航空機の飛行制御システム

従来の固定翼 航空機の飛行制御システム( AFCS )は、飛行中の航空機の方向を制御するために、飛行制御面、それぞれのコックピット制御装置、接続リンク、および必要な操作機構で構成されています。航空機のエンジン制御装置も速度を変更するため、飛行制御と見なされます。

航空機の操縦の基本については、飛行力学で説明されています。この記事では、操縦装置の動作メカニズムに焦点を当てます。航空機で使用されている基本システムは、1908年4月にルイ・ブレリオの先駆的な単葉機設計であるブレリオVIIIで、すぐに認識できる形で初めて登場しました。 ^[1]

一般的に、コックピットの主な飛行制御装置は次のように配置されている。^[2]

• コントロールヨーク(コントロール コラムとも呼ばれる)、センター スティック、またはサイド スティック(後者の 2 つは口語的にコントロールまたはジョイスティックとも呼ばれる) は、左右に回したり偏向させたりすることでエルロンを動かす (または一部の非常に初期の航空機設計では翼の反りをアクティブにする) ことで航空機のロールとピッチを制御し、前後に動かすとエレベーターを動かします。
• ラダーペダル、またはそれ以前の 1919 年以前の「ラダーバー」は、ラダーを動かすことでヨーを制御します。たとえば、左足を前に出すとラダーが左に動きます。
• エンジン速度または動力付き航空機の推力を制御するスラストレバーまたはスロットル。

操縦桿も航空機によって大きく異なります。ロールは操縦桿を時計回り/反時計回りに回すことで制御され（車のハンドル操作のように）、ピッチは操縦桿を操縦士に近づけたり遠ざけたりすることで制御されますが、ピッチは操縦桿を計器盤から出し入れすることで制御されるもの（152や172などのほとんどのセスナのように）や、ロールは操縦桿全体を左右にスライドさせることで制御されるもの（セスナ162のように）もあります。センタースティックも航空機によって異なります。ケーブルを使用して操縦面に直接接続されているものもあれば、^[3]フライ・バイ・ワイヤの飛行機のように間にコンピューターがあり、それが電気アクチュエーターを制御しているものもあります。

航空機がV字尾翼のラダーベーター、フラッペロン、エレボンなどのさまざまな操縦翼面を使用する場合でも、これらのさまざまな複合目的操縦翼面は空間内で同じ3つの軸の周りの回転を制御するため、航空機の操縦桿またはヨークが従来どおりピッチとロールを制御し、ラダーペダルがヨーを制御するように航空機の操縦システムが設計されます。^[2] 現代の操縦の基本パターンは、フランスの航空界の人物であるロベール・エスノー＝ペルテリによって開拓され、同じくフランスの飛行士であるルイ・ブレリオは、1908年4月にルイのブレリオVIII単葉機で最初にエスノー＝ペルテリの操縦形式を普及させ、1909年7月に海峡を横断したブレリオXIでその形式を標準化しました。 1944年の著書「スティックとラダー」などの初心者向けの指導書で普及したように、飛行制御は長年このような方法で教えられてきました。

一部の航空機では、操縦面はリンク機構で操作されません。たとえば、超軽量飛行機やモーター付きハンググライダーには、そのような機構はまったくありません。代わりに、パイロットは揚力面を手でつかみ（下側からぶら下がっている剛性フレームを使用）、動かします。^{[引用が必要]}

ロール、ピッチ、ヨーの主要な飛行制御装置に加えて、パイロットがより細かく飛行を制御できるようにしたり、作業負荷を軽減したりするための二次制御装置が利用できる場合がよくあります。最も一般的な制御装置は、エレベーターのトリムを制御するためのホイールまたはその他の装置であり、これにより、パイロットは特定のピッチ姿勢を維持するために一定の前後圧力を維持する必要がなくなります^{[4] （}ラダーやエルロンなどの他の種類のトリムは、大型の航空機で一般的ですが、小型の航空機にも使用されることがあります）。多くの航空機には、スイッチまたは機械式レバーで制御されるか、場合によってはコンピューター制御で完全に自動化された翼フラップがあり、離着陸に使用される低速での制御を改善するために翼の形状を変更します。その他の二次飛行制御システムには、スラット、スポイラー、エアブレーキ、可変後退翼などがあります。

