JP2023047640A - 航空機の推進システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術と比較してバッテリ及びその冷却系を小型化するとともに、バッテリ寿命の低下を抑制することが可能な航空機の推進システムを提供する。【解決手段】航空機に対する要求出力の負荷変動を検出する負荷変動検出部と、飛行状態に基づいて、トルクＴ及び回転数Ｎｅにより定義される動力動作点を制御する動作点制御部と、を備える。動作点制御部は、負荷変動検出部により負荷が変動したことが検出された場合、現在の動力動作点である第一動力動作点４１，５１に対して、変動後の負荷に対応する目標動力動作点４４，５４を算出する。動作点制御部は、所定の燃料ラインを超えない範囲で燃料流量を変化させることにより、第一動力動作点４１，５１から第二動力動作点４２，５２、第三動力動作点４３，５３、目標動力動作点４４，５４の順で動力動作点を移動させる。【選択図】図３

Description

本発明は、航空機の推進システムに関するものである。

従来、航空機等の機体に搭載された圧縮機やタービンに発電機を接続し、この発電機からの電力を用いて複数のプロペラを駆動する航空機用推進システムの技術が種々提案されている。

例えば特許文献１には、複数のガスタービンエンジンと、ガスタービンエンジンの運転により発電する発電機と、プロペラの電動機に電力を供給するバッテリと、を備える推進システムの構成が開示されている。特許文献１に記載の技術によれば、ガスタービンエンジンに接続された発電機とバッテリとを組み合わせたハイブリッドタイプの推進システムとすることで、ガスタービンエンジンの故障等の種々の状況に対応できるとされている。

米国特許第８７２７２７１号明細書

ところで、航空機の離着陸時やホバリング時においては、複数のプロペラの回転を制御することにより機体の姿勢を保っている。一般に、垂直離着陸機においては、安定的な離着陸を行うために、離陸時にはプロペラを一気に加速し、着陸時にはプロペラを一気に減速する。このとき、航空機に対して短時間にステップ状の負荷変動が生じる場合がある。
特許文献１等に記載の従来技術にあっては、例えばガスタービンエンジンに供給する燃料流量を増加（又は減少）させてガスタービンエンジンを加速（又は減速）することにより、ステップ状の負荷変動に対応しようとする。しかしながら、燃料流量を増減させる際には、ガスタービンエンジンの動力動作点が所定の燃料ラインを超えないように制御する必要がある。すなわち燃料流量の変化量が制限される。このため、従来技術にあっては、ガスタービンエンジンの加速（又は減速）にかかる時間を十分に短縮することができず、ステップ状の負荷変動に対して迅速に追従することが難しい。そして追従できないことによる電力の不足分は、バッテリからの電力により補う必要がある。このため、バッテリの必要容量が大きくなり、バッテリ及びその冷却系が大型化し、重量が増加するおそれがある。また、バッテリの寿命が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、従来技術と比較してバッテリ及びその冷却系を小型化するとともに、バッテリ寿命の低下を抑制することが可能な航空機の推進システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明に係る航空機の推進システム（例えば、第１実施形態における推進システム１）は、航空機の機体に搭載され、圧縮機（例えば、第１実施形態における圧縮機２１）及び前記圧縮機と一体回転するタービン（例えば、第１実施形態におけるタービン２２）を有するガスタービン要素（例えば、第１実施形態におけるガスタービン要素２）と、前記ガスタービン要素と回転軸（例えば、第１実施形態における回転軸２５）を介して接続される発電機（例えば、第１実施形態における発電機３）と、前記発電機により発電された電力を蓄電するバッテリ（例えば、第１実施形態におけるバッテリ５）と、前記発電機からの電力及び前記バッテリからの電力の少なくとも一方の電力により駆動される電気モータ（例えば、第１実施形態における電気モータ７）と、前記電気モータにより駆動されるプロペラ（例えば、第１実施形態におけるプロペラ８）と、前記ガスタービン要素の出力を制御するガスタービン制御部（例えば、第１実施形態におけるガスタービンＥＣＵ１１）と、前記発電機の発電量を制御する発電機制御部（例えば、第１実施形態における発電機ＥＣＵ１２）と、前記航空機の飛行状態を検出する飛行状態検出部（例えば、第１実施形態における飛行状態検出部１５）と、前記飛行状態検出部により検出された前記飛行状態に基づいて、前記航空機に対する要求出力の負荷変動を検出する負荷変動検出部（例えば、第１実施形態における負荷変動検出部３１）と、前記飛行状態検出部により検出された前記飛行状態に基づいて、前記回転軸におけるトルク（例えば、第１実施形態におけるトルクＴ）及び回転数（例えば、第１実施形態における回転数Ｎｅ）により定義される動力動作点を制御する動作点制御部（例えば、第１実施形態における動作点制御部３２）と、を備え、前記動作点制御部は、前記動力動作点がマッピングされる動作点マップ（例えば、第１実施形態における動作点マップ４０）において、前記トルクと前記回転数の積により定義される出力が一定である複数の前記動力動作点を結んだ基準動作線（例えば、第１実施形態における基準動作線３５）を有し、前記動作点制御部は、前記負荷変動検出部により負荷が変動したことが検出された場合、前記動作点マップにおける現在の動力動作点である第一動力動作点（例えば、第１実施形態における第一ガスタービン動力動作点４１，６１、第一発電機動力動作点５１，７１）に対して、変動後の前記負荷に対応する目標動力動作点（例えば、第１実施形態における目標ガスタービン動力動作点４４，６４、目標発電機動力動作点５４，７４）を算出し、前記ガスタービン制御部により所定の燃料ラインを超えない範囲で燃料流量を変化させることにより、前記ガスタービン要素の動力動作点を、前記基準動作線上にある前記第一動力動作点から前記目標動力動作点と同一のトルクとなる第二ガスタービン動力動作点（例えば、第１実施形態における第二ガスタービン動力動作点４２，６２）へ移動させると同時に、前記発電機制御部により、前記発電機の動力動作点を、前記基準動作線上にある前記第一動力動作点から前記基準動作線上であって前記第二ガスタービン動力動作点と同一の回転数となる第二発電機動力動作点（例えば、第１実施形態における第二発電機動力動作点５２，７２）へ移動させ、前記動力動作点が前記第二ガスタービン動力動作点及び前記第二発電機動力動作点へ移動した後、前記ガスタービン制御部により、前記ガスタービン要素の動力動作点を、前記第二ガスタービン動力動作点から前記トルクを一定にしたまま前記目標動力動作点と一致する第三ガスタービン動力動作点（例えば、第１実施形態における第三ガスタービン動力動作点４３，６３）へ移動させると同時に、前記発電機制御部により、前記発電機の動力動作点を、前記第二発電機動力動作点から前記基準動作線上であって前記第三ガスタービン動力動作点と同一の回転数となる第三発電機動力動作点（例えば、第１実施形態における第三発電機動力動作点５３，７３）へ移動させ、前記動力動作点が前記第三ガスタービン動力動作点及び前記第三発電機動力動作点へ移動した後、前記ガスタービン制御部により、前記ガスタービン要素の動力動作点を、前記第三ガスタービン動力動作点から移動させずに所定時間維持することにより前記目標動力動作点とすると同時に、前記発電機制御部により、前記発電機の動力動作点を、前記所定時間以内に前記第三発電機動力動作点から前記目標動力動作点へ移動させることを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明に係る航空機の推進システムは、前記負荷変動検出部により前記負荷が増加することが検出された場合、前記所定の燃料ラインはサージライン（例えば、第１実施形態におけるサージライン２７）であり、前記動作点制御部は、前記ガスタービン制御部により前記サージラインを超えない範囲で燃料流量を増加させることにより、前記ガスタービン要素の動力動作点を移動させることを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明に係る航空機の推進システムは、前記負荷変動検出部により前記負荷が減少することが検出された場合、前記所定の燃料ラインは失火ライン（例えば、第１実施形態における失火ライン２８）であり、前記動作点制御部は、前記ガスタービン制御部により前記失火ラインを下回らない範囲で燃料流量を減少させることにより、前記ガスタービン要素の動力動作点を移動させることを特徴としている。

