航空機部品設計におけるイノベーションで競合他社に先んじる方法

航空宇宙分野において、空の覇権をめぐる競争は、よりスマートな航空機部品の開発から始まります。部品設計におけるイノベーションは、メーカーの間で中心的な位置を占めています。各社は、重要部品の形状、重量、機能、そして構造を見直しています。

部品設計への注力を強化することで、コストを大幅に削減できます。製品のライフサイクルコストの約70%から80%は設計段階で決定されるため、設計段階は生産工程の中で最もコストレバレッジのかかる段階です。エンジニアたちは、重量をグラム単位で削減し、主翼をモジュール式キャビンへと転換し、性能、効率性、持続可能性を重視した次世代航空機を設計しています。

部品設計が航空業界の新たなイノベーションの戦場である理由

航空業界のリーダーたちは、コスト管理とサプライチェーンの不確実性。

デルタ航空とエアバスは最近、数十年にわたるパートナーシップを拡大し、部品とシステムのイノベーションを加速させています。エアバスのUpNextラボでは、先進的な主翼設計から航空機支援システムまで、あらゆる要素を試験し、新規および既存の航空機の燃費と構造応答性の向上を目指しています。

デルタは、テストへの参加や継続的な設計フィードバック ループを通じて、エアバスのエンジニアリング プロセスに深く関与しています。

同時に、デルタ航空はJetZeroと提携し、根本的に異なる機体フレームを市場に投入します。この新しい構造は、ブレンデッド・ウィング・ボディ（BWB）設計で、燃料消費量を最大50%削減できる可能性があります。重要なのは、このBWB設計では最新のエンジンを使用していることです。これは、燃費向上のために必ずしも大規模な推進システムの改修が必要ないということを証明しています。

伝統から飛躍へ：伝統的なデザインを超えて

従来の航空機の設計の多くは、今日の燃料費や排出量目標を考慮して設計されていませんでした。かつての航空機は大量生産向けに最適化されていましたが、今日の機体設計は根本的に再考されています。

JetZeroのBWBモデルは、細長いチューブ状の胴体を廃止し、翼に直接一体化されたワイドボディフレームを採用しています。この設計は、既存のエンジンと空港インフラを活用しながら、揚力の増加、抗力の低減、そして重量配分の均一化を実現しています。

一方、エアバスは「eXtra Performance Wing」プロジェクトを立ち上げ、飛行中に形状を変化させることで空力効率を最大化できる新しい形状可変翼の開発を目指しています。この新しい高性能翼は、鳥の飛行行動にヒントを得て、気流状況に動的に反応するように設計されています。

どちらのシナリオ例においても、ブレークスルーの原動力となっているのは、新しい素材や推進システムではありません。むしろ、部品が何をでき、何をすべきかについての斬新な発想です。

積層造形が部品業界を変える

積層造形（AM）は、理論上、エンジニアがほぼあらゆるものを造形し、廃棄物を削減し、金型製作を省略し、反復工程を高速化することを可能にします。ボーイング社は実際に、AMを用いて航空機用部品7万点以上を造形しており、その一部は機械加工部品よりも優れた強度対重量比で現在も飛行しています。

この技術は、重量やコストをはるかに超えるメリットをもたらします。積層造形は、格子構造、中空構造、内部冷却チャネルといった複雑な形状など、従来の機械加工では不可能と思われていた機能設計の可能性を広げます。AM技術によって、これらも実現可能になりました。これらのイノベーションは、特に過酷な飛行環境下において、熱性能、振動減衰、疲労寿命の向上につながります。

ボーイング社の3Dプリンティングによる環境制御ダクトは、その顕著な例です。エンジニアたちは3Dプリンティングを用いて内部構造を再設計し、部品数を数十個から1個に削減しました。これにより、組み立て工数が大幅に削減され、重量が軽減され、空気の流れの効率も向上しました。

広く導入されている積層造形により、今日の設計チームは可能性を再考する自由を得ています。

付加製造とハイブリッドの融合：マルチプロセス部品製造の台頭

積層造形は複雑な形状の実現を飛躍的に加速させましたが、必ずしもそれが最終的な解決策となるわけではありません。メーカーは、CNC加工などの切削加工技術と積層造形を組み合わせることで、厳しい公差、より滑らかな仕上げ、あるいは構造的な補強を実現するケースが増えています。

