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飛行エンベロープ保護は、航空機の操縦士が、航空機の構造的および空力的な動作限界を超えるような制御コマンドを発するのを防ぐ、航空機の制御システムのヒューマンマシンインターフェース拡張です。 [1] [2] [3]これは、現代のすべての商用フライバイワイヤ航空機で何らかの形で使用されています。 [4]飛行エンベロープ保護システムの公言されている利点は、緊急事態への驚きの反応など、パイロットの過剰な制御入力が過剰な飛行制御面の動きに変換されるのを制限することです。概念的には、これにより、パイロットは、機体に過度のストレスを与えて航空機の安全を危険にさらす可能性のある過剰な制御面の動きを電子的に制限することにより、「驚き」から生じる過剰な制御入力の影響を鈍らせながら、緊急事態に迅速に対応できます。[5] [6]
実際には、これらの制限により、意図しない人的要因によるエラーや事故 が発生することがあります。
このような飛行範囲保護装置の一例としては、失速防止装置が挙げられます。これは、失速警報システムからの入力信号に基づいて機首を下げるスティックプッシャーの形をとったり、その他のフライバイワイヤ動作によって、航空機の失速を防止するように設計されています。 [ 7]失速防止装置は、ほとんどの最新の後退翼航空機に使用されており、[要出典]、さまざまな民間および軍用ジェット機に使用されています。[8]
関数
航空機には、最小および最大の運航速度や運航構造強度などの安全な性能限界を示す飛行エンベロープがあります。 [1] [2] [3]飛行エンベロープ保護は、その飛行エンベロープを計算し（安全マージンを追加し）、この情報を使用して、パイロットが航空機を飛行エンベロープから外すような制御入力を行うのを防ぎます。[5]飛行エンベロープ保護システムとパイロットのコマンドの干渉は、2つの異なる方法で発生する可能性があります（組み合わせることもできます）。
- 航空機の飛行状態をその運用境界に近づけたり、あるいはその境界外にまで至らせる制御入力の一部またはすべてを無視します。この方法は、レート コマンドを備えたサイドスティック制御のフライ バイ ワイヤ航空機のほとんどに適用されます。
- それぞれのコマンドが航空機を計算された運用境界に近づけていることをパイロットに通知します。この通知は、単純なアラームまたは触覚フィードバックによって行うことができます。この方法は、従来の制御を備えた航空機でよく適用されます。
たとえば、パイロットが後方サイドスティックを使用して機首を上げた場合、飛行エンベロープ保護を作成する制御コンピューターは、パイロットが失速迎え角を超えて機首を上げるのを防ぐことができ ます。
- 最初のケースでは、パイロットがさらに後方への制御を適用しようとすると、飛行エンベロープ保護により、航空機はこのコマンドを無視します。[4] [5]飛行エンベロープ保護は、パイロットが緊急時に最大限の制御力を適用できるようにしながら、同時に航空機を不注意に運用上の安全範囲外に置かないようにすることで、航空機の安全性を高めることができます。これが航空事故を防ぐ可能性がある例としては、パイロットが地表接近警報システムの警告に応じて迅速な回避操作を行える場合や、接近する航空機と潜在的な空中衝突に迅速に対応できる場合などが挙げられます。[4]この場合、飛行エンベロープ保護システムがなければ、「制御不能に陥ったり、もっとひどい事態に陥ったりする恐れがあるため、できるだけ機動性を抑えるでしょう。設計限界の 2.5 G に忍び寄らなければならず、そこに到達しても、2.5 G で飛行した商業パイロットはほとんどいないため、それが何なのかわかりません。しかし、A320 では、ためらう必要はありません。コントローラーを横に完全に押し下げて、飛行機があなたを運ぶ限りの速度で即座にそこから脱出することができます。」[5]したがって、エアバスのメーカーは、「エンベロープ保護はパイロットを制約しません。パイロットを不確実性から解放し、安全性を高めます。」と主張しています。[5]
- 2 番目のケースでは、例えばパイロットとの通信にフォースフィードバックシステムを使用する場合、パイロットがさらに後方への制御を適用しようとすると、飛行エンベロープ保護によって制御に対する反力が増大し、パイロットは飛行エンベロープ保護によって危険と認識された制御入力を継続するために、より大きな力を適用する必要があります。
現代のフライ・バイ・ワイヤ航空機の設計者のほとんどは、これら2つのソリューション（「サイドスティック制御とフィードバックなし」または「従来の制御とフィードバック」、下記も参照）のいずれかに固執していますが、科学的には両方を組み合わせるアプローチもあります。研究で実証されたように、ロールレートとg荷重を介して制御される航空機（たとえば、現代のエアバス航空機など）のサイドスティックに適用されたフォースフィードバックを使用すると、安全な飛行エンベロープへの準拠が向上し、パイロットの最終的な権限を維持し、状況認識を高めながら、パイロットが運用境界外で危険な飛行状態に入るリスクを軽減できます。[9]
エアバスとボーイング
エアバスA320は、完全な飛行エンベロープ保護を飛行制御ソフトウェアに組み込んだ最初の民間航空機でした。これは、元エアバスのエンジニアリング担当上級副社長であるバーナード・ジーグラーによって推進されました。エアバスでは、飛行エンベロープ保護を完全に無効にすることはできないが、乗務員は別の「制御法則」を選択することで飛行エンベロープの制限を超えて飛行することができます。[4] [10] [11] [12]ボーイングは、 777 で乗務員が飛行制御に過度の力を加えることで飛行エンベロープの制限を無効にするという異なるアプローチを採用しました。[4] [13]