請求項４に記載の発明に係る航空機の推進システム（例えば、第２実施形態における推進システム１）は、航空機の機体に搭載され、圧縮機及び前記圧縮機と一体回転するタービンを有するガスタービン要素と、前記ガスタービン要素と回転軸を介して接続される発電機と、前記発電機により発電された電力を蓄電するバッテリと、前記発電機からの電力及び前記バッテリからの電力の少なくとも一方の電力により駆動される電気モータと、前記電気モータにより駆動されるプロペラと、前記ガスタービン要素の出力を制御するガスタービン制御部と、前記発電機の発電量を制御する発電機制御部と、前記航空機の飛行状態を検出する飛行状態検出部と、前記飛行状態検出部により検出された前記飛行状態に基づいて、前記航空機に対する要求出力の負荷変動を検出する負荷変動検出部と、前記飛行状態検出部により検出された前記飛行状態に基づいて、前記回転軸におけるトルク及び回転数により定義される動力動作点を制御する動作点制御部と、を備え、前記動作点制御部は、動力動作点がマッピングされる動作点マップにおいて、前記トルクが一定であるトルク一定線（例えば、第２実施形態におけるトルク一定線２３５）を有し、前記動作点制御部は、前記負荷変動検出部により負荷が変動したことが検出された場合、前記動作点マップにおける現在の動力動作点である第一動力動作点（例えば、第２実施形態における第一ガスタービン動力動作点２４１，２６１、第一発電機動力動作点２５１，２７１）に対して、変動後の前記負荷に対応する目標動力動作点（例えば、第２実施形態における目標ガスタービン動力動作点２４４，２６４、目標発電機動力動作点２５４，２７４）を算出し、前記ガスタービン制御部により所定の燃料ラインを超えない範囲で燃料流量を変化させることにより、前記ガスタービン要素の動力動作点を、前記トルク一定線上にある前記第一動力動作点から前記目標動力動作点と同一のトルクとなる第二ガスタービン動力動作点（例えば、第２実施形態における第二ガスタービン動力動作点２４２，２６２）へ移動させると同時に、前記発電機制御部により、前記発電機の動力動作点を、前記トルク一定線上にある前記第一動力動作点から前記トルク一定線上であって前記第二ガスタービン動力動作点と同一の回転数となる第二発電機動力動作点（例えば、第２実施形態における第二発電機動力動作点２５２，２７２）へ移動させ、前記動力動作点が前記第二ガスタービン動力動作点及び前記第二発電機動力動作点へ移動した後、前記ガスタービン制御部により、前記ガスタービン要素の動力動作点を、前記第二ガスタービン動力動作点から前記トルクを一定にしたまま前記目標動力動作点と一致する第三ガスタービン動力動作点（例えば、第２実施形態における第三ガスタービン動力動作点２４３，２６３）へ移動させると同時に、前記発電機制御部により、前記発電機の動力動作点を、前記第二発電機動力動作点から前記トルク一定線上であって前記第三ガスタービン動力動作点と同一の回転数となる第三発電機動力動作点（例えば、第２実施形態における第三発電機動力動作点２５３，２７３）へ移動させ、前記動力動作点が前記第三ガスタービン動力動作点及び前記第三発電機動力動作点へ移動した後、前記ガスタービン制御部により、前記ガスタービン要素の動力動作点を、前記第三ガスタービン動力動作点から移動させずに所定時間維持することにより目標動力動作点とすると同時に、前記発電機制御部により、前記発電機の動力動作点を、前記所定時間以内に前記第三発電機動力動作点から前記目標動力動作点へ移動させることを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明に係る航空機の推進システムは、前記負荷変動検出部により前記負荷が増加することが検出された場合、前記所定の燃料ラインはサージラインであり、前記動作点制御部は、前記ガスタービン制御部により前記サージラインを超えない範囲で燃料流量を増加させることにより、前記ガスタービン要素の動力動作点を移動させることを特徴としている。

また、請求項６に記載の発明に係る航空機の推進システムは、前記負荷変動検出部により前記負荷が減少することが検出された場合、前記所定の燃料ラインは失火ラインであり、前記動作点制御部は、前記ガスタービン制御部により前記失火ラインを下回らない範囲で燃料流量を減少させることにより、前記ガスタービン要素の動力動作点を移動させることを特徴としている。

本発明の請求項１に記載の航空機の推進システムによれば、動作点制御部は、負荷変動が生じた場合に、動力動作点を移動させることにより負荷変動による出力の増減に対応する。具体的に、動作点制御部は、まず、第一動力動作点に対して、変動後の負荷に対応する目標動力動作点を算出する。次に、所定の燃料ラインを超えない範囲で燃料流量を変化させることにより、ガスタービン要素及び発電機の動力動作点を第二動力動作点へ移動させる。これにより、発電機からの出力を維持したままガスタービン要素におけるトルクを増加させる。その後、動作点制御部は、ガスタービン要素の動力動作点を、トルクを一定にしたまま目標動力動作点と一致する第三ガスタービン動力動作点へ移動させると同時に、発電機の動力動作点を、基準動作線上であって第三ガスタービン動力動作点と同一の回転数となる第三発電機動力動作点へ移動させる。このように、ガスタービン要素のトルクを増加させるとともに発電機のトルクを減少させる。これにより、ガスタービン要素と発電機とのトルク差を大きくすることができる。さらに動作点制御部は、第三ガスタービン動力動作点を目標ガスタービン動力動作点とすると同時に、発電機の動力動作点を、目標発電機動力動作点へ移動させる。第三動力動作線において、ガスタービン要素と発電機とのトルク差が大きいので、短時間で発電機の動力動作点を目標動力動作点へ移動させることができる。よって、負荷の発生からごく短い時間で発電機からの出力を負荷変動に追従させることができる。また、電力と時間との積で定義されるバッテリの電力量を減少させることができるので、従来技術と比較してバッテリを小型化できる。また、バッテリの利用頻度が減少するため、バッテリに関する冷却系を小型化できるとともにバッテリの寿命低下を抑制できる。
したがって、従来技術と比較してバッテリ及びその冷却系を小型化するとともに、バッテリ寿命の低下を抑制することが可能な航空機の推進システムを提供できる。

本発明の請求項２に記載の航空機の推進システムによれば、負荷が増加する場合、動作点制御部は、サージラインを超えない範囲で燃料流量を増加させる。これにより、燃料を効率良く使用しつつ負荷変動の増加に迅速に追従できる。また、バッテリが補う電力量を減少させることができる。よって、従来よりもバッテリから取り出される電力量を減らしつつ負荷変動の増加に対応できる。

本発明の請求項３に記載の航空機の推進システムによれば、負荷が減少する場合、動作点制御部は、失火ラインを超えない範囲で燃料流量を減少させる。これにより、ガスタービン要素を安定的に作動させつつ負荷変動の減少に迅速に追従できる。また、バッテリが吸収する電力量を減少させることができる。よって、従来よりもバッテリに蓄電させる電力量を減らしつつ負荷変動の減少に対応できる。

本発明の請求項４に記載の航空機の推進システムによれば、動作点制御部は、ガスタービン要素の動力動作点を第一ガスタービン動力動作点から第二ガスタービン動力動作点、第三ガスタービン動力動作点の順で移動させる。同時に、動作点制御部は、発電機の動力動作点を、トルク一定線上に沿って第二発電機動力動作点、第三発電機動力動作点の順で移動させる。発電機の動力動作点をトルク一定のまま移動させることにより、発電機からの出力を負荷変動に応じて変化させつつ、ガスタービン要素と発電機とのトルク差を大きくすることができる。その後、動作点制御部は、第三ガスタービン動力動作点を目標ガスタービン動力動作点とすると同時に、発電機の動力動作点を、目標発電機動力動作点へ移動させる。第三動力動作点において、ガスタービン要素と発電機とのトルク差が大きいので、短時間で発電機の動力動作点を目標動力動作点へ移動させることができる。よって、負荷の発生からごく短い時間で発電機からの出力を負荷変動に追従させることができる。その結果、電力と時間との積で定義されるバッテリの電力量を減少させることができるので、従来技術と比較して、バッテリを小型化できる。また、バッテリの利用頻度が減少するため、バッテリに関する冷却系を小型化できるとともにバッテリの寿命低下を抑制できる。
したがって、従来技術と比較してバッテリ及びその冷却系を小型化するとともに、バッテリ寿命の低下を抑制することが可能な航空機の推進システムを提供できる。

本発明の請求項５に記載の航空機の推進システムによれば、負荷が増加する場合、動作点制御部は、サージラインを超えない範囲で燃料流量を増加させる。これにより、燃料を効率良く使用しつつ負荷変動の増加に迅速に追従できる。また、バッテリが補う電力量を減少させることができる。よって、従来よりもバッテリから取り出される電力量を減らしつつ負荷変動の増加に対応できる。また、負荷が増加した際、比較的緩やかに電力量が増加するため、バッテリに対する負荷を軽減できる。よって、バッテリの耐久性をより向上することができる。

本発明の請求項６に記載の航空機の推進システムによれば、負荷が減少する場合、動作点制御部は、失火ラインを超えない範囲で燃料流量を増加させる。これにより、ガスタービン要素を安定的に作動させつつ負荷変動の減少に迅速に追従できる。また、バッテリが吸収する電力量を減少させることができる。よって、従来よりもバッテリに蓄電させる電力量を減らしつつ負荷変動の減少に対応できる。また、負荷が減少した際、比較的緩やかに電力量が減少するため、バッテリに対する負荷を軽減できる。よって、バッテリの耐久性をより向上することができる。

第１実施形態に係る航空機の推進システムの概略構成図。 第１実施形態に係る航空機の運転モードと要求出力との関係を示すグラフ。 第１実施形態において負荷が増加した場合における、動作点制御部による制御を示す動作点マップ。 第１実施形態において負荷が増加した場合における、動作点制御部のブロック図。 第１実施形態に係る推進システムにおいて負荷が増加した場合の電力供給量を示すグラフ。 第１実施形態において負荷が減少した場合における、動作点制御部による制御を示す動作点マップ。 第１実施形態において負荷が減少した場合における、動作点制御部のブロック図。 第１実施形態に係る推進システムにおいて負荷が減少した場合の電力供給量を示すグラフ。 第２実施形態において負荷が増加した場合における、動作点制御部による制御を示す動作点マップ。 第２実施形態に係る推進システムにおいて負荷が増加した場合の電力供給量を示すグラフ。 第２実施形態において負荷が減少した場合における、動作点制御部による制御を示す動作点マップ。 第２実施形態に係る推進システムにおいて負荷が減少した場合の電力供給量を示すグラフ。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
（航空機の推進システム）
図１は、第１実施形態に係る航空機の推進システム１の概略構成図である。
航空機の推進システム１（以下、単に推進システム１という場合がある。）は、不図示の航空機の機体に搭載されている。推進システム１は、詳しくは後述する発電機３で発電される電力によって駆動される複数の電気モータ７により航空機を推進させるハイブリッド推進システムである。
航空機の推進システム１は、ガスタービン要素２と、発電機３と、バッテリ５と、電気モータ７と、プロペラ８と、複数の制御ユニットと、を備える。複数の制御ユニットは、ガスタービンＥＣＵ１１と、発電機ＥＣＵ１２と、バッテリ監視ユニット１３と、モータＥＣＵ１４と、飛行状態検出部１５と、フライトコントローラ１６と、ハイブリッド制御部１７と、を備える。