このハイブリッドなアプローチは、「付加的・減算的製造」とも呼ばれ、軽量化のために内部格子構造を必要とする部品に用いられている一方、ボルト接合や既存部品との接合部には機械加工面も必要となる。このモデルは設計の柔軟性を高める。そしてフィット感の精度。

ボーイング社や他の OEM はすでに、同じセットアップでレーザー蒸着とフライス加工を切り替えるハイブリッド工作機械に投資しており、廃棄率の低下と、これまでは製造できなかった部品の反復製造の高速化を実現しています。

ハイブリッド方式を採用している航空宇宙設計チームは、製造をさらに大胆なアイデアの出発点として活用できます。

次世代部品設計におけるシミュレーションの役割

よりスマートな部品の設計は、モデリングソフトウェアから始まります。航空宇宙業界のリーダーたちは、部品の生産開始前に仮想的にストレステストを実施するために、シミュレーションツールを多用しています。熱応力、流体力学、経時疲労など、これらのデジタル評価により、エンジニアは早期に故障を発見し、迅速な反復作業を行い、高価な物理試作サイクルを省略することが可能になります。

ボーイングやエアバスといった企業は、既にシーメンスNX、Ansys、ダッソー・システムズといったツールを活用し、新部品の検証、材料疲労の予測、システム全体の性能モデリングを行っています。複雑なAM部品においては、このシミュレーションが不可欠です。ボーイングの積層造形チームは、従来の手法では評価不可能な、トポロジー最適化（高効率で軽量化された形状）された部品のテストにモデリングを活用しています。

これらのツールはスケーリングにも不可欠です。部品が複雑になるにつれて、シミュレーションによってコストのかかる複数回の試作や物理テストの必要性が減り、安全性や認証基準を損なうことなく、より迅速かつ低コストでイノベーションを実現できるようになります。

スリムで機敏、そして飛行テスト済み

革新的な部品設計は、スケールアウトして初めて意味を持ちます。現代の設計チームは、アジャイル開発、シミュレーションベースの検証、そして現実世界のフィードバックループを組み合わせることで、安全にサイクルを加速させています。

デルタ航空とエアバス社の協力関係には、「フェロフライ」と呼ばれる渡り鳥のV字編隊を模倣した技術の実飛行試験が含まれています。先頭機が上昇気流を発生させ、後続機がその上昇気流に乗ることで抗力を低減し、燃料を節約します。これは、試験飛行開始前の綿密なシステム設計と徹底的なシミュレーションによって実現された空力最適化です。

一方、JetZeroのような企業は、航空機の設計ワークフロー全体にリーン生産方式を適用しています。より少ない多機能部品に焦点を当て、デジタルツイン航空機の早期開発により、反復作業を迅速化し、デルタ航空や米国空軍などのパートナーとより緊密に連携できるようになります。

迅速に設計し、頻繁にテストし、失敗から学ぶというこのアプローチは、高度な航空宇宙プログラムにおいてますます標準になりつつあります。

業界横断的なインスピレーション：自動車と防衛から学ぶ

航空宇宙産業は飛行の限界に挑戦しているかもしれないが、最も優れた部品設計戦略のいくつかは、業界外から生まれている。軽量化、モジュール化、そして製造のための設計の長年の先駆者である自動車産業と防衛産業の知見が、今や航空業界に浸透しつつある。

例えば、自動車業界におけるジェネレーティブデザインソフトウェアの活用は、材料効率を重視した航空機部品の開発への道を開きました。GMの3Dプリント製シートベルトブラケットは、8つの部品を1つの部品に置き換えたもので、ボーイングが数十個のダクト部品を1つのAM部品に集約した方法と概念的に似ています。

一方、防衛分野におけるモジュール式兵器やドローンシステムの長い歴史は、航空機の内装や整備プロトコルの見直しを促してきました。エアバスによるモジュール式貨物・旅客ゾーンの検討は、迅速なミッション再構成が求められる防衛設計から直接ヒントを得ています。

これらのクロスオーバー戦略は、部品設計におけるイノベーションは必ずしもゼロから生み出す必要はないことを示しています。時には、ハイリスクな環境で既に実証されているものを応用することで優位性が生まれることもあります。

