民間の超音速飛行解禁 超音速飛行とは何か？ソニックブームとは何か？

この記事で分かること

民間の超音速飛行解禁

　トランプ政権は、民間機の超音速飛行を解禁する方向で政策を推進しています。　

　https://news.yahoo.co.jp/articles/d6c96502b9db3bb234d5c9097e5ca092beab11bb

　これは、1973年にアメリカ上空での商業超音速飛行が騒音問題を理由に禁止されて以来、50年ぶりの大きな政策転換となります。

超音速飛行とは

　「民間機の超音速飛行」とは、音速（マッハ1）よりも速い速度で飛行する民間航空機による旅客・貨物輸送を指します。一般的には「超音速旅客機（Supersonic Transport, SST）」と呼ばれます。

　地球上の音速は、気温や高度によって異なりますが、およそ時速1225km（高度1万メートルでは時速約1060km）とされています。これを超えて飛行することを「超音速飛行」と言います。

　これまでの民間超音速飛行の代表例は、イギリスとフランスが共同開発し、1976年から2003年まで運航されていたコンコルドです。コンコルドはマッハ2（音速の2倍）以上の速度で巡航し、ニューヨークからロンドンまで約3時間半で結んでいました。

超音速飛行の特徴と課題

　民間機の超音速飛行には、以下のような特徴と課題があります。

1. 高速性

• メリット: 移動時間を大幅に短縮できます。例えば、大陸間移動や地球の反対側への移動がより現実的な時間で可能になります。ビジネス利用や緊急性の高い移動において大きなメリットとなります。

2. ソニックブーム（衝撃波音）

• 特徴: 航空機が音速を超えて飛行する際に、機体各部から発生する衝撃波が地上に到達することで「ドーン」という大きな爆発音として聞こえる現象です。この音は、地上の窓ガラスを割るなどの被害を引き起こす可能性があり、これが過去に陸上での超音速飛行が禁止された主な理由です。
• 課題: ソニックブームをいかに低減させるか、あるいは発生させないかが、超音速旅客機の実用化における最大の技術的課題の一つです。現在の研究では、機体の形状を工夫することで衝撃波を拡散させたり、地上への到達を弱めたりする技術が開発されています。

3. 燃費と環境負荷

• 課題: 超音速飛行には、通常の亜音速飛行よりも大きな推力が必要となるため、燃料消費量が増加します。これにより、二酸化炭素排出量の増加や、高高度飛行における窒素酸化物などの排出によるオゾン層への影響も懸念されています。
• 対応: 持続可能な航空燃料（SAF）の利用や、より低燃費なエンジン・機体設計の研究開発が進められています。

4. 機体設計と構造

• 課題: 超音速で飛行する機体は、空力的な負荷や熱的な影響が大きいため、特殊な素材や構造が必要です。また、通常の旅客機よりも細身で座席数が少ない傾向があり、これが運航コストに影響を与えます。

5. 経済性

• 課題: 燃費の悪さや機体の製造・維持コストの高さから、超音速旅客機は運賃が高くなる傾向があります。コンコルドも利用者が限られており、経済性が課題の一つでした。

　現代の民間機の超音速飛行の開発は、これらの課題、特にソニックブームの低減と環境適合性、経済性の改善に重点が置かれています。

ソニックブームとは何か

　「ソニックブーム (Sonic Boom)」とは、航空機などの物体が音速（マッハ1）を超えて飛行する際に発生する、雷鳴のような大きな音のことです。

　通常の飛行機は、音速よりも遅い「亜音速」で飛行します。この場合、機体から発生する圧力波は、音速で全方向に広がっていくため、機体が先に進んでも、発生した音は機体の前方に到達し、連続した波として伝わります。

　しかし、機体が音速を超えると、状況が変わります。機体自身が音速よりも速く進むため、機体から発生する圧力波が機体の前方に到達できず、機体の後方に次々と積み重なってしまいます。この重なり合った圧力波が、急激な圧力の変化を伴う「衝撃波」となり、機体を頂点とした円錐状に広がっていきます。

　この円錐状の衝撃波が地上に到達する際に、地上の観測者には「ドーン」という、まるで爆発したかのような大きな音として聞こえます。これがソニックブームです。地上の窓ガラスを割るなどの被害を引き起こすこともあるため、過去には陸上での超音速飛行が禁止される主な理由となっていました。

　ソニックブームの音の大きさは、航空機の速度や形状、飛行高度、そして大気の状態によって異なります。

　現在の超音速旅客機の開発では、このソニックブームをいかに低減させるか、あるいは地上に到達させないかという技術が重要な研究課題となっています。

ソニックブームを減らすにはどうすれば良いのか

　ソニックブームを減らす方法は、主に航空機の機体形状の工夫と、飛行方法の最適化によって研究・開発が進められています。

1. 機体形状の工夫（低ブーム設計）

　これが最も重要なアプローチです。ソニックブームは、機体から発生する複数の衝撃波が地上に到達する際に、それらが一体化して大きなN字型波形になることで発生します。これを抑制するために、以下のような設計が検討されています。

• 衝撃波の統合抑制:
  • 機体各部（機首、主翼、尾翼など）から発生する衝撃波が、地上に到達するまでに統合されて大きな波にならないよう、機体の断面積分布や形状を綿密に設計します。
    • 細く長い機首: 衝撃波の発生源となる機首を非常に細長くすることで、機首から発生する衝撃波を弱め、分散させます。NASAのX-59などがこの設計を採用しています。
    • 胴体のくびれやカナード（小翼）の利用: 機体の一部に意図的にくびれを設けたり、カナード（前翼）から発生する圧力波を、他の部分から発生する圧力波と干渉させて打ち消す効果を狙ったりします。
    • 主翼の揚力分布の最適化: 主翼から生じる衝撃波を、地上に到達するまでに分散させるような揚力分布（揚力の発生の仕方）を設計します。
• 「N型波形」の変形: ソニックブームは、圧力が急激に上昇し、その後急激に下降する「N型波形」と呼ばれる波形で伝わります。この波形を、より緩やかな変化の波形に変えることで、音の大きさを低減させます。

2. 飛行方法の最適化

• 飛行高度の調整: ソニックブームは、機体の高度が高いほど地上での減衰が大きくなります。そのため、超音速飛行中はできるだけ高高度を飛行することで、地上への影響を軽減できます。
• マッハカットオフ現象の利用: 特定の条件（飛行速度、高度、大気の温度・風速など）が揃うと、超音速機から発生した衝撃波が地上に到達する前に大気中で屈折・消滅する現象が起こります。これを「マッハカットオフ」と呼び、この現象を利用して陸上でもソニックブームが聞こえない飛行ルートや高度を計画する研究が進められています。

3. その他の研究

• プラズマアクチュエータなどによる衝撃波制御: 機体表面にプラズマを発生させるなどの方法で、衝撃波そのものを能動的に制御する技術も研究されていますが、これはまだ基礎研究の段階です。
• 大気中の減衰効果の利用: 大気中の窒素や酸素の分子振動、相対湿度が衝撃波の減衰に影響を与えることが分かっており、これらの影響を考慮した伝播解析によって、より正確なソニックブーム予測と低減方法の検討が進められています。

　NASAのX-59や日本のJAXAの「D-SENDプロジェクト」などは、これらの低ブーム設計技術を実証するために開発された試験機です。これらの研究により、将来の超音速旅客機は、コンコルドに比べて大幅に静かな飛行が実現できると期待されています。