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電気飛行機は、電気で動く飛行機です。電気飛行機は、排出ガスゼロと静かな飛行を実現し、航空の環境への影響を軽減する方法として考えられています。電気はさまざまな方法で供給されますが、最も一般的なのはバッテリーです。ほとんどの飛行機には、プロペラやタービンを駆動する電気モーターが搭載されています。
電気で動く飛行船による有人飛行は19世紀にまで遡り、有人ヘリコプターについては1917年に遡る。 電気で動く模型飛行機は、少なくとも1957年以降飛行しており、現在使用されている小型無人航空機（UAV）やドローンよりも前のものである。小型のUASは小包の配達に、大型のものは長時間飛行が求められる航空写真、監視、通信などに使用できる。電気で動く飛行機による初の有人自由飛行は1973年に実現したMB -E1で、今日の有人電気飛行機のほとんどはまだ実験的なプロトタイプに過ぎない。 2006年以降にEASA型式証明を取得し[1]、特許取得済みの翼一体型バッテリーシステムを搭載した世界初の量産型自立式有人電気飛行機であるLange E1 Antaresは[2]、1999年に初飛行を完了した。 2004年以降、このタイプの航空機は100機以上納入されており、現在までに（2022年まで）合計165,000時間以上の電気飛行を行っています。[3] 2015年から2016年にかけて、ソーラーインパルス2号は太陽光発電を使用して地球を一周しました。電動VTOL航空機または個人用航空機は、都市航空モビリティ用に検討されています。電動商用航空機は運用コストを削減できます。[4] : 1–7
歴史
2018年5月までに、約100機の電気航空機が開発中であることが分かっています。[5] これは前年の70機から増加しており、60％が新興企業、32％が航空宇宙業界の既存企業（その半数が大手OEM）、8％が学術機関、政府機関、非航空宇宙企業（主に欧州（45％）と米国（40％））からのものです。[6]大部分は都市エアタクシー（50％）と一般 航空機（47％）で、大多数はバッテリー駆動（73％）ですが、一部はハイブリッド電気（31％）で、これらのほとんどは大型旅客機です。[6] 2019年5月までに、知られている電気航空機開発プログラムの数は170近くに上り、その大部分は都市エアタクシーの役割を目指していました。[7] 2022年までに、世界中で約100機の電気航空機の設計が開発中です。[4] : 10–11 2023年までに、開発中の持続可能な航空機のコンセプト（電気に限らない）の数は最大700になると推定されています。[8]
飛行船
飛行機の推進力として電気を使用することは、19世紀後半の飛行船の開発中に初めて実験されました。1883年10月8日、ガストン・ティサンディエが最初の電気駆動飛行船を飛ばしました。[9] : 292 [10]翌年、シャルル・ルナールとアーサー・クレブスがより強力なモーターを搭載したラ・フランスを飛行しました。 [9] : 306 飛行船の揚力があっても、電気を蓄えるために必要な重い蓄電池のせいで、初期の飛行船の速度と航続距離は大幅に制限されていました。
完全電動飛行船は2030年代までに再び利用可能になると予想されている。[11]
無人航空機
1909年に、電動の自由飛行モデルが8分間飛行したと主張されましたが、この主張は1957年に記録された最初の電動ラジオコントロール模型飛行機の飛行を製作した人によって異議を唱えられました。 [12]電気飛行の電力密度は、小型モデルであっても問題がありました。
NASAのパスファインダー、パスファインダープラス、センチュリオン、ヘリオスは、 NASAの環境研究航空機およびセンサー技術プログラムの一環として、エアロバイロンメント社が1983年から2003年にかけて開発した太陽電池および燃料電池システムを搭載した無人航空機（UAV）のシリーズです。 [13] [14] 1995年9月11日、パスファインダーはNASAドライデンから12時間の飛行で50,000フィート（15,000メートル）という太陽光発電航空機の非公式高度記録を樹立しました。その後の改造の後、この航空機はハワイ島カウアイ島にあるアメリカ海軍の太平洋ミサイル試射場（PMRF）に移されました。 1997年7月7日、パスファインダーは太陽光発電航空機の高度記録を71,530フィート（21,800メートル）に引き上げました。これはプロペラ駆動航空機の記録でもありました。[13]
1998年8月6日、パスファインダープラスは、太陽光発電とプロペラ駆動の航空機の高度記録を80,201フィート（24,445メートル）に引き上げました。[13] [15]
2001年8月14日、ヘリオスは29,524メートル（96,863フィート）の高度記録を樹立した。これはFAIクラスU（実験的/新技術）およびFAIクラスU-1.d（質量500〜2,500kg（1,100〜5,500ポンド）の遠隔操作UAV）の記録であり、プロペラ駆動航空機の高度記録でもあった。[16] 2003年6月26日、ヘリオスの試作機は乱気流に遭遇して分解し、ハワイ沖の太平洋に落下し、プログラムは終了した。