（ガスタービン要素）
ガスタービン要素２は、圧縮機２１と、タービン２２と、連結軸２３と、を有するいわゆるガスタービンエンジンである。圧縮機２１は、航空機の機体に設けられた不図示の通風孔から吸入される吸入空気を圧縮する。タービン２２は、圧縮機２１と接続されて圧縮機２１と一体回転する。連結軸２３は、圧縮機２１とタービン２２とを連結している。連結軸２３の一方の端部に圧縮機２１が接続されている。連結軸２３の他方の端部にタービン２２が接続されている。

（発電機）
発電機３は、回転軸２５を介してガスタービン要素２と接続されている。発電機３とガスタービン要素２とは、その間に変速機構等を設けることなく、回転軸２５を介して直結されている。よって、発電機３は、ガスタービン要素２と一体回転する。回転軸２５は、ガスタービン要素２の連結軸２３と同軸上に設けられている。なお、回転軸２５と連結軸２３とは一体化されていてもよい。発電機３は、タービン２２の駆動によって電力（交流電力）を発電する。発電機３で発電された交流電力は、パワードライブユニット（ＰＤＵ）のコンバータ４で直流電力に変換され、バッテリ５に貯留される。

（バッテリ）
バッテリ５には、発電機３により発電された電力が貯留される。バッテリ５は、コンバータ４の発電電力がインバータ６の消費電力を上回るとき、余剰電力を吸収して充電する。一方、バッテリ５は、コンバータ４の発電電力がインバータ６の消費電力を下回るとき、不足電力を補うように放電する。

（電気モータ）
電気モータ７は、機体に対して複数設けられている。電気モータ７は、例えばロータ及びステータを有するブラシレスＤＣモータである。電気モータ７とプロペラ８との間には、電気モータ７とプロペラ８とを機械的に接続するプロペラシャフト２６が設けられる。制御信号に応じて電気モータ７のロータが回転することでプロペラ８が回転する。制御信号は、パイロットの操作または自動操縦における指示に基づく航空機を制御するための信号である。電気モータ７は、インバータ６を介してコンバータ４（発電機３）及びバッテリ５と接続される。バッテリ５からの放電電力及び発電機３からの電力のうち少なくとも一方は、インバータ６を介して電気モータ７に供給される。これにより電気モータ７が駆動する。なお、電気モータ７は、不図示の姿勢保持用あるいは水平推進用の補助モータ等を含んでもよい。

（プロペラ）
プロペラ８は、複数の電気モータ７に対してそれぞれ設けられている。各プロペラ８の回転数（すなわち電気モータ７の回転数）は独立して制御可能となっている。各プロペラ８の回転数を制御することにより、航空機は所望の飛行状態で飛行する。

（複数の制御ユニット）
ガスタービンＥＣＵ１１（請求項のガスタービン制御部）は、ガスタービン要素２の動作を制御する。ガスタービンＥＣＵ１１は、例えばガスタービン要素２に供給される空気量や燃料流量Ｗｆを制御することにより、ガスタービン要素２の回転数やトルク等を所望の値に調整する。
発電機ＥＣＵ１２（請求項の発電機制御部）は、発電機３の動作を制御する。発電機ＥＣＵ１２は、ガスタービン要素２から回転軸２５を介して伝達された回転力により発電するための回生トルクの大きさを制御する。回生トルクの大きさは、発電機３に入力される電流値に比例する。つまり、発電機ＥＣＵ１２により発電機３に入力される電流量を調節することにより、発電機３における回生トルクの大きさを制御可能となっている。ガスタービン要素２と発電機３とは回転軸２５により直結されるので、例えばガスタービン要素２及び発電機３のトルクＴ及び回転数Ｎｅが一定である定常状態から発電機３の回生トルクを増大させると、回転軸２５の回転数（すなわちガスタービン要素２及び発電機３の回転数）が低下する。一方、定常状態から発電機３の回生トルクを減少させると、回転軸２５の回転数が増加する。

バッテリ監視ユニット１３は、バッテリ５内の電力の状態を監視する。
モータＥＣＵ１４は、複数の電気モータ７の動作をそれぞれ制御する。モータＥＣＵ１４は、各電気モータ７に対応して複数設けられてもよい。モータＥＣＵ１４は、バッテリ５からの電力及び発電機３からの電力のうち少なくとも一方の電力を用いて任意の電気モータ７を所望の回転数で回転させる。

飛行状態検出部１５は、航空機に搭載された各種センサからの検出結果を取得することにより、航空機の飛行状態を検出する。具体的に、飛行状態検出部１５は、例えば航空機の速度や姿勢、高度等の情報を取得し、さらにこれらの情報に基づいて航空機の要求出力を算出する。飛行状態検出部１５は、例えばパイロットからの指示や飛行経路等の情報をさらに検出してもよい。

フライトコントローラ１６は、飛行状態検出部１５の検出結果を取得する。フライトコントローラ１６は、検出結果に基づいてプロペラ８の回転数を決定すると同時に、必要な電力を算出する。フライトコントローラ１６は、モータＥＣＵ１４及び後述するハイブリッド制御部１７と通信可能となっている。

ハイブリッド制御部１７は、フライトコントローラ１６、ガスタービンＥＣＵ１１、発電機ＥＣＵ１２及びバッテリ監視ユニット１３と通信する。ハイブリッド制御部１７は、フライトコントローラ１６からの信号を受信するとともに、フライトコントローラ１６へ信号を送信する。また、ハイブリッド制御部１７は、フライトコントローラ１６からの情報に基づいてガスタービンＥＣＵ１１、発電機ＥＣＵ１２及びバッテリ監視ユニット１３へ指令信号を送信するとともに、ガスタービンＥＣＵ１１、発電機ＥＣＵ１２及びバッテリ監視ユニット１３の状態を取得する。ハイブリッド制御部１７は、負荷変動検出部３１と、動作点制御部３２と、を有する。

図２は、第１実施形態に係る航空機の運転モードと要求出力との関係を示すグラフである。図２に示すように、航空機は、滑走離陸、もしくは垂直離陸（ホバリング）し、上昇および加速して、巡航する。そして、航空機は、下降および減速し、ホバー（ホバリング）して、着陸する。航空機が所定の高度に到達した後に水平方向を含む方向に移動している状態は、巡航モードである（Ｍ２参照）。また、航空機が離陸する動作または着陸する動作を行っている状態は、離着陸モード又はホバリングモードである（Ｍ１及びＭ３参照。以下まとめてホバリングモードと言う。）。ホバリングモードでは、巡航モードと比較してより大きな出力が要求される。航空機は、例えば複数のプロペラ８のうちいくつかが故障した場合であっても、ホバリングモードを維持するために必要な出力を確保することが可能となっている。ホバリングモードでは、安定的な離着陸を行うために、離陸時にはプロペラを一気に加速し、着陸時にはプロペラを一気に減速する。このとき短時間に大きなステップ状の負荷変動が生じる場合がある。

図１に示すように、負荷変動検出部３１は、飛行状態検出部１５により検出された航空機の飛行状態に基づいて、このような各運転モードにおいて航空機に対する要求出力の負荷変動を検出する。例えばホバリングモードでの姿勢制御を行う際に負荷変動が生じる場合がある。また例えば、安定的な離着陸のためにホバリングモードにおいてプロペラ８を一気に加減速する際にも、負荷変動が生じる場合がある。負荷変動は、航空機が巡航や離着陸、ホバリング等の各種動作を行う際の平均的な負荷である基本負荷に対して、短時間でステップ状に発生する。すなわち負荷変動は、基本負荷に対しての差分である。

図３は、第１実施形態において負荷が増加した場合における、動作点制御部３２による制御を示す動作点マップ４０である。
動作点制御部３２は、飛行状態検出部１５により検出された飛行状態に基づいて、ガスタービン要素２及び発電機３の動力動作点を制御することにより、負荷変動に対する出力を制御する。動力動作点は、発電機３の回転軸２５における任意のトルクＴ及び回転数Ｎｅにより定義される所定の出力値を示す値である。動作点制御部３２は、図３に示すように、縦軸をトルクＴ、横軸を回転数Ｎｅとした２次元の動作点マップ４０を有する。換言すれば、動作点マップ４０上において任意のトルクＴ及び回転数Ｎｅの組み合わせにより一意に決定される点が動力動作点であり、動作点制御部３２は、この動作点マップ４０上の所望の箇所に動力動作点を設定（移動）可能である。動作点制御部３２は、負荷変動検出部３１により負荷が変動したことが検出された場合、動作点マップ４０における現在の動力動作点の位置を算出するとともに、負荷の大きさに応じて動力動作点を移動させる。

