Luminescence

フライバイワイヤ (fly-by-wire, FBW) とは何か。このワイヤというのは電線のことだ、と言うとお分かりいただきやすいだろう。

ライト兄弟が初めて飛行機の製作に成功した頃、飛行機の操縦はワイヤー（こちらの方は細い鉄線を編んだワイヤーの方）で行われた。翼の端や尾翼にワイヤーを張って引っ張り、たわませることで操縦を行っていたわけだ。その後、第二次世界大戦が終わる頃まで、航空機の操縦は基本的にはこのような「人力で制御部を駆動する」ことで行われた。

戦後、航空機が大型になるに連れ、人力だけでは航空機の操縦を行うことが困難になってきた。そのために導入されたのが、油圧による補助機構である。まあ、クルマでいうパワステと同じものだと思っていただければよろしい。このような油圧を用いたシステムでは、圧力のかかる部位のどこかに損傷が生じ、そこから油が抜けてしまうと、操作ができなくなってしまう。そこで、操縦システムの多重化というものが行われるようになってきた。同じような油圧系統を複数設置して、ある系統がダメになったらバックアップの系統に切り替えられるようにするわけだ。このような多重化による信頼性確保をフェイルセーフ fail-safe という。

このような操縦システムは、たとえば人と方向舵の間を：

人力 → 油圧 → 方向舵

人力 → 電気・電子デバイス → 方向舵

では、これを称してフライバイワイヤと称しているのか……というと、実は伝送経路の電子化だけをこう称しているのではない。ここでは例として、クルマのことを思い返していただきたいのである。

クルマというのは、基本的には機械的な伝達機能で操作するものだった。ステアリングはステアリングシャフトからギヤリンクを介して操舵機構に接続され、スロットルはエンジンとワイヤーやリンケージロッドで結合され、クラッチはクラッチプレートと機械的リンクで結合され、ブレーキはブレーキフルードという名の油の圧力を介して、踏力を補助するかたちで動作する。これが古典的なクルマのシステムだった。

しかし、現在皆さんの身近にあるクルマの多くは、スロットルやブレーキ、クラッチの電子化が行われているものが大半だろう。そして、それらは単に人と機械を結ぶだけでなく、操作する人と操作される対象との間に電子システムが介入しているのだ。たとえば ABS はブレーキ操作に介入しているし、 TCS はスロットル操作に介入している。パワステも速度に応じて切れや重さを変えるように、間に電子的操作機構が介入しているのである。

このような電子的介入によって、クルマの各部は、人間自身では不可能な程の短い時間範囲でのコントロールがなされている。たとえば ABS は、極めて短い時間間隔でポンピングを行うことで、ロックさせずにブレーキングすることを実現している。TCS は、スロットル開度やエンジンの点火機構に、これも極めて短い時間間隔で介入することで、横滑りを防いでいるのである。

このような制御は、1970年代に航空機の分野で実験が始まったものである。そして、短い時間間隔での操縦系への介入・補正が可能になってくると、ここに更にもう一歩進んだ考え方が出てきた。

たとえば、戦闘機の場合を考えてみよう。戦闘機に求められるのは俊敏な運動性能である。操舵に対して敏感に反応するためには、安定板（尾翼）の大きさを小さくする必要がある。しかし、安定板を小さくすると、飛行機の挙動は不安定となり、常に舵の細かい修正をし続けなくてはならない。この問題は、二律背反の問題として、設計者の頭を悩ませていた。

しかし、電子化された操舵システムは、常人では不可能な短い時間感覚で、自動的に舵の細かい修正を行うことが可能なはずだ。空力的には不安定な機体でも、それを電子制御で安定化することができれば、通常は安定に、そして戦闘時は俊敏に動く航空機を作れるのではないか。むしろ、俊敏な戦闘機は空力的な安定性を下げることによって作られるのではないか。そういう考え方が出てきたのである。

先のクルマの例にあてはめるなら、これはスポーツカーを所有することに似ている。スポーツカーの多くは、コーナリング性能を高めるためにホイールベースを短くしているわけだが、これはクルマの安定性を低下させている。だから、濡れたり凍ったりしている路面に出喰わすと、どうにも制御できなくなることがあり得るわけだけど、最近のスポーツカーの多くは ABS と TCS を装備しているから、遊びでドリフトさせることも難しい位安定していて、それでいてコーナリング性能は非常に高いのである。