2005年、AC Propulsion社は「SoLong」という名の無人飛行機を太陽エネルギーのみで48時間ノンストップ飛行させた。これは、飛行機に搭載されたバッテリーに蓄えられたエネルギーで24時間飛行した初の例であった。[17] [18]
QinetiQ Zephyrは軽量の太陽光発電式無人航空機（UAV）です。2010年7月23日現在、無人航空機の耐久記録として2週間（336時間）以上を保持しています。[19]炭素繊維強化ポリマー構造で、2010年版の重量は50 kg（110ポンド）[20]（2008年版の重量は30 kg（66ポンド））、翼幅は22.5 m（74フィート）[20] （2008年版の翼幅は18 m（59フィート）でした）。日中は太陽光を利用してリチウム硫黄電池を充電し、夜間に機体に電力を供給します。[21] 2010年7月、ゼファーは336時間22分8秒（2週間以上）の無人機耐久飛行の世界記録を達成し、FAIクラスU-1.c（重量50〜500kg（110〜1,100ポンド）の遠隔操作無人機）で70,742フィート（21,562メートル）の高度記録も樹立しました。[22] [23] [24]
垂直飛行
航空観測プラットフォームなどの係留装置の場合、電力を係留装置に送ることが可能である。当時使用されていた扱いにくい気球よりも実用的な解決策を作ろうと、オーストリア＝ハンガリー帝国のペトロチ・カルマン・ジュロヴェツPKZ-1電動ヘリコプターが1917年に飛行した。このヘリコプターには、地上の直流発電機に接続されたケーブルから電力を供給される、オーストロ・ダイムラー社製の特別設計の190馬力（140kW）連続定格電動モーターが搭載されていた。しかし、電動モーターはそのような用途にはまだ十分なパワーがなく、数回の飛行でモーターが焼き切れてしまった。[25]
1964年、レイセオン社のウィリアム・C・ブラウンは、飛行に必要なすべての電力をマイクロ波電力伝送によって受け取る模型ヘリコプターを飛行させた。[26]
世界初の大型全電動ティルトローターは、アグスタウェストランド社のプロジェクトゼロ無人航空機技術実証機であり、同社が正式にゴーサインを出したわずか6ヶ月後の2011年6月に地上電力による無人テザー飛行を行った。[27]
最初のフリーフライ電動ヘリコプターは、フランスのヴェネルでパスカル・クレティエンが開発したソリューションF/クレティエンヘリコプターでした。2010年9月10日のコンピュータ支援設計コンセプトから2011年8月の初飛行まで、1年もかかりませんでした。 [28] [29]
2016 年 9 月、マーティン・ロスブラットと Tier1 Engineering は、電動ヘリコプターのテストに成功しました。5 分間の飛行で高度 400 フィート (120 m) に到達し、最高速度は 80 ノット (150 km/h) でした。ロビンソン R44ヘリコプターは、重量 45 kg (100 ポンド) の 2 つの三相永久磁石同期YASA モーターと、重量 500 kg (1,100 ポンド)のBrammo製リチウムポリマー バッテリー11 個で改造されました。 [30] [31] [32]その後、2016年には20分間飛行した。[33] [34] 2018年12月7日、ティア1エンジニアリングは、電気バッテリー駆動のR44で、80ノット（150 km / h）、高度800フィート（240メートル）で30海里（56 km）以上飛行し、ギネス世界記録に認定された最長距離記録を樹立した。 [35]
2017年6月、エアバスは電動VTOL機のデモ機であるシティエアバスを発表しました。[36]このマルチローター機は、当初はパイロット1名で4名の乗客を乗せ、規制が認可されれば自動操縦になる予定です。[36]最初の無人飛行は2018年末に予定されており、有人飛行は2019年に予定されています。[37]型式証明と商用導入は2023年に予定されています。[38]
2021年に火星を飛行し、初の地球外航空機となったNASAの小型無人航空機システム（sUAS）インジェニュイティには、一対一軸ローターが搭載されている。ドラゴンフライ回転翼航空機着陸機は、地球以外の天体で運用される2番目の航空機および回転翼航空機となる予定だ。2034年頃からタイタンの大気圏を飛行する予定だ。着陸機とそのセンサーを着陸地点から離れた様々な場所に移動するため、VTOL機能が組み込まれている。[39]
実験デモンストレーター
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1973年10月21日、フレッド・ミリツキーが改造しヘイノ・ブルディチュカが操縦するブルディチュカHB-3モーターグライダー、ミリツキーMB-E1がオーストリアのリンツから9分間飛行した。これはニッケルカドミウム電池（NiCad）を動力源とし、人が搭乗して自力で飛行した初の電気航空機であった。[40] [41]ニッカド電池は鉛蓄電池よりもエネルギー密度が高く、空気より重い航空機に動力を供給するのに必要であった。