本実施形態において、負荷変動が検出された場合、動作点制御部３２は、動作点マップ４０上に基準動作線３５を設定する。
基準動作線３５は、トルクと回転数の積により定義される出力値が一定である複数の動力動作点を結んだ反比例型の曲線である。換言すれば、基準動作線３５上の任意の動力動作点におけるトルク及び回転数は、Ｔ×Ｎｅ＝α（定数）で表される。

（負荷が増加するように変動負荷が生じる場合の動作点制御部の動作）
図３において、符号４１，４２，４３及び４４は、ガスタービン要素２の動力動作点を示し、符号５１，５２，５３及び５４は、発電機３の動力動作点を示す。負荷変動検出部３１により負荷の変動（増加）が検出されると、動作点制御部３２は、動作点マップ４０上において、現在の動力動作点である第一動力動作点４１，５１を検出するとともに、変動後の負荷に対応する目標動力動作点４４，５４を算出する。このとき、動作点制御部３２は、基準動作線３５上で最も運転効率の良い点を第一動力動作点４１，５１として選択する。同様に、動作点制御部３２は、負荷変動後の動作線３６上で最も運転効率の良い点を目標動力動作点４４，５４として選択する。

さらに、動作点制御部３２は、第二動力動作点４２，５２、第三動力動作点４３，５３を設定する。動作点制御部３２は、動力動作点を、第一動力動作点４１，５１、第二動力動作点４２，５２、第三動力動作点４３，５３、目標動力動作点４４，５４の順で移動させる。これにより、動作点制御部３２は、負荷変動に追従した電力を出力できるようにガスタービン要素２及び発電機３を制御する。

具体的に、第一動力動作点４１，５１は、動作点制御部３２による動力動作点の移動制御が実行される前の定常状態において、推進システム１の動力動作点が位置する箇所であり、動作点マップ４０における現在の動力動作点である。ガスタービン要素２の第一動力動作点（第一ガスタービン動力動作点）４１と、発電機３の第一動力動作点（第一発電機動力動作点）５１と、は同じ点に位置している。各第一動力動作点４１，５１は、基準動作線３５上に位置している。

目標動力動作点４４，５４は、第一動力動作点４１，５１よりもトルクＴ及び回転数Ｎｅが大きい点、すなわち基準動作線３５よりも出力の大きい点に位置している。ガスタービン要素２の目標動力動作点（目標ガスタービン動力動作点）４４と、発電機３の目標動力動作点（目標発電機動力動作点）５４と、は同じ点に位置している。

ガスタービン要素２の第二動力動作点（第二ガスタービン動力動作点）４２は、第一ガスタービン動力動作点４１よりもトルクＴ及び回転数Ｎｅが大きい点、すなわち基準動作線３５よりも出力の大きい点に位置している。第二ガスタービン動力動作点４２は、燃料流量Ｗｆを増加したことによるガスタービン要素２の加速トランジェントの通過点である。第二ガスタービン動力動作点４２は、回転数Ｎｅにおいて、第一ガスタービン動力動作点４１と目標ガスタービン動力動作点４４との間であり、かつ目標ガスタービン動力動作点４４と同一のトルクＴを有する動力動作点である。
発電機３の第二動力動作点（第二発電機動力動作点）５２は、基準動作線３５上に位置している。第二発電機動力動作点５２は、基準動作線３５上であり、かつ第二ガスタービン動力動作点４２と同一の回転数Ｎｅを有する動力動作点である。

ガスタービン要素２の第三動力動作点（第三ガスタービン動力動作点）４３は、第二ガスタービン動力動作点４２と同一のトルクＴを有し、かつ目標ガスタービン動力動作点４４と同一の回転数Ｎｅを有する動力動作点である。つまり、第三ガスタービン動力動作点４３は、目標ガスタービン動力動作点４４と一致する。
発電機３の第三動力動作点（第三発電機動力動作点）５３は、基準動作線３５上に位置している。第三発電機動力動作点５３は、基準動作線３５上であり、かつ第三ガスタービン動力動作点４３と同一の回転数Ｎｅを有する動力動作点である。

（負荷が増加するように変動負荷が生じる場合の動作点制御部による制御）
次に、負荷が増加するように変動負荷が生じる場合における動作点制御部３２の制御についてより詳細に説明する。
図４は、第１実施形態において負荷が増加した場合における、動作点制御部３２のブロック図である。図４において、ステップＳ０５はガスタービン要素２に対する制御であり、ステップＳ０７は、発電機３に対する制御である。それ以外のステップＳ０１、Ｓ０３、Ｓ０９、Ｓ１１、Ｓ１３、及びＳ１５は、ガスタービン要素２及び発電機３の両方に対する共通の制御を表している。

図３及び図４に示すように、まず、負荷変動検出部３１により負荷が増加したことが検出されると、動作点制御部３２は、増加方向へのステップ状の負荷変動を行うように指令信号を送信する（ステップＳ０１）。
次に、動作点制御部３２は、ステップ状の負荷変動に対して追従するためのステップ運転モードに推進システム１を移行させる（ステップＳ０３）。このとき、動作点制御部３２は、現在の動力動作点である第一ガスタービン動力動作点４１及び第一発電機動力動作点５１を検出する。このとき、第一ガスタービン動力動作点４１と、第一発電機動力動作点５１と、は一致している。

次に、動作点制御部３２は、ガスタービンＥＣＵ１１により所定のサージライン２７を超えない範囲で燃料流量Ｗｆを増加して加速させることにより、ガスタービン要素２の動力動作点を、第一ガスタービン動力動作点４１から第二ガスタービン動力動作点４２へ移動させる（ステップＳ０５）。サージライン２７は、負荷が増加することが検出された場合の燃料ラインである。ステップＳ０５の制御と同時に、動作点制御部３２は、発電機ＥＣＵ１２により、発電機３の動力動作点を、第一発電機動力動作点５１から基準動作線３５に沿って第二発電機動力動作点５２へ移動させる（ステップＳ０７）。ステップＳ０７において、動作点制御部３２は、ステップＳ０５におけるガスタービン要素２の動力動作点における回転数Ｎｅの変位に合わせつつ発電機３の動力動作点が基準動作線３５に沿うように、発電機３の回転数Ｎｅ及びトルクＴを制御する。

次に、動作点制御部３２は、ガスタービンＥＣＵ１１により、ガスタービン要素２の動力動作点を、第二ガスタービン動力動作点４２からトルクＴを一定にしたまま第三ガスタービン動力動作点４３へ移動させる（ステップＳ０９）。同時に、動作点制御部３２は、発電機ＥＣＵ１２により、発電機３の動力動作点を、第二発電機動力動作点５２から基準動作線３５に沿って第三発電機動力動作点５３へ移動させる。ステップＳ０９において、動作点制御部３２は、ガスタービン要素２の動力動作点における回転数Ｎｅの変移に合わせつつ発電機３の動力動作点が基準動作線３５に沿うように、発電機３の回転数Ｎｅ及びトルクＴを制御する。

次に、動作点制御部３２は、ガスタービンＥＣＵ１１により、ガスタービン要素２の動力動作点を、第三ガスタービン動力動作点４３から移動させずに所定時間維持することにより目標ガスタービン動力動作点４４とする（ステップＳ１１）。同時に、動作点制御部３２は、発電機ＥＣＵ１２により、発電機３の動力動作点を、所定時間以内に第三発電機動力動作点５３から回転数Ｎｅを一定にしたまま目標発電機動力動作点５４へ移動させる。

所定時間の経過後、発電機３のトルクＴが第三ガスタービン動力動作点４３のトルクと一致することにより、各動力動作点が目標動力動作点４４，５４に到達する（ステップＳ１３）。
目標動力動作点４４，５４に到達した後、動作点制御部３２は、定常運転モードに推進システム１を移行させ、動力動作点の移動制御を終了する（ステップＳ１５）。

図５は、第１実施形態に係る推進システムにおいて負荷が増加した場合の電力供給量を示すグラフである。図５のＰｏｗｅｒ１は、負荷変動が生じる前の推進システム１の必要電力である。Ｐｏｗｅｒ２は、負荷変動が生じた後の推進システム１の必要電力である。直線Ｌ１は、増加の変動負荷が生じた際に推進システム１が必要とする電力の推移を示す。直線Ｌ０は、従来技術において、増加の変動負荷が生じた際に発電機３によって追従可能な電力の推移を示す。直線Ｌ２は、本実施形態において、増加の変動負荷が生じた際に発電機３によって追従可能な電力の推移を示す。

図５に示すように、時間ｔ１において増加の変動負荷が生じた場合、推進システム１の必要電力はＰｏｗｅｒ１からＰｏｗｅｒ２へ急激に増加する。これに対して、ガスタービン要素２への燃料流量Ｗｆを増加させることにより電力を増加させる従来技術にあっては、直線Ｌ０に示すように、燃料流量Ｗｆの増加に伴って時間ｔ１からｔ３にかけて発電機での発電電力が緩やかに上昇する。このため、必要な電力（直線Ｌ１）と実際の供給電力（直線Ｌ０）との差分をバッテリからの電力で担う必要がある。つまり、図５における直線Ｌ１と直線Ｌ０とに囲まれた領域Ｒ０の大きさは、従来技術においてバッテリから取り出される電気エネルギと等しい。

