NASAのX-57MAXWELL

電動化されるのは自動車だけではありません－飛行機もです！ そして、航空機が電気で動くことを証明するために、NASAは初の全電気駆動のX-Plane「X-57MAXWELL」を開発しました。 X-57は、現在Mod IIの構成で、イタリアのTecnam社製P2006Tを改造した機体です。 X-57では、通常のガソリンエンジンに代えて、トラクションバッテリーで駆動する全電動モーターを2基搭載しています。 X-57MAXWELLプロジェクトは、エネルギー消費の低減（X-57のモーターはガソリンエンジン航空機の5分の1のエネルギーを使用）、排出ガスの削減、飛行中の騒音の低減など、高い目標を掲げています。

チャレンジ：現実のものとする

NASAのエンジニアは、新しい電動航空機を設計する際、エネルギーを効率的に使うだけでなく、航空機が安全に飛行できるように設計しなければなりません。 その一つが、航空機の構造を解析的にモデル化し、飛行中に航空機が受ける応力をシミュレートすることです。そうすることで、高価な試作品を作る前に、 設計の弱点を発見し、修正することができるのです。

しかし、物理的な地上試験にはかないません。ある時点で、エンジニアは機体を加振器につないで計測を行う必要があります。このような物理試験は、 シミュレーションモデルの検証や、新しい航空機設計の構造特性の把握に不可欠です。

最初の試験飛行を行う前に行われるのが、地上振動試験（GVT）です。GVTでは、試験エンジニアが機体にさまざまな振動を与え、 機体周辺の数百のポイントでの応答を測定します。これらの測定値を分析することで、エンジニアは飛行可能な状態の航空機の モード周波数とモード形状を特定することができます。これにより、航空機の有限要素モデル（FEM）の検証と更新が可能になり、 フラッター解析の予測に使用することができます。最終的に、フラッター解析は、構造物が耐空性に必要な空力弾性とフラッター マージンを持っているかどうかを教えてくれます。

NATALIE SPIVEY:

モーダル試験と耐空性のためのNASAの切り札

試験チームを率いたのは、航空機の構造力学的耐空性、モーダル試験、フライトフラッター試験に関してNASAの「エース」である NATALIE SPIVEYです。現在、南カリフォルニアのNASAアームストロング飛行研究センターに勤務する彼女は、アイオワ州立大学で 航空宇宙工学の理学士号（2000年）、カリフォルニア大学ロサンゼルス校で機械工学の修士号（2006年）を取得しています。

モーダル試験の実地経験、耐空証明、飛行試験管制室での経験など、豊富な経験を持つため、SPIVEYは同僚から重要なエンジニアと認知されています。 彼女は数多くの飛行研究プログラムを構造力学エンジニアとしてサポートしてきただけでなく、X-57MAXWELL以外にも、 X-53アクティブ空力弾性翼やさまざまなF-15とG-III飛行実験、パッシブ空力弾性テーラード翼などのプロジェクトを率いてきました。

大学3年から4年の間にNASAドライデン（現在のNASAアームストロング）で1学期間、共同作業を行い、その経験の一部としてGVTを 数台手伝ったことがきっかけで、早くからテストに興味を持つようになったといいます。彼女がテストが好きなのは、分析的な仕事と 実践的な仕事の両方が含まれることだそうで、SPIVEYはその両方を得意としています。

NASA X-57 MaxwellのMod 4構成（高揚力モーター12個、翼端巡航モーター2個）のイメージ図

安全第一

GVTを実施する場合、試験品をできるだけ最終設計に近づけることが重要です。そのため、テストチームにとって興味深いチャレンジとなることがあります。

例えば、GVTでは、電動機用重量高電圧バッテリーは実在しないものでした。通常、一対の電気モーターを駆動する16個のトラクションバッテリーモジュールは 航空機の総重量の3分の1近くに相当します。しかし、安全のため、通電している電池ではなく、電池の質量シミュレーターが使用されました。 試験チームの課題は、実際の電池と同じ大きさ、質量、重心を持つ模擬品を設計・製作することでした。