人力飛行の成功に続いて、再発射されたクレマー賞品により、乗組員は離陸前にエネルギーを蓄えることができるようになった。[42] 1980年代には、 MITモナークやエアロバイロメントバイオニックバットなど、ペダルをこぐことで発電した電気を蓄える設計がいくつかあった。[43]
ボーイングが主導するFCD（燃料電池実証機）プロジェクトでは、ダイヤモンドHK-36スーパーディモナモーターグライダーを水素燃料電池で動く軽飛行機の研究テストベッドとして使用しています。[44] 2008年2月と3月に飛行が成功しました。[44] [45]
欧州委員会は、革新的な電気またはハイブリッド推進航空機のTRLが低い多くのプロジェクトに資金を提供してきました。ENFICA-FCは、燃料電池を主または補助電源システムとして使用する全電気航空機を研究および実証するための欧州委員会のプロジェクトです。3年間のプロジェクト中に、燃料電池ベースの電源システムが設計され、2010年5月20日にラピッド200FC超軽量航空機で初飛行しました。 [46]
最初のNASAグリーンフライトチャレンジは2011年に開催され、2011年10月3日にピピストレル・トーラスG4が優勝した。 [47] [48] [49]
2013年、チップ・イェーツは、世界最速の電気飛行機であるロングESA（改良型ルタン・ロングEZ）が、国際航空連盟によって検証された一連の試験で、ガソリン駆動のセスナや他の航空機よりも優れた性能を発揮できることを実証した。ロングESAは、空気密度が低くエンジン性能を損なわないため、高度でも性能を維持できるため、より安価で、最高速度と上昇率が高いことが判明した。[50] [51]
2017年、シーメンスは改造されたエクストラEA-300アクロバット機330LEを使用して、2つの新記録を樹立しました。3月23日、ドイツのディンスラーケン・シュヴァルツェ・ハイデ飛行場で、この飛行機は3km（1.6海里）の距離で約340km/h（180ノット）の最高速度に達し、翌日には電気飛行機を牽引する初のグライダーとなりました。[52]
NASAは燃料消費量、排出量、騒音を削減する技術を実証するためにX-57マクスウェルを開発していたが、推進システムの問題によりプログラムは中止された。 [53]テクナムP2006Tを改造したX-57には、翼の前縁に取り付けられたプロペラを駆動する14個の電動モーターが搭載される。 [54]スケールド・コンポジッツは2017年7月、ピストンエンジンを電動モーターに交換して最初のP2006Tを改造し、2018年初頭に飛行する予定で、その後推進効率を高めるためにモーターを翼端に移動し、最後に12個の小型プロペラを備えた高アスペクト比の翼を取り付ける予定である。[55]
米国と英国の新興企業ZeroAviaは、小型航空機用のゼロエミッション燃料電池推進システムを開発しており、英国政府から270万ポンドの支援を受けてオークニー諸島でHyFlyerのテストを行っている。 [56]
ソーラー航空機
1979年4月29日、マウロ・ソーラーライザーは、30ボルトで350ワット（0.47馬力）を供給し、モーターに電力を供給する小型バッテリーを充電する、人員輸送可能な初の太陽光発電航空機となった。1.5時間の充電後、バッテリーは航空機に3〜5分間電力を供給し、滑空高度に到達できた。[57]太陽電池が開発された1974年、ニッカド電池と同じ時期に、模型テストが成功した。
建築家でクレマー賞委員会委員のフレディ・トーの指揮の下、ソーラーワンはデイビッド・ウィリアムズによって設計され、ソーラーパワード・エアクラフト・デベロップメントによって製造された。モーターグライダー型の航空機で、もともとは海峡横断を試みるペダル駆動の飛行機として作られたが、人力で動かすには重すぎることが判明したため、太陽光発電に転換され、[58]飛行前に翼の太陽電池アレイで充電されたバッテリーで駆動する電動モーターを使用した。[59]ソーラーワンの初飛行は1979年6月13日にハンプシャーのラシャム飛行場で行われた。 [60]
マックレディ・ゴッサマーペンギンは1980年にパイロットを乗せて初めて飛行した。
マックレディ・ソーラー・チャレンジャーは1980年に初飛行し、1981年にはパイロットのスティーブン・プタチェク氏の操縦で、パリ北部のポントワーズ飛行場からイギリスのマンストンにあるマンストン王立空軍基地まで163マイルを飛行し、5時間23分にわたり空中に留まりました。
ギュンター・ロッヘルトが開発した有人操縦のソレア1号は、1983年に飛行し、性能が大幅に向上しました。 [61] [62]翼に取り付けられた太陽電池は2499個でした。[61]
ドイツのソーラーパワー航空機「イカレ II」は、1996 年にシュトゥットガルト大学の航空機設計研究所 (Institut für Flugzeugbau) によって設計および製造されました。プロジェクトのリーダーであり、航空機のパイロットを務めることが多いのは、研究所長のルドルフ・フォイト＝ニッチマンです。この設計は、1996 年にベルブリンガー賞、オシュコシュで EAA 特別功労賞、ドイツ航空クラブのゴールデン ダイダロス メダル、1997 年にフランスの OSTIV 賞を受賞しました。[63]
