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航空機の設計プロセスは、多くの競合する厳しい要件のバランスをとるために使用される、緩く定義された方法です。このプロセスは、強度、軽量、経済性、十分な積載量、そして航空機の設計寿命にわたって安全に飛行するのに十分な信頼性を備えた航空機を生産するために使われます。通常のエンジニアリング設計プロセスと似ていますが、より厳密なこの手法は、高度な反復性があり、高レベルの構成のトレードオフ、分析とテストの組み合わせ、構造の各部分の適切性の詳細な検査を伴います。一部の種類の航空機では、設計プロセスが民間耐空当局によって規制されています。
この記事では、飛行機やヘリコプターなどの動力航空機の設計について扱います。
設計上の制約
目的
設計プロセスは、航空機の本来の目的から始まります。民間航空機は、乗客または貨物の積載量、長距離、および高い燃料効率を目的に設計されていますが、戦闘機は高速機動を実行し、地上部隊への近接支援を行うように設計されています。一部の航空機には特定のミッションがあり、たとえば、水陸両用飛行機は、陸上と水上の両方で運用できる独自の設計になっています。ハリアージャンプジェットなどの一部の戦闘機は、VTOL（垂直離着陸）機能を備えています。ヘリコプターは、一定期間、特定のエリア上空にホバリングする機能を備えています。[1]
その目的は、例えば英国航空省の仕様の歴史的なケースのように、特定の要件を満たすこと、または認識されている「市場のギャップ」を埋めること、つまり、まだ存在していないが、大きな需要があるであろう航空機のクラスまたは設計である可能性があります。
航空機規制
設計に影響を与えるもう一つの重要な要素は、新しい航空機の設計に対する型式証明を取得するための要件です。これらの要件は、米国連邦航空局や欧州航空安全局などの主要な国の耐空性当局によって発行されています。[2] [3]
空港は航空機に制限を課すこともあり、例えば、地上走行中の航空機同士の衝突を防ぐため、従来の航空機の最大翼幅は80メートル（260フィート）とされている。[4]
財務要因と市場
予算の制限、市場の要求、競争は設計プロセスに制約を課し、環境要因とともに航空機設計に対する非技術的な影響を構成します。競争により、企業は性能を犠牲にすることなく設計の効率性を高め、新しい技術やテクノロジーを取り入れようと努めるようになります。[5]
1950年代と60年代には、達成不可能なプロジェクト目標が定期的に設定され、その後放棄されましたが、今日では、ボーイング787やロッキードマーティンF-35などの問題のあるプログラムは、開発が予想よりもはるかにコストがかかり複雑であることが判明しています。より高度で統合された設計ツールが開発されました。モデルベースのシステムエンジニアリングは、問題となる可能性のある相互作用を予測し、計算分析と最適化により、設計者はプロセスの早い段階でより多くのオプションを検討できます。エンジニアリングと製造の自動化が進むと、開発が迅速で安価になります。材料から製造までの技術の進歩により、多機能部品などのより複雑な設計バリエーションが可能になります。かつては設計や構築が不可能だったこれらは、現在では3Dプリントできますが、ノースロップグラマンB-21やエンジンを交換したA320neoや737 MAXなどのアプリケーションでその有用性が証明されていません。エアバスとボーイングはまた、次世代の旅客機のコストが以前の世代よりも高くならないという経済的限界を認識しています。[6]
環境要因
航空機の数が増えるということは、二酸化炭素排出量が増えることも意味します。環境科学者は、航空機に関連する主な種類の汚染、主に騒音と排出物について懸念を表明しています。航空機のエンジンは歴史的に騒音公害を引き起こすことで悪名高く、すでに混雑し汚染されている都市の上空を飛行する航空路の拡大は厳しい批判を集めており、航空機騒音に対する環境政策が必要となっています。[7] [8]騒音は気流の方向が変わる機体からも発生します。[9]騒音規制の改善により、設計者はより静かなエンジンと機体を作らざるを得なくなりました。[10]航空機からの排出物には、粒子状物質、二酸化炭素（CO 2）、二酸化硫黄（SO 2）、一酸化炭素（CO）、さまざまな硝酸塩の酸化物、未燃焼炭化水素などがあります。[11] 汚染に対処するため、ICAOは1981年に航空機の排出物を制御するための勧告を設定しました。[12]より新しい環境に優しい燃料が開発され[13]、製造におけるリサイクル可能な材料の使用[14]により、航空機による環境への影響が軽減されました。環境上の制限は飛行場の適合性にも影響します。世界中の空港は、特定の地域の地形に合わせて建設されています。スペースの制限、舗装の設計、滑走路端の安全区域、空港のユニークな場所などは、航空機の設計に影響を与える空港要因の一部です。ただし、航空機の設計の変化も飛行場の設計に影響を与えます。たとえば、最近導入された超大型機エアバスA380などの新型大型航空機（NLA）により、世界中の空港がその大型機のサイズとサービス要件に対応するために施設を再設計しました。[15] [16]