機械式または手動で操作する飛行制御システムは、航空機を制御する最も基本的な方法です。これらは初期の航空機で使用され、現在では空気力が過度でない小型航空機で使用されています。ライトフライヤーI、ブレリオXI、フォッカーアインデッカーなどの非常に初期の航空機は、翼に従来のヒンジ式操縦面を使用しない翼ワーピングシステムを使用していました。ライトフライヤーIや1909年のエトリッヒタウベのオリジナルバージョンのように、ピッチ制御にさえ使用されなかった場合もあり、ワーピング操作のピッチとロールの制御に加えて、ヒンジ/ピボット式ラダーしかありませんでした。^[5]手動の飛行制御システムは、プッシュロッド、張力ケーブル、プーリー、カウンターウェイト、場合によってはチェーンなどの機械部品の集合を使用して、コックピットのコントロールに加えられた力を直接操縦面へ伝達します。ターンバックルは、制御ケーブルの張力を調整するのによく使用されます。セスナスカイホークは、このタイプのシステムを使用する航空機の典型的な例です。突風ロックは、機械システムを備えた駐機中の航空機で、風による操縦面やリンク機構の損傷を防ぐためによく使用されます。航空機によっては、制御システムの一部として突風ロックが装備されているものもあります。^[6]

操縦面積の増加と、より高速な航空機に必要なより高い対気速度は、飛行制御システムにかかる空力負荷の増加を招きました。その結果、操縦に必要な力も大幅に大きくなりました。その結果、パイロットに必要な力を減らすために、最大限の機械的利点を引き出す複雑な機械式ギア配置が開発されました。 ^{[7]この配置は、}フォッカー50などのより大型で高性能なプロペラ機に見られます。

一部の機械式飛行制御システムでは、空力補助を行うサーボタブが使用されています。サーボタブは、操縦翼面にヒンジで取り付けられた小さな面です。飛行制御機構がこれらのタブを動かすと、空気力によって操縦翼面の動きが動かされ、必要な機械力の量が減少します。この配置は、初期のピストンエンジン輸送機や初期のジェット輸送機で使用されていました。^[8]ボーイング737には、万が一油圧システム全体が故障した場合でも、自動的にサーボタブによる制御にシームレスに戻るシステムが組み込まれています。

機械式飛行制御システムの複雑さと重量は、航空機のサイズと性能に応じて大幅に増加します。油圧駆動の操縦翼面は、これらの制限を克服するのに役立ちます。油圧式飛行制御システムでは、航空機のサイズと性能は、パイロットの筋力ではなく経済性によって制限されます。最初は、パイロットが操縦翼面の空力負荷の一部を感じることができる、部分的にブーストされたシステムが使用されていました（フィードバック）。^[7]

油圧機械式飛行制御システムには 2 つの部分があります。

• 機械回路は、コックピットの制御装置と油圧回路を結び付けます。機械式飛行制御システムと同様に、ロッド、ケーブル、滑車、場合によってはチェーンで構成されます。
• 油圧回路には、油圧ポンプ、リザーバ、フィルタ、パイプ、バルブ、アクチュエータが含まれます。アクチュエータは、油圧回路内のポンプによって生成された油圧によって駆動されます。アクチュエータは、油圧を操縦面の動きに変換します。電気油圧サーボ バルブは、アクチュエータの動きを制御します。

パイロットが操縦装置を動かすと、機械回路が油圧回路内の対応するサーボ バルブを開きます。油圧回路はアクチュエータに電力を供給し、アクチュエータが操縦面を動かします。アクチュエータが動くと、機械フィードバックリンクによってサーボ バルブが閉じられ、操縦面の動きが目的の位置で停止します。

この配置は、旧設計のジェット輸送機や一部の高性能航空機に採用されています。例としては、アントノフ An-225やロッキード SR-71などがあります。

純粋に機械的な飛行制御システムでは、操縦翼面にかかる空気力が機構を通じて伝達され、パイロットが直接感じ取るため、対気速度の触覚フィードバックが可能になる。一方、油圧機械式飛行制御システムでは、表面にかかる負荷を感じ取ることができないため、操縦翼面が過度に動くことで航空機に過大なストレスがかかるリスクがある。この問題を克服するために、人工的な感触システムを使用することができる。例えば、イギリス空軍のアブロ バルカンジェット爆撃機やカナダ空軍のアブロ カナダ CF-105 アロー超音速迎撃機（どちらも 1950 年代の設計）の操縦では、必要な力のフィードバックはスプリング デバイスによって実現されていた。^[10]このデバイスの 支点は、（エレベーターの）対気速度の 2 乗に比例して移動し、高速時に抵抗が増加するようにした。アメリカのヴォート社製 F-8 クルセイダーと LTV A-7 コルセア II戦闘機の操縦には、操縦桿のピッチ軸に「ボブウェイト」が使用され、飛行機の通常の加速度に比例した力のフィードバックが与えられました。^{[引用が必要]}