ソーラーインパルス2号は4つの電動モーターで駆動する。翼と水平安定板に取り付けられた太陽電池からのエネルギーはリチウムポリマー電池に蓄えられ、プロペラの駆動に使われる。[64] [65] 2012年、最初のソーラーインパルス号はスペインのマドリードからモロッコのラバトまで飛行し、太陽光発電機による初の大陸間飛行を行った。 [66] [67] 2014年に完成したソーラーインパルス2号は、より多くの太陽電池とより強力なモーターを搭載するなど、さまざまな改良が加えられた。2015年3月、この機体は計画されていた世界一周旅行の第一段階として離陸し、アラブ首長国連邦のアブダビから東へ向かって飛行した。 [68]バッテリーの損傷のため、機体はハワイで停止し、そこでバッテリーが交換された。 2016年4月に世界一周航海を再開し[69]、2016年6月にスペインのセビリアに到着した[70]。翌月アブダビに戻り、世界一周航海を完了した[71] 。
一般航空
用途としては、グライダー用の持続モーター、または自動発進モーターがあります。最も一般的なシステムは、240 機以上のグライダーで使用されているフロント電動持続モーターです。モーターは発進するため、またはアウトランディング (滑空中の予定外の着陸) を回避するために短時間のみ使用されるため、距離が短いことは問題になりません。
最初の市販の非認証量産電気飛行機であるアリスポーツ・サイレント・クラブ自走グライダーは1997年に飛行した。オプションで13kW（17馬力）の直流電気モーターを搭載し、40kg（88ポンド）のバッテリーで1.4kWh（5.0MJ）のエネルギーを蓄える。[73]
電気で動く航空機として初の耐空証明は、 2003年にランゲ アンタレス20Eに与えられた。この機体も電動で自力で発進する20メートル（66フィート）のグライダー/セールプレーンで、42kW（56馬力）のDC/DCブラシレスモーターとリチウムイオン電池を搭載し、フル充電したセルで3,000メートル（9,800フィート）まで上昇することができる。[74]初飛行は2003年。2011年、この機体は2011年ベルブリンガーコンクールで優勝した。[75]
2000年代後半、中国の無線操縦模型メーカーであるYuneec Internationalは、量産を目指して設計された初の電動航空機であるE430を含む、バッテリー駆動の有人固定翼航空機をいくつか開発し、テストしたが、商品化には至らず（試作品のみが製作された）、2010年代半ばに利益の大きい消費者向けドローン市場に目を向けた。
トーラスエレクトロは、史上初の2人乗り電気飛行機であり[76]、トーラスエレクトロG2は2011年に導入された量産型である。40kW（54馬力）の電動モーターとリチウム電池を搭載し、高度2,000m（6,600フィート）まで自力で発進し[77]、その後エンジンを格納してグライダーとして飛行する。量産化された初の2人乗り電気飛行機である。[78] [79]
パイロット訓練では短距離飛行が重視されるため、いくつかの企業が初期飛行訓練に適した軽飛行機を製造、または実証している。エアバス E-Fan は飛行訓練を目的としていたが、プロジェクトは中止された。ピピストレルは、ピピストレル アルファ エレクトロのプロトタイプであるピピストレル WATTsUPなどの軽スポーツ電気飛行機を製造している。飛行訓練用の電気飛行機の利点は、航空燃料に比べて電気エネルギーのコストが低いことである。騒音と排気ガスも燃焼エンジンに比べて低減される。
Bye Aerospace eFlyer 2 (旧称 Sun Flyer 2) は、コロラド州デンバーの Bye Aerospace が設計、開発中の軽電気飛行機です。この飛行機は 2016 年 5 月 11 日に初めて公開され、2018 年 4 月 10 日に初飛行しました。
2020年6月10日、2人乗りのピピストレル・ウィルスの派生型であるヴェリス・エレクトロが、EASAから型式証明を取得した初の電気航空機となった。エムラックスと共同開発した76馬力（58kW）の電動モーターを搭載し、170kg（370ポンド）の積載量、巡航速度90ノット（170km/h）、50分間の飛行時間を実現。ピピストレルは2020年に30機以上を納入し、練習機として運用する予定である。[80]
2021年10月12日、ダイアモンド・エアクラフト社は、飛行訓練市場向けに調整されたeDA40の開発を発表した。2022年の初飛行と2023年のEASA/FAAパート23認証を目標としている。[ 81 ]この2人乗りの航空機は、ピストン動力機よりも40%低い運用コストで、最大90分間飛行できると予想されている。eDA40には、将来的に3人乗りの派生型が計画されている。[82] eDA40は2023年7月20日に初飛行を行った。 [83]
