劉鋒丨人間と同じように、飛行機も疲れる

実験では、

胴体と翼の構造は、実際の耐用年数の2倍の長さでなければなりません。

つまり、寿命を3倍にするには、

そうして初めて、この航空機の設計が合理的かつ安全であることが証明されるのです。

劉 鋒、中国民用航空大学教授

格之倫道 第30号 | 2018年9月20日、四川省

みなさんこんにちは。私は劉鋒です。中国民用航空飛行大学の出身です。ここに来て、皆さんと私の航空物語を共有できることをとても嬉しく思います。

中国人にとって、空を飛ぶという夢は実は古代中国から存在していたのです。

▲ 敦煌の壁画「飛翔するアプサラス」

これは敦煌の壁画「飛翔する天女」です。敦煌の壁画は北朝時代から元代までの数十の王朝にわたって制作されました。ここから、私たちの祖先が常に空を飛ぶことを夢見ていたことがわかります。

▲ 明代の万胡像

明朝の時代に、万胡という男がいました。彼はロケットを椅子に結び付け、ロケットの力を使って空を飛ぼうとしました。もちろん、当時の技術的条件の制限により、それは実現されず、彼は命を落としました。

1903 年、ライト兄弟は初の動力付き、空気より重い航空機を製作し、その後持続飛行を達成し、近代航空史の幕開けとなりました。

▲ ライト兄弟と飛行機

▲ 中国の飛行士 馮如

同じ時期に中国人は何をしていたのでしょうか?これに関連した研究をしている人はいますか?実は、そうです。彼は中国の飛行士、馮如です。

当時、馮如は2種類の飛行機を製造しており、1つは馮如1号、もう1つは馮如2号であった。彼はアメリカから中国に戻り、中国で試験飛行を行った。残念なことに、1912年に馮如は試験飛行中に飛行機事故で命を落としました。

当時、飛行機の安全性といえば、離陸後に故障しないか、翼が折れないか、胴体にひびが入っていないかなどが主に考慮されていました。

▲ 地上実験では土嚢を使って分散荷重をシミュレートします

当時の技術的条件の制限により、地上でのテストには土嚢が使用されており、これは現在でもよく見られるものです。

当時はコンピュータ支援も油圧装置もありませんでした。何をするか？航空の先駆者たちは荷物の積み込みに土嚢を使用していました。土嚢の利点は何ですか?飛行機が飛行しているとき、飛行機に作用する荷重は空力荷重、つまり分布荷重です。土嚢は分散荷重の影響を非常によくシミュレートするために使用できます。

ここで私が最初に挙げるキーワードは「強度」です。強度とは何ですか?実際、そのコンセプトは非常にシンプルです。一言で言えば、構造物が損傷に耐える能力のことです。構造的な損傷に関しては、負荷がかかったときにのみ発生します。

航空機の揚力は、航空機の最も重要な荷重の 1 つです。どのように生成されるのですか?見てみましょう。

▲航空機の揚力発生の仕組み

上の写真でわかるのは対称的な翼型です。二次元図形です。実際、これは飛行機の翼の断面と考えることができます。

翼の迎え角が徐々に増加して上向きに偏向し、翼の上面の気流が徐々に乱流になり始めることがわかります。最初はまだ層流状態にあり、流れは非常に均一ですが、迎え角が一定のレベルに達すると、翼の上面の気流は完全に分離されます。揚力は実際には、翼が空気中を移動するときに翼の上面と下面の間の圧力差によって生成されます。

上翼の空気の流れが分離するのはなぜですか?非常に小さな例をお話ししますが、皆さんもご存知でしょう。私たちは皆、煙の柱を見たことがあります。田舎には煙突があります。煙突から出る煙は、最初は非常に安定しています。まっすぐ上へ動きます。一定の距離まで移動すると、煙柱内の空気と隣の空気との摩擦により、徐々に揺れ始め、その揺れによって乱気流が発生します。

翼の上面も同様です。空気は航空機の上部表面と摩擦を生み出します。摩擦抵抗の影響により、上面の気流速度が低下し、徐々に乱流が発生します。これは揚力発生の基本原理であり、上翼上の気流が通常の層流から失速に至るまでのプロセスでもあります。

荷重と強度を考慮すると、航空機は安全ですか?実際はそうではないのですが、何が問題なのでしょうか?