スティックシェイカーは、一部の油圧式航空機の操縦桿に取り付けられた装置である。航空機が失速状態に近づいたときに操縦桿を振動させる。マクドネル・ダグラスDC-10などの一部の航空機には、油圧故障の際にスティックシェイカーを作動させるために作動させるバックアップ電源が装備されている。^[11]

現在のほとんどのシステムでは、高圧油圧システムによって制御アクチュエータに電力が供給されている。フライ・バイ・ワイヤシステムでは、これらのシステムを制御するバルブは電気信号によって作動する。パワー・バイ・ワイヤシステムでは、油圧ピストンの代わりに電気アクチュエータが使用される。電力は電気ケーブルによってアクチュエータに伝えられる。これらは油圧パイプよりも軽量で、設置と保守が容易で、信頼性が高い。F -35の飛行制御システムの要素はパワー・バイ・ワイヤである。^{[12] [13] [14]}このような電気油圧作動（EHA）システムのアクチュエータは、自己完結型の油圧装置、小さな閉回路油圧システムである。全体的な目標は、より多くの、または完全に電動化された航空機を目指しており、このアプローチの初期の例としてアブロバルカンがある。エアバスA380でこのアプローチを使用することが真剣に検討された。^[15]

フライバイワイヤ (FBW) システムは、航空機の手動飛行制御を電子インターフェースに置き換えます。飛行制御の動きは、ワイヤで送信される電子信号に変換され (フライバイワイヤという用語の由来)、飛行制御コンピュータは、各制御面のアクチュエータをどのように動かして期待される応答を提供するかを決定します。コンピュータからのコマンドは、パイロットが知らないうちに入力され、航空機を安定させたり、その他のタスクを実行したりします。航空機の飛行制御システム用の電子機器は、アビオニクスと呼ばれる分野の一部です。

フライ・バイ・オプティクスは、フライ・バイ・ライトとも呼ばれ、光ファイバーケーブルを使用したさらなる開発です。

エルロン、エレベーター、エレボン、フラップ、フラッペロンなどの飛行制御システムの機能を翼に統合して、質量、コスト、抗力、慣性（より速く、より強力な制御応答）、複雑さ（機械的に単純、可動部品や表面が少ない、メンテナンスが少ない）、ステルスのためのレーダー断面積などの利点を備えた空力目的を果たすための技術研究開発の取り組みがいくつかあります。これらは、多くの無人航空機（UAV）と第 6 世代戦闘機に使用できます。有望な 2 つのアプローチは、フレキシブル ウィングと流体工学です。

フレキシブル ウィングは「モーフィング エアロフォイル」とも呼ばれ、飛行中に翼面の大部分または全部の形状を変化させて、羽ばたき飛行機のように気流を逸らすことができます。アダプティブ コンプライアント ウィングは軍事および商業の取り組みです。^{[16] [17] [18]} X -53 アクティブ エアロエラスティック ウィングは、米国空軍、NASA、ボーイングによる取り組みでした。FlexSys も注目すべき取り組みを行っており、同社はガルフ ストリーム III 航空機に後付けしたフレキシブル エアロフォイルを使用して飛行テストを実施しました。^[19]

アクティブフロー制御システムでは、車両内の力は循環制御によって発生し、より大きく複雑な機械部品がより小さく単純な流体システム（空気流を放出するスロット）に置き換えられ、流体内のより大きな力がより小さなジェットまたは流体の流れによって断続的に転換され、車両の方向が変更されます。^{[20] [21]}この用途では、アクティブフロー制御は単純さと質量の低減、コスト（最大半分以下）、慣性と応答時間の低減を約束します。これは、2010年9月に英国で初飛行したDemon UAVで実証されました。^[22]

• デュアルコントロール（航空）
• 飛行エンベロープ保護
• 制御が無効になった状態での飛行
• ヘリコプターの飛行制御
• ホタス
• カイト制御システム
• 制御不能を伴う航空機墜落事故のリスト
• マシュー・ピアーズ・ワット・ボルトン、エルロンの発明者(1868)
• 推力偏向
• 体重移動制御
• ロールを制御する初期の方法である翼のワーピング

• USAFおよびNATOレポートRTO-TR-015 AC/323/(HFM-015)/TP-1（2001）。

ウィキメディア・コモンズには、航空機の飛行制御システムに関連するメディアがあります。

• エアバスA380のコックピット。
• エアバス A380 コックピット - 360 度パノラマ
• タッチダウン：NASAドライデンにおける推進制御航空機の開発、トム・タッカー著