静かな超音速飛行の実現にシミュレーションがどのように役立っているか

NASAのX-59 Quesstは先ごろ、初飛行で大空へ飛び立ちました。この独自の航空機は、従来の超音速航空機特有の轟きわたるダブルブームを抑えるために、数値流体力学（CFD）を用いて綿密に設計されました。

映画の中では、初飛行で予想をはるかに上回る速度に達する未来的な航空機がよく描かれています。勇敢なテストパイロットが停止命令を無視し、衝動的にスロットルを全開にすると、感動的なサウンドトラックが緊張感を盛り上げます。そして、機体が地平線の彼方へと飛び去る中、管制室が歓声に包まれるといった場面が映し出されることもあります。

現実の世界でも、NASAの管制室では歓声が上がり、テストパイロットは紛れもなく英雄となります。しかし、NASAのテストパイロットは衝動的に行動することはありません。実際、テストパイロットはほとんどの映画で描かれるよりもはるかに慎重に行動します。X-59の初飛行は重要な意味を持ちますが、意図的に音速の壁を超えることはしませんでした。テストパイロットは綿密かつ段階的なプロトコルに従って航空機の性能を安全に検証し、各飛行で得られたデータは、もう少し大胆な次の機動が計画される前にレビューされます。最終的には、飛行範囲全体にわたって航空機の性能が検証され、その航空機に安全認証が発行されることになります。

初飛行は、X-59が「静かな超音速旅行をアメリカ国民へ」というミッションを安全に遂行できるよう綿密に計画され、数年前に始まった数多くの段階の1つです。

シミュレーションによって安全性を確保

NASAのパイロットが段階的に進めていくテストの1つとして、高迎角での機動が挙げられます。緊急事態に直面しているパイロットは、臨界迎角、あるいはそれを超える迎角でも制御を失わないようにしなければなりません。NASAのテストパイロットは、航空機が失速し、空から落下し始めるこの臨界点に慎重に接近していきます。揚力の喪失は、翼の上側の気流が乱流となり、流れが翼上面から大きく剥離したときに発生します。多くの航空機で失速が始まる臨界迎角は15～18度の範囲にあります。

幸いなことに、パイロットやエンジニアが、失速が始まる条件を正確に理解するのに役立つ高度なCFDシミュレーションツールがあります。実際、高迎角飛行の実現に向けて最新情報を共有するために定期的に会合を開く、シミュレーションの専門家コミュニティも存在します。すべての航空機を安全に離着陸させるには、この飛行領域における理解と制御の向上が不可欠です。

Ansys Fluent GPUソルバーを用いた高ピッチレートのモデリング

Ansysは、航空機の極限状態でのシミュレーションにおいて長い実績を持ち、NASAの「高揚力予測ワークショップ（HLPW）」に長年にわたって参加してきました。Ansysは2010年の第1回会議以来、15年以上にわたって参加し続けています（2024年のフォーカスグループの概要はこちら）。これらの会議では、産業界、学界、政府の代表者が集まり、複雑さを増す航空機の形状に生じる揚力と抗力の予測について話し合います。その目的は、ベストプラクティスについて協力し合うことですが、公開されていない風洞試験データと最も正確に一致させることができるのは誰かという友好的な競争も行われています。CFDコードは年々高速化かつ高精度化しており、優れたツールによって、X-59などのより安全な航空機が開発されています。

2025年に更新されたHLPWワークフローは、Ansysが過去6年間にわたって研究してきたX-59の航空機形状に適用されました。最初のステップでは、Fluentのメッシュ生成機能を用いて、X-59のc608バリアントの周囲に高速な八分木メッシュが生成されました。航空機の境界で精細化されたこの高品質な六面体メッシュは、1億7,200万個の要素を含んでいます。メッシュ生成ツールは、192基のCPUコアを使用してわずか11分でメッシュを生成しました。このメッシュの最小直交品質は、非常に良好とされる0.3を超えました。

