スマートなインテリジェント航空機構造

「スマート構造」という用語は、設計要件に応じて環境条件に適応する能力を持つ構造に対して一般的に使用されます。通常、調整は構造の効率または安全性を高めるために設計および実行されます。「スマート構造」を、材料科学、情報技術、計測科学、センサー、アクチュエーター、信号処理、ナノテクノロジー、サイバネティクス、人工知能、およびバイオミメティクスで達成された「洗練度」と組み合わせると、^[1]スマートインテリジェント構造について語ることができます。言い換えれば、環境を感知し、状態を自己診断し、設計をより有用かつ効率的にするように適応できる構造です。

スマートインテリジェント航空機構造のコンセプトは、システムタスクを荷重支持構造に統合することで、航空機の総重量、製造コスト、そして何よりも運用コストを大幅に改善します。 ^[2]また、航空機のライフサイクルを改善し、メンテナンスを削減するのに役立ちます。^{[3]個々のモーフィングコンセプトには、機体から発生する騒音を低減する機能もあり、空港付近の航空交通騒音の影響を軽減します。さらに、巡航抵抗の低減は、}燃料消費量と必要な離陸燃料負荷 にプラスの効果をもたらします。

固定形状翼は、高度、マッハ数、重量などで特定される単一の設計点に対して最適化されています。その開発は常に、典型的なミッションと呼ばれる設計点とオフデザイン点の間の妥協点です。これは、飛行プロファイルがほぼ標準である民間航空機で強調されます。それでも、短い距離を軽量で高速・低高度で飛行したり、長い距離を最大荷重で低速・高高度で飛行したりすることがあります。その場合、揚力係数は0.08～0.4の範囲になり、^{[4] [5]}燃料が消費されるにつれて航空機の重量が最大30%軽減されます。^{[6]これらの変化は}、翼のキャンバーの変化によって補正することができ、あらゆる飛行条件に対して最適な形状を追求することで、空力性能と構造性能 を向上させることができます。

既存の航空機は、空力ギャップがなければ形状を変えることができませんが、これはスマート インテリジェント ストラクチャで解決できます。航空機の全寿命を通じて構造上のニーズを詳細に検討し、必要な過去の機能の構造的統合に重点を置くことで、スマート インテリジェント航空機構造により、航空機設計者はコンフォーマル モーフィング技術を真剣に検討できるようになります。離陸、巡航、着陸中の抗力低減は、揚力発生機能を備えたギャップレスで変形可能な前縁装置を組み込むことにより、自然層流翼技術によって実現できます。このようなモーフィング構造は、通常、柔軟な外皮と内部駆動機構で構成されます (図 1)。現在の航空機設計では、誘導抗力低減によって巡航飛行効率を高めることを目的としたウィングレットがすでに採用されています。スマート インテリジェント構造は、主要な飛行条件でウィングレットと翼荷重を低減する手段となり得る、 翼端アクティブ後縁を組み込んだ最先端技術を提案しています。

「インテリジェント」な航空機構造のもう 1 つの要素は、構造の完全性に対する潜在的な脅威を感知して診断する能力です。これは、構造ヘルス モニタリング (SHM) ^[7]が構造に恒久的に接着または埋め込まれたセンサーを使用するという点で、従来の非破壊検査 (NDT)とは異なります。複合材料は、材料の製造および処理中、または構造がサービス負荷を受けている間に発生する可能性のある隠れた内部欠陥の影響を非常に受けやすいため、定期的な間隔で大量の検査と欠陥監視が必要です。したがって、航空機の主要構造部品に複合材料が使用されることが増えると、そのライフサイクル コストが大幅に増加します。いくつかの推定によると、航空機または航空宇宙構造のライフサイクル コストの 25% 以上 (製造前、製造、製造後のコストを含む) は、検査とメンテナンスを含む運用とサポートに起因します。センシング技術のコスト、サイズ、重量が減少し、センサー信号処理能力が継続的に向上するにつれて、構造部品上または構造部品内にこのようなセンシングオプションを統合できるさまざまなアプローチが開発されてきました。