一方、動作点制御部３２により動力動作点を制御する本実施形態の推進システム１においては、直線Ｌ２に示すように、時刻ｔ１からｔ２（＜ｔ３）までの間は出力がＰｏｗｅｒ１のままであるが、時刻ｔ２において電力供給量を急激に増加させることができる。図５における直線Ｌ１と直線Ｌ２とに囲まれた領域Ｒ２の大きさは、本実施形態においてバッテリ５から取り出される電気エネルギと等しい。

ここで、ｔ１からｔ２までの時間がｔ２からｔ３までの時間より短い場合、領域Ｒ２は領域Ｒ０よりも小さくなる。よって、従来技術と比較して、バッテリ５から取り出される電気エネルギ量を削減することが可能となる。

（負荷が減少するように変動負荷が生じる場合の動作点制御部の動作）
次に、負荷が減少するように変動負荷が生じる場合の動作点制御部の動作について説明する。図６は、負荷が減少した場合における、動作点制御部３２による制御を示す動作点マップ４０である。

図６において、符号６１，６２，６３及び６４は、ガスタービン要素２の動力動作点を示し、符号７１，７２，７３及び７４は、発電機３の動力動作点を示す。負荷変動検出部３１により負荷の変動（減少）が検出されると、動作点制御部３２は、動作点マップ４０上において、現在の動力動作点である第一動力動作点６１，７１を検出するとともに、変動後の負荷に対応する目標動力動作点６４，７４を算出する。このとき、動作点制御部３２は、基準動作線３５上で最も運転効率の良い点を第一動力動作点６１，７１として選択する。同様に、動作点制御部３２は、負荷変動後の動作線３７上で最も運転効率の良い点を目標動力動作点６４，７４として選択する。

さらに、動作点制御部３２は、第二動力動作点６２，７２、第三動力動作点６３，７３を設定する。動作点制御部３２は、動力動作点を、第一動力動作点６１，７１、第二動力動作点６２，７２、第三動力動作点６３，７３、目標動力動作点６４，７４の順で移動させる。これにより、動作点制御部３２は、負荷変動に追従して電気エネルギを吸収できるようにガスタービン要素２及び発電機３を制御する。

具体的に、第一動力動作点６１，７１は、動作点制御部３２による動力動作点の移動制御が実行される前の定常状態において、推進システム１の動力動作点が位置する箇所であり、動作点マップ４０における現在の動力動作点である。第一ガスタービン動力動作点６１と、第一発電機動力動作点７１と、は同じ点に位置している。第一動力動作点６１，７１は、基準動作線３５上に位置している。

目標動力動作点６４，７４は、第一動力動作点６１，７１よりもトルクＴ及び回転数Ｎｅが小さい点、すなわち基準動作線３５よりも出力の小さい点に位置している。目標ガスタービン動力動作点６４と、目標発電機動力動作点７４と、は同じ点に位置している。

第二ガスタービン動力動作点６２は、第一ガスタービン動力動作点６１よりもトルクＴ及び回転数Ｎｅが小さい点、すなわち基準動作線３５よりも出力の小さい点に位置している。第二ガスタービン動力動作点６２は、燃料流量Ｗｆを減少したことによるガスタービン要素２の減少トランジェントの通過点である。第二ガスタービン動力動作点６２は、回転数Ｎｅにおいて、目標ガスタービン動力動作点６４と第一ガスタービン動力動作点６１との間であり、かつ目標ガスタービン動力動作点６４と同一のトルクＴを有する動力動作点である。
第二発電機動力動作点７２は、基準動作線３５上に位置している。第二発電機動力動作点７２は、基準動作線３５上であり、かつ第二ガスタービン動力動作点６２と同一の回転数Ｎｅを有する動力動作点である。

第三ガスタービン動力動作点６３は、第二ガスタービン動力動作点６２と同一のトルクＴを有し、かつ目標ガスタービン動力動作点６４と同一の回転数Ｎｅを有する動力動作点である。つまり、第三ガスタービン動力動作点６３は、目標ガスタービン動力動作点６４と一致する。
第三発電機動力動作点７３は、基準動作線３５上に位置している。第三発電機動力動作点７３は、基準動作線３５上であり、かつ第三ガスタービン動力動作点６３と同一の回転数Ｎｅを有する動力動作点である。

（負荷が減少するように変動負荷が生じる場合の動作点制御部による制御）
次に、負荷が減少するように変動負荷が生じる場合における動作点制御部３２の制御についてより詳細に説明する。
図７は、第１実施形態において負荷が減少した場合における、動作点制御部３２のブロック図である。図７において、ステップＳ２５はガスタービン要素２に対する制御であり、ステップＳ２７は、発電機３に対する制御である。それ以外のステップＳ２１、Ｓ２３、Ｓ２９、Ｓ３１、Ｓ３３、及びＳ３５は、ガスタービン要素２及び発電機３の両方に対する共通の制御を表している。

図６及び図７に示すように、まず、負荷変動検出部３１により負荷が減少したことが検出されると、動作点制御部３２は、減少方向へのステップ状の負荷変動を行うように指令信号を送信する（ステップＳ２１）。
次に、動作点制御部３２は、ステップ状の負荷変動に対して追従するためのステップ運転モードに推進システム１を移行させる（ステップＳ２３）。このとき、動作点制御部３２は、現在の動力動作点である第一ガスタービン動力動作点６１及び第一発電機動力動作点７１を検出する。このとき、第一ガスタービン動力動作点６１と、第一発電機動力動作点７１と、は一致している。

次に、動作点制御部３２は、ガスタービンＥＣＵ１１により所定の失火ライン２８を超えない範囲で燃料流量Ｗｆを減少させて減速させることにより、ガスタービン要素２の動力動作点を、第一ガスタービン動力動作点６１から第二ガスタービン動力動作点６２へ移動させる（ステップＳ２５）。失火ライン２８は、負荷が減少することが検出された場合の燃料ラインである。ステップＳ２５の制御と同時に、動作点制御部３２は、発電機ＥＣＵ１２により、発電機３の動力動作点を、第一発電機動力動作点７１から基準動作線３５に沿って第二発電機動力動作点７２へ移動させる（ステップＳ２７）。ステップＳ２７において、動作点制御部３２は、ステップＳ２５におけるガスタービン要素２の動力動作点における回転数Ｎｅの変位に合わせつつ発電機３の動力動作点が基準動作線３５に沿うように、発電機３の回転数Ｎｅ及びトルクＴを制御する。

次に、動作点制御部３２は、ガスタービンＥＣＵ１１により、ガスタービン要素２の動力動作点を、第二ガスタービン動力動作点６２からトルクＴを一定にしたまま第三ガスタービン動力動作点６３へ移動させる（ステップＳ２９）。同時に、動作点制御部３２は、発電機ＥＣＵ１２により、発電機３の動力動作点を、第二発電機動力動作点７２から基準動作線３５に沿って第三発電機動力動作点７３へ移動させる。ステップＳ２９において、動作点制御部３２は、ガスタービン要素２の動力動作点における回転数Ｎｅの変移に合わせつつ発電機３の動力動作点が基準動作線３５に沿うように、発電機３の回転数Ｎｅ及びトルクＴを制御する。

次に、動作点制御部３２は、ガスタービンＥＣＵ１１により、ガスタービン要素２の動力動作点を、第三ガスタービン動力動作点６３から移動させずに所定時間維持することにより目標ガスタービン動力動作点６４とする（ステップＳ３１）。同時に、動作点制御部３２は、発電機ＥＣＵ１２により、発電機３の動力動作点を、所定時間以内に第三発電機動力動作点７３から回転数Ｎｅを一定にしたまま目標発電機動力動作点７４へ移動させる。

所定時間の経過後、発電機３のトルクＴが第三ガスタービン動力動作点６３のトルクと一致することにより、各動力動作点が目標動力動作点６４，７４に到達する（ステップＳ３３）。
目標動力動作点６４，７４に到達した後、動作点制御部３２は、定常運転モードに推進システム１を移行させ、動力動作点の移動制御を終了する（ステップＳ３５）。

図８は、第１実施形態に係る推進システムにおいて負荷が減少した場合の電力供給量を示すグラフである。図８のＰｏｗｅｒ２は、負荷変動が生じる前の推進システム１の必要電力である。Ｐｏｗｅｒ１は、負荷変動が生じた後の推進システム１の必要電力である。直線Ｌ６は、減少の変動負荷が生じた際に推進システム１が必要とする電力の推移を示す。直線Ｌ５は、従来技術において、減少の変動負荷が生じた際に発電機３によって追従可能な電力の推移を示す。直線Ｌ７は、本実施形態において、減少の変動負荷が生じた際に発電機３によって追従可能な電力の推移を示す。

図８の直線Ｌ６に示すように、時間ｔ１において減少の変動負荷が生じた場合、推進システム１の必要電力はＰｏｗｅｒ２からＰｏｗｅｒ１へ急激に低下する。これに対して、ガスタービン要素２への燃料流量Ｗｆを減少させることにより電力を減少させる従来技術にあっては、直線Ｌ５に示すように、燃料流量Ｗｆの減少に伴って時間ｔ１からｔ３にかけて発電機３での発電電力が緩やかに下降する。このため、必要な電力（直線Ｌ６）と実際の供給電力（直線Ｌ５）との差分をバッテリからの電力で担う必要がある。つまり、図８における直線Ｌ６と直線Ｌ５とに囲まれた領域Ｒ５の大きさは、従来技術においてバッテリから取り出される電気エネルギと等しい。