安全性
高速、燃料タンク、巡航高度での大気の状態、自然災害（雷雨、雹、鳥の衝突）、人為的ミスなどは、航空旅行に脅威を与える多くの危険の一部です。[17] [18] [19]
耐空性は、航空機が飛行に適しているかどうかを判断する基準です。[20] 耐空性の責任は、各国の民間航空規制機関、製造業者、所有者、運航者にあります。[要出典]
国際民間航空機関は、各国当局が規制の基礎とすべき国際基準と推奨慣行を定めている。[21] [22]各国の規制当局は、耐空性の基準を設定し、製造業者や運航者に証明書を発行し、人員訓練の基準を定めている。[23]各国には、米国の連邦航空局、インドの DGCA（民間航空総局）など、独自の規制機関がある。
航空機メーカーは、航空機が既存の設計基準を満たしていることを確認し、運用上の制限とメンテナンススケジュールを定義し、航空機の運用寿命全体にわたってサポートとメンテナンスを提供します。航空オペレーターには、旅客および貨物航空会社、空軍、および民間航空機の所有者が含まれます。彼らは、規制機関によって設定された規制に準拠し、メーカーによって指定された航空機の制限を理解し、欠陥を報告し、メーカーが耐空性基準を維持するのを支援することに同意します。[引用が必要]
最近のデザイン批判のほとんどは、耐衝撃性に基づいています。耐空性に最大限の注意を払っても、事故は起こります。耐衝撃性とは、航空機が事故に耐えるかどうかを定性的に評価することです。主な目的は、事故による損傷から乗客や貴重な貨物を保護することです。旅客機の場合、加圧された胴体の応力を受けた外皮がこの機能を提供しますが、機首または尾部に衝突した場合、大きな曲げモーメントが胴体全体に蓄積され、外殻に亀裂が生じ、胴体が小さなセクションに分解します。[24]そのため、旅客機は、プロペラ、エンジンナセルの着陸装置の近くなど、事故の際に侵入される可能性のある領域から座席配置が離れるように設計されます。 [25]客室内には、客室の圧力が失われた場合に落下する酸素マスク、施錠可能な荷物室、安全ベルト、救命胴衣、非常ドア、発光する床ストリップなどの安全機能も備わっています。航空機は緊急着水を考慮して設計されることもあり、例えばエアバスA330には機体下部のバルブと開口部を閉じて水の浸入を遅らせる「不時着」スイッチが搭載されている。[26]
設計の最適化
航空機設計者は通常、設計上のあらゆる制約を考慮しながら、初期設計を大まかに行う。歴史的に設計チームは小規模で、通常はすべての設計要件と目標を把握し、それに応じてチームを調整するチーフデザイナーが率いていた。時が経つにつれ、軍用機や航空会社の航空機の複雑さも増した。現代の軍用機や航空会社の設計プロジェクトは非常に大規模であるため、あらゆる設計面が異なるチームによって取り組まれ、その後まとめられる。一般航空では、多数の軽飛行機がアマチュアの愛好家や愛好家によって設計・製造されている。[27]
航空機のコンピュータ支援設計
航空機設計の初期には、設計者は一般的に解析理論を使用して、設計プロセスに含まれるさまざまな工学計算と多くの実験を行っていました。これらの計算は労働集約的で時間のかかるものでした。1940 年代には、数人のエンジニアが計算プロセスを自動化および簡素化する方法を模索し始め、多くの関係式と半経験式が開発されました。簡素化後も、計算は依然として膨大なものでした。コンピューターの発明により、エンジニアは計算の大部分を自動化できることに気付きましたが、設計の視覚化が欠如し、膨大な量の実験が必要だったため、航空機設計の分野は停滞していました。プログラミング言語の台頭により、エンジニアは航空機の設計に合わせてプログラムを作成できるようになりました。当初はメインフレーム コンピューターで行われ、低レベルのプログラミング言語が使用されていましたが、ユーザーは言語に精通し、コンピューターのアーキテクチャを理解している必要がありました。パーソナル コンピューターの導入により、設計プログラムはよりユーザー フレンドリーなアプローチを採用し始めました。[28] [検証失敗]
デザイン面
航空機設計の主な側面は次のとおりです。
すべての航空機の設計では、設計上の目的を達成するためにこれらの要素を妥協する必要があります。[29]
翼のデザイン
固定翼航空機の翼は、飛行に必要な揚力を提供する。翼の形状は、航空機の飛行のあらゆる側面に影響を与える。翼面積は通常、望ましい失速速度によって決定されるが、平面形の全体的な形状やその他の詳細な側面は、翼のレイアウト要因によって影響を受ける可能性がある。[30]翼は、胴体に対して高、低、中位の位置で取り付けることができる。翼の設計は、アスペクト比、テーパー比、後退角、厚さ比、断面プロファイル、ウォッシュアウト、上反角の選択など、多くのパラメータに依存する。[31] 翼の断面形状が翼型である。[32]翼の構造は、翼型の形状を定義するリブから始まります。リブは、木材、金属、プラスチック、さらには複合材で作ることができます。[33]