▲飛行中に機体が変形する

航空業界の先駆者たちは、初期の航空機のいくつかは強度の問題のみを考慮していたが、実際には飛行中に翼が過度に変形するなど、飛行中に他の問題が発生することを発見しました。飛行機が飛行しているとき、翼は上向きに曲がることが分かりました。実際、翼は上向きに曲がる変形に加えて、ねじれも生じます。

高速飛行時に翼が柔らかすぎると、翼が振動してしまいます。振動には曲げモードとねじりモードの 2 つのモードが含まれ、2 つのモードは互いに重ね合わされます。翼が空中でバタバタすると、飛行機はすぐに分解してしまいます。

▲ DC-3航空機

この教訓を学んだ後、エンジニアと技術者は剛性の問題に焦点を当て始めました。つまり、翼に一定の硬さを持たせ、あまり変形しないようにする必要があります。

強度や剛性を考慮した上で、このようなタイプの航空機が登場しました。たとえば、1940 年代の DC-3 航空機は、当初は民間モデルでしたが、後に飛行中に問題が発生しました。

▲ イギリスのコメット機

英国で製造されたコメットと呼ばれるより有名な航空機もあります。両モデルの航空機はその後の運用中に事故に遭い、構造的な損傷も受けました。コメット機を見てみましょう。

▲墜落したコメット

これは墜落したコメット機です。

▲コメット機は爆発して崩壊した

この写真はさらに悲惨で、飛行機は完全に分解しています。

この写真は胴体が爆発したことを示しています。なぜ空中を飛行中に機体構造が突然爆発したのか？

とても簡単です。実際、エンジニアや技術者が最初に航空機の研究を始めたとき、彼らは問題を見落としていました。その問題は何でしたか?それは疲労の問題です。飛行機を製造するには、金属と非金属の両方の材料が必要です。現在、地球上で見つかるほぼすべての材料には、疲労という問題があります。

長時間の読書で子どもは疲れてしまいますし、教材も飽きてしまいます。したがって、これらの航空機モデルの事故は、主に金属材料の疲労と亀裂によって引き起こされます。

飛行機が高高度を飛行しているときに、突然構造物が破裂すると、客室内の圧力が急激に低下し、肺内のガスが排出される時間がなくなり、肺出血を引き起こします。したがって、当時の現象から判断すると、飛行機は空中で分解したと判断できます。

▲ アロハ飛行機墜落事故

この写真は、私たちが「アロハ航空墜落事故」と呼んでいる続編です。飛行機が飛行中、胴体前半部の上壁パネルのほぼ全てが剥がれ落ちた。

着陸後の緊急避難であることは誰の目にも明らかで、乗客の怯えた表情も見受けられます。幸いなことに、この事故で亡くなったのは、シートベルトを着用せずに通路に立っていた客室乗務員1人だけだった。

これらの事例からわかるように、疲労は無視できない問題です。エンジニアたちは強度の問題と剛性の問題を認識し、疲労の問題も認識しました。ということは、全く問題はなく、完全に安全だということですか?

▲ 亀裂伝播過程の数値シミュレーション

疲労問題を解決するときに、試験機を使用して材料の性能をテストする方法を見てみましょう。性能情報が得られれば、数値計算法を使用して、亀裂の発生開始から継続的な拡大までのプロセスをシミュレートできます。

赤い部分は力がより大きい場所を表しています。ここまで分析できるのに、なぜ飛行機には未だに問題が残るのでしょうか？疲労の問題をうまく解決するために、機体全体の疲労テストも実施しました。

▲ 787機疲労試験

これは787型機の疲労試験です。よく見てください。油圧機械の働きにより、翼がゆっくりと上下に曲がります。これは飛行機に乗っているときに見る翼の変形と非常によく似ていませんか?