このような考え方を「静安定性緩和 (relaxed static stability, RSS)」という。この考え方を初めて導入したのが、ジェネラルダイナミックス（現 ロッキード・マーティン）の YF-16 である。YF-16 は、高い性能を実現するために、この静安定性緩和の考えにのっとって、水平尾翼の面積を、空力的に安定とされる面積よりも小さくし、操縦系統を完全に電子化し、安定性を電子制御によって得るように製作された。その結果、空戦性能においては、当時世界最高とされた F-15 のそれを上回り、同時に、十分な兵器搭載量も確保できた。

しかし、YF-16 は、同時にこの電子制御が行き届かなかった場合の恐ろしさをも知らしめることになった。これは YF-16 の初飛行を記録した映像である。実はこのとき、YF-16 はタクシーテストと呼ばれる滑走試験を行っている段階で、飛ぶ予定はなかった。しかし、水平尾翼の制御がばたついて不安定となり、テストパイロットが飛び上がった方が安全と判断し、この初飛行に至った、といわれている。

最新の F-22 ラプターで、フライバイワイヤを統括するコンピュータのトラブルで生じた事故の映像を下に示す。このように、本質的な安定性が低いものを「力業」で安定させるという手法に、緊急時の問題がつきまとうものであることは、否定できない事実である。

XV-15 も、操縦系統をほぼ完全に電子化したシステムが導入されていた。先にも書いたけれど、タンデムローター型のヘリコプターでは常時結合されているふたつのエンジンは、通常は機械的には結合されていない。これは、通常時はフライバイワイヤによって安定化制御が行われている、ということである。

XV-15 には、フライバイワイヤシステムの不備などの場合に備えて、"zero-zero" 型の射出座席（高度ゼロ、速度ゼロでも安全に脱出可能な射出式の脱出装置）が装備された。試験機だから、いざとなればこれで脱出すればよろしい、というわけだ。幸いなことに、XV-15 の飛行限界を見定めるテスト (flight envelope expansion) は極めて順調に進んで、これを使用しなければならない事態に至ることはなかった。

しかし、実用に供される航空機は、しばしば試験機でも遭遇しないような極端な事態に至ることがある。整えられた環境で、人が想像し得る範囲内で行われる過酷なテストだけでは、そのような事態を未然に防ぐことは、なかなかに難しい場合が多いのである。

XV-3 プロジェクトが試験機の破損で中止されて程ない、1971年のことである。アメリカ陸軍と NASA のエイムズ研究センターは、共同で垂直離着陸機の研究プログラムをスタートさせた。契約公募のコンペティションには、ヘリコプターで名を知られるシコルスキー、戦闘機などで知られる航空機メーカーのグラマン、CH-46/47 を作ったボーイング・バートル、そして XV-3 を開発したベル社の計4社が参加し、ボーイング・バートルとベル社が、50万ドルの研究資金と最終選考への参加権を獲得した。

そして1973年1月、両者の提案が提出された。ボーイング・バートル社の案 (Model 222) は、両翼端に固定式のエンジンポッドを付け、ほんの少し胴体寄りに、ローターが付く小さなポッドが独立して置かれている。エンジンは常に水平に置かれていて、エンジン=ローター間のシャフト長を短くすることができた。

これに対して、ベル社の案 (Model 301) では、両翼端に、エンジンとローターが一体化したポッドが設置され、これが水平位置から垂直位置まで動くようになっていた。この案はエンジンーローター間の伝達機構の単純化というメリットがあったが、やや複雑な構成で、ボーイング・バートル案よりやや重量面で不利であった。

検討が行われた結果、NASA はベルの Model 301 を採用し、1973年7月に正式契約を結んだ。それから4年間の研究開発の末、ベル社は完成機である XV-15 1号機の初飛行を行い、以後は NASA エイムズ研究センターで実験が続けられた。

上に示したのが、XV-15 の透視図である（クリックで拡大）。一見していただくとすぐにお分かりかと思うけれど、V-22 はこの XV-15 にそっくりである。XV-15 の大きな特徴としては、

• 比較的小型のターボシャフトエンジンを両翼端に設置。
• エンジンごとローターの角度が変化する。
• ローターは通常のプロペラより長く、ヘリのローターより短い
• ふたつのエンジンは、翼中を貫くシャフトで機械的に結合することができる

前回に少し説明を書いたけれど、ターボシャフトエンジンというのは、ジェットエンジンと同じようなガスタービンを回して、その回転力を駆動力として取り出すエンジンである。これを読まれている多くの方は意外に思われるかもしれないが、このようなガスタービンを用いたエンジンは、我々に身近なピストンを用いたレシプロエンジンよりも単純な構造で、同じ力を得るのに必要な重量も低くて済む。つまり、両翼端のローターをエンジンごと動かす、というアイディアは、ターボシャフトエンジンならば不可能な話ではないのである。