翼は、操縦や突風によってかかる最大荷重に耐えられるよう設計およびテストされなければなりません。
機体
胴体は、操縦室、客室、貨物室を含む航空機の部分である。 [34]
尾翼
推進
航空機の推進力は、特別に設計された航空機エンジン、改造された自動車、オートバイ、スノーモービルのエンジン、電気エンジン、さらには人間の筋力によって達成される。エンジン設計の主なパラメータは以下のとおりである。[35]
- 利用可能な最大エンジン推力
- 燃費
- エンジン質量
- エンジン形状
エンジンによって供給される推力は巡航速度での抗力とバランスし、加速を可能にする抗力よりも大きくなければなりません。エンジンの要件は航空機の種類によって異なります。たとえば、民間航空機は巡航速度でより長い時間を費やすため、より高いエンジン効率が必要です。高性能戦闘機は非常に高い加速を必要とするため、非常に高い推力要件があります。[36]
着陸装置
重さ
航空機の重量は、航空力学、構造、推進力など、航空機設計のあらゆる側面を結び付ける共通の要素です。航空機の重量は、自重、積載量、有効荷重などのさまざまな要素から導き出されます。さまざまな重量を使用して、航空機全体の重心が計算されます。[37] 重心は、製造元によって設定された制限内に収まらなければなりません。
構造
航空機の構造は、強度、空力弾性、耐久性、損傷許容度、安定性だけでなく、フェイルセーフ性、耐腐食性、保守性、製造の容易さにも重点を置いています。構造は、キャビンの加圧（装備されている場合）、乱気流、エンジンまたはローターの振動によって引き起こされるストレスに耐えることができなければなりません。[38]
設計プロセスとシミュレーション
航空機の設計は3つの段階から始まる[39]
概念設計
航空機の概念設計では、要求される設計仕様を満たすさまざまな構成をスケッチします。設計者は、一連の構成を描くことで、すべての要件を満たし、空気力学、推進力、飛行性能、構造、制御システムなどの要素と連携した設計構成に到達しようとします。[40] これは設計最適化と呼ばれます。胴体の形状、翼の構成と位置、エンジンのサイズとタイプなどの基本的な側面はすべてこの段階で決定されます。上記のような設計上の制約もすべてこの段階で考慮されます。最終製品は、紙またはコンピューター画面上に表示された航空機構成の概念レイアウトであり、エンジニアや他の設計者がレビューします。
予備設計段階
概念設計段階で決定された設計構成は、設計パラメータに合うように微調整および改造されます。この段階では、風洞試験と航空機周囲の流れ場の数値流体力学計算が行われます。主要な構造および制御解析もこの段階で実行されます。空力上の欠陥や構造上の不安定性があれば修正し、最終設計を描いて確定します。設計が確定した後は、製造業者または設計者が実際に航空機の生産を進めるかどうかという重要な決定を下すことになります。[41] この時点で、飛行と性能は完全に可能であっても、経済的に実行不可能であるという理由で生産中止になった設計がいくつかある可能性があります。
詳細設計段階
この段階では、製造される航空機の製造面のみを扱います。リブ、スパー、セクション、その他の構造要素の数、設計、位置を決定します。[42] 空気力学、構造、推進、制御、性能のすべての側面は予備設計段階ですでにカバーされており、残っているのは製造だけです。航空機のフライトシミュレーターもこの段階で開発されます。
遅延
一部の民間航空機は、開発段階で大幅なスケジュールの遅延やコスト超過を経験した。その例としては、4年の遅延と大幅なコスト超過を経験したボーイング787ドリームライナー、2年の遅延を経験したボーイング747-8、2年の遅延と61億ドルのコスト超過を経験したエアバスA380 、遅延とコスト超過を経験したエアバスA350、ボンバルディアCシリーズ、グローバル7000と8000、4年の遅延を経験したコマックC919、4年の遅延と空虚重量の問題に終わった三菱リージョナルジェットなどがある。[43]
プログラム開発
既存の航空機プログラムは、胴体を延長し、最大離陸距離を増やし、空力特性を強化し、新しいエンジン、新しい翼、新しい航空電子機器を搭載することで、性能と経済性を向上させるように開発することができます。マッハ0.8/FL360で9,100海里の長距離の場合、TSFCを10%下げると燃料が13%節約され、L/Dを10 %上げると12%節約され、OEWを10%下げると6%節約され、これらすべてを組み合わせると28%節約されます。[44]
エンジンの交換
胴体の伸張
参照
参考文献
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外部リンク
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