都市航空モビリティ向け複合材エアロストラクチャの進化

空飛ぶクルマのアイデアは、1960年代初頭のアニメ「ジェットソン一家」、70年代の「スター・ウォーズ」のランドスピーダー、そしてより最近のSF作品における数多くの変遷を経て、ポップカルチャーの中で長年語られてきました。それらが約束するのは、日常の移動が第3次元へと広がり、現代の通勤を悩ませる渋滞と混雑を回避できる未来です。さらに、そのような容易な移動はすぐそこまで来ており、克服できない技術的課題ではないという前提がありました。今日、「ジェットソン一家」から約60年が経ち、ついにそのような輸送革命の瀬戸際に立っているように見えます。

現在、世界各地の大都市圏における旅客・貨物輸送を今後5年以内に支援することを目指す複数の航空機開発プログラムが、製造および飛行試験の段階まで進んでいます。これらの航空機はすべてバッテリー駆動であり、複合材がもたらす軽量化と高強度の恩恵を大きく受けています。

UAM、AAM、eVTOL

この輸送革命にはいくつかの名称があります。電動垂直離着陸機（eVTOL）から始まりましたが、これは時に特定的すぎるため、業界は都市航空モビリティ（UAM）という用語に移行しました。NASAは先進航空モビリティ（AAM）を好んで使用します。これはより広範な基盤をカバーし、技術の都市中心的な性質を排除しますが、AAMは非常に都市環境向けに設計されています。

名称に関わらず（ここではより一般的なUAMを使用します）、このジャンルの航空機は主に2つの機能を果たすよう設計されています。1つは、操縦士搭乗型または自律型のエアタクシーサービスを提供し、25〜400kmの距離を都市内または都市間でポイントツーポイント（ヘリポート/空港間）で人を輸送すること。もう1つは、同様の環境で自律型貨物輸送を提供することです。

UAMを牽引する経済性と指標は多数あり、ここで全てを探求することはできません（KPMGが技術とその背景に関する良い入門書を提供しています）が、最大の推進力の1つは地球の急速な都市化です。国連によると、2050年までに世界人口の68%（約71億人）が都市部に居住する見込みです。これは輸送インフラに多大な圧力をかけ、自動車での移動をますます困難にします。都市上空の空域へ移動を拡大することで、その圧力を緩和することが期待されています。こうして急成長するUAM市場が生まれたのです。

航空宇宙品質、自動車量産

市場の力学や経済性に関わらず、UAMメーカーはこれまで未踏だった複合材製造の領域に踏み込んでいます。UAM航空機が就役するには、大型民間機と同様に、航空旅行を管轄する当局による型式証明を取得する必要があります。米国ではFAA、欧州ではEASAが担当します。認証取得には、一定の安全性と性能指標を満たすことが求められます。認証要件を満たすための複合材使用は、容易ではありませんが、一般的な材料とプロセスの組み合わせで十分達成可能です。

しかし、UAMメーカーは数百機、あるいは数千機規模のフルレート生産も視野に入れています。これは、ボeing 787やエアバスA350の月産8機ペースとは大きく異なります。このような生産レートを実現するには、高品質で仕様通りのエアロストラクチャを反復性、信頼性、効率よく生産できるプロセス、プロセス管理、自動化技術の開発が必要です。したがって、UAM製造は複合材業界でよく使われるフレーズ「航空宇宙品質、自動車量産」の代名詞となっています。

エアタクシーサービスのリーダーの1つは、予想通りUberです。Uberは航空ライドシェアサービス「Uber Elevate」を創設し、複数のUAM製造パートナーと契約しています。これらにはAurora Flight Sciences、Bell、Embraer、Hyundai、Jaunt Air Mobility、Joby Aviation、Overair、Pipistrel Vertical Solutionsが含まれます。

Uberの車両設計・構造責任者Mischa Pollack氏は、CAMX 2020でのプレゼンテーションで、同社は2023年までに数都市でサービスの初期認証を取得し、2026年に拡大、2028年に大幅なスケールアップを予定していると述べました。2035年までには、Uber Elevateは50以上の市場で航空ライドシェアサービスを展開し、年間10,000機のUAM航空機需要を見込んでいると語りました。「この数は、まだ民間航空機製造のレートに近いが、複合材製造のさらなる進化が必要だ」と同氏は述べています。

