滞空性空中プラットフォームを目指す「マザーシッププロジェクト」第3弾～春一番が吹く福島の上空にて12時間以上連続滞空達成！～

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。トヨタ自動車 未来創生センター（トヨタ）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」^＊1-4を立ち上げました。「マザーシッププロジェクト」とは凧（カイト）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（第1弾^＊5で紹介）

• 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。姿勢制御の開発に着手

• 2023年3月

  姿勢制御技術を導入したカイトによる連続滞空飛行6時間達成（第2弾^＊6で紹介）

• 2024年2月

  ふくしまスカイパーク^＊7での24時間連続滞空飛行試験実施

今回の第3弾では長時間連続滞空飛行し続けるために必要な電力を自家発電で補う「カイト上（オンボード）風力発電デバイス」の開発と、その有用性を確認した2024年2月の試験結果について紹介します。

空中プラットフォームとしてさらに長時間の滞空飛行性能獲得を目指して

マザーシップとして空中プラットフォームを実現するには、カイトを長時間安定滞空飛行させる性能が求められます。その方法として第2弾で紹介した姿勢制御には、スポイラーやコバートといった空力舵（図1）を動かすための電力が必要です。また夜間滞空飛行には、法規上カイトにも航空障害灯の点灯が必要になり、それらを点灯するためにも電力を必要とします。電力を地上から供給する方法として、凧糸（テザー）を導線化する方法がありますが、安全性を考慮するとテザーが大変重く、また太くなってしまうため現実的ではありません。そこで我々は長時間安定滞空飛行に必要な電力をカイト上で発電するデバイスを開発することにしました。

必要な電力についてですが、マザーシップは対流圏界面域を滞空飛行しているため、昼夜問わず偏西風の強風を受けていますし、地上からテザーで引っ張られています。そのため、空力舵を稼働させる電力は無人航空機よりも必要だと推測しています。また、地上から浮上する際、極力重量を軽くしたいため、風力発電、太陽光パネルやバッテリーといった搭載物（ペイロード）は最小限としなければなりません。カイト上で発電するデバイスの候補としては太陽光パネルもあったのですが、現時点ではカイトの膜材に適した薄型の軽量太陽光パネルがなかったこともあり、我々は小型風力発電方式を選択しました。カイトは強風で荒れた風況時には、姿勢制御のために多くの電力を消費しますが、風力発電方式だと、そのような風況時は風力発電量が増えるので理にかなっていると思います。また、バッテリー残量を考慮し、制御頻度を増やすことで、電力マネージメントも可能です。風力発電のプロペラを大きくし発電量を増やせば、近い将来、カイト上に設置するペイロードに電力を供給することも可能だと考えています。

小型風力発電を設計する際、まず、過去の数々の条件での飛行試験データから姿勢制御での必要電力、航空障害灯の消費電力を算出し、この小型風力発電デバイスの必要性能を6.0Wから10Wに決めました。しかし、市販品ではこの必要性能を満たす風力発電の羽（ブレード）がなかったため、3Dプリンターで自ら成形し、風洞試験をしながら目標性能が出るか確認し、ブレード形状を改善していきました（図2）。ブレード断面を中空にして少し厚い翼型にするともっと空力性能が上がるのですが、成形に時間と費用がかかることから翼弦形状単板式を選択しました。そして飛行試験用に、より軽く、強くしたいこともあり、炭素繊維複合材料（CFRP）でブレードを成形することにしました。CFRPで成形した結果、ブレード単板厚を3.0mmから0.8mmへと大幅に薄くすることができました。（図3、図4）。

風洞試験で風速8.0m/sから20m/s下において、小型風力発電デバイスにより発電し、空力舵を動かしてみたところ、要求性能を満たすことを確認できました（図5）。また、カイトに小型風力発電デバイスを搭載し、200m上空でテスト飛行したところ、十分発電することも確認できました（動画1）。

『道場』福島での長時間滞空飛行にチャレンジ！

2023年3月に連続滞空飛行試験を実施した場所は夜間飛行ができない施設だったため、飛行時間が制限されていました。そこで、福島県の方に終日カイトの連続滞空飛行試験に使えそうな場所はないか相談した結果、「ふくしまスカイパーク（福島県福島市）」に決定しました。決定理由は、飛行に必要な設備が揃っていること、夜間や冬季は飛行場としては使用できないため、逆にその期間、我々が使用できるからです。次に、連続滞空飛行試験の実施時期ですが、施設の都合上、日程を実試験期間の約2ヶ月前に決める必要があります。そのため、実試験期間の天気や風況は選べません。除雪は、ふくしまスカイパークと福島市のご支援をいただけたこともあり、満を持して冬季の安定した強風が残る2月の中旬に試験期間を設定したのですが、当日は平年より1ヶ月早く『春一番』が到来し、福島でも猛烈な暴風雨に見舞われてしまいました。しかし、この暴風雨はカイトの性能を向上させたい我々にとっては好都合でした。

メンバーの安全を確保した上で、地上の風が安全基準に収まった瞬間に離陸（動画2）、強風、かつ、うねった風況の中を前回よりも姿勢制御を効かせながら、みるみるうちにカイトは上昇。高度600m付近で昼間は時折風速30m/sを超える極めて荒れた風況の中をしっかり姿勢安定制御が働き安定飛行を続けました（動画3）。

約6時間が経過したころ夜間に突入し航空障害灯の点灯を開始、昼間に荒れた風況による想定以上の姿勢制御の介入回数でバッテリー残量が気になりましたが、今回開発導入した小型風力発電デバイスの効果でカイト上電力量もしっかり残っており、安心して夜間飛行を続けることができました（動画4）。

しかし夜が深まるとだんだん風が収まり連続滞空飛行12時間を超えたところで上空1,000mまで全く風がなくなり、12時間26分で着地してしまいました。連続滞空飛行時間目標24時間に対してまだ半分程度ですが、プロジェクト上の滞空飛行時間での新記録を打ち立てることができました。また風速が30m/sを超えるような風況の中で姿勢制御技術で長時間滞空飛行し続けたという実績ができました。飛行体の中で、このような風況の中で飛行し続けることができるものは、我々が把握する限りありません。またそのような風況の中で風速（カイト上の風速計、図6）、高度（図7）、制御頻度（図8）、バッテリー電圧（図9）、そしてカイト姿勢の動画データを揃って取得できたことは、今後のカイトの技術改善に向けて大きな意味をもつことになります。例えば、小型風力発電デバイスは高風速域は申し分なく発電していますが、低風速域の発電開始タイミングを少し早めて、発電力を増やす改善をすれば夜間・低風速といった悪条件でも電力を供給できるということがわかりました。

これから

今回の長時間滞空飛行チャレンジで改めてわかったこととして、24時間以上の長時間飛行を目指すには、風況的により高高度の安定した強い風に到達する必要があります。そのために、現在、高度5,000m以上の飛行が可能なウィンチの開発を行っています。カイト自体については、今年8月に新しい設計を導入した試作を行います。そして今回の小型風力発電装置により、強風での姿勢制御技術や長時間飛行での電力マネージメントができるようになったので、今年の10月に偏西風の下端でもある高度5,000mと24時間連続滞空飛行を目指します。さらに、2025年2月には、より長時間となる8日間の連続滞空飛行を目標を目標とし、開発を進めています。マザーシップ最終ビジョン達成前ではありますが、カイトシステムを活用した気象^＊8や通信、小規模発電などの検討において、この高度と滞空飛行時間は自信をもって紹介できる実績なので、仲間づくりにもつながると思っています。

いつの日か「マザーシップ」の実現を夢見て、我々の挑戦は続いていきます。

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