また、実際のバッテリーと同じように機体に取り付けなければなりません。また、2つのバッテリー・コントロール・モジュール（BCM）がGVTに 間に合わなかったことも課題でした。この問題を解決するために、NASAのエンジニアは2つのBCMモックアップを設計・製作しました。 BCMのモックアップは実機より軽かったため、ショットバッグを追加して飛行時の重量を想定した重さにしました。重量はモード特性にとって 重要な要素であるため、試験チームは必要に応じて重量不足やバラストの積載場所を追跡しなければなりませんでした。

GVTの機体構成は、主翼に電源ケーブル、その他の飛行計器ケーブルやセンサ（飛行加速度計、ひずみゲージ）などがあり、 機体がNASAアームストロングに到着する前にすべてのコンポーネントが設置されていました。機体重量（GVTのロック装置、 ハードウェア、バラストをすべて含む）は、GVTの外部加速度計を取り付ける前に2,782ポンドと測定されました。

2種類のテストセットアップ

今回のGVTの目的は、主に2つの境界条件のテストであったため、2種類のテストセットアップが用意されました。ひとつは「ソフトサポート」と 呼ばれるもので、フリーフライト環境を模擬したものです。バンジーコードで機体下面のハードポイントで機体を吊り下げます。バンジーコードの 特性は、通常、メーカーが測定しないため、このような試験で使用するのは非常に困難でした。

GVTに先立ち、NASAはまずバンジー特性試験を数多く行い、選択したバンジーコードが荷重に耐え、かつ最初の飛行機モード周波数から 確実に分離するために十分な低周波数特性を持つことを確認しました。

2つ目のGVTのセットアップは、"オンタイヤセットアップ "と呼ばれるものです。このテストでは、飛行機は着陸用車輪を取り付け、テスト中は 地面に佇んでいます。タイヤの空気圧を通常にし、機首、尾翼、翼端のシェイクダウンを行い、ストラットを平衡状態にした後、試験に臨みました。

X-57 Maxwell Mod II構成でのGVTセットアップの概要

ギア・アップ

フリーフリーセットアップとも呼ばれるソフトサポートシステムを使った最初のテストセットアップでは、127か所に加速度ピックアップを設置し、 318自由度を測定することができました。機体のグローバル座標系を用いて、機体の両側、翼の支柱、舵面、モーター、ソフトサポートフレーム （主脚と機首に設置）に加速度ピックアップを配置しました。タイヤ上の設定では、ソフトサポート・システムの14カ所から加速度ピックアップを取り除き、 合計113カ所の加速度ピックアップで276自由度を測定しました。

どちらの設定でも、一軸と三軸の両方の加速度ピックアップを使用しましたが、大半の加速度ピックアップは2自由度を測定するように設定されて いました。これらの場所には、2つの一軸加速度ピックアップ、または3軸加速度ピックアップを設置しました。モーター周辺の加速度ピックアップは、 電気モーターへのアクセスや面積が限られていたため、設置が非常に困難でした。GVTの外部加速度ピックアップに加え、飛行機の計器システムを 使ってフライト加速度ピックアップのデータを取得し、最も近いGVT加速度ピックアップから収集したデータと比較しました。

これらの加速度ピックアップのデータを取得するために、NASAのチームはHBKの300チャンネル以上のLAN-XIデータ収集システムを使用しました。 LAN-XIはモジュール式のデータ収集システムで、1,000チャンネル以上の音響振動データを広いダイナミックレンジで収集可能な分析プラット フォームであり、要求の厳しい多くの計測アプリケーションで使用されています。NASA AFRCのLAN-XIシステムには4つのメインフレームがあり、 メインGVTコントロールステーションがある機首付近にLAN-XI 11スロットメインフレームが2つ、機体後部にLAN-XI 5スロットメインフレームが 2つ配置されています。メインフレームは、ネットワークハブを介してデイジーチェーン接続されていました。

GVTデータ収集システムの主な構成は以下の通り:

