滞空性プラットフォーム「マザーシッププロジェクト」第2弾～猛禽類の飛行方法をヒントに、カイト（凧）の強い姿勢制御を達成！～

トヨタ自動車には豊田佐吉遺訓をまとめた豊田綱領があり、その中に「研究と創造に心を致し 常に時流に先んずべし」という言葉があります。私たち未来創生センターでは、将来日本が抱えるであろう社会課題を想定し、資源の多くを輸入に頼っているわが国の将来のエネルギーセキュリティのために2018年「マザーシッププロジェクト」^＊1＊2＊3を立ち上げました。「マザーシッププロジェクト」とはカイト（凧）を対流圏界面域に飛ばし、空中プラットフォームとして偏西風を利用して発電したり、ほか世の中に役立つサービスを提供したりしようというプロジェクトです。このプロジェクトを実現させるために、我々は以下のように開発を進めてきました。

• 2018年4月　

  プロジェクト開始

• 2018年7月　

  「膜体インフレータブル構造」のカイトを自ら設計、製作、試験評価開始

• 2020年5月　

  米国産基材で地上高度1,000m飛行達成

• 2021年3月　

  高高度での飛行を実現するためのオンリーワン技術が詰まった「新基材」の開発完成

• 2021年9月　

  新基材を用いたカイトによる連続滞空飛行試験開始。その後、2021年10月、11月、2022年3月と計4回実施

• 2023年3月　

  新制御技術を導入したカイトによる連続滞空飛行試験実施

• 2023年9月　

  12時間連続滞空飛行試験実施

先回の第1弾の記事^＊4では高高度での飛行を実現するためのカイト用「新基材」の開発について紹介しました。今回の第2弾では、2022年3月の連続滞空飛行試験結果を踏まえ、過酷な風況（風の状態や性質）の中でもカイトを長時間、安定的に滞空させるために重要なカイトの「姿勢制御の開発」について紹介します。

新基材はできた、新たな目標が見えてきた

まずは、第1弾で告知した2022年3月実施「新基材」を用いたカイトによる連続滞空飛行試験結果をお伝えします。動画1をご覧ください。我々が想定していた通り新基材採用によりカイトが軽量化でき、縫い目部分の強度が上がったことで、強風に対するカイトの耐久性は大幅に向上し、飛行中インフレータブル構造の骨格が折れるような現象は起りませんでした。しかしながら、安定した風が吹いていた時間が短かったため、連続滞空2時間13分と目標の連続滞空24時間にはいうに及ばず、自然環境が試験結果に大きく影響する大変さを身に染みて感じました。

しかし、それは我々の言い訳であり、マザーシッププロジェクトを実現するためにはいつでもどこででもカイトを揚げて空中に連続滞空させる必要があります。そこで我々の次のマイルストーンを、一年中通して強風が吹く場所でも長時間、安定的に滞空が可能な制御技術を開発することに設定いたしました。

シミュレーションでみえてきた根本的な原因

2021年9月から実施していた数回の飛行試験中、カイトに強い突風があたるとカイトが大きく姿勢バランスを崩し落下する、いわゆる「ダイブ落下」という現象に悩まされていました。この現象を解決するためにカイトの構造設計を見直し、剛性や安定性を高めようとしましたが（図1）、カイトが耐えられる突風風速は10m/sから20m/sまで改善したものの、飛行試験の風況はそれを超える30m/sだったため、構造設計の工夫によるダイブ落下解決には至りませんでした。

ちょうどそのころ、プロジェクト立ち上げ時から3年かかりで開発していたカイトのダイナミクスシミュレーション（運動方程式を基にした飛行運動モデル）ができあがってきたので、早速、シミュレーションをしてみたところ、突風時のダイブ落下の要因が「膜体インフレータブル構造」を採用したがゆえの、左右の翼の非対称変形によるものだということが分かりました（図2、動画2）。これは大きくて軽い構造体を実現するために「膜体インフレータブル構造」を採用したことによる本質的な技術課題であり、カイトの長時間滞空実現のためには「空力舵（航空機の機体に取り付けられた舵）」を使ってこの左右の翼の非対称を補正する「姿勢制御の開発」が必須であることが分かりました。

空力舵と姿勢制御の開発チャレンジと課題克服

空力舵の構成には無限の解がありますが、カイト上に積んだバッテリーで駆動させるためサイズが小さく、軽く、省電力かつ姿勢を制御する上で空力特性変化が大きいことが望まれます。数々のダイナミクスシミュレーションや風洞試験による試行錯誤の結果、飛行機翼のスポイラー形式を採用し、カイト上面の左右翼弦に搭載することにしました（図3）。

そして2023年3月、満を持してスポイラーとコバートを装着したカイトを飛行試験をした結果、荒れた風況の中でも6時間の安定した連続滞空を達成しました（動画3、図6）。

これから

マザーシッププロジェクト開始から約5年半経ち、立ち上げ当初は3名で始めたプロジェクトも、今では世界中に仲間ができ、また世界の研究者から問い合わせをいただくなど、プロジェクトとして育ってきていることを実感しています。第1弾で示したマザーシッププロジェクト概要の実現を目指し、次の目標として2024年現カイトの進化版による高度5,000m、8日間の連続滞空を掲げ、目下メンバーと開発に勤しんでいます。

またカイトの応用先として、世の中に貢献できるサービスの検討も行っています。その一例として、線状降水帯のような甚大気象になりうる現象を上空のカイトにより集めたデータを用いて予測したり、カイトを防災・減災のために気象制御する手段として活用することも検討しています。後者については、内閣府ムーンショットプログラム目標8（気象制御）^＊6のコア研究プロジェクト「ゲリラ豪雨・線状対流系豪雨と共に生きる気象制御」^＊7の研究参加者として参画しています。

いつの日か「マザーシッププロジェクト」の実現を夢見て、我々の挑戦は続けていきます。

著者

板倉 英二
トヨタ自動車が、かつて航空機用エンジンの開発していた際の、型式・製造認証取得の中心メンバー。以降、将来モビリティ企画研究に従事。夢は「マザーシップ」を実現させること。マザーシッププロジェクトがいろいろな研究や技術の集合体であることから「今は日の目をあまり見ていない尖った研究や技術」のプラットフォームにもできないか考えています。関心がありましたら是非ご連絡ください。

参考文献

本件に関するお問い合わせ先

未来創生センター

メールアドレスfrc_pr@mail.toyota.co.jp