2024年2月19日、Aura AeroはIntegral Eの最初のプロトタイプを発表します。
航空機プロジェクト
NASA電動航空機テストベッド（NEAT）は、オハイオ州プラムブルックステーションにあるNASAの再構成可能なテストベッドであり、小型の1人乗りまたは2人乗りの航空機から最大20MW（27,000馬力）の旅客機までの電動航空機電力システムの設計、開発、組み立て、テストに使用されています。[84] NASA研究契約（NRA）は、電気推進コンポーネントの開発に使用されています。[85]このプログラムは2023年にキャンセルされました。
2017年9月、英国の格安航空会社イージージェットは、ライトエレクトリックと共同で2027年に向けて180人乗りの電動飛行機を開発中であると発表した。[86] 2016年に設立された米国のライトエレクトリックは、272 kg（600ポンド）のバッテリーを搭載した2人乗りの概念実証機を製作し、大幅に軽量な新しいバッテリー化学でスケールアップできると考えている。291 nmi（540 km）の航続距離は、イージージェットの乗客の20％に十分である。[87]ライトエレクトリックはその後、10人乗り、最終的には少なくとも120人の乗客を乗せた単通路の短距離航空機を開発し、騒音を50％低減し、コストを10％削減することを目標としている。[88]ライトエレクトリックのCEO、ジェフリー・エングラーは、商業的に実現可能な電気飛行機はエネルギーコストを約30％削減すると見積もっている。[89]
2018年3月19日、イスラエル航空宇宙産業は、小型無人機の電力システムの経験を生かし、短距離電気航空機を開発する計画を発表した。 [90]同社は自社で開発するかもしれないが、Israeli Eviation、US Zunum Aero、Wright Electricなどの新興企業と共同で開発するかもしれない。[90]
オーストラリアに拠点を置くマグニックス社は、540kW（720馬力）のモーターを搭載し、最大1時間の飛行が可能な電動セスナ208キャラバンを開発した。 [91] 同社のマグニ5電動モーターは、乾燥質量53kg（117ポンド）、出力密度5kW/kgで、連続出力265kW（355馬力）、2,500rpmでピーク出力300kW（400馬力）を95%の効率で生成し、エクストラ330LE向けの260kW（350馬力）、50kg（110ポンド）のシーメンスSP260Dと競合する。[91] 2018年9月までに、プロペラ付きの350馬力（260kW）の電動モーターがセスナ アイアンバードでテストされた。 750馬力（560kW）のキャラバンは2020年に初飛行し、マグニックス社は2022年までに電気航空機の航続距離が2024年までに500マイルと1,000マイル（800kmと1,610km）になると見積もっている。 [92]モーターは試験用ダイナモメーターで1,000時間稼働した。[93]アイアンバードは試験台として使用されるキャラバンの前部胴体で、オリジナルのプラット・アンド・ホイットニー・カナダPT6ターボプロップエンジンが電気モーター、インバーター、ラジエーターを含む液体冷却システムに置き換えられ、セスナ206のプロペラを駆動している。[93]量産モーターは1,900rpmで280kW（380馬力）を出力し、試験用モーターの2,500rpmから低下しているため、減速ギアボックスなしでの設置が可能となっている。[93] 2020年5月28日、マグニックス社の9人乗り電動セスナ208B eCaravanが電気で飛行し、[94]商業運航認証に向けて準備が進められた。[95]
560kW（750馬力）のマグニX電気モーターがデ・ハビランド・カナダのDHC-2ビーバー水上機に搭載された。ブリティッシュコロンビア州に本拠を置くハーバー・エアは、2021年にこの航空機を商業的に運用開始し、当初は30分未満の飛行とし、より優れたバッテリーが導入されれば航続距離が延びることを望んでいた。[56] 2019年12月10日、この航空機はバンクーバー近郊のフレーザー川から4分間の初飛行を行った。6人乗りのビーバーに通常搭載されているプラット・アンド・ホイットニーR-985ワスプジュニアピストンエンジンは、交換可能なバッテリーを備えた135kg（297ポンド）のマグニ500に交換され、30分間の飛行と30分間の予備飛行が可能になった。[96] 2022年4月までに、 STCによる認証可能なバージョンの飛行試験は2023年後半まで延期され、30分間の予備燃料で4人の乗客とパイロットを乗せて30分間の飛行を行う予定である。[97]マグニクスは640kW（850shp）のマグニ650航空機エンジンのFAA認証を申請しており、バッテリープロバイダーのH55（ソーラーインパルスからのスピンオフ）はEASAの承認を申請している。[97]
ドイツの10人乗りScylax E10のデモ機は2022年に飛行する予定である。 [更新が必要]この機体は、航続距離300km（160海里）と短距離離着陸300m（980フィート）を備え、 FLN Frisia Luftverkehrによって東フリースラント諸島を結ぶために使用される予定である。[56]
