NASA Steps Up Civil Hypersonic Studies With Aerion, GE | NASA、民間機向け極超音速技術の研究契約をAerion社・GE社と締結

NASAは長年にわたり研究を続けてきた極超音速技術の商業展開の可能性に向けた開発への移行を進めており、Aerion Supersonic社およびGE Aviation社に対し、それぞれ高速機の設計と推進システム開発を支援する契約を締結した。

マッハ1.4で飛行するビジネスジェットを開発するというAerion社との契約は、これまで進められてきた2件の共同研究契約をベースに、極超音速手前となるマッハ3～5での飛行における推進システムと熱管理技術に焦点を当てたものだ。 

GE Aviation社との契約は、高温に対応したセラミック素材と、F101エンジンの研究をベースにした高マッハ機向けのタービン式コンバインドサイクル（TBCC）の研究を目標としている。

NASAの極超音速技術プロジェクト（Hypersonic Technology Project：HTP）の一環であるAerion社との契約は、NASAが進めている民間向け極超音速飛行の研究を特に反映したものだ。かつては、定期的に飛行できる、再利用可能な、吸気式エンジンを搭載した米軍向け極超音速機の基礎研究に注力していたが、最近はこの傾向に変化がみられるようになった。

「民間向けの極超音速技術をもう少し詳しくみていこうという動きが出てきている」と語るのは、バージニア州にあるNASAのラングレー研究所で民間向け極超音速技術プロジェクトマネージャーを務める、Lori Ozoroskii氏だ。

同氏は1月22日に開催された業界交流オンラインセミナー「AFWERX Vector/Supersonic Prime Ask Me Anything」で、発展が進む民間向け極超音速分野の研究に着目しようというNASAの動きは、「1年間のデューデリジェンス」の後に訪れたと付け加えた。彼女によると、この中では業界が吸収した知見のレビューと、「極超音速技術においてカギとなる質問に対し、洞察を提供するための複数の研究」が行われたという。「マーケットは存在するのか？実現に必要な技術は何か？この領域における要求性能はどの程度のものか？といったことを調査し、その設計領域を深く理解しようとしている」と、NASAのアプローチを総括した。

Aerion社は、NASAとのSpace Act Agreement契約に基づき「推進システムと熱管理技術のパラメトリックな整合性を検証する。合同検証を通じてマッハ3以上の環境がもたらす影響を調査し、その中でも使用可能な統合型発電システムや、キャビンシステムの開発に必要なソリューションの確立を目指す」としている。

同社は2023年からフロリダ州メルボルンにある新拠点でAS2初号機の製造を開始する予定で、共同研究の中で自社開発した空力最適化ツールを活用することも目指している。これらのツールは「将来コンセプト機の技術検証に使用し、より高速な次世代機への橋渡しをサポートするものだ」と同社は付け加えた。

社長兼CEOのTom Vice氏は、NASAとの共同研究について「当社が取り組んでいる次世代型のAS3旅客機の開発に大きなプラスとなる」と述べた。AS2ビジネスジェットに続く、この新型機の詳細はほとんど明らかになっていないが、一般にはより高速で大型、かつ衝撃波の少ない旅客機を目指しているとされている。

Aerion社とのこの契約は、昨年5月にNASAがVirgin Galactic社の子会社であるThe Spaceship Company社と交わした高速機研究契約に続くものだ。NASAとの共同開発の中には、マッハ3～5領域における機体の熱管理と推進システムの組み合わせに関する研究が含まれている。極超音速領域の手前までを対象としたこれらの研究は、Virgin社のマッハ3級宇宙船·SS2の後継機として同社が長期にわたり取り組んでいる「SS3」高速機に合致する内容だ。

NASAがGE社と交わした5年契約は、HTPおよびDARPAの極超音速機研究分野を対象としたもので、高速機の機体構造に必要とされる材料や、吸気型エンジンの技術開発を支援する。特に材料研究においては、炭化ケイ素/炭化ケイ素（Sic/Sic）や炭素/炭化ケイ素（C/Sic）を用いた、高温耐性を持つ軽量セラミック複合材の共同開発が含まれている。Sic/Sic材は高速環境に必要な次世代型タービン向け、C/Sic材は主に極超音速機や宇宙船の耐熱構造部における使用を想定している。

GE社が持つF101エンジンについての知識と経験、そして制御システム分析能力は、NASAがHTPで開発してきた極超音速実証機「Aether」で使用される、マッハ2以上を発揮するTBCC推進システムの実現可能性を評価するために用いられる。

当初はB-1A爆撃機向けに開発され、その後CFM56ターボファンエンジンのコアとして使用されているこのエンジンはファンのバイパス比が2.0あり、Aetherがラムジェット推進に切り替わる速度まで、コンバインドサイクルで加速させるのに必要な特性を持つ唯一のエンジンだとNASAは考えている。F101が持つ比較的高いバイパス比は、コアのコンプレッサーおよびタービンの温度限界超過を避けるために、出力を下げてほとんどの空気にコアをバイパスさせることが可能になる。

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NASA is transitioning long-running hypersonic technology studies increasingly toward potential commercial applications and has awarded two new contracts supporting high speed design and propulsion work to Aerion Supersonic and GE Aviation respectively.