一方、動作点制御部３２により動力動作点を制御する本実施形態の推進システム１においては、直線Ｌ７に示すように、時刻ｔ１からｔ２（＜ｔ３）までの間は出力がＰｏｗｅｒ２のままであるが、時刻ｔ２において電力供給量を急激に減少させることができる。図８における直線Ｌ６と直線Ｌ７とに囲まれた領域Ｒ７の大きさは、本実施形態においてバッテリ５から取り出される電気エネルギと等しい。

ここで、ｔ１からｔ２までの時間がｔ２からｔ３までの時間より短い場合、領域Ｒ７は領域Ｒ５よりも小さくなる。よって、従来技術と比較して、バッテリ５から取り出される電気エネルギ量を削減することが可能となる。

上述の構成によれば、ガスタービン要素２への燃料流量Ｗｆを減少させることにより徐々に減速して電力を吸収する従来技術と比較して、所定のタイミング（例えば図５の時刻ｔ２に相当するタイミング）において電力供給量を急激に減少させることができる。短時間で減速トランジェントを完了させることによって、電力の大きさと時間との積で定義される領域の面積が小さくなるので、従来技術と比較して、バッテリ５に吸収させる電気エネルギ量を削減することが可能となる。

（作用、効果）
次に、上述の推進システム１の作用、効果について説明する。
本実施形態の推進システム１によれば、動作点制御部３２は、負荷変動が生じた場合に、動力動作点を移動させることにより負荷変動による出力の増減に対応する。具体的に、動作点制御部３２は、まず、第一動力動作点４１，５１，６１，７１に対して、変動後の負荷に対応する目標動力動作点４４，５４，６４，７４を算出する。次に、所定の燃料ライン（サージライン２７又は失火ライン２８）を超えない範囲で燃料流量Ｗｆを変化させることにより、ガスタービン要素２及び発電機３の動力動作点を第二動力動作点４２，５２，６２，７２へ移動させる。これにより、発電機３からの出力を維持したままガスタービン要素２におけるトルクＴを増加させる。その後、動作点制御部３２は、ガスタービン要素２の動力動作点を、トルクＴを一定にしたまま目標動力動作点４４，６４と一致する第三ガスタービン動力動作点４３，６３へ移動させると同時に、発電機３の動力動作点を、基準動作線３５上であって第三ガスタービン動力動作点４３，６３と同一の回転数Ｎｅとなる第三発電機動力動作点５３，７３へ移動させる。このように、ガスタービン要素２のトルクＴを増加させるとともに発電機３のトルクＴを減少させる。これにより、ガスタービン要素２と発電機３とのトルク差を大きくすることができる。さらに動作点制御部３２は、第三ガスタービン動力動作点４３，６３を目標ガスタービン動力動作点４４，６４とすると同時に、発電機３の動力動作点を、目標発電機動力動作点５４，７４へ移動させる。第三動力動作点４３，５３，６３，７３において、ガスタービン要素２と発電機３とのトルク差が大きいので、短時間で発電機３の動力動作点を目標動力動作点５４，７４へ移動させることができる。よって、負荷の発生からごく短い時間で発電機３からの出力を負荷変動に追従させることができる。また、電力と時間との積で定義されるバッテリ５の電力量を減少させることができるので、従来技術と比較して、バッテリ５を小型化できる。また、バッテリ５の利用頻度が減少するため、バッテリ５に関する冷却系を小型化できるとともにバッテリ５の寿命低下を抑制できる。
したがって、従来技術と比較してバッテリ５及びその冷却系を小型化するとともに、バッテリ寿命の低下を抑制することが可能な航空機の推進システム１を提供できる。

負荷が増加する場合、動作点制御部３２は、サージライン２７を超えない範囲で燃料流量Ｗｆを増加させる。これにより、燃料を効率良く使用しつつ負荷変動の増加に迅速に追従できる。また、バッテリ５が補う電力量を減少させることができる。よって、従来よりもバッテリ５から取り出される電力量を減らしつつ負荷変動の増加に対応できる。

負荷が減少する場合、動作点制御部３２は、失火ライン２８を超えない範囲で燃料流量Ｗｆを減少させる。これにより、ガスタービン要素２を安定的に作動させつつ負荷変動の減少に迅速に追従できる。また、バッテリ５が吸収する電力量を減少させることができる。よって、従来よりもバッテリ５に蓄電させる電力量を減らしつつ負荷変動の減少に対応できる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明する。図９は、第２実施形態において負荷が増加した場合における、動作点制御部３２による制御を示す動作点マップ４０である。以下の説明において、上述した第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。本実施形態では、発電機３の動力動作線が、トルク一定線２３５に沿って移動する点において上述した第１実施形態と相違している。

第２実施形態において、動作点マップ４０は、第１実施形態における基準動作線３５に代えて、トルク一定線２３５を有する。トルク一定線２３５は、トルクが一定となるような直線である。換言すれば、トルク一定線２３５上の任意の動力動作点におけるトルクは、Ｔ＝β（定数）で表される。また、トルク一定線２３５上の任意の動力動作点における回転数Ｎｅは、任意の値を取り得る。

（負荷が増加するように変動負荷が生じる場合の動作点制御部の動作）
図９において、符号２４１，２４２，２４３及び２４４は、ガスタービン要素２の動力動作点を示し、符号２５１，２５２，２５３及び２５４は、発電機３の動力動作点を示す。第２実施形態において負荷変動検出部３１により負荷の変動（増加）が検出されると、動作点制御部３２は、動作点マップ４０上において、現在の動力動作点である第一動力動作点２４１，２５１を検出するとともに、目標動力動作点２４４，２５４を算出する。このとき、動作点制御部３２は、Ｔ×Ｎｅが一定の動作線２３１上で最も運転効率の良い点を第一動力動作点２４１，２５１として選択する。同様に、動作点制御部３２は、負荷変動後の動作線２３２上で最も運転効率の良い点を目標動力動作点２４４，２５４として選択する。

第一ガスタービン動力動作点２４１と、第一発電機動力動作点２５１と、は同じ点に位置している。各第一動力動作点２４１，２５１は、トルク一定線２３５上に位置している。

動作点制御部３２は、まず、各第一動力動作点２４１，２５１に対して、目標動力動作点２４４，２５４を算出する。目標動力動作点２４４，２５４は、第一動力動作点２４１，２５１よりもトルクＴ及び回転数Ｎｅが大きい点、すなわちトルク一定線２３５よりも出力の大きい点に位置している。目標ガスタービン動力動作点２４４と、目標発電機動力動作点２５４と、は同じ点に位置している。

次に、動作点制御部３２は、ガスタービンＥＣＵ１１により所定のサージライン２７を超えない範囲で燃料流量Ｗｆを増加して加速させることにより、ガスタービン要素２の動力動作点を、第一ガスタービン動力動作点２４１から第二ガスタービン動力動作点２４２へ移動させる。第二ガスタービン動力動作点２４２は、回転数Ｎｅにおいて、第一ガスタービン動力動作点２４１と目標ガスタービン動力動作点２４４との間であり、かつ目標ガスタービン動力動作点２４４と同一のトルクＴを有する動力動作点である。第二ガスタービン動力動作点２４２は、目標動力動作点２４４，２５４と同等のトルクであって、サージライン２７に達しないような領域を通過するように選択される。

同時に、動作点制御部３２は、発電機ＥＣＵ１２により、発電機３の動力動作点を、第一発電機動力動作点２５１からトルク一定線２３５に沿って第二発電機動力動作点２５２へ移動させる。第二発電機動力動作点２５２は、トルク一定線２３５上にあり、かつ第二ガスタービン動力動作点２４２と同一の回転数Ｎｅを有する動力動作点である。動作点制御部３２は、ガスタービン要素２の動力動作点における回転数Ｎｅの変位に合わせつつ発電機３の動力動作点がトルク一定線２３５に沿うように、発電機３の回転数Ｎｅ及びトルクＴを制御する。

次に、動作点制御部３２は、ガスタービンＥＣＵ１１により、ガスタービン要素２の動力動作点を、第二ガスタービン動力動作点２４２からトルクＴを一定にしたまま第三ガスタービン動力動作点２４３へ移動させる。第三ガスタービン動力動作点２４３は、目標ガスタービン動力動作点２４４と一致する。

同時に、動作点制御部３２は、発電機ＥＣＵ１２により、発電機３の動力動作点を、第二発電機動力動作点２５２からトルク一定線２３５に沿って第三発電機動力動作点２５３へ移動させる。第三発電機動力動作点２５３は、トルク一定線２３５上にあり、かつ第三ガスタービン動力動作点２４３と同一の回転数Ｎｅを有する動力動作点である。

次に、動作点制御部３２は、ガスタービンＥＣＵ１１により、ガスタービン要素２の動力動作点を、第三ガスタービン動力動作点２４３から移動させずに所定時間維持することにより目標ガスタービン動力動作点２４４とする。同時に、動作点制御部３２は、発電機ＥＣＵ１２により、発電機３の動力動作点を、所定時間以内に第三発電機動力動作点２５３から回転数Ｎｅを一定にしたまま目標発電機動力動作点２５４へ移動させる。