そのような進化とはどのようなものでしょうか。Pollack氏のフルレート生産への要望リストは、基本的に複合材業界が数年前から予期していた工業化へのロードマップです：高弾性/高強度炭素繊維の年間4,500トン規模、自動テープ/ファイバ配置による自動化の拡大、圧縮成形とパルトルージョンプロセスの拡大、繊維強化積層造形の戦略的活用、自動接着と溶接、リアルタイムインライン検査、廃棄物の極小化、低エネルギー材料の採用拡大、リサイクル材料の大幅な活用、持続可能なエネルギー・材料・プロセス戦略の適用。

幸い、複合材業界にはそのサプライチェーンを開発する数年の猶予があります。その間、各UAMメーカーが如何に量産へ移行するかは様々です。一部は以下で紹介するように全工程を社内で完結させ、一部は試作のみ社内で行い量産はパートナーに委託し、また最初からサードパーティと提携しその戦略を量産まで維持するところもあります。

現在、エアタクシーまたは貨物輸送サービス向けUAM航空機の開発に取り組む企業は100社以上ありますが、飛行プロトタイプやデモンストレーターを制作するまでに十分な資金を確保できているのはごくわずかです。それらは：Beta Technologies（米国バーモント州サウスバーリントン）、EHang（中国広州）、Joby Aviation（米国カリフォルニア州サンタクルーズ）、Lilium（ドイツ・ミュンヘン）、Pipistrel（スロベニア・イドリヤ）、Volocopter（ドイツ・ブルフザール）、Wisk（米国カリフォルニア州マウンテンビュー）です。

ここで紹介する全UAM航空機には共通の特徴があります：第一に、比較的小型で、2〜4名の乗客または同等質量の貨物を搭載可能。第二に、ほぼ全てが自律飛行。第三に、完全電動で充電式バッテリーに依存。第四に、垂直離着陸を可能にするリフトローターを採用。ここに挙げた全メーカーが複合材の採用方法をCWに共有したわけではありません。以下は提供された情報のまとめです。

Beta Technologies

静かに、しかし着実に前進しているのがBeta Technologiesです。同社は最大5名の乗客輸送向けに、操縦士搭乗型eVTOL「ALIA 250c」を開発しています。この機体は4基のリフトローターと1基の推進ローターを備えます。リフトローターは、胴体上部の主翼の前後に伸びるブームに配置され、推進ローターは水平尾翼の後方、機体後部にあります。ALIA 250cの目標航続距離は400km。乗客輸送向けに設計されていますが、最初の用途はローンチカスタマーUnited Therapeutics向けの人体臓器輸送となります。

ALIA 250cの全複合材構造の製造は、航空宇宙市場向け複合材部品・構造体の設計、エンジニアリング、工具製作、試作、量産を専門とするBlue Force Technologies（BFT、米国ノースカロライナ州モリスビル）が担当しています。BFTの未来プロジェクト担当VP、Shawn Herrmann氏によれば、Beta Technologiesから厳しい重量と性能要求が提示されたとのこと。BFTはBetaの設計における3つの要素に導かれたと述べています：総重量に対する最小構造重量比25%の厳守、空力的ブレンドを必要とする複数の構造間インターフェースを持つ高度に曲面化した形状、継ぎ目を最小限に抑えた高度にユニタイズされた構造。

「Betaは誰も踏み込んだことのない航続距離設計点を目指しており、ホバー性能を犠牲にせず大型で効率的な主翼を搭載しなければなりません」とHerrmann氏。「構造から1ポンド削減できれば、バッテリーに回せ、航続距離が延びます。」

初号機製造にあたり、BFTはソフトツーリングに適したプロセスで、典型的な低温硬化標準弾性率プリプレグに引けを取らない性能を発揮しながら、積極的な重量目標を達成する必要がありました。「独自のインフュージョンベースプロセスとソフトツーリングアプローチを組み合わせることで、プリプレグベースの試作用カーボン工具製作にかかる時間と同等で、飛行試験に耐えうる実験機の機体全体を製造できることがわかりました」とHerrmann氏。

Herrmann氏によると、BFTは過去5年間、試作機の主要構造向けに樹脂インフュージョン技術を開発してきました。ALIAでは、プログラムが要求する構造重量比を達成する機械的特性を得るため、更なる材料・プロセス試験を実施し、インフュージョン技術を反復改良しました。しかも、室温硬化と自立式ポストキュアのみを必要とする樹脂システムでこれを達成。さらに、ALIAの構造を可能な限り少ない継ぎ目で製造するよう努め、50フィートの主翼やリフトローターを保持する2本の35フィートブームなど、長尺のユニタイズ構造を実現しました。