▲ 787機疲労試験

実際、実験では、787 の胴体と翼の構造は実際の寿命の 2 倍、つまり 3 倍の寿命を持つ必要があることになります。これを行うことによってのみ、航空機の設計が合理的かつ安全であることが証明されます。

▲ 707とエアバスA300

疲労の問題を考慮すると、この時期に登場した代表的な航空機は、707 とエアバス A300 という 2 つの非常に有名な民間航空機でした。

▲ 中国のY-10航空機

中国も同じ時期に同様の航空機を持っていましたか?実はあります。それは Y-10 航空機です。当時の我が国の限られた財源により、Y-10航空機プロジェクトが中止されなければならなかったことは非常に残念です。

実際、この航空機は非常によく飛びます。当時、チベット地方は暴風雪に見舞われていました。この飛行機は成都を離陸し、大量の救援物資をラサの空港まで輸送した。

もしこのプロジェクトが当時継続されていたら、我が国の民間航空機のレベルは間違いなく現在よりもずっと高かったであろうと想像できます。もちろん、近年ではARJ21やC919が登場しており、私たちの進歩は依然として非常に大きいです。

疲労の問題を考慮した後に、他に何か問題はありますか?実験を行ったところ、寿命を3倍に延ばすことができました。これは非常に安全だと思われます。しかし残念なことに、依然として問題が発生しました。

▲ 1段目：F111、F4； 2列目: F5A、KC135

上の写真の4機は、実際の運用では予想寿命に達しませんでした。構造上の損傷が発生した時点では飛行時間はわずか 100 時間でしたが、当社の疲労分析によれば、寿命は 40,000 時間のはずです。

なぜまだ壊れているのでしょうか?実のところ、私たちは問題を見落としていました。疲労試験を行う際は、航空機が新品であり、その構造システムはすべて正常であると常に想定します。

しかし、実際には問題があります。たとえば、アルミニウム合金は、原材料の製錬工程で気孔が発生する可能性があります。製造工程において、加工ツールがワークピースにツールマークを残すことがあり、これらはすべてコンポーネントに初期損傷を引き起こします。

これらの状態に気付かなければ、航空機の運航中に、前述の曲げ荷重やねじり荷重などの疲労荷重が作用し、初期の損傷が徐々に拡大して、破損が発生します。

▲ルサカ航空機墜落事故における貨物機の故障箇所

この問題を解決するにはどうすればいいでしょうか?ルサカ航空機墜落事故の後、当社の専門家は「損傷許容度」というキーワードを思いつきました。ダメージ許容度とはどういう意味ですか?つまり、航空機は工場を出た時点で本質的に欠陥があるものと想定し、欠陥の発生を抑える対策を講じるべきです。

どのような対策を講じるべきでしょうか？まず、どの程度の損傷であれば許容できるかを定義し、航空機が工場を出た時点でその寿命全体にわたってその損傷が壊滅的な結果を引き起こさないようにすることができます。

2 番目に、航空機の検査間隔を設定できます。検査の時期になると、航空機の構造について一定の検査を実施し、問題が見つかった場合には適時に対処します。

上記はすべて問題を解決できる方法です。アメリカ空軍は 1971 年にそのような規格を提案し、1975 年に損傷許容飛行試験仕様を提案しました。

私たちの構造発展の歴史を簡単に振り返ってみました。それでは、構造設計のアイデアの開発プロセスを見てみましょう。なぜこのような変化が起こったのでしょうか?それは実は私たちの航空技術と関係があるのです。

設計の観点から見ると、コンピューター技術と計算流体力学の助けを借りて、航空機が空中を移動する際にその表面の速度場がどのように分布するかを正確に計算できるようになったことがわかります。

▲ 航空機の速度場分布の可視化

この空間内の各点の速度はどれくらいでしょうか?速度はどの方向を向いていますか?各ポイントにどれくらいの圧力がありますか?各点の渦度はどれくらいですか?次に、それを視覚的に全員に提示します。私たちが普段接している空気は透明ですが、コンピューター技術を通して見ることができます。

