NASAは今年、実験的な電気飛行機を飛ばすことを目指している

今年後半、おそらくこの夏か秋に、NASA の電気飛行機 X-57 がカリフォルニアで飛行する予定だ。NASA が「初の完全電気実験飛行機」と呼んでいるこの飛行機が実際に離陸するとき、NASA がウェブサイトで描いている飛行機とは見た目が違うだろう。

この航空機には、なんと 14 個の電気モーターとプロペラではなく、わずか 2 個のモーターが搭載される。しかし、機体の胴体内に 5,000 個以上の円筒形バッテリー セルで駆動するこの 2 個のモーターは、X-57 プログラムも終了する予定の 2023 年までに航空機を飛行させるのに十分なはずだ。

ここでは、この飛行機がどのように機能するのか、この計画が直面した課題、そして宇宙飛行から得た教訓がバッテリーシステムの詳細にどのように役立ったかについて知っておくべきことを紹介します。

修正2

もしこの飛行機が計画通り今年飛行するなら、それは「改良型2」と呼ばれる形で飛行することになる。これは、両翼に電動モーターとプロペラを1つずつ搭載し、飛行機が空を飛ぶのに必要な推力を与えるというものだ。

航空宇宙局は、テクナム P2006T をベースにしたこの飛行機を、改良版 3 および 4 と呼ばれる追加構成で飛ばすことを望んでいたが、それは実現しない。なぜか? 電気だけで安全に飛行する飛行機を作るのは難しく、このプログラムの資金は 2023 年までしか提供されていないからだ。(IEEE Spectrum には、このプログラムの当初の計画についての詳細が掲載されている。)

「私たちは長年にわたり多くのことを学んできました。飛行試験を通じて学べると思っていましたが、設計、統合、耐空性認定の段階で学ぶべき教訓が多く、結局、そこに多くの時間とリソースを費やすことになりました」とNASAのX-57プログラムの主任研究員であるショーン・クラーク氏は語る。

「そしてそれは非常に価値あることだ」と彼は付け加えた。「しかしそれは、Mod 4 [または 3] の飛行に必要なリソースがなくなることを意味します。」

この飛行機は、2 つのモーターを搭載した Mod 2 の完全電気飛行機として飛行します。

トランジスタの爆発

飛行機が安全に飛行できるようになるまでにチームが解決しなければならなかった不具合の一つは、バッテリーからの電気がモーターに到達する前に通過しなければならない部品に関するものだった。問題は、電気を直流から交流に変換するインバーター内のトランジスター モジュールにあった。

「私たちは、複数のトランジスタをパッケージ化したモジュールを使用していました。これらのモジュールは、想定される環境に耐えられるよう仕様が決められていました」とクラーク氏は言います。「しかし、テストするたびに故障してしまいました。環境テスト室でトランジスタが爆発するのです。」

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部品の故障、たとえば機器の爆発などは、航空機メーカーが地上で解決したいタイプの問題です。クラーク氏は、その問題を解決したと言います。「私たちは部品を徹底的に分解しました。爆発した後では、何が悪かったのかを知るのは難しいのです」と、エンジニアが厄介な問題に直面したことを示唆する軽快な口調で述べます。解決策は、新しいハードウェアと「インバーター システムを基本的に根本から再設計すること」でした、と彼は言います。

彼らは現在「非常にうまく機能している」と彼は付け加えた。「我々はフルセットを予選に通し、全員が合格した。」

宇宙からの教訓

従来の航空機は、エンジンを動かすために、明らかに可燃性で爆発性のある物質である化石燃料を燃やします。バッテリーで動く電気航空機の作業員は、バッテリーセルが火花を散らさないことも確認する必要があります。たとえば、昨年カンザス州で行われた FAA 主催のテストでは、航空バッテリーパックを 50 フィートの高さから落下させ、衝撃に耐えられるか確認しました。バッテリーは耐えました。

X-57 のバッテリーは、サムスン製の 18650 セルと呼ばれるモデルです。この航空機では 5,120 個のセルが使用され、320 セルずつのモジュール 16 個に分かれています。バッテリー セルとパッケージの両方を含む個々のモジュールの重量は約 51 ポンドです、とクラークは言います。重要なのは、1 つのバッテリーに障害が発生した場合でも火災が発生しないように、これらすべてのコンポーネントが適切な方法でパッケージされていることを確認することです。言い換えると、障害が発生する可能性はありますが、火災が発生しないように障害を管理する予定です。「これらのセルを高電圧、高出力パックにパッケージ化し、セル障害からも保護する方法についての業界標準がないことがわかりました」とクラークは言います。

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上層部からの支援もあった。「NASA​​の宇宙ステーションで働いている設計チームのメンバーから多くの意見をもらい、バッテリーパックを再設計することになりました」と彼は付け加える。国際宇宙ステーションのリチウムバッテリー、宇宙飛行士が使用する船外活動服、ピストルグリップツールと呼ばれるデバイスなどが、このプロセスの関連例だったと彼は指摘する。重要なポイントは、バッテリーセル間の間隔と、セルが熱暴走を起こすなどして故障した場合に熱をどう処理するかだった。「ジョンソン[宇宙センター]チームが見つけた最も効果的な戦略の1つは、そのセルからの熱をアルミニウム構造に逃がしながら、その周りの他のセルにもそれぞれ少しずつ熱を吸収させることでした」と彼は説明する。

短距離飛行において航空業界がより環境に優しくなる方法の一つである電気航空のフロンティアを探求しているのはNASAだけではない。この分野で活動している企業には、ベータ・テクノロジーズ、ジョビー・アビエーション、アーチャー・アビエーション、ウィスク・エアロ、そしてアリスという飛行機を開発しているエビエーションなどがある。著名な企業の1つであるキティ・ホークは昨年閉鎖された。

今年中に、X-57 は初飛行し、おそらく複数回の出撃を行う予定だ。「この技術にはまだとても興奮しています」とクラーク氏は言う。「10 年、15 年後に子供たちが電気飛行機で短距離飛行できるようになるのを楽しみにしています。航空業界にとって本当に大きな一歩となるでしょう。」

以下の航空機に関する短いビデオをご覧ください。