2016年、エンジニアと冒険家のチームが南アフリカの砂漠を訪れ、時速1,000マイルで車を運転した初めての人物になることを目指します。英国製の車両、 Bloodhound SSCは、現在の世界陸上速度記録である時速763マイルを破り、これまでに製造された中で最速の自動車となるよう設計されています。
驚くべきことに、この驚異的な目標はプロジェクトの主目的でさえありません。陸上速度記録の更新は英国にとって目新しいことではなく、英国は過去100年のうち79年間この称号を保持し、直近の32年間は継続して保持してきました。直近では、 Thrust SSC（アンディ・グリーンの運転によるもの）。しかし、グリーンは、従来の記録保持者リチャード・ノーブルおよび当時の科学担当大臣ドレイソン卿とともに、 Bloodhoundを 2008年に発表した際、彼らの目標は、次世代の問題解決者たちが科学、技術、工学、数学に優れた才能を注ぐよう促すことでした。
もちろん、もう一つの目標は、英国のエンジニアたちに世界水準の研究開発プロジェクトへの挑戦を促すことでした。しかし、他のどの車よりも時速数百マイル速い車を設計・製造するには、どこから始めればよいのでしょうか。主に検討すべきことは3つあります。十分に空力特性に優れているか？十分な出力があるか？そして十分な強度があるか？
空気力学という捉えどころのないテーマ
凧を揚げてみれば誰にでも分かるように、動く空気には大きな力があります。空気の流れに沿って作業するなら問題ありませんが、ブラッドハウンドでは、音速を超える速度で空気に逆らって進むことになります。物体を空気中で押し進めると、途方もない大きさの 抵抗力 が生じ、物体の前面投影面積が大きいほど、その抵抗は大きくなります。
Thrust SSCは 動力源として2基のジェットエンジンを使用していました。これらは、前方から空気を吸い込み、圧縮し、燃料を燃焼させ、後方へ噴出させることで推力を生み出す仕組みです。この種の設計では、ジェットエンジンが十分な空気を取り込めるよう大きな前面投影面積が必要です。しかし解析の結果、このような設計では時速1,000マイルに到達することは決してできないことが示されました。前面投影面積によって生じる抵抗があまりに大きいため、現在の技術では、それに対抗できるだけの出力を生み出すことは不可能です。そこで、前面投影面積の小さい車両を設計する必要があり、そのためにはロケットエンジンの使用が必要になりました（詳細は後述）。
空力特性を確認するため、スウォンジー大学では、 数値流体力学 （CFD）と呼ばれる手法を用いたコンピュータモデルが実行されました。この手法により、チームは、低速時（亜音速）、音速の壁に近づく際（遷音速）、高速時（超音速）において、車体の形状が車体表面上の気流にどのように反応するかを把握できました。その結果、どの速度域でも車両が安定していることを確かめるため、150を超える設計案をシミュレーションすることができました。
野獣への動力供給
小さな前面投影面積が必要であるため、2基のジェットエンジンは不可能でした。解決策は、1基のジェットエンジンを ロケット動力と組み合わせることでした。ロケットは、液体燃料と液体酸素の混合物を燃焼させるか、固体燃料と酸化剤の爆発性混合物に点火することで、途方もない出力を生み出すことができます。両方式の問題は化学物質にあります。液体酸素は非常に扱いにくく、マイナス182℃で保管しなければなりません。固体燃料のロケットは、一度点火すると燃料をすべて消費するまで停止できません。ここでも第3の方法が必要になりました。
私たちは ハイブリッドロケット を採用しました。これは、非常に純度の高い過酸化水素（髪を明るくするのに使うことがある製品）を酸化剤とし、ゴム製の燃料を用いるものです。これにより、酸化剤の供給を止めて爆発を停止させることができ、制御可能なロケットが実現しました。
しかし、これにより別の問題が生じました。それは、酸化剤をロケットにどう供給するかです。陸上速度記録に適した方式として、高出力のジャガー製スポーツカーのエンジンを燃料ポンプの駆動に使用し、20秒で1000リットルの過酸化水素をロケットに送り込めるようにしました。これら3つのエンジンを組み合わせれば、時速1,000マイルに到達できるはずです。
すべてを一体に保つ
もう一つの懸念は、車両のすべての部品が巨大な圧力にさらされることです。例えば、車輪の外周は非常に高速で回転するため、地球の重力の50,000倍の力が生じます。つまり、材料1グラムあたりの実効質量は50キログラムに相当します。一方、燃料ポンプを駆動するシャフトは、多くの材料を侵食してしまう液体を移送しながら、相当なトルクに耐えなければなりません。
これらの課題を克服するため、車輪は高品位アルミニウムの単一ブロックから鍛造されました。これにより、ブロックを構成する金属の結晶粒がすべて整列し、欠陥や破断の可能性が低減されました。車体のシェルは、軽量かつ非常に強固な構造を実現するため炭素繊維で製造されています。そして燃料ポンプの駆動シャフトは、 Custom 465という素材で製造されています。化学的に反応しにくいものの、ポンプを回転させるのに十分な強度を備えています。その後、各部品を徹底的に試験し、記録挑戦中に受ける力を再現しました。
こうした課題は、ブラッドハウンドのような車を設計・製造するには膨大な専門知識が必要であることを示しています。材料を開発する化学者から、部品の製造方法を検討し、それらを一つの動作するシステムに統合するエンジニアまで、陸上速度記録の更新はドライバー以外の多くの人々が関わる共同プロジェクトです。2016年に手に汗握る記録挑戦を行う際には、まるで全員がコックピットに一緒にいるかのようになるでしょう。
本記事は、 The Conversationとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
Agendaの最新情報を追うには、 週刊ニュースレターに登録してください。
著者：Phil Spiers は、University of Sheffield の Advanced Manufacturing Research Centre で構造試験部門の責任者を務めています。
画像：アルバニア出身の労働者が、工場で農業機械の部品を溶接している。REUTERS/Kostas Tsironis.