▲ コンピュータを使って航空機を設計・組み立てる

さらに、コンピューター上で航空機を詳細に設計することもできます。コンピューター上で航空機を組み立て、さらには機器を取り付けることさえ、以前は想像もできなかったことです。

かつて、航空機を設計する際は設計図を手で描く必要があり、航空機の模型が完成してユーザーに届けられるまでには20年ほどかかっていました。航空機設計者にとって、生涯で1～2機種の航空機の設計に携われるだけでも素晴らしいことです。しかし、今ではコンピューター技術のおかげで、航空機の模型は約 5 ～ 6 年で製作できるようになりました。

▲ 部品の応力状態の可視化

構造上の応力状態を視覚的に表示することもできます。これは航空機の着陸装置では一般的なもので、トーションアームと呼ばれます。明るい部分ほど、より大きな力が加わっている部分です。計算結果に基づいて構造を最適化することができます。

この構造の断面積はこれほど大きくする必要がありますか?応力や力が低ければ、材料を少し減らすことができ、航空機を軽量化することができます。環境問題も考慮しなければなりません。飛行機が空を飛ぶとき、騒音が発生します。一方で、この騒音は住民の生活に影響を与えています。一方、騒音も航空機にとって負担となります。

▲ 航空機の戦力可視化

ご存知のとおり、音は振動です。私たちがいる空間が真空であれば、私が話している音は聞こえないでしょう。音は粒子の振動であり、粒子の振動は応力の影響を生み出します。つまり、音も一種のペイロードであり、注意を払う必要があるのです。設計の観点から、これらの問題を考慮する必要があります。

ものづくりの観点から、複合材料というキーワードを提案したいと思います。現在、航空機を製造する際には、一般的なアルミニウム合金に加え、先進的な航空機では複合材料がよく使用されています。

複合材料は新しいものではなく、私たちの先祖はそれを使用してきました。いつから使われていたのでしょうか?例えば、古代中国では壁を建てるときに、わらや茎、土が使われ、もち米のペーストも少し加えられました。これは実は典型的な複合材料で、藁が補強材で、土ともち米のペーストが母材になっています。

▲ 複合材料

現在、航空業界で使用されている複合材料は主に炭素繊維強化複合材料です。カーボンファイバーはどれくらい強いのでしょうか?簡単に言えば、普通の鋼鉄の少なくとも 5 ～ 6 倍の大きさで、現在最も優れた炭素繊維は 9 ～ 10 倍の大きさになることもあります。

考えてみてください。同じ力に耐えるために高強度の材料を使用すれば、重量は自然に減ります。また、炭素繊維の密度は鋼鉄の密度よりもはるかに低くなります。これにより、航空機はますます軽量になり、より多くの重量を運ぶことができ、航続距離が長くなり、性能が向上します。

普段飛行機に乗ると、客室に入るときに踏む床はハニカムサンドイッチ複合材です。 A340とA330の床の厚さはどれくらいですか？想像できないかもしれませんが、厚さはたった5〜6ミリほどで、とても薄いのです。しかし、踏んでみても大きな変形は感じられず、へこむこともありません。カーボンファイバー製なので剛性に優れています。

▲ アルミハニカムパネル

当社ではポリマーハニカムに加え、アルミニウムハニカムなどの金属ハニカムも使用しています。アルミハニカムはサンドイッチ材料として使用できます。

▲ A380に搭載された各種複合材

A380 航空機の製造には大量の複合材料が使用されています。

製造について話した後は、テストについて話しましょう。先ほど申し上げたように、エンジニアリング プロジェクトでは分析だけに頼ることはできず、検証するための実験が必要です。

▲ 787機の静的テスト

これは静的テスト中の 787 航空機です。これは静止画です。ダイナミックな画像を見てみましょう。

▲ 787型機は静的試験中

ご覧の通り、油圧機械とコンピューターの制御により、機械全体が曲がります。普段目にする翼の変形とどう違うのでしょうか？ここでは限界状態を見ているため、変数はより大きくなります。