2020年9月23日、ヨーテボリに拠点を置くハート・エアロスペースは、 2026年半ばまでに飛行が予定されている19座席の全電気商用機ES-19の設計を発表しました。[98] 従来のアルミニウム製の機体と翼を持ち、計画航続距離は400km（222海里）で、最短800m（2,640フィート）の滑走路でも運航できると見込まれています。[98] 当初は北欧諸国で運航する航空会社をターゲットにしていたハートは、少なくとも8社の航空会社から、147機のES-19航空機、総額約11億ユーロまたは13億米ドル（1機あたり750万ユーロまたは880万ドル）の「関心表明」を受けています。 [ 98]スウェーデンのベンチャーキャピタリストEQTベンチャーズ、北欧諸国政府、欧州連合の支援を受けているハートは、当初はスウェーデンのイノベーション機関ヴィノバから資金提供を受けており、シリコンバレーのスタートアップアクセラレータであるYコンビネーターの卒業生でもある。[98]
2021年3月22日、トゥールーズを拠点とするオーラエアロは、19人乗りの電気航空機であるERA（Electric Regional Aircraft）の開発を発表し、2026年に認証を取得する予定である。[99]
航空の環境への影響
航空が気候変動に及ぼす環境影響は、電気航空機開発の大きな原動力となっており、ゼロエミッションの電動パワートレインが開発チームの一部の目標となっている。航空は化石燃料由来のCO2排出量全体の2.4％を占め、航空輸送による排出量は2013年から2018年の間に32％増加した。[100]航空のCO2以外の気候変動への影響を推定することは複雑であるが、NOxと飛行機雲によりこの割合は3.5％に増加する可能性がある。[101]その他の利点としては、深刻な騒音公害と軽減問題を抱える業界において、騒音を低減できる可能性があることが挙げられる。[102]
オフボード電源
船上にすべての電力を蓄えることなく必要な電力を供給するメカニズムには、次のものがあります。
太陽電池
太陽電池は太陽光を直接電気に変換し、直接電力として、または一時的に蓄電します。太陽電池の出力は低く、多くの太陽電池を接続する必要があるため、用途が限られています。15～20%の変換効率（太陽光エネルギーから電力）で稼働する一般的な太陽電池パネルは、直射日光下で約150～200 W/m 2 （0.019～0.025 hp/sq ft）を生成します。 [103]性能の悪いパネルからの出力は、回路上のすべてのパネルの出力に影響を与えるため、使用可能な領域はさらに制限されます。つまり、すべてのパネルは、太陽に対して同様の角度にあり、影に隠れていないなど、同様の条件を必要とします。[104]
2010年から2020年の間に、太陽光発電モジュールのコストは90％低下し、毎年13～15％低下し続けています。[105] 太陽電池の効率も1955年の2％から1985年の20％へと大幅に上昇し、一部の実験システムでは現在44％を超えています。しかし、これらの高効率の技術のほとんどは、実験室環境でのみ可能であり、本格的な生産レベルでは実現されていません。[106]
太陽光が無料で利用できることから、高高度での長時間滞空アプリケーションでは太陽光発電が魅力的であり、寒さと大気干渉の減少により地上よりも大幅に効率が高くなります。[107] [108]高度が上昇するにつれて乾燥空気の温度が低下することを環境減率（ELR）と呼び、平均6.49 °C/km [109]（パイロットの訓練では1.98 °C/1,000フィートまたは3.56 °F/1,000フィートと記憶されます）であるため、一般的な旅客機の巡航高度である約35,000フィート（11,000メートル）の温度は地上よりも大幅に低くなります。
耐久飛行や、あるエリアを 24 時間カバーする航空機などの夜間飛行では、通常、日中に余剰電力から充電し、夜間に電力を供給するバックアップ ストレージ システムが必要です。
電子レンジ
マイクロ波などの電磁エネルギーの電力ビームは地上の電源に依存している。しかし、電力ケーブルを使用する場合と比較して、電力ビームは航空機を横方向に移動させることができ、特に高度が上昇するにつれて重量ペナルティが大幅に軽減される。この技術は小型モデルでのみ実証されており、より大規模な実用化を待っている。[110]
外部電源ケーブル
有線気球に代わる動力付き車両の場合、電力ケーブルを地上電源（発電機や地域の電力網など）に接続することができます。これにより、低高度ではバッテリーを持ち上げる必要がなくなり、1917年の実験的なペトロチ・カルマン・ジュロヴェツPKZ-1観測車両で使用されました。ただし、高度が高くなるほど、持ち上げるケーブルの長さが重くなります。
電力貯蔵
必要な電気を蓄えるメカニズムには次のようなものがあります。
バッテリー