ただし、いくら単純な構造とはいえ、高速（XV-15 に採用されたライカミング LTC1K-4K の実用回転数は 22000 rpm 、つまり毎秒370回転近くの回転数で回っている）で回転するエンジンを潤滑・冷却するのは単純にはいかない。これは後々の V-22 の弱点にもつながる問題である。

また、今まで見てきた通り、ふたつのローターは結合されていなければならない。XV-15 の場合も、両翼端のエンジンは翼中を貫くドライブシャフトで結合することができるのだが、このシャフトは緊急時にのみ使われ、通常は機械的な結合はなされていない。

XV-15 の試験中、減速ギアボックス内のベアリング損傷が原因で、右エンジンを緊急停止したことがある。このようなトラブルが生じた際、故障したエンジン側のローターはエンジンとの結合を解除され、反対側のエンジンと翼中のシャフトで結合される。この場合も、このバックアップシステムが作動して、墜落などに至ることなく緊急着陸が行われたのである。

では、普通の飛行状態では結合していなくても大丈夫なのか……という話になりそうなのだけど、XV-15 が作られた時期は、航空機にフライバイワイヤと呼ばれる電子制御が行われるようになった時期と重なっていて、XV-15 の飛行システムにも、これが大きく関わっている。次回は、このフライバイワイヤに関して説明していこう。

先の話で登場した X-18 や XC-142 は、翼を傾ける……ティルト・ウイングと呼ばれる……形式である。しかし、これは構造的には合理性を欠く方法だともいえる。

翼というのは、これは飛行機が宙に浮く揚力を担う部分である。そして、ティルト・ウイング機のエンジンは全て翼についている。つまり、翼と胴体の接合部は、飛行機にかかる力のほぼ全てを受け止める場所なのである。そこを可動構造にする、というのは、機体に致命的な弱点を抱え込むことになってしまうのだ。

これは、X-18 と同時期に開発された X-22 という実験機である。ちょっと変わったかたちをしているが、この機体には主翼はなく、代わりに浮力と推力の双方を得るために4発のダクテッドファン（円筒形のダクト内に配置されたファン）が装備されている。後部の水平尾翼に小型のジェットエンジンのようなものが見えるが、これはターボシャフトエンジンと呼ばれるもので、燃料と空気でガスタービンを回し、その回転力をダクテッドファンに伝えている。排気ガスを後方に出すことで推進力の助けにはなっているのだが、あくまでダクテッドファンを回すことが主な目的である。

ファンやプロペラは、その先端の速度が音速に近付くと急激に抵抗が大きくなる。これは先端部の空気の流れが乱されるからだが、ファンより少し大きな内径の円筒でファンを覆ってやると、その内壁に沿って空気が乱されずに流れるため、裸の状態よりも高い推力を得ることができる。

これは現在の最新の旅客機、たとえばボーイング787などに搭載されている大バイパス比ターボファンエンジンと呼ばれるエンジンにも応用されている。大バイパス比ターボファンエンジンは、大径ファンの回転軸にジェットエンジンを搭載して、ファンとジェットエンジンの上から円筒のハウジングで覆うような構造になっている。このような構造で、小さなジェットエンジンの推力に大きなダクテッドファンの気流を加えて推力を得、高い効率を実現しているのである。

じゃあ、飛行機としての翼は翼としてちゃんと持っていて、その上でプロペラの向きを変えることができるようにすれば良いのではないか……という話が、当然出てきてしかるべきである。（ここまで引っ張ってきて申し訳ないのだけど）実はこのような話は1930年代から出ていて、ヘリコプターの製造会社としても知られるベル社が社内で開発を進めていた。

1950年代初頭、アメリカ陸軍と空軍は共同で「転換航空機プログラム」 Convertible Aircraft Program を立案した。「転換航空機」って何やねん、と思われるかもしれないが、これは「飛行時に揚力を得る方式を転換し、垂直離着陸を可能とする航空機」という意味である。後にこの転換航空機を指す convertiplane という言葉が作られたが、現在はこれも含めて VTOL と呼ぶのが一般的である。