▲ 777機の翼破壊試験

こちらは777の翼が破壊されたビデオです。破損時の荷重が設計通りであるかどうかを確認する必要があります。これらは私たちの実験方法の一部です。

▲ A380 着陸装置落下試験

システムの観点から見ると、航空機には構造に加えて、着陸装置、油圧、燃料、空調、ブリードエアなどの多くのシステムもあります。これは、A380の着陸装置に対して実施される落下衝撃試験であり、航空機が地面に接触する瞬間の着陸装置の状態をシミュレートします。

▲ A380のブレーキ装置

さらに重要なのは、A380 のブレーキ装置である減速用のブレーキがあることです。ビデオを見ると、ホイールハブから火が出ているのがわかります。極端なブレーキ状態もテストします。これらのテストを行った後でのみ、航空機が飛行中に安全であることを保証できます。

航空機自体の他に、安全性に影響を与える要因は何ですか?もう一つの非常に重要な要素は人的要素です。統計によると、航空事故の70%から80%は人的要因によって引き起こされています。

▲ 航空機着陸シミュレーション

例えば、このA330型機が着陸する際、機長が判断を誤り、着陸復行が間に合わなかったため、着陸時には既に滑走路の真ん中にいた機体が、最終的に滑走路から外れてしまいました。

ヒューマンエラーを回避するにはどうすればよいでしょうか?航空機の飛行制御システムの例を挙げてみましょう。航空機の制御システムには主に 2 つのタイプがあります。 1つは機械式で、動力補助に油圧を使用します。もう一つはフライ・バイ・ワイヤです。写真では、航空機のヘッドアップ、ヘッドダウン、ピッチ、ロール、ヨーを制御できる航空機の多くの制御面が確認できます。

▲航空機の機械動力制御とフライバイワイヤ制御

違いは何ですか?この写真を見てみましょう。見た目は非常にプロフェッショナルですが、実際には非常にシンプルです。フライ・バイ・ワイヤ制御システムを使用する場合、パイロットの信号は送信された後、まずコンピューターで分析および処理される必要があります。

例えば、双発機がロールする場合、最大角度は30度です。航空機が 30 度ロールし、パイロットがまだ操縦桿を押している場合、飛行制御コンピューターは信号をフィルタリングして代わりに制御します。

以下に、さらに先進的な航空機をいくつか紹介します。

▲ Su-35がコブラ機動を実施

これはSu-35です。かつて友人が私に、航空ショーのときに飛行機が煙を出すのはなぜかと尋ねたことがあります。見た目のためだと多くの人が言いますが、実は、非常に重要な機能も持っているのです。

煙の跡を通して、航空機付近の空気の流れを見ることができます。動画のSu-35がコブラ機動を行っているとき、翼上面の気流は完全に分離しています。

どうすれば回復できるでしょうか? Su-35 は推力偏向ノズルを使用してこの状態を回復します。

▲ X-35Bテスト

たとえば、これは F-35 航空機の前身である X-35B のテスト中のビデオです。垂直に離着陸できる航空機です。

離陸プロセス全体を見ることができます。尾部ノズルが下向きに曲がり、前方のリフトファンがオンになり、翼には航空機の横方向のバランスを制御するためのジェットノズルが 2 つあります。飛行機は離陸し始めた。離陸時に内部のコンピューターが推力を調整している様子も見ることができます。

例えば民間航空の分野では、最新のA350やA380は非常に先進的な航空機となっています。 A380の最大離陸重量は560トンです。 560トンとはどういう意味ですか?ファミリーカーの重量は約1トンから1.5トンです。比較することができます。

民間航空機の安全を確保するために、現在、いくつかの耐空性システムが導入されています。例えば、中国の民間航空には独自の民間航空規制があり、米国連邦航空局（FAA）にも耐空性規制があり、ヨーロッパでは主にEASAシステムを使用して安全を確保しています。航空機の安全を確保するために多くの作業が行われていますが、航空機の運航中に他にどのような問題が発生する可能性があるでしょうか?