初号機ALIAに使用された樹脂システムは社内開発品であり、公式に認定された材料ではありません。Herrmann氏は、これは試作には十分だが、ALIAが量産段階に入れば、認証取得の観点から異なる材料・プロセス判断が迫られる可能性があり、プリプレグへの移行も含まれると認めています。「量産機では、認証と高レート生産に適した材料とプロセスが採用されます。外観と重量は同様ですが、中身が異なります。」

フルレート生産におけるその他の考慮事項（Betaは生産量を非公表）には、材料とプロセスフロー、自動化があります。BFTは前者に既に着手しており、後者についてHerrmann氏は「ほぼ確実」と述べます。「自動化は、設計に用いる機械的特性を実現し、工場設計レートで生産し、予測される最小経常費で、損傷許容設計で想定した欠陥サイズと密度に一致するラミネートを反復再現性よく生産できることが証明されなければなりません。積層、検査、トリミング/穴あけ、組立など、様々なレベルの自動化による量産の未来が見えています。」

EHang

少し異なるアプローチを取るのがEHangです。同社は2名の乗客または貨物（エアロジスティクスとも呼ばれる）輸送向け自律型ヘリコプター型eVTOL「EHang 216」を開発しています。8組の同軸反転ローターを備え、それぞれが胴体底部から放射状に伸びる構造アームに搭載されます。ローターアームは垂直に折り畳み可能で、格納を容易にします。Volocopterの「VoloCity」（後述）と同様、EHang 216はスキッドで着陸します。最大ペイロード220kg、最大航続距離35km。

EHang 216の飛行動画は多数公開されており、人と貨物の輸送能力を示しています。2020年5月、EHangは中国民用航空局から「世界初の商業パイロット運航承認」を取得し、EHang 216をエアロジスティクス目的に使用できるようになりました。続く7月には、カナダ運輸省民間航空局から特別飛行作業証明書が発行され、カナダ・ケベックでの試験飛行が可能になりました。

EHang 216の戦略的製造パートナー（複合材含む）は、航空宇宙ファブリケーターのFACC AG（オーストリア・リード・イム・インクライス）です。EHangもFACCも、今回の取材で複合材の材料やプロセス情報を共有しませんでしたが、FACCはEHangと共に開発中の航空機を最適化し、量産計画の策定を支援すると報じています。また、認証取得、アフターマーケット整備、研究開発でも協力するとしています。

Joby Aviation

最も注目度の高いAAMプログラムの1つがJoby Aviationです。同社は最大4名乗りの操縦士搭乗型ヘリコプター型eVTOL（機体名は未公表）を開発中です。Joby機の特徴は6基の「チルトローター」を採用している点。2基ずつが胴体上部主翼に、残り2基が尾部に配置されます。3輪の着陸装置を備え、航続距離240km、最高速度320km/h。

Jobyは航空ライドシェアサービスUber Elevateと複数年の商業提携を結んでいますが、自社でのライドシェアサービス立ち上げも検討しています。いずれの場合も、2023年のサービス開始を目指しています。

Jobyは今回の取材で自社機の複合材材料・プロセス情報を共有しませんでしたが、同社がサンタクルーズ施設内外で大規模な複合材製造オペレーションを構築していることはよく知られています。Jobyの先進開発担当John Geriguis氏はCAMX 2020でのプレゼンテーションで、同社の工業化目標はUberのPollack氏が示したものと類似しているが、「複合材製造オペレーションで避けたいこと」として次のようにフレーミングしていると語りました：廃棄物ゼロ、材料有効期限なし、材料アウトタイム制限なし、人的リソース問題なし、人的変動要因への依存なし、人手検査なし、完成後の修修なし。Geriguis氏はまた、現在は熱硬化性樹脂システムを使用しているが、将来世代では熱可塑性複合材の統合機会があることも指摘しました。

Lilium

ドイツ拠点のLiliumは、最大4名乗りの操縦士搭乗型固定翼eVTOLエアタクシー「Lilium Jet」を開発しています。「Jet」の名を冠しますが、Lilium Jetは主翼前縁と水平尾翼に搭載された36基のチルトダクテッドファンで駆動します。都市間サービス向けに設計され、航続距離300km、最高速度300km/h。Lilium Jetの飛行試験は実施済みで、2019年10月にLiliumサイトで動画が公開されています。2020年7月、Liliumは東レ（東京）と炭素繊維供給契約を締結したと発表。当初は追加技術デモンストレーター生産用として東レから直接炭素繊維を調達し、Lilium Jetが試作・量産段階に入れば、東レはLilium向け複合材部品を製造するサプライヤーへ炭素繊維を供給するとしています。