これらのSHM技術は原理的には利用可能であるものの、現在のところ、実際の工学構造物に確実に適用できるほどの成熟度に達しているものはありません。メンテナンスと検査に関連するライフサイクルコストの真の削減は、構造物を迅速かつ確実に調査し、時間のかかる構造部品の分解を回避することで検査時間（または検査間隔）を短縮できる、損傷許容度評価シナリオに組み込まれた「フェイルセーフ」コンポーネントとして設計されたSHMシステムによってのみ達成できます。^[8]

炭素繊維強化ポリマー (CFRP) が金属材料に比べて比剛性と強度の点で優れていることはよく知られています。ここ数年、航空機構造物に使用するための多機能機能を統合した複合材料の需要が急増しています。

しかし、CFRPを一次構造用途に用いる場合の大きな欠点は、靭性と損傷許容度が低いことです。エポキシ樹脂は脆く、衝撃強度と亀裂伝播に対する耐性が低いため、堅牢性と信頼性のレベルが不十分です。このため、安全マージンが大きい設計と複雑な検査作業が必要になります。さらに、新しい航空機内の複合材部品の相対的な割合が増加すると、落雷保護、静電放電、電気的結合と接地、干渉シールド、構造を通じた電流リターンなど、電気伝導性に関する課題が生じます。これらの欠点は、機械的、電気的、熱的特性を兼ね備えたナノ複合材などの新技術の使用によって解決できます。^[9]

ナノ粒子強化樹脂は、現在の樹脂システムに比べて2つの明確な利点があることがわかっています。^{[10] [11] [12] [13] [14]}まず第一に、従来の液体樹脂注入（LRI）樹脂では最大50％、より高度なシステムでは30％の破壊靭性の向上を実現できます。第二に、浸透したナノ粒子は樹脂の導電性を大幅に向上させ、完全な絶縁体から半導体へと変化させます。損傷許容特性の向上は構造的な軽量化に直接つながる可能性がありますが、電気的特性を利用することで、よりシンプルで安価な電気構造ネットワーク（ESN）も実現できます。

将来の航空機用にこれらの技術を開発するプロジェクトが現在（2011～2015年）進行中で、欧州委員会が一部資金提供している「SARISTU」（スマート・インテリジェント航空機構造）と呼ばれ、総予算は5100万ユーロである。この取り組みはエアバスが調整し、16の欧州諸国から64のパートナーが参加している。^{[15] [16]} SARISTUは、さまざまな個別のアプリケーションとその組み合わせによる航空旅行のコスト削減に焦点を当てている。具体的には、層流翼にさまざまなコンフォーマルモーフィングコンセプトを統合することで、抗力を6％削減し、航空機の性能を向上させ、燃料消費量と必要な離陸燃料負荷にプラスの効果をもたらすことを目指している。副次的な効果として、機体発生騒音が最大6dB(A)減少し、空港付近の航空交通騒音の影響が軽減される。最近の計算と数値流体力学分析によると、目標は超過する可能性が高いものの、重量の増加によるペナルティを相殺する必要があることが示されています。

もう一つの期待される成果は、構造ヘルス モニタリング (SHM) システムの統合コストを抑えることです。そのためには、システム統合を製造チェーンのできるだけ前段階に進めます。このようにして、SHM 統合は、運用中の検査コストを最大 1% 削減できる実現可能な概念になります。構造ヘルス モニタリング関連の試験では、特定の航空機検査で当初予想されていたよりも高いメリットが得られる可能性があることが示されています。

最後に、カーボンナノチューブを航空機用樹脂に組み込むことで、未改造の外板/ストリンガー/フレームシステムと比較して最大 3% の軽量化が可能になると期待されており、また、技術の組み合わせにより、電気構造ネットワークの設置コストを最大 15% 削減できると期待されています。

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