バッテリーは、比較的高い蓄電容量のため、電気航空機の機内エネルギー貯蔵コンポーネントとして最も一般的に使用されています。バッテリーが初めて飛行船に搭載されたのは 19 世紀ですが、鉛蓄電池は非常に重く、20 世紀後半にニッケルカドミウム (NiCd) などの他の化学物質が登場して初めて、空気より重い航空機にバッテリーが実用的になりました。現代のバッテリーは、リチウム技術に基づいた充電式がほとんどです。
リチウムイオン電池（LIB）の一種であるリチウムポリマー電池（LiPo）は、軽量で再充電可能であることから、無人飛行に長い間利用されてきた。しかし、そのエネルギー密度のために、その用途は主にドローン用電池に限られている。[111]単に大型のバッテリーを使用して大型の航空機を設計することによって最大飛行時間を延ばすことは、積載量と航続距離の妥協のため非効率的である。バッテリーの重量が一定量増加すると、質量のペナルティがバッテリーの比エネルギーの増加を上回らなくなるため、収穫逓減が生じる。[112] [113]最大航続距離と乗客数の間にも同様のトレードオフがある。この傾向をモデル化するために計算ツールが使用され、平均重量（1500 kg）および平均エネルギー密度（150 Wh/kg）の小型電気航空機は、乗客1人で約80マイル、2人で約60マイル、3人で約30マイル未満を飛行できると予測されている。[113]
2017年には、バッテリーから利用可能な電力は170Wh/kg、システム効率を含めた軸では145Wh/kgと推定され、ガスタービンは11,900Wh/kgの燃料から6,545Wh/kgの軸電力を抽出しました。[114] 2018年には、パッケージと付属品を含むリチウムイオン電池は160Wh/kgを与えると推定され、航空燃料は12,500Wh/kgを与えました。[115] 2018年には、電気貯蔵の比エネルギーは依然として航空燃料のわずか2％でした。[116]この1:50の比率では、長距離航空機では電気推進は非現実的です。全電気式の12人乗りの航空機で500海里（930km）のミッションを実行するには、バッテリー電力密度を6倍に増やす必要があるためです。[117]とはいえ、バッテリー電気モーターはほとんどのジェットエンジン（約50％）よりも高い効率（約90％）を誇り、この効率は新しいバッテリー化学によってさらに高められる可能性がある。[118]
電気航空機への応用を実現するには、電力貯蔵の改善が不可欠です。エネルギー密度は、ゼロエミッションの電動パワートレインのボトルネックであることが広く認識されています。[119] [120]もう1つの制限は、デマンドパックエネルギー比と敏感なミッションセグメントによる放電率であり、離陸時の放電C率は4Cであるのに対し、着陸時にはほぼ5Cです。[121] [113] [説明が必要] 電気航空機には追加の発熱と寿命のニーズがあり、新しい熱管理戦略、電力フェード機能、およびバッテリーパックの故障モードが必要です。
2019年現在、最高のリチウムイオン電池は250～300Wh/kgを達成しており、小型航空機には十分であるが、地域型旅客機には500Wh/kgの電池パックが必要であり、エアバスA320サイズの単通路機には2kWh/kgが必要である。[117] 電力は小型航空機にのみ適しており、大型旅客機にはリチウムイオン電池に比べて20倍のエネルギー密度の向上が必要となる。[122] [より良い情報源が必要]
このようなバッテリーは、一部の短距離飛行の全体的な運用コストを削減できます。たとえば、ハーバーエアビーバーで使用される電気は、ガソリンの1リットルあたり2.00カナダドルと比較して、1kWhあたり約0.10カナダドルです。 [102] 44 MJ/kgの燃料と0.75密度のAvgasで33MJ（9.2kWh）のエネルギーを提供し、化学kWhあたり0.22ドル、またはシャフトkWhあたり0.65ドルで、効率は3分の1です。ただし、ジェット燃料は安価で、大型ガスタービンの方が効率的です。2021年には、固体電池（リチウム硫黄、LSB）やリチウム空気電池（LAB）などのリチウムイオンを超える技術が、より競争力のあるバッテリー電気航空機の性能のための研究分野でますます有望になっています。[123] [124]
SAEインターナショナルAE-7D [125]委員会は、電気航空機の充電とエネルギー貯蔵を標準化するために2018年にElectro.Aeroによって設立されました。最初に開発された文書の1つは、電気航空機のサブメガワット電気航空機充電に関するAS6968規格でした。AE-7D委員会はまた、メガワット電力レベルの充電に関する航空宇宙情報レポートAIR7357を開発しています。一部の空港には、航空機も充電できる電気自動車用の充電ステーションがあります。[126]
ウルトラキャパシタ
ウルトラキャパシタは、バッテリーとコンデンサを橋渡しするハイブリッド電気化学エネルギー貯蔵システムであり、反応が化学的であるだけでなく電気的でもあるため、充放電サイクルの回数に制限がなく、より高いピーク電流でより速く充電および放電できるという点でバッテリーよりも優れています。[127] [より良い情報源が必要]
