航空宇宙工学の柱

2020-05-09

航空宇宙工学の柱

一言に航空宇宙工学と言ってもその中で広い分野に枝分かれしている。
医学と言っても内科や外科や皮膚科に分かれているのと一緒だ。

冒頭の図を見てほしい。まず縦に3本の柱、材料力学と流体力学、熱力学がある。
そして横にまたがる柱が制御、システム、宇宙環境利用だ。

航空力学という言葉をよく聞くと思うけど、それはもう少し基本的なもので、制御、システム、流体力学のベースとして使う。

順に行こう。一つ目の柱、材料力学

材料力学は、例えば鉄の棒をギュッと折り曲げた時に、どれだけの力がかかると折れてしまうかを計算する学問だ。飛行機を構成する材料を考える上で、軽くて強いものを使いたい。飛行機の部品にはどんな力がどれくらいの強さでかかってくるのか知る必要があるし、それに耐えうる素材、また加工しやすい素材が飛行機には適しているってことになる。最近は炭素繊維が注目されているよな。

また材料力学の上に乗っかるのが構造力学という学問で、例えばアルミの棒を組んで飛行機を作った時に、アルミそのものではなく構造体としてどれだけの力をかけたら壊れるのかを計算する。ハニカム構造とか、トラス構造とか、いろんな構造がある。翼と胴体など、飛行機の部品によってもかかる力が違うし、それぞれ材料から構造までしっかりと考えられて飛行機は作られているんだ。

次に二つ目の柱、流体力学

流体力学から、気体力学に発展して勉強を進めることになるだろう。流体ってのは水とか空気のことで、これらが飛行機にどんな力を与えるのかを計算する。ピンとくるのは、揚力だよな。

どんな翼型にすれば抵抗が少なく揚力を得られるのか、高速飛行するにはどんな翼がいいのか。
それらを風洞を使って実験もするし、コンピューターで計算も行う。
CFD
上の図はCFD: Computational Fluid Dynamics と言って、コンピューターで流体の挙動を計算して、飛行機のどこにどれだけの熱量がかかるか、また飛行機の周りの流れをどうなっているかを計算して図にしたものだ。

あと、衝撃波みたいなのもこの流体力学の範囲だ。
ちなみに、新幹線の形状なんかもこの流体力学に基づいてデザインされている。

三つ目の柱、熱力学

熱力学から推進工学に進んでいくんだが、これはより効率のいいエンジンを設計するためにある。
軽くて、燃費がよくて、安定していて、強力な推力を得られるエンジンが飛行機には求められる。

今は超音速飛行するためのエンジンや、空気のない宇宙でも推進力を得ることができる、プラズマ推進なんかもここで研究される。

これらが縦の柱。

次に横の柱に移るけど、ざっくり言うとこれらは縦の三つを統合するようなものだ。
横の柱の一つ目は制御

制御工学といって、対象をどうコントロールするかを研究する。
わかりやすい例でいうとオートパイロット。

オートパイロットの原理を簡単に説明してみよう。超難しそうに見えるこのシステムも、実は簡単な原理に基づいている。
例えば、今上空10000ftを飛行しているとしよう。それが、さらに20000ftまで上昇したい。

まず、コンピュータに20000ftとセットする。
するとコンピュータは今の高度を読む。「あ、今は10000ftを飛んでてさらに上昇しないといけない。じゃあパワーを足さないとな。」ってコンピュータが判断して自動でエンジンの出力をあげて、ピッチをあげる。

そうして上昇が始まって、19000ftまで上がってきたとする。すると、目標の高度まであと1000ftだ。コンピュータはその差をよんで、「あともうちょっとだからパワー減らしてゆったりとした上昇にするか」とエンジン推力を減らす。

さらに19900ftくらいまで行ったらコンピュータはまた目標高度との差を読んで、「あともう100ftだからパワーを水平飛行のパワーにもどしてピッチも下げとこうかな。」って判断して、20000ftでレベルオフするわけだ。

ちなみに、例えば20100ftまで上がってしまったら、またコンピュータが目標の高度との差、+100ftを読んで、「あ、高度上がりすぎちゃったからさげなきゃ」とパワーを絞る。
オートパイロットってのはこんな風に、「目標の値との差」を読んで、その差を小さくするような入力を入れるという原理で成り立っている。

オートパイロットって、ものすごく簡単な、当たり前の原理で動いている。

最新の研究では、無人飛行機なんかの制御も研究されている。

カメラの画像から障害物を認識して、自動で避けながら目標に向かうみたいな制御なんてのもできるんだから、科学ってすごいね。

次の柱、システム工学。これはまさに上の学問の統合だ。

飛行機のような巨大なシステムでは、翼、エンジン、機体の構造など、複数の要素が絡みあう。

例えば、エンジンが好きな人はバカでかいエンジンをくっつけてめちゃめちゃ速い飛行機を作りたい。でも、でかいエンジンじゃ空気抵抗が悪すぎて飛行機全体として逆に速度が出ない、なんてことが起こり得る。

これを最適な形に統合しようとするのがシステム工学だ。

最適な形って何?って話なんだけど、変化するパラメーター(例えば、翼の大きさとか)と評価するパラメーター(燃費や最高速度とか)を作って、コンピューターで反復計算させて、翼の大きさがこれくらいの時が燃費がよくなりました。なんて設計を行う。

最後に宇宙環境利用

これはこれまでの五つと関連しない部分もあるんだけど、宇宙環境を使って人類に有益なこと研究する。

よく聞くのは、無重力を使って薬を開発するとかね。宇宙エレベーターなんかもこれに入るのかな?

航空宇宙工学科に進むと、だいたいこれらの研究室に入って、自分のやりたいことを研究する。
エンジンに興味がある人は熱力学系の研究室に進むし、この先生のところで学びたいって選択をする人もいる。

少しでも興味を持ってもらえたら幸いだ。