LiliumのチーフプログラムオフィサーYves Yemsi氏によると、Lilium Jetの全主要構造に炭素繊維複合材が使用されます（胴体、主翼、フラップ含む）。Liliumからのフィードバックと情報提供は約束されていたが、未着手。

Pipistrel

異彩を放つのがPipistrelです。同社は乗客ではなく、航空貨物・エアロジスティクス用途向け自律型eVTOL「Nuuva V300」を開発しています。8基のリフトローターと1基の推進ローターを備え、最大ペイロード460kg。貨物は胴体内に格納され、側面またはノーズセクションからアクセス可能。Pipistrelは最初のNuuva V300プロトタイプを製作中ですが、既に量産受注を受けており、年間「数百機」の製造を計画しています。

Pipistrelは複合材エアロストラクチャ製造において25年以上の経験を有し、Nuuva V300では部品互換性、現場修理性、速硬化プロセスに注力しています。エポキシ系プリプレグのみを使用し、主に手積みと室温硬化、小物部品にはオートクレーブ硬化を併用。量産段階では、オートクレーブ外プリプレグベースの自動化を大幅に導入する予定です。

Volocopter

Volocopterが開発する「VoloCity」は、2名乗りの自律型ヘリコプター型eVTOLです。VoloCityは車輪付き着陸装置ではなくスキッドを採用し、18基のリフトローターで駆動。最大ペイロード200kg、最高速度110km/h、航続距離35km。ローターは胴体上部に固定された構造リムに配置され、リム外周に12基が等間隔に、内側の小径リムに6基が配置されます。各ローター直径2.3m、リム全体直径11.3m。Volocopterは現在VoloCityの予約を受け付けており、2023年の就役を目指しています。

Volocopterによると、VoloCityの機体全体、ローター面、シートに複合材を適用しています。プロトタイプとデモンストレーター機は、名前不詳の複合材ファブリケーターパートナーによって、炭素繊維とガラス繊維をウェットレイアップで製造。樹脂種類は非公表だが、エポキシである可能性が高い。Volocopterは声明で、「時間的制約と目標を考慮し、我々のニーズと量産スケジュールに適した認定済み材料を使用することが重要だった」と述べています。VoloCityがフルレート生産に入れば、オートクレーブ外プリプレグへ移行し、製造は「国際的なメーカー」が担当するとのこと。

Volocopterが年間何機のVoloCityを生産するかは不明ですが、同社の情報提供要請への回答からは「数千機」規模が示唆され、「確実なのは、現在の航空機メーカーよりも自動車メーカーに近い生産レートを目指している」としています。

Wisk

WiskはBoeing（米国ワシントン州シアトル）とKitty Hawk（米国カリフォルニア州パロアルト）のジョイントベンチャーで、2名乗りの自律型固定翼eVTOLエアタクシー「Cora」を開発しています。Coraは12基のリフトローター（各主翼の前後に3基ずつ）と、胴体後端の尾部前方に1基の推進ローターを備えます。3輪の着陸装置で自立。最大航続距離40km、最高速度160km/h。

Wiskによると、Coraの全主要構造は社内で複合材を用いて製造され、独自の樹脂と繊維の組み合わせを使用しています。声明では、「実証済みのソリューションから設計を開始するのが一般的に容易であるため、認定済み材料を選択した」としています。製造プロセスはレーザーガイド付き手積みと、真空バッグによるオートクレーブ外加圧成形。完成構造体は限界荷重試験、サーモグラフィ、超音波検査で評価されます。生産拡大に伴い、「eVTOLで想定される生産レート」に対応するため自動化技術の統合を予定。また、Coraがフルレート生産に入っても社内製造を維持し、能力制約に応じて協力会社が補完生産を行う方針です。

表1：UAMメーカーと航空機    

メーカー/機体	推進方式	操縦	定員	最大航続距離	最高速度
Beta Technologies『ALIA』	4リフトローター、1推進ローター	1名操縦士	5名	400km	274km/h
EHang『EHang 216』	16ローター（8組）	自律	2名または220kg	35km	130km/h
Joby（名称未定）	36ダクテッドチルトファン	1名操縦士	4名	300km	300km/h
Lilium『Lilium Jet』	36チルトダクテッドファン	1名操縦士	4名	300km	300km/h
Pipistrel『Nuuva V300』	8リフトローター、1推進ローター	自律	460kg（貨物）	300km	220km/h
Volocopter『VoloCity』	18ローター	自律	2名または200kg	35km	110km/h
Wisk『Cora』	12リフトローター、1推進ローター	自律	2名または180kg	40km	160km/h