高度なエアモビリティの紹介とeVTOLの未来

大都市で渋滞に巻き込まれた際に、人や車の多いエリア内をより効率的に移動できる別の方法はないものかと考えたことはありませんか。地上での移動に縛られず、空を含めた3次元で最短距離を移動できるとしたらどうでしょう。

これは一見SF映画のように聞こえますが、空想上の概念ではありません。実際に、電動垂直離着陸（eVTOL）車両の開発が進められています。eVTOLは、滑走路を必要とせずに離陸と着陸の両方が可能であり、狭く混雑した都市周辺部や中心部での運用に適した小型航空機です。

また、eVTOLは、効率的かつ持続可能な新しい方法で人や貨物を輸送する有人および無人操縦による航空機を通じて航空業界の発展を目指す高度なエアモビリティ（AAM: Advanced Air Mobility）においても、重要な役割を果たすことでしょう。AAMは、緊急サービスから公共交通機関まで、さまざまな業界を支えることが期待されています。

ここでは、AAMをさらに発展させるためにeVTOLをどのように活用できるのか、そしてこの分野のイノベーターが得ることができる好機や直面する課題について説明します。

AAMとeVTOLの現状

厳密な時期には諸説ありますが、米国航空宇宙工学協会（AIAA: American Institute of Aeronautics and Astronautics）で航空部門シニアディレクターを務めるJim Sherman氏によれば、AAMが初めて登場したのは初期段階のeVTOLであったNASAのPuffin計画が開始した2009年頃とされています。そして翌年の2010年には、Joby Aviation社が商用eVTOLの概念化に着手しました。その後、急速な成長を見せていた電動航空機および垂直離陸機の市場は、Archer社、Vertical Aerospace社、Lilium社、Volocopter社などの企業の活動や取り組みによってさらなる発展を遂げました。

AAMの基礎となるテクノロジーはその数年前から開発が始まっていましたが、NASAが研究をより効果的に進めるために「高度なエアモビリティ」という用語を考案したのは2020年頃であったとSherman氏は述べています。それ以来、AAMの概念は発展し続け、現在では小型および中型ドローンを用いて郊外までを結ぶ長距離航空輸送を中心とした地域型エアモビリティ（RAM: Regional Air Mobility）や、都市部向けに低高度で航空輸送を行う都市エアモビリティ（UAM: Urban Air Mobility）など、いくつかの異なるサブセットも含みます。

AAMおよびeVTOLという新しい市場が発生した当初と比べ、新規参入を目指す企業は徐々に減ってきましたが、Archer社、Joby Aviation社、Vertical Aerospace社など、複数の企業が確実に実績を上げています。そうした企業のうち、Joby Aviation社とArcher社は、今後数年で自社の航空機の認証を取得することを目指しています。また、OneSky社は、同じ空間内で無人機管制システム（UTM: Uncrewed Traffic Management）とAAMの運用を可能にする低高度交通管理システムを開発しています。

eVTOLは、AAMを実現するための重要なピースではあるものの、まだ広く普及されるまでには至っていません。Sherman氏、そしてAnsys, part of SynopsysのDistinguished EngineerであるPrem Andradeは、eVTOLの設計と開発に携わるエンジニアは次のような課題に対処する必要があると述べています。

1. 安全性の確保。すべての製品は、米国連邦航空局（FAA: Federal Aviation Administration）や欧州航空安全機関（EASA: European Union Aviation Safety Agency）が定めた既存および新しい安全規格を満たす必要があります。「高度なエアモビリティにおいて安全性の確保は極めて重要です」とAndradeは述べています。
2. 効率と持続可能性の最大化。eVTOLはヘリコプターよりも効率性が高く、このテクノロジーが発展し続ければ、その利点はさらに顕著になります。このテクノロジーの発展には、より効率的な電力システムとバッテリの設計が含まれます。
3. 騒音の最小化。eVTOLはすでにヘリコプターの約100分の1の騒音を達成していますが、今後も可能な限り騒音を低減していくことが最優先事項となります。
4. インフラの構築。eVTOLには、航空機の下に生じる強い下向きの空気の流れ（「ダウンウォッシュ」や「アウトウォッシュ」として知られる）に対応できるバーティポートや、着陸してバッテリを迅速に充電するための最適化された充電ポートの建設が必要になります。
5. 都市環境での展開。都市環境でeVTOLを運用するには、建物の周りや上空の飛行経路の決定、風への対応、着陸や充電ステーションの建設に適しており、許可される立地の特定など、さまざまな課題があります。

これらの課題は時間とともに変化するため、eVTOLの開発者はそうした課題に適応できる設計と計画を準備しておく必要があります。Sherman氏は、EASAはeVTOLに民間航空機と同程度の安全性を要求していると語ります。こうした時代の変化に対応するためには、それに必要な冗長性と信頼性を達成するための追加のコストとテストが発生する可能性があります。

別の例として、安全規格であるFederal Aviation Regulations（FAR）Part 23があります。この規格は、規範的な要件よりも妥当性確認に重点を置いた要件を定めるなど、この10年間でさまざまな変更を経ています。この新しいプロセスを完了した企業はまだありませんが、Joby Aviation社やArcher社のようなeVTOL開発企業は、認証を得るためにこうした課題に対処することが要求されるでしょう。

将来的にAAMの一環としてeVTOLの展開を成功させるには、エンジニアは設計の最適化に関連する技術的な課題のバランスを取り、地方自治体と協力しながらインフラを構築して、開発サイクル中に変更される可能性のある規制に柔軟に適応しなければなりません。

