飛行機が離陸し、窓の外を眺めると、突然翼が静かに波打ち、ねじれ、形を変えていることに気づくと想像してください。おそらくほとんどの乗客はその場で緊張するでしょう。しかし、それはまさにドイツの技術者が新しい技術、つまり飛行中にリアルタイムで「変形」できる変形可能な翼のプロトタイプを使ってテストしていることだ。
ドイツ航空宇宙センター (DLR) と開発コード名 morphAIR が主導するこのプロジェクトは、鳥や魚と同様に空中での合理化された適応性を導入し、航空機をより効率的で制御しやすくすることを目的としています。自然界では、飛んだり泳いだりする生き物は、翼の表面や体全体を非常に細かく継続的に調整することができます。鳥は翼幅、曲率、ねじれを複雑に変化させることができ、魚は胴体とひれの協調的な動きによって効率的な推進と操縦を実現します。対照的に、従来の航空機は、姿勢を変更するために、剛性の翼と、フラップ、エルロン、舵などの個別の舵面に依存しています。このセグメント化された構造により、機械の複雑さ、重量、メンテナンスの負担が増大すると同時に、騒音や追加の空力損失も発生します。
過去数十年にわたり、このような固定翼と独立した舵面構造が業界標準となっている理由は、それが完璧だからではなく、工学的な「妥協」だからです。離陸に適した翼型は巡航には適さず、巡航に適した翼型は着陸には適さない。特定の速度、特定の高度、または特定の操縦状態に適した翼の形状は、他の動作条件下では最適ではなくなることがよくあります。既存の民間航空機の翼は、さまざまな典型的な動作条件に合わせて「適度に」設計されており、単一のシナリオで極端に最適化されるのではなく、できるだけ多くのシナリオで「十分だが悪くない」ように設計されています。
DLR は、この妥協から脱却し、代わりに「エンジニアの適応性」を翼に据えようとしています。 morphAIR コンセプトでは、翼は飛行のさまざまな段階で積極的に変形できます。離陸時と着陸時の揚力の向上、巡航時の抗力の低減、旋回時の応答性の向上、乱気流時の安定性の向上などを実現します。この目的を達成するために、DLR は、PROTEUS と呼ばれる無人試験機に新しい変形可能な翼を設置し、従来の翼と並べて比較試験を実施して、システムの耐空性と統合効果を検証しました。
morphAIR 翼は完全に繊維強化された複合材料で構成されており、後縁で連続的に屈曲できる「モーフィング セグメント」が統合されています。この部品には DLR が独自に開発した超弾性後縁変形システム HyTEM (Hyperelastic Trailing Edge Morphing) が使用されており、明らかな折り線や隙間のない滑らかな変形を実現できます。 DLR軽量システム研究所のプロジェクトリーダー、マーティン・ラーデストック氏は、このコンセプトは従来のフラップとエルロンを翼幅全体に分散された複数の小型アクチュエーターに置き換えるものだと説明する。これらのアクチュエータは、翼形部にセグメント化されたギャップを作成することなく、翼形部のプロファイルを 10 個の位置で微調整することができ、それにより、揚力、誘導抗力、および制御モーメントを変更しながら、プロファイル抵抗を低減し、全体の空力性能と飛行ダイナミクスを向上させます。
変形可能な翼の真の可能性は、インテリジェントな制御システムを通じてのみ解き放たれます。 DLR は、この目的のために AI 支援飛行制御システムを開発しました。このシステムは、この非常に可変的な翼の運動特性に合わせて特別に設計されています。飛行中、適応アルゴリズムは航空機の実際の応答を継続的に監視し、訓練された参照モデルと比較します。乱気流、局所的な損傷、アクチュエーターの故障などの異常状態が検出されると、システムは安定した飛行を維持するためにリアルタイムで翼全体に制御命令を再分配します。このアルゴリズムは、シミュレートされた故障シナリオでもトレーニングされており、従来の固定翼アーキテクチャでは重大な制御喪失につながる故障モードを特定して補償することができます。
知覚レベルでも、DLR は独創的なソリューションを採用しています。研究チームは、翼上に大面積のセンサーマトリクスを配置する代わりに、少数の測定点から翼全体の空気力学的圧力分布を推測する方法を開発した。この再構築技術の助けを借りて、飛行制御システムは翼全体の周りの気流状態をリアルタイムで「認識」し、再構築された圧力場を予想される状態と比較し、局所的な外乱を自動的に特定し、それらが増幅される前に積極的に対応して抑制することができます。
変形可能な翼、AI 飛行制御、圧力場再構成技術の連携により、morphAIR 翼はある意味、自らの飛行状態を「感じ」、「考える」能力を備えています。研究者らは、これは鳥の翼表面の適応性にこれまでのところ最も近い航空機の翼の試みの1つであると説明している。現在、本技術を搭載したPROTEUSドローンの飛行試験では、主にシステムの基本的な耐空性と各種サブシステム間の統合・連携を検証しており、将来の更なる最適化と用途拡大に向けた基礎を築いています。
近い将来、同様の変形可能な翼を大型旅客機に搭載するのは難しいだろうが、ドローンの分野では有望な可能性がある。次のステップで、DLR は総重量約 70 キログラムの PROTEUS アーキテクチャでさらなる試験飛行を実施し、この技術をより大規模なプラットフォームに拡張する実現可能性を実証する予定です。 DLRは以前、飛行中の翼のリアルタイム変形プロセスを示す試験飛行ビデオを公開した。外部の世界は、関連リンクを通じて、この新世代の表面可変技術の実際の空中でのパフォーマンスを観察できます。