所定時間の経過後、各動力動作点が目標動力動作点２４４，２５４に到達する。以上で動作点制御部３２による動力動作点の移動制御を終了する。

図１０は、第２実施形態に係る推進システム１において負荷が増加した場合の電力供給量を示すグラフである。直線Ｌ２０２は、第２実施形態において、増加の変動負荷が生じた際に追従可能な電力の推移を示す。なお、直線Ｌ１及び直線Ｌ０は第１実施形態と同様であるため、以下では説明を省略する。

図１０の直線Ｌ２０２に示すように、第２本実施形態の推進システム１においては、時刻ｔ１からｔ２´までの間に出力が緩やかに増加した後、時刻ｔ２´において電力供給量を急激に増加させることができる。第２実施形態の図１０における時刻ｔ１から時刻ｔ２´までの時間は、第１実施形態の図５における時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間よりも長い。
ここで、領域Ｒ２０２は領域Ｒ０よりも小さくできる。よって、従来技術と比較して、バッテリ５から取り出される電気エネルギ量を削減することが可能となる。

（負荷が減少するように変動負荷が生じる場合の動作点制御部の動作）
次に、第２実施形態において、負荷が減少するように変動負荷が生じる場合の動作点制御部の動作について説明する。
図１１は、第２実施形態において負荷が減少した場合における、動作点制御部による制御を示す動作点マップ４０である。

図１１において、符号２６１，２６２，２６３及び２６４は、ガスタービン要素２の動力動作点を示し、符号２７１，２７２，２７３及び２７４は、発電機３の動力動作点を示す。第２実施形態において負荷変動検出部３１により負荷の変動（減少）が検出されると、動作点制御部３２は、現在の動力動作点である第一動力動作点２６１，２７１を検出するとともに、目標動力動作点２６４，２７４を算出する。このとき、動作点制御部３２は、Ｔ×Ｎｅが一定の動作線２３１上で最も運転効率の良い点を第一動力動作点２６１，２７１として選択する。同様に、動作点制御部３２は、負荷変動後の動作線２３３上で最も運転効率の良い点を目標動力動作点２６４，２７４として選択する。

第一ガスタービン動力動作点２６１と、第一発電機動力動作点２７１と、は同じ点に位置している。各第一動力動作点２６１，２７１は、トルク一定線２３５上に位置している。

動作点制御部３２は、まず、各第一動力動作点２６１，２７１に対して、目標動力動作点２６４，２７４を算出する。目標動力動作点２６４，２７４は、第一動力動作点２６１，２７１よりもトルクＴ及び回転数Ｎｅが小さい点、すなわちトルク一定線２３５よりも出力の小さい点に位置している。目標ガスタービン動力動作点２６４と、目標発電機動力動作点２７４と、は同じ点に位置している。

次に、動作点制御部３２は、ガスタービンＥＣＵ１１により所定の失火ライン２８を超えない範囲で燃料流量Ｗｆを減少させて減速させることにより、ガスタービン要素２の動力動作点を、第一ガスタービン動力動作点２６１から第二ガスタービン動力動作点２６２へ移動させる。第二ガスタービン動力動作点２６２は、回転数Ｎｅにおいて、目標ガスタービン動力動作点２６４と第一ガスタービン動力動作点２６１との間であり、かつ目標ガスタービン動力動作点２６４と同一のトルクＴを有する動力動作点である。第二ガスタービン動力動作点２６２は、目標動力動作点２６４，２７４と同等のトルクであって、失火ライン２８に達しないような領域を通過するように選択される。

同時に、動作点制御部３２は、発電機ＥＣＵ１２により、発電機３の動力動作点を、第一発電機動力動作点２７１からトルク一定線２３５に沿って第二発電機動力動作点２７２へ移動させる。第二発電機動力動作点２７２は、トルク一定線２３５上にあり、かつ第二ガスタービン動力動作点２６２と同一の回転数Ｎｅを有する動力動作点である。動作点制御部３２は、ガスタービン要素２の動力動作点における回転数Ｎｅの変位に合わせつつ発電機３の動力動作点がトルク一定線２３５に沿うように、発電機３の回転数Ｎｅ及びトルクＴを制御する。

次に、動作点制御部３２は、ガスタービンＥＣＵ１１により、ガスタービン要素２の動力動作点を、第二ガスタービン動力動作点２６２からトルクＴを一定にしたまま第三ガスタービン動力動作点２６３へ移動させる。第三ガスタービン動力動作点２６３は、目標ガスタービン動力動作点２６４と一致する。

同時に、動作点制御部３２は、発電機ＥＣＵ１２により、発電機３の動力動作点を、第二発電機動力動作点２７２からトルク一定線２３５に沿って第三発電機動力動作点２７３へ移動させる。第三発電機動力動作点２７３は、トルク一定線２３５上にあり、かつ第三ガスタービン動力動作点２６３と同一の回転数Ｎｅを有する動力動作点である。

次に、動作点制御部３２は、ガスタービンＥＣＵ１１により、ガスタービン要素２の動力動作点を、第三ガスタービン動力動作点２６３から移動させずに所定時間維持することにより目標ガスタービン動力動作点２６４とする。同時に、動作点制御部３２は、発電機ＥＣＵ１２により、発電機３の動力動作点を、所定時間以内に第三発電機動力動作点２７３から回転数Ｎｅを一定にしたまま目標発電機動力動作点２７４へ移動させる。

所定時間の経過後、各動力動作点が目標動力動作点２４４，２５４に到達する。以上で動作点制御部３２による動力動作点の移動制御を終了する。

図１２は、第２実施形態に係る推進システム１において負荷が減少した場合の電力供給量を示すグラフである。直線Ｌ２０７は、第２実施形態において、減少の変動負荷が生じた際に追従可能な電力の推移を示す。なお、直線Ｌ５及び直線Ｌ６は第１実施形態と同様であるため、以下では説明を省略する。

図１２の直線Ｌ２０７に示すように、第２本実施形態の推進システム１においては、時刻ｔ１からｔ２´までの間に出力が緩やかに減少した後、時刻ｔ２´において電力供給量を急激に減少させることができる。
直線Ｌ６と直線Ｌ２０７とに囲まれた領域Ｒ２０７は、第２実施形態において負荷が減少した場合にバッテリ５に吸収される電力量の大きさを示している。領域Ｒ２０７は領域Ｒ５よりも小さくできる。よって、従来技術と比較して、バッテリ５から取り出される電気エネルギ量を削減することが可能となる。

上述の構成によれば、ガスタービン要素２への燃料流量Ｗｆを減少させることにより徐々に減速して電力を吸収する従来技術と比較して、所定のタイミング（例えば図１０の時刻ｔ２に相当するタイミング）において電力供給量を急激に減少させることができる。また、バッテリ５が吸収する電力量を減少させることができる。

第２実施形態の推進システム１によれば、動作点制御部３２は、ガスタービン要素２の動力動作点を第一ガスタービン動力動作点２４１，２６１から第二ガスタービン動力動作点２４２，２６２、第三ガスタービン動力動作点２４３，２６３の順で移動させる。同時に、動作点制御部３２は、発電機３の動力動作点を、トルク一定線２３５上に沿って第二発電機動力動作点２５２，２７２、第三発電機動力動作点２５３，２７３の順で移動させる。発電機３の動力動作点をトルクＴ一定のまま移動させることにより、発電機３からの出力を負荷変動に応じて変化させつつ、ガスタービン要素２と発電機３とのトルク差を大きくすることができる。その後、動作点制御部３２は、第三ガスタービン動力動作点２４３，２６３を目標ガスタービン動力動作点２４４，２６４とすると同時に、発電機３の動力動作点を、目標発電機動力動作点２５４，２７４へ移動させる。第三動力動作点２４３，２５３，２６３，２７３において、ガスタービン要素２と発電機３とのトルク差が大きいので、短時間で発電機３の動力動作点を目標動力動作点２５４，２７４へ移動させることができる。よって、負荷の発生からごく短い時間で発電機３からの出力を負荷変動に追従させることができる。その結果、電力と時間との積で定義されるバッテリ５の電力量を減少させることができるので、従来技術と比較して、バッテリ５を小型化できる。また、バッテリ５の利用頻度が減少するため、バッテリ５に関する冷却系を小型化できるとともにバッテリ５の寿命低下を抑制できる。
したがって、従来技術と比較してバッテリ５及びその冷却系を小型化するとともに、バッテリ寿命の低下を抑制することが可能な航空機の推進システム１を提供できる。

負荷が増加する場合、動作点制御部３２は、サージライン２７を超えない範囲で燃料流量Ｗｆを増加させる。第２実施形態の構成によれば、従来技術と比較して応答性を向上しつつ、バッテリ５が補う電力量を減少させることができる。ここで第２実施形態では、第１実施形態と比較して緩やかに電力量が増加する。このため、第２実施形態では、第１実施形態と比較した場合、応答性に劣るものの、バッテリ５に対する負荷を軽減できる。よって、バッテリ５の耐久性をより向上することができる。

負荷が減少する場合、動作点制御部３２は、失火ライン２８を超えない範囲で燃料流量Ｗｆを減少させる。第２実施形態の構成によれば、従来技術と比較して応答性を向上しつつ、バッテリ５が吸収する電力量を減少させることができる。ここで第２実施形態では、第１実施形態と比較して緩やかに電力量が減少する。このため、第２実施形態では、第１実施形態と比較した場合、応答性に劣るものの、バッテリ５に対する負荷を軽減できる。よって、バッテリ５の耐久性をより向上することができる。