▲ 鳥と飛行機の衝突による事故

この写真を見ると、鳥が飛行機に衝突しているのがわかります。それはとても小さな鳥で、とても弱々しく見えました。どうしてこんな風に飛行機に衝突するのでしょうか?相対速度が非常に速かったからです。民間航空機と軍用航空機の両方がこれらの問題を考慮に入れています。これらの要素は設計プロセス中に考慮され、いくつかの構造上の調整が行われます。

▲ 悪天候による航空機の損傷

雹や雷などの気象要因もありますので、それに応じた対策も講じていきます。

▲ 航空機の雷保護方式

例えば、飛行機のすべての金属部品を接続して等電位体を形成すると、電流は飛行機の外面のみを通過し、内部には入らないため、雷に遭遇しても恐れる必要はありません。さらに、空気の流れの影響もあります。

▲ 飛行における風の影響

飛行機が離陸した直後は向かい風に遭遇し、途中で下降気流に遭遇し、さらに少し前方で追い風に変わったため、気象条件も飛行機の飛行に何らかの影響を与えるのです。風に加えて雷雨もあります。

我が国の現在の航空科学教育は、航空先進国に比べるとまだ少し遅れています。過去には、空港の天気が明らかに良いのになぜ飛行できないのかとチェックインカウンターの職員と乗客が口論になることがよくありました。

理由は単純で、出発空港の天気が良かったとしても、航路沿いで雷雨が発生する可能性があることを乗客は理解していないからです。航路上の天候が良好であっても、目的地の空港で雷雨が発生する場合があり、そのため夏季はフライトの遅延が多くなります。

なぜ多くの人がこの状況を理解しないのでしょうか?それは私たちの航空文化の知識が十分に普及していないからです。実際、私たちは今や大衆航空の時代に突入しており、どの航空大国も非常に強力な航空教育を行っています。

▲ 航空博物館

知識は博物館を通じてだけでなく、模擬飛行などの他の活動を通じても広めることができます。

▲ フライトシミュレーター

これは航空に関する知識を学ぶのにとても良いチャンネルです。自宅で模擬飛行を実現でき、旅客機や戦闘機の飛行をシミュレーションできます。

▲ドローン

さらに、私たちのドローンは急速に発展しており、ドローンマニアもたくさんいます。彼らは自らドローンを設計し、自らテスト飛行も行います。

▲中国民用航空飛行大学が独自の無人飛行船を製作

私たちの学校にもそのようなグループがいます。ご覧のドローンはすべて学生たち自身が設計したものです。彼らはまた、海の中のクラゲに少し似ていて、とても美しい、太陽電池式の飛行機や無人飛行船も設計しました。

このビデオは、中国民用航空飛行大学のキャンパスで、当社の小型無人航空機を使用して撮影されました。実際に見て、飛行機で見たものと非常に似ているかどうかを確認してください。ドローンは航空文化を普及させる手段でもあり、私たちの視野を変える可能性もあります。

これはネットユーザーが撮影したビデオです。皆さん、これは非常に小さなドローンで、私たちはこれを飛行ドローンと呼んでいます。それが捉える画像は、私たちの世界の観察方法を完全に変えます。これらは、一般航空愛好家が自分で実行できるアクティビティです。

飛行の未来はどうなるのでしょうか?ちょうど今、私たちの先生の一人がこの問題についてみんなに話しました。私の視点は彼らの視点と多少似ています。それは空と宇宙の統合でなければなりません。大気圏内には、貨物輸送や旅客輸送など、対応する航空機が存在します。次の発展段階は高速航空機の時代となり、航空宇宙飛行の時代を迎えることになります。

陸地から離陸し、近宇宙（地上20～100キロメートルの空域）に入り、マッハの高い速度で飛行し、別の目的地に素早く到着することは、距離に関する私たちの現在の認識を大きく変えることになるでしょう。

考えてみてください。高速鉄道がなかった頃は、距離がとても遠いと感じませんでしたか？しかし、高速鉄道ができたことで、距離が短くなったように感じませんか？ですから、将来、世界は真にグローバルビレッジになるでしょう。これが今日皆さんにお伝えしたい航空体験です。ありがとう。

- 終わり -

記事とスピーチは著者の見解のみを表しており、格智倫道フォーラムの立場を表すものではありません。