この「転換航空機プログラム」で採用されたのが、ベル社の Model 200 という案で、この案の試作機に対する軍の正式名称として XH-33 という名前が与えられた。H の文字が入っていることからお分かりかと思うのだが、この名前は、この機体がヘリコプターであることを示している。程なく、この機体は convertiplane として新たに XV-3 という呼称を与えられた。ベル社が当時公開したフィルムを以下にリンクしておく：

XV-3 は、胴体内にピストンエンジンを1基搭載し、そのエンジンで両翼端のローターを駆動する。ヘリコプターで知られるベル社だけあって、ローターの機械的結合等の問題は最初からクリアされていたようだ。上の動画でも分かるように、現在の僕達がテレビで見るオスプレイと、ほとんど同じような機動をこなしているように見える。

XV-3 は1955年8月に初飛行を行い、1966年5月に実験風洞中で破損するまでの11年間、試験が行われ、非常に多くの成果をもたらした。しかし、XV-3 は決して成功を収めたとは言い難いものだった。操縦が非常に難しく、また水平飛行時にはフラッピングと呼ばれる激しい振動に襲われた。

上に示したのは、水平飛行時のローターを上から見た図である。本来なら青の位置にあるはずのローターが、ブレードの付け根やブレード自身のしなりによって、赤で示すような位置の間で振動することをフラッピングというのだが、これを抑制するためには、取付部やブレード自身の機械強度を上げるのが最も効果的な対策である。しかし、当時のアルミ合金中心の航空材料では、このフラッピングを抑制することは困難だった。

更に、XV-3 にはエンジンとローターの接続に関する本質的な問題があった。当時はプロペラ機やヘリコプターにはピストンエンジン（いわゆるレシプロエンジン）を使うことが一般的だったが、重く、作動に重力の影響を受け易いピストンエンジンを翼端に取り付け、動かすことは現実的ではなかった。そこで、XV-3 では、シャフトやギヤボックスを経由して、胴体内に固定したエンジンの回転を両翼端のローターに伝達して回したわけだが、これは構造の複雑化、そしてその結果としての重量増加につながった。このような問題があったために、XV-3 の発展形が実用に供されることはなかった。

では、ローターを使わなければどうだったろうか。1960年代後半の西ドイツ（当時）で、VTOL の超音速戦闘機開発をめざして、EWR VJ 101 という実験機が開発された。以下に写真を示す：

VJ 101 は両翼端に1基づつ、胴体内にホバリング用として2基、合計4基のジェットエンジンを搭載していた。ホバリング、垂直離着陸、水平飛行への遷移、そして超音速飛行にも成功したのだが、実用性に問題がある（素人考えでも分かると思うけれど、4基もジェットエンジンを積んだら燃費は最悪である……他にも、構造に起因する問題や操縦性、武器の積載量の問題もあったろう）ということで開発は中止された。

せっかく出てきたティルト・ローター機であるが、機械強度と動力伝達という問題から、実用にまでは至らなかった。しかし、技術が向上することで、これらの問題は解決の方向に向かおうとしていた。次回は、現在のティルト・ローター機へ至る直系の系譜を追っておくことにしよう。

前回は、戦闘機とか攻撃機と呼ばれる機種の視点から、垂直離着陸の試みを見た。このような試みがなされた理由ははっきりしていて、空母に積まれることで圧倒的な機動性を示した戦闘機・攻撃機を、空母のような特殊な船舶以外でも、そしてもっと一般的に滑走路のない場所でも展開できるようにしたい、という要望があるからだ。

輸送機の場合は、航空機の高速輸送を、滑走路が確保し難い地点に対しても行いたい……こういう要望が当初からあった。だから、特に軍用輸送機の場合、できるだけ短距離で離着陸できる機体が求められる。このような機体を STOL (Short Take Off and Landing aircraft) という。これに対して、先から出ている垂直離着陸機の方は VTOL (Vertical Take Off and Landing aircraft) と呼ばれている。

固定翼機の STOL 性を向上させるためには、フラップ（離着陸時に翼の前後に張り出し、見かけの翼の大きさを大きくする）を大型化し、エンジンの排気が翼の上面を沿って斜め下に流れるようにエンジンを翼の上部に設置する。このような機体は数多く開発され、実際に運用されてもいるわけだが、STOL 性を向上させるのにも限度がある。前回のように推力の方向を変えて、浮かび上がる助けにすることができれば、その限界を超えた STOL 性、更には VTOL 性を付与することができるかもしれない。