The work with Aerion, which is developing the Mach 1.4 AS2 supersonic business jet, builds on two previous collaborative study contracts and focuses on propulsion and thermal management technologies for aircraft flying in the sub-hypersonic Mach 3-5 speed range. 

The contract with GE Aviation targets high-temperature ceramic components and turbine-based combined cycle (TBCC) research for high-Mach vehicles, and is based on studies of an F101 engine.

Awarded as part of NASA’s Hypersonic Technology Project (HTP), the Aerion contract particularly reflects the agency’s ongoing pivot toward commercial high-speed flight research.  Although traditionally supporting fundamental U.S. defense research work aimed at enabling routine, reusable, airbreathing hypersonic flight, this has changed in recent times. 

“There has been some push to get into looking a little closer at commercial hypersonics,” said Lori Ozoroski, project manager of NASA commercial supersonics technology at the agency’s Langley Research Center, Virginia.

Commenting at a AFWERX Vector/Supersonic Prime Ask Me Anything industry engagement webinar on Jan. 22, Ozoroski added that NASA’s move to examine the emerging civil high-speed flight sector came after “a year of due diligence.” This has included reviews of industry input and “multiple studies to provide insight on what are the key questions for hypersonics,” she said. “Is there a market? What are the enabling technologies? What kind of performance requirements are there for vehicles in that realm? And really trying to understand that design space,” Ozoroski said in summing up the approach.

Under the Space Act Agreement with NASA, Aerion said the collaboration will “evaluate the parametric suitability of propulsion and thermal management technologies. Through a joint assessment, the impact of Mach 3+ speed regimes will be explored to also establish solutions for enabling technologies in respect of integrated power generation and cabin systems.”

The company, which plans to start assembly of the first AS2 at its new Melbourne, Florida facility in 2023, also aims to use its in-house developed aerodynamic optimization tools as part of the study. The tools will be used to “conduct technology assessments on future concepts and aid a transition to the faster aircraft of tomorrow,” Aerion added.

Aerion president and CEO Tom Vice said the collaboration with NASA will “significantly add to the work our company is doing on our next generation AS3 passenger jet.” Few details of the proposed follow-on to the AS2 business jet have been disclosed, though the project is known to be generically aiming at higher speeds for a larger, low-boom capable airliner concept.

The agreement with Aerion follows a similar high-speed transport study contract announced last May between NASA and Virgin Galactic sister firm The Spaceship Company. The research work with NASA included collaboration on vehicle thermal management and propulsion system options in the Mach 3-5 regime. The studies on technologies up to the threshold of hypersonic conditions dovetails with Virgin’s long-running plans to develop an “SS3” high speed transport derivative follow-on to the company’s Mach 3 SS2 spaceplane.

NASA’s five-year contract with GE covers work for both the HTP and DARPA’s hypersonic vehicles research areas and supports materials technology development for high-speed aircraft structures as well as air-breathing engine technologies. In particular, the materials research will involve joint development of high-temperature resistant, lightweight ceramic composites made from silicon carbide/silicon carbide (Sic/Sic), and carbon/silicon carbide (C/Sic). The Sic/Sic material is targeted at advanced turbines for high-speed environments, while the C/Sic is aimed primarily at thermally resistant structures for high-speed hypersonic and space access vehicles.

GE’s knowledge, experience and control system analysis capabilities with the F101 will be used to assess the viability of the Mach 2-plus turbine engine to operate in a TBCC propulsion system for a hypersonic concept vehicle dubbed Aether, which has been developed under NASA’s HTP effort. 

The engine, originally designed for the B-1A bomber and subsequently used in the core of the CFM56 turbofan, is the only powerplant of its type with a fan bypass ratio of 2.0, which NASA believes will be required for accelerating the Aether vehicle to the point in the combined cycle operation in which the ramjet will take over. The F101’s relatively high bypass ratio will allow most of the flow to bypass the core when it is throttled down to avoid exceeding the core’s compressor and turbine flow temperature limits.