、空気抵抗が少なく、音速突破が容易になる」というものです。この「エリア・ルール」は、アメリカ空軍F-102で実際に採用され、同型機の課題となっていた「音速突破」のカギにもなりました。
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フランス・トゥールーズに展示されている「コンコルド」(松 稔生撮影)。
「エリア・ルール」では、機首から主翼の付け根辺りまで胴体断面積を太くし、主翼上は、主翼とエンジンが含まれるぶん全体の断面積が大きくなることから少しスリムに。最後部の垂直・水平尾翼と胴体後部を通して、胴体の断面積の差を滑らかになるようにします。
このように、胴体(翼・エンジン含む)最前から最後部までを“輪切り”にした際、各部分の面積差をなるべく均一にすることで、抵抗が減少するという理論が「エリア・ルール」です。とはいえ、音速を超える領域では空気の流れが全く異なってしまうことから効率向上にはあまりつながらないとされていますが、音速より少し低い、高亜音速で巡航するジェット旅客機では、「エリア・ルール」は非常に参考となる理論です。

ただ、あまり積極的に採用された例は少なく、燃料消費量よりも胴体の強度や生産性、旅客の居住性などを考慮し、いわゆる旅客機では、“寸胴型”の設計がスタンダードとなりました。
その例外となった旅客機が過去にはあります。「ジャンボ・ジェット」と呼ばれたヒット機「ボーイング747」です。
ボーイング747といえば、前方のみが膨らんだ2階建ての胴体設計が特徴です。これは、当初アメリカ空軍のC-5設計案でロッキード社に敗れたボーイング社が、その設計を転用し大型旅客機を作ろうと思い立ったのが起源です。
747は、将来、貨物輸送機として使用することを前提とし、機首から長物を搭載することができるように操縦席を胴体上部へ配置しました。というのも、その頃はすぐにSSTの時代が来ると信じられていたため、最初のうちだけ旅客機として使用し、貨物機に改造する腹積もりだったのです。つまり、最初は「エリア・ルール」については、度外視されていたといえるでしょう。
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パンナムのボーイング747SP(画像:パン・アメリカン航空)。
これが大きく変わったのが「747SP」です。747が旅客機として好調なスタートを切ったことをうけ、航続距離を延長すべく胴体を短縮して、その分の重量を燃料搭載量に振り替えた派生型として開発されました。しかし、「エリア・ルール」を適用したことで当初の目論見以上に機体全体の飛行中の抵抗が減少し、燃料消費量も減ったのです。

この機は胴体全体を短縮したものの、2階席の長さはほぼそのまま。つまり、2階席最後部と主翼付け根のあいだにある1階席部分が”寸詰まり“になったぶん、輪切り面積が従来機よりなめらかになったのです。
ここから、747の改良案として、2階全体を尾部まで拡張するのではなく、747SPの比率をベースに、全長を初期タイプの長さに戻すことも検討されます。そして747-300が開発され、その形状は大ヒット機「747-400」へ引き継がれました。この形状は、それ以降の747にも採用されているように、良好な結果だったのでしょう。
ちなみに、JAXA(宇宙航空研究開発機構)のSST研究模型にも「エリア・ルール」を採用しているかに見えるものもあり、もしかすると今後の旅客機開発では、「ほっそりしすぎない超音速旅客機」がトレンドとなるかもしれません。先述したオーバーチュアの初飛行は2024年を予定しているとのこと。筆者も生きているうちに、一度は超音速飛行を体験したいものです。

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