AAMの実現に向けたテクノロジーの発展を加速させる方法

テクノロジーを発展させる上でこれらの課題に取り組むことは不可欠ですが、簡単なことではありません。こうした状況で、世界中のイノベーターが設計を最適化し、安全性の妥当性確認を行い、AAMシステム全体の信頼性を確保するために、Ansysのシミュレーションソフトウェアに注目しています。

AnsysのシミュレーションによるeVTOLの最適化

Ansysのマルチフィジックスシミュレーションツールを使用することで、エンジニアはeVTOLの設計を正確かつ包括的に解析し、市場投入までの時間を短縮して、AAMの実現に向けた取り組みを加速させることができます。

例として、eVTOL設計から生じる騒音公害を最小限に抑えることを目指すエンジニアを考えてみましょう。こうしたエンジニアは、流体シミュレーションソフトウェアであるAnsys Fluentを導入することで、圧力波と音響をモデル化し、設計反復ごとに放出される音を決定できるようになります。

もちろん、シミュレーションソフトウェアでは、音響モデリングの他にも設計最適化を支援するさまざまな方法が提供されます。他のユースケースでは、電磁界、光学、熱、構造、および空力シミュレーションを組み合わせて、設計最適化、構造解析、バッテリの熱マネジメント、推進システムの最適化、光学赤外線（EOIR）センサーの解析など、さまざまな評価を行うことができます。

シミュレーションソフトウェアの導入による安全性の妥当性確認と安全規格の順守

eVTOLの設計者やメーカーは、シミュレーションを活用して、コンプライアンスと認証をより迅速かつ効率的に達成することができます。次のような活用方法があります。

• 健全性の予測監視やメンテナンスなど、安全監視のためのデジタルツインの作成
• 人工知能および機械学習（AI/ML）ソリューションを使用した、動作の軽い検証の実行
• 自律システムの安全性の妥当性確認の設計
• SAE Internationalによる「ARP4754B - Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems」や、米国国防総省の軍用規格（MIL-STD）882E「System Safety」など、既存の規格の仮想環境での検証、妥当性確認、および解析による認証（CBA: Certification by Analysis）の順守

Sherman氏は次のように述べています。「今ある最先端テクノロジーは、複数のテストケースとシミュレーションを迅速に実行できるようになったおかげで実現しました。」シミュレーションツールは、セーフティクリティカルなコンポーネントが安全で信頼でき、規制基準に準拠しており、AAMの実装と受け入れに不可欠な信頼性を達成していることを保証するのに役立ちます。

包括的なデジタルエンジニアリングツールで信頼性を高める

Ansysのシミュレーションツールやデジタルエンジニアリングツールを使用することで、エンジニアはeVTOLのローターの動作状況やミッション環境などを調査して、運用状況全体を把握できるようになります。

たとえば、デジタルミッションエンジニアリングソフトウェアであるAnsys Systems Tool Kit（STK）では、高解像度の地形、画像、高周波（RF）環境を含む時間動的でリアルな3Dシミュレーション内で、eVTOLを構成する複雑なシステムをモデル化できます。

このような包括的な解析は、設計プロセスの早期段階で問題を検出する上で不可欠であり、開発や展開などの後期段階で深刻な問題が発生するのを回避できます。

さらに、Ansysのツールを活用することで、航空機の定期便と需要に応じた運航ルートを両立させる必要がある、混雑した空域での運用における課題の一部を解決するのにも役立ちます。Ansysのシミュレーションを導入すると、エンジニアやオペレーターはeVTOLの存在が航空交通にどのような影響を及ぼすかをモデル化することができます。

Ansysは、ミッション要件や概念から設計、妥当性確認、安全性、運用に至るまで、必要となるすべての領域に対応するソリューションを提供しているとAndradeは述べています。このエンドツーエンドのシームレスなデジタルエンジニアリングワークフローにより、エンジニアはすべての解析を1か所で実行できるため、時間とコストを節約され、効率が向上します。

AAMとeVTOLによる未来の航空交通

AAMとeVTOLは、これまでの輸送方法を大きく変える可能性を秘めています。このテクノロジーは、都市部や郊外への人の移動、貨物の輸送、緊急医療への支援などの未来を大きく変革するでしょう。実際に、「eVTOL航空機のグローバル市場は2030年までに234億に達することが予想されています」とAndradeは述べています。

eVTOLとAAMの継続的な発展を推進している主なテクノロジーとして、次のものがあります。

1. 自動運転／自律性。自律システムが民間の航空宇宙用途に採用されるまでには、まだ時間を要する見込みではあるものの、「自動運転／自律性は防衛の観点から非常に重要です」とAndradeは述べています。
2. デジタルツイン。デジタルツインは「健全性の予測監視や、飛行中のアセットの健全性確認など、あらゆる面で役立ちます」とAndradeは語っています。デジタルツインの主な利点は、次の2つに分類できます。
   • 設計および開発プロセスにデジタルツインを導入して、仮想環境で設計を効率的かつ正確に調査し、改良する
   • 設計の運用開始後にデジタルツインを導入して、異常の評価、予防策の比較などを行う
3. 無線（OTA: Over The Air）でのアップデート。重要なミッションに関わる設計は、ますます複雑になっているため、定期的なアップデートを実行して、機能とコンプライアンスを継続的に保証することは容易ではありません。OTAでのアップデートにより、エンジニアは現場で車両にソフトウェアアップデートを実装して、継続的に改善を行えるようになります。

Sherman氏は、将来的にも発展し続ける効率的で有用なeVTOLに誰もが乗れる未来を見据え、「AAMとeVTOLが広く普及し、定着したテクノロジーとして確立されることを願っています」と述べています。

詳細については、ウェビナー「デジタルエンジニアリングを活用したeVTOLの設計および運用」をご覧ください。また、e-book「未来に向かって: 自信を持って自律システムを開発」をダウンロードしていただけます。