なお、本発明の技術範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述の実施形態では、単一のガスタービン要素２を有する構成について説明したが、推進システム１が複数のガスタービン要素２を有していてもよい。
発電機３は、軸方向において圧縮機２１とタービン２２との間に配置されてもよい。

各動力動作点の位置は、図３や図６、図９、図１１に記載した位置に限定されない。発電機からの出力がＰｏｗｅｒ１からＰｏｗｅｒ２に移行するタイミング（図５や図１０における時間ｔ２及びｔ２´）は、図示したタイミングに限定されない。時間ｔ１からｔ２（又はｔ２´）までの長さ、時間ｔ２（又はｔ２´）からｔ３までの長さ等は適宜変更可能である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した実施形態を適宜組み合わせてもよい。

１ 航空機の推進システム
２ ガスタービン要素
３ 発電機
５ バッテリ
７ 電気モータ
８ プロペラ
１１ ガスタービンＥＣＵ（ガスタービン制御部）
１２ 発電機ＥＣＵ（発電機制御部）
１５ 飛行状態検出部
２１ 圧縮機
２２ タービン
２５ 回転軸
２７ サージライン（燃料ライン）
２８ 失火ライン（燃料ライン）
３１ 負荷変動検出部
３２ 動作点制御部
３５ 基準動作線
４０ 動作点マップ
４１，６１，２４１，２６１ 第一ガスタービン動力動作点（第一動力動作点）
４２，６２，２４２，２６２ 第二ガスタービン動力動作点
４３，６３，２４３，２６３ 第三ガスタービン動力動作点
４４，６４，２４４，２６４ 目標ガスタービン動力動作点（目標動力動作点）
５１，７１，２５１，２７１ 第一発電機動力動作点（第一動力動作点）
５２，７２，２５２，２７２ 第二発電機動力動作点
５３，７３，２５３，２７３ 第三発電機動力動作点
５４，７４，２５４，２７４ 目標発電機動力動作点（目標動力動作点）
２３５ トルク一定線
Ｔ トルク
Ｎｅ 回転数

Claims (6)

1. 航空機の機体に搭載され、
   圧縮機及び前記圧縮機と一体回転するタービンを有するガスタービン要素と、
   前記ガスタービン要素と回転軸を介して接続される発電機と、
   前記発電機により発電された電力を蓄電するバッテリと、
   前記発電機からの電力及び前記バッテリからの電力の少なくとも一方の電力により駆動される電気モータと、
   前記電気モータにより駆動されるプロペラと、
   前記ガスタービン要素の出力を制御するガスタービン制御部と、
   前記発電機の発電量を制御する発電機制御部と、
   前記航空機の飛行状態を検出する飛行状態検出部と、
   前記飛行状態検出部により検出された前記飛行状態に基づいて、前記航空機に対する要求出力の負荷変動を検出する負荷変動検出部と、
   前記飛行状態検出部により検出された前記飛行状態に基づいて、前記回転軸におけるトルク及び回転数により定義される動力動作点を制御する動作点制御部と、
   を備え、
   前記動作点制御部は、前記動力動作点がマッピングされる動作点マップにおいて、前記トルクと前記回転数の積により定義される出力が一定である複数の前記動力動作点を結んだ基準動作線を有し、
   前記動作点制御部は、
   前記負荷変動検出部により負荷が変動したことが検出された場合、前記動作点マップにおける現在の動力動作点である第一動力動作点に対して、変動後の前記負荷に対応する目標動力動作点を算出し、
   前記ガスタービン制御部により所定の燃料ラインを超えない範囲で燃料流量を変化させることにより、前記ガスタービン要素の動力動作点を、前記基準動作線上にある前記第一動力動作点から前記目標動力動作点と同一のトルクとなる第二ガスタービン動力動作点へ移動させると同時に、前記発電機制御部により、前記発電機の動力動作点を、前記基準動作線上にある前記第一動力動作点から前記基準動作線上であって前記第二ガスタービン動力動作点と同一の回転数となる第二発電機動力動作点へ移動させ、
   前記動力動作点が前記第二ガスタービン動力動作点及び前記第二発電機動力動作点へ移動した後、前記ガスタービン制御部により、前記ガスタービン要素の動力動作点を、前記第二ガスタービン動力動作点から前記トルクを一定にしたまま前記目標動力動作点と一致する第三ガスタービン動力動作点へ移動させると同時に、前記発電機制御部により、前記発電機の動力動作点を、前記第二発電機動力動作点から前記基準動作線上であって前記第三ガスタービン動力動作点と同一の回転数となる第三発電機動力動作点へ移動させ、
   前記動力動作点が前記第三ガスタービン動力動作点及び前記第三発電機動力動作点へ移動した後、前記ガスタービン制御部により、前記ガスタービン要素の動力動作点を、前記第三ガスタービン動力動作点から移動させずに所定時間維持することにより前記目標動力動作点とすると同時に、前記発電機制御部により、前記発電機の動力動作点を、前記所定時間以内に前記第三発電機動力動作点から前記目標動力動作点へ移動させることを特徴とする航空機の推進システム。
2. 前記負荷変動検出部により前記負荷が増加することが検出された場合、前記所定の燃料ラインはサージラインであり、
   前記動作点制御部は、前記ガスタービン制御部により前記サージラインを超えない範囲で燃料流量を増加させることにより、前記ガスタービン要素の動力動作点を移動させることを特徴とする請求項１に記載の航空機の推進システム。
3. 前記負荷変動検出部により前記負荷が減少することが検出された場合、前記所定の燃料ラインは失火ラインであり、
   前記動作点制御部は、前記ガスタービン制御部により前記失火ラインを下回らない範囲で燃料流量を減少させることにより、前記ガスタービン要素の動力動作点を移動させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の航空機の推進システム。
4. 航空機の機体に搭載され、
   圧縮機及び前記圧縮機と一体回転するタービンを有するガスタービン要素と、
   前記ガスタービン要素と回転軸を介して接続される発電機と、
   前記発電機により発電された電力を蓄電するバッテリと、
   前記発電機からの電力及び前記バッテリからの電力の少なくとも一方の電力により駆動される電気モータと、
   前記電気モータにより駆動されるプロペラと、
   前記ガスタービン要素の出力を制御するガスタービン制御部と、
   前記発電機の発電量を制御する発電機制御部と、
   前記航空機の飛行状態を検出する飛行状態検出部と、
   前記飛行状態検出部により検出された前記飛行状態に基づいて、前記航空機に対する要求出力の負荷変動を検出する負荷変動検出部と、
   前記飛行状態検出部により検出された前記飛行状態に基づいて、前記回転軸におけるトルク及び回転数により定義される動力動作点を制御する動作点制御部と、
   を備え、
   前記動作点制御部は、動力動作点がマッピングされる動作点マップにおいて、前記トルクが一定であるトルク一定線を有し、
   前記動作点制御部は、
   前記負荷変動検出部により負荷が変動したことが検出された場合、前記動作点マップにおける現在の動力動作点である第一動力動作点に対して、変動後の前記負荷に対応する目標動力動作点を算出し、
   前記ガスタービン制御部により所定の燃料ラインを超えない範囲で燃料流量を変化させることにより、前記ガスタービン要素の動力動作点を、前記トルク一定線上にある前記第一動力動作点から前記目標動力動作点と同一のトルクとなる第二ガスタービン動力動作点へ移動させると同時に、前記発電機制御部により、前記発電機の動力動作点を、前記トルク一定線上にある前記第一動力動作点から前記トルク一定線上であって前記第二ガスタービン動力動作点と同一の回転数となる第二発電機動力動作点へ移動させ、
   前記動力動作点が前記第二ガスタービン動力動作点及び前記第二発電機動力動作点へ移動した後、前記ガスタービン制御部により、前記ガスタービン要素の動力動作点を、前記第二ガスタービン動力動作点から前記トルクを一定にしたまま前記目標動力動作点と一致する第三ガスタービン動力動作点へ移動させると同時に、前記発電機制御部により、前記発電機の動力動作点を、前記第二発電機動力動作点から前記トルク一定線上であって前記第三ガスタービン動力動作点と同一の回転数となる第三発電機動力動作点へ移動させ、
   前記動力動作点が前記第三ガスタービン動力動作点及び前記第三発電機動力動作点へ移動した後、前記ガスタービン制御部により、前記ガスタービン要素の動力動作点を、前記第三ガスタービン動力動作点から移動させずに所定時間維持することにより前記目標動力動作点とすると同時に、前記発電機制御部により、前記発電機の動力動作点を、前記所定時間以内に前記第三発電機動力動作点から前記目標動力動作点へ移動させることを特徴とする航空機の推進システム。
5. 前記負荷変動検出部により前記負荷が増加することが検出された場合、前記所定の燃料ラインはサージラインであり、
   前記動作点制御部は、前記ガスタービン制御部により前記サージラインを超えない範囲で燃料流量を増加させることにより、前記ガスタービン要素の動力動作点を移動させることを特徴とする請求項４に記載の航空機の推進システム。
6. 前記負荷変動検出部により前記負荷が減少することが検出された場合、前記所定の燃料ラインは失火ラインであり、
   前記動作点制御部は、前記ガスタービン制御部により前記失火ラインを下回らない範囲で燃料流量を減少させることにより、前記ガスタービン要素の動力動作点を移動させる
   ことを特徴とする請求項４に記載の航空機の推進システム。

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