このような発想で作られたのが、X-18 という試験機である：

この X-18 は、推力を下に向けるために、エンジンごと翼を傾けられるようになっている。

しかし、この X-18 の試験はうまくいかなかった。翼を斜めにした状態で短距離離陸を行うことには成功しているのだが、この機体の場合も遷移状態が不安定で、垂直離着陸やホバリングを行うことができなかった。

X-18 が、当初期待されていた垂直機動ができなかったのには、いくつかの理由がある。まず、最大の理由は、左右のエンジンの同調が行われていなかったためである。

プロペラエンジンのように、大きな物体を回転させる機関が動くと、プロペラの回転方向とは逆に、エンジンの駆動軸をねじる力（カウンタートルク）がはたらく。シングルローター型のヘリコプターで、尾部にテイルローターという小さなローターが付いているのを皆さんご存知と思うのだが、あれはメインローターを回すエンジンが発生するカウンタートルクを打ち消すためのものである。

もし、双発機のプロペラが同じ回転方向だとすると、上図に示すようなカウンタートルクが機体全体を回転させようとする。普通に飛行しているときには、このカウンタートルクが発生していても、主翼や水平尾翼を空気に逆らって「回す」ことができないのであまり問題はないのだが、安定性を要求される場合は、以下の図のように、左右のエンジンの回転方向を逆にする。

こうすることで、左右のエンジンが発生するカウンタートルクを打ち消しあうことができる。

単発のプロペラの場合でも、このようなカウンタートルクが問題になることがある。そういうときは、以下の図に示すように、ふたつのプロペラを同じ回転軸上で逆方向に回転させることがある。これによって、プロペラを駆動することによるカウンタートルクは打ち消される。このようなプロペラのことを2重反転プロペラという。

先の X-18 の写真をもう一度見返してみていただきたいのだが、X-18 はこの2重反転プロペラを装備している。だから、左右のエンジンのカウンタートルクは考えなくてもいいはずだ……と、設計者は考えていたのだろう。しかし、それは甘かった。

ちょっと難しい話になってしまうのだが、2重反転プロペラは、プロペラの回転に起因するカウンタートルクを相殺することができる。しかし、エンジンのドライブシャフト等の発生するカウンタートルクまでを相殺することはできない。更に、左右のエンジンの回転数にわずかでもずれがあった場合、それはカウンタートルクの大きさの違いを生む。X-18 でエンジンを上に向けているときには、機体が水平飛行しているときと違って、機体を安定して支える力は機体のどこにも作用していない。だから、X-18 は機体の挙動が不安定となり、垂直離着陸もホバリングも行うことができなかったのである。

最初に出てきた CH-46 や CH-47 のようなタンデムローター型のヘリコプターも、二つのローターを回転させて動作するわけだが、ではこのタンデムローター型ヘリコプターの場合はどのような仕組みになっているのだろうか。

これは、ボーイング社が公開している CH-47 の外観図である。この図にも示されているとおり、タンデムローター型ヘリコプターの前後のローターは逆の方向に回るようになっている。これによってカウンタートルクを打ち消すようになっているのだが、ここでは、前後のローターが上から見ると重なり合っているところに注目していただきたい。この状態で前後のローターが独立して回ると、ローターのブレード同士が接触するような事故を起こしかねないわけだが、タンデムローター型ヘリコプターの場合、前後のローターはシャフトと呼ばれる回転軸を経由して機械的に連結されている。つまり、前のローターが反時計回りに1回転すると、後ろのローターは時計回りに正確に1回転する。機械的に連結されているので、この関係は絶対に崩れない。そして、ローターのブレードは接触せず、前後のローターのカウンタートルクは常に完全に相殺されるのである。

では、先の X-18 もこのシャフトによる連結を行えば成功したのではないか、という話になるわけだが、実はちゃんとそういう試みにつながっていた。

これは XC-142 という試験機である。この機体は、4発のエンジンを全てシャフトで結合している。それに加えて尾翼後方に小さなテールローターまで付けられており、そのおかげで垂直離着陸、ホバリング、水平飛行への移行等を全て問題なく行うことができた。しかし、主翼と胴体の接合部分の設計が難しく、機械的にも複雑であったために、実用に供されることはなかった。

X-18 や XC-142 は、翼を傾けるのでティルト・ウイングと呼ばれる形式であったが、推力の向きを変えるために、何も翼ごとエンジンを傾ける必要はないはずである……要するに、ローターだけ、もしくはローターとエンジンだけ、傾けることができれば良いはずである。さあ、これで、ようやくティルト・ローター機の話の入口まで来ることができたようだ。次回に、いよいよティルト・ローター機に関する話に入ろうと思う。