• 3660型メインフレーム： このテストシステムでは、5スロットと11スロットのメインフレームが使用されました。3660型メインフレームは、LAN-XIモジュールを保護しつつ 電源供給と接続を行います。
• 3053型12チャンネル入力モジュール： このモジュールは、このアプリケーションのためのコンパクトでコスト効率の良いソリューションを提供するために選ばれました。
• 3160型ジェネレーターモジュール： このアプリケーションではシステム加振が必要なため、このモジュールが使用されました。2入力2出力、または4入力2出力の いずれかを選択できます。すべての入出力チャンネルの周波数範囲はDCから51.2kHzです。

LAN-XIメインフレーム#1 & #2 (11スロットメインフレーム2台)

LAN-XIメインフレーム#3 & #4 (5スロットメインフレーム2台)

14種類のテスト構成、191の試験手法

NASAは、14種類の試験構成で191回の試験を行いました。その内訳は、ソフトサポート方式が11種類、オンタイヤ方式が2種類、 そしてノーズソフトサポートシステムの一部であるA-Frameリフティングデバイスを直接使用した方式が1種類でした。最後の構成は、 A-Frameの特性を把握し、対象となる航空機のモードとカップリングしないことを確認するために追加されました。このA-Frame試験では、 機体はソフトサポートに吊り下げられたままでした。

表1には、ターゲットモード、加振位置と方向、加振器の数、コックピットや操縦席の制約として使用したロック装置など、試験構成マトリックスの詳細を示しています。 全試験を通じて、一次モードと二次モードを確実に捉えられるように、試験エンジニアはこの構成マトリックスを常に注視していました。これらの試験を行う際には、 試験に合わせて適切に配置された1台または2台の加振器を使用しました。加振器の位置は、通常、FEモデルによって決定されます。

垂直尾翼の横方向への加振位置

翼端後縁加振位置

試験構成マトリックス

BK CONNECT データ収集分析

試験の実施とデータの解析に、NASAはHBKのBK Connectソフトウェアを使用しました。BK Connectは、データの取得、試験や構造物のリアルタイムでの監視、 取得データの後処理、試験レポートの表示、分析、作成をすべて1つのソフトウェアパッケージで行うことができる統合ソフトウェアプラットフォームです。BK Connectにより、 NASAのチームはデータを別のソフトウェアパッケージにエクスポートすることなく、データを解析できるようになりました。

GVTの結果、試験前のMod IIのFEMモード結果には現れない多くの航空機モードが示されました。GVTで確認されたこれらの欠落したFEMモードは、試験後のモデルの 更新と相関処理の助けとなります。例えば、今回の試験で、航空機の運動、翼のねじれ、制御面などの連成モードが発見されました。また、試験前のモデルには、 ノーズブームなど一部の部品が含まれていませんでした。GVTの試験データにより、X-57プロジェクトチームは、これらのコンポーネントをポストテストモデルに正確に 追加することができます。

BKConnectモーダル解析ソフトウェア

HBKの技術がNASAの成功を支援

GVTの結果、NASAはX-57 Mod II Maxwell構成のモード特性について、より深い理解を得ることができました。この試験は、試験前の航空機解析モデルが、 試験中に観測されたすべてのモードを捉えていないことを示しました。これらのモードを表示するためにモデルを更新することは、X-57プロジェクトチームにとって 挑戦となりますが、彼らは今、そのために必要なモード試験結果を手に入れました。

HBKは、このプロジェクトの成功の鍵の1つとして、GVTの事前と事後のサポートを行いました。試験前と、HBKのアプリケーションエンジニアが現場でサポートを提供する試験期間中 NASAのエンジニアは、HBKのサポートを受けることができました。

HBKのNASAプログラムへのサポートは、X-57MAXWELLプロジェクト以外にも広がっています。HBKとNASAのエンジニアは、毎月電話会議を行い、テストに関する問題を 議論しています。この月例ユーザーグループ会議には、アームストロング飛行研究センター、ジョンソン宇宙センター、ケネディ宇宙センター、グレン研究センター、 マーシャル宇宙飛行センター、ラングレー研究センター、その他のNASA施設など、いくつかのNASAセンターからエンジニアが参加しています。