このメッシュがFluent GPUソルバーによって読み込まれ、流れ場の高精度な結果が得られました。圧力ベースの分離型ソルバーには、理想気体の空気物性が含められたほか、エンジンの吸気および排気流量と温度を正確に表現するためにエネルギー方程式が組み込まれました。機体周りの自由流速度はマッハ0.2に設定されました。乱流が壁面モデル化ラージエディシミュレーション（WMLES）で表現されたことで、翼上側の流れの剥離を高解像度で再現できました。X-59は、スライディングメッシュ法を用いて、最大20度まで段階的に大きくなる迎角に設定されました。このテストでは、航空ショーさながらの毎秒20度のピッチレートが採用されました。航空機は、ピッチアップ後に流れが完全に発達するよう、20度の姿勢に保持されました。

下のアニメーションは、X-59が急激にピッチアップしたときの流れの挙動を示しています。正規化されたq基準の値が50,000の等値面は、速度の大きさで色分けされています。q基準面は、乱流の激しい領域を特定し、渦構造を明らかにするのに役立ちます。通常、q基準の等値面は機体全体を覆いますが、ここでは最大の渦構造に焦点を当てるために切り取られています。主翼のすぐ前にあるカナード翼面が翼根に沿って気流を誘導している様子に注目してください。排気プルームは「アフターバーナー」のように見えるかもしれませんが、実際は体積的なCFD温度フィールドを表します。温度が高いほど、より黄色がかった白色で表現されて、シーンに対する発光が強くなり、不透明になっていきます。

Fluent GPUソルバーによるシミュレーションは、AMD Instinct MI300X GPU上で実行されました。ピーク性能は、8基のGPUを用いた単精度計算で、1回の反復あたりわずか0.27秒でした。5秒間の流れ時間のシミュレーションは、実時間でわずか3.7時間という短時間で完了しました。このケースは、単精度計算でも適切に実行されましたが、ほとんどのスライディングメッシュシミュレーションでは、倍精度計算が推奨されます。小数点以下の桁数が2倍になるこのケースでは、16基のAMD MI300X GPUにスケールアップされましたが、それでも、4.4時間足らずで結果が得られました。

これらの高性能なAMD MI300X GPUは、同等の最高品質を誇るAMD EPYC 9454 48コアCPUよりも最大で22倍の高速化を達成しています。GPUコンピューティングが、エンジニアによるシミュレーション手法を変えつつあると言っても過言ではありません。わずか1～2年前であれば、このようなシミュレーションには数週間かかり、数千基のCPUコアが必要でした。

高精度なCFDを活用して設計目標を達成

X-59のような新しい航空機の場合には、高精度なシミュレーションデータが不可欠です。ソニックブームの低減といった性能目標は重要ですが、飛行中に機体が不安定であれば意味がありません。エンジニアは、流体シミュレーションソフトウェアであるFluentなどのAnsysのツールを使用することで、要求仕様を満たす信頼性の高いロバストな設計を迅速に作成することができます。

シミュレーション結果は、長い機首を持つX-59に良好な操縦性を持たせるために、すでに活用されています。安定性を確保するカナードの配置に影響を与えたこれらの結果は、X-59のフライトシミュレーターにも反映されました。これにより、テストパイロットは、航空機の操縦性をあらかじめ十分に把握した上で、機体を極限の飛行条件へ追い込めるようになります。X-59は、NASAが操縦性と安全性を検証した後に、米国の都市上空を飛行し、静音超音速技術を実証することになっています。これらの試験は、シミュレーション分野に携わる私たちがすでに知っている事実、すなわち「弾丸より速く飛行しても、駐車場でドアが閉まる程度の音しかしない」ということを裏付けることになるでしょう。 アメリカ国民は今後数年の間に、この新しい静音技術に基づいた陸上超音速飛行の導入について、目の当たりにすることになるでしょう。その利点は自明です。たとえば、ボストンからロサンゼルスまで6.5時間かかっていた飛行が、わずか3.25時間で済むようになるのです。

Fluentの詳細をご覧いただくか、NASAのX-planeシミュレーターでX-59の操縦をお試しください。

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