将来を見据えた独自の部品設計プロセスを構築する方法

アプローチを近代化するために、エアバスやデルタ航空のような企業になる必要はありません。設計に統合的なアプローチを取るだけで十分です。最も先進的な航空宇宙チームは、設計、試験、製造、そして持続可能性を、最初から一つの対話として捉えています。

つまり、次のようになります。

ヒューマンファクター：オペレーターと保守担当者が設計をどう形作るか

航空分野における最もスマートな部品設計は、空気力学的、コスト効率に優れ、人間を考慮した設計です。メーカーは部品の設計において、整備員、パイロット、オペレーターのニーズをますます重視するようになっています。なぜなら、実世界の条件下で使用や修理が困難であれば、どんなに高度な部品でも故障してしまうからです。

デルタ航空のテックオプス部門のエンジニアは、設計パートナーと緊密に連携し、重要なシステムの留め具の数を減らし、アクセスポイントを簡素化しました。ラッチの向きを変えたり、視覚的なインジケータを追加したりするなど、一見些細な変更でも、機体全体で年間数千時間の労働時間を節約できます。

パイロットも設計に影響を与えます。エアバスがサイドスティックコントローラーとヘッドアップディスプレイを導入したのは、コックピットからのフィードバックに基づき、高ストレス状況における認知負荷を軽減し、反応時間を向上させることを目的としたものです。

客室のモジュール化とテクノロジー化が進むにつれ、航空会社の従業員はユーザーエクスペリエンスについてますます相談を受けるようになっています。デルタ航空がJetZeroの内装計画に関わったのは、単に美観向上のためだけではありません。従業員の意見は、サービスクルーが収納スペースに効率的にアクセスし、移動に制限のある乗客をサポートし、機内で安全に移動できるようにするために役立ちました。

エンドユーザーと積極的に関わる企業は、理論的なパフォーマンスにとどまらず、実際の状況を考慮した設計へと踏み込みます。この人間によるフィードバックループは、見落とされがちですが、競争優位性を生み出す鍵となることがよくあります。

代替推進のための設計

水素、電気、持続可能な航空燃料 (SAF) への移行により、設計者が初日から計画しなければならない内容が変わってきています。

例えば、水素推進には極低温貯蔵と高圧封じ込めが必要です。これにより、重心から構造補強材の配置場所まで、あらゆる要素が変わります。エアバスの水素燃料商用航空機を含むZEROeプログラムは、熱シールドから強烈な冷却サイクルでも破損しない素材に至るまで、初期段階の部品設計における革新を促進してきました。

電気航空機には様々なトレードオフが伴います。バッテリーは重く、過熱しやすいため、他の部品の軽量化と、よりスマートな空気の流れの設計が不可欠です。また、熱管理と冗長性の要件により、設計チームはモーター、ダクト、さらには客室設備の従来の配置を再考する必要に迫られています。

全体的に、より環境に優しい推進力を設計するということは、それを取り巻くものを再設計することを意味し、それは部品レベルから始まります。

競争力のあるメーカーにとっての教訓

部品設計を依然として線形プロセスの固定段階として扱っている場合は、製品ライフサイクル全体を再考し、コストを削減し、開発を加速し、より耐久性が高く将来を見据えた航空機をゼロから構築する絶好の機会があります。

ボーイングは5年前には存在し得なかった部品を設計している。エアバスはルート効率のモデルとしてフライング・グース（雁行飛行）を採用している。そしてジェットゼロは飛行機のあり方を再考している。はこれらはサイドプロジェクトではなく、安全性と持続可能性を最優先する、部門横断的でシミュレーション重視の文化によって可能になった主な活動です。

飛行の未来は細部に宿る。旧来の手法は通用しなくなる。スマートなツールと苦労して得た教訓によって磨き上げられた新たな設計が、競争優位性を切り開く。航空機はこうして試練に耐える。無駄がなく、効率的で、準備万端であること。

次のステップに向けて準備はできていますか?簡単な会話を予約します。今日は話しましょう。

リソース：

CIRP年報

デルタニュース

デルタニュース

ボーイングIQ

エアバス・イノベーション・ハブ

エアバス・ゼロe