しかし、そのエネルギー密度は通常5Wh/kg程度で、電池のそれよりはるかに低く、寿命が長いことを考慮してもかなり高価です。[128] [より良い情報源が必要]
燃料電池
燃料電池(FC) は、液体燃料ロケットモーターのように、水素と酸素などの 2 つの化学物質の反応を利用して電気を生成しますが、推力ではなく、制御された化学反応で電気を生成します。航空機は水素 (または同様の燃料) を運ぶ必要があり、それ自体に複雑さとリスクがありますが、酸素は大気から得ることができます。
推進
電気モーター
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これまでの電気航空機のほぼすべては、推力発生プロペラや揚力発生ローターを駆動する電気モーターによって駆動されてきた。[129]
バッテリーは同等の燃料よりも重いが、電気モーターはピストンエンジンよりも軽量であり、短距離飛行に使用される小型航空機では、電気とガソリンのエネルギー密度の差を部分的に相殺することができる。[102] [130]また、電気モーターは内燃機関とは異なり、高度が上がっても出力が低下することがなく、[126]これを防ぐのに使用されるターボチャージャーの使用などの複雑で高価な対策の必要性を回避できる。
実験的なエクストラ 330 LE は、重量 50 kg の260 kW (350 hp)シーメンス SP260Dモーターと 37.2 kWh のバッテリーパックを搭載し、機体重量は 1,000 kg です。 [131]これは、重量 202 kg の 235 kW (315 hp)ライカミング AEIO-580ピストンエンジンに代わるものです。[132]ピストンエンジンのエクストラ 330 の自重は 677 kg、[133]エンジンなしでは 474 kg です。ライカミング エンジンは、315 hp (235 kW) を出力する場合、1 時間あたり 141 ポンド (64 kg) の燃料消費量があり、[134]つまり 0.27 kg/kWh です。つまり、同じ 37.2 kWh を出力するのに 10 kg の燃料が必要です。
モーター自体の他に、航空機の重量は必要なエネルギー予備によって制限される。19座席の航空機には、5%のルート不測の事態、100 nmiの代替ルートへの飛行、着陸前の30分間の待機という必須のIFR予備が必要である。これは、ターボプロップの場合は308 kgの燃料、または250 Wh/kgのバッテリーの場合は4,300 kgで、現在の19座席の空虚重量と同程度である。[135]電気推進システムには電力インバーターも含まれ、燃料エンジンには燃料システム自体がある。
750馬力（560kW）の実験用magniX magni500電気モーターの重量は297ポンド（135kg）[136]で、729馬力（544kW）の認定プラット・アンド・ホイットニー・カナダPT6 A-114の重量は297ポンド（135kg） [137]で、どちらもセスナ208キャラバンに動力を供給しています。
出力の増加と追加型式証明（STC）の変更を組み合わせると、着陸重量を含む航空機の総運用重量が増加し、バッテリーの重量を相殺できます。[126]化石燃料を使用する航空機は着陸時に軽量であるため、構造を軽量化できます。バッテリー駆動の航空機では重量は同じままであるため、補強が必要になる場合があります。[126]
ハイブリッドパワー
ハイブリッド電気航空機は、ハイブリッド電気パワートレインを備えた航空機です。通常、離着陸はクリーンかつ静かな電力で行い、巡航は従来のピストンまたはジェットエンジンの電力で行います。これにより、二酸化炭素排出量を削減しながら長距離飛行が可能になります。[115] 2018年5月までに30以上のプロジェクトがあり、 2032年から短距離ハイブリッド電気航空機の構想が立てられています。[6]最も先進的なのは、10人乗りのZunum Aero 、 [138]エアバスE-Fan Xデモンストレーター、[139] VoltAero Cassio、[140] UTCがボンバルディア ダッシュ8を改造している[141]一方で、Ampaire Electric EELプロトタイプは2019年6月6日に初飛行しました。[142]
電磁流体力学
2018年11月、MITのエンジニアは可動部品のない模型飛行機、EAD Airframe Version 2で初の自由飛行を達成した。この飛行機は磁気流体力学（MHD）を使用してイオン風を発生させることで推進される。[143] [144] MHDは過去にも垂直方向の揚力を得るために使用されたことがあるが、MHDイオン発生システムを外部電源に接続することによってのみ可能であった。
出荷
次の表は、世界中の電気航空機の出荷量をメーカー別にまとめたものです。
バッテリー電気航空機のリスト
参照
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、電気エンジンを搭載した航空機に関連するメディアがあります。
- Hepperle, Martin. 「電気飛行 - 可能性と限界」(PDF)。航空力学および流体技術研究所。