事件
チャイナエアライン006便
飛行エンベロープ保護に対する異議申し立ての 1 つは、1985 年にサンフランシスコ北西で発生したチャイナ エアライン 006便ボーイング 747SP-09の事故です。 [5]この飛行事故では、乗務員はロールとほぼ垂直な急降下から回復するために、水平尾翼に過度のストレス (および構造的損傷) をかけることを余儀なくされました(これは、自動操縦装置の自動切断と、エンジンのフレームアウトによってもたらされたヨーの不適切な処理が原因でした)。パイロットは、高度約 10,000 フィートを残して (元の高高度巡航から) 制御を回復しました。これを行うために、パイロットは推定 5.5 G、つまり設計制限の 2 倍以上で航空機を牽引しなければなりませんでした。[5]航空機に飛行エンベロープ保護システムが組み込まれていれば、このような過剰な操作は実行されず、回復の可能性が大幅に低下した可能性があります。
この反論に対して、エアバスは、フライト006の状況ではA320が「そもそも空中から落ちることはなかっただろう。エンベロープ保護により、失速したエンジンの抗力にもかかわらず、水平飛行が自動的に維持されたはずだ」と回答した。[5]
フェデックス705便
1995 年 4 月、マクドネル ダグラス DC-10 -30 のフェデックス 705 便が、解雇を目前にしたフェデックスの航空技師によってハイジャックされました。この技師は、家族が生命保険金を受け取れるよう、飛行機をハイジャックしてフェデックス本社に墜落させようとしました。攻撃を受けて重傷を負った後、乗務員は反撃し、飛行機を無事に着陸させることができました。攻撃者のバランスを崩してコックピットに入れないようにするため、乗務員はバレル ロールや、飛行機の速度を測定できないほどの急降下など、極端な操縦を行わなければなりませんでした。
乗組員が飛行機の飛行限界を超えることができなかったら、乗組員は成功しなかったかもしれない[要出典]。
アメリカン航空587便
2001年11月、アメリカン航空587便（エアバスA300）が、パイロットの過度な方向舵入力により 垂直安定板が破損し墜落した。
飛行範囲保護システムがあればこの墜落は防げたかもしれないが、パイロットが通常の制限を超える必要があることを認識している場合に備えて、不測の事態に備えてオーバーライドボタンを用意すべきだという主張は依然として成り立つ。
USエアウェイズ1549便
USエアウェイズ1549便（エアバスA320）は、鳥との衝突後に両エンジンが故障し、その後2009年1月にハドソン川に無事着陸した。NTSBの事故報告書[14]は、飛行エンベロープ保護の効果について次のように述べている。「降下中の最後の150フィートにおける飛行機の対気速度は、飛行機のフライバイワイヤエンベロープ保護機能のアルファ保護モードをアクティブにするほど低かった...これらの機能のため、飛行機は、飛行機の重量と構成に対してピッチ法線法則で達成可能な最大迎え角（AoA）に到達できなかったが、飛行機は当時の重量と構成に対して最大の性能を発揮した...
飛行エンベロープ保護により、機長は飛行機が失速するリスクなしにサイドスティックを後方いっぱいに引くことができました。」
カンタス航空72便
カンタス航空72便は、 ADIRUコンピューターの1つから誤ったデータが送信されたため、予期せぬ機首下げに見舞われた。
エールフランス447便
2009年6月、エアバスA330のエールフランス447便が失速に陥り、回復できず大西洋に墜落し、乗客乗員全員が死亡した。氷晶によるピトー管の閉塞が原因と思われる、計測速度の一時的な不一致により、自動操縦装置が切断され、代替法則に再設定された。代替法則への再設定の2つ目の結果として、失速防止装置が作動しなくなった。
乗務員は不適切な制御入力を行い、航空機の失速を引き起こしたが、航空機が失速したことに気づかなかった。
ボーイング737 MAXのMCAS
2018年10月と2019年3月に、MCAS飛行保護システムの誤作動により、ボーイング737 MAX旅客機2機が回復不能な急降下状態に陥り、346人が死亡し、世界中で旅客機の運航停止に至った。
参照
注記
- ^ ab Pratt , R. (2000). 飛行制御システム: 設計と実装における実際的な問題。電気技術者協会。ISBN 978-0-85296-766-9
- ^ ab Abzug MJ、Larrabee EE。（2002年）。飛行機の安定性と制御：航空を可能にした技術の歴史。ケンブリッジ大学出版局、ISBN 978-0-521-80992-4
- ^ ab Risukhin V. (2001). パイロットエラーの制御: 自動化。McGraw-Hill Professional。ISBN 978-0-07-137320-3
- ^ abcde North, David. (2000)「エンベロープ保護システムにおける共通点の発見」Aviation Week & Space Technology、8月28日、66～68ページ。
- ^ abcdefgh Waldrop MM. (1989). 電動スカイフライング。サイエンス、244: 1532–1534。JSTOR 1704109
- ^アリザート・R・フルフォードGA. (1989) 電動航空機 。サイエンス、245: 581–583。JSTOR 1704444
- ^ 飛行機の失速防止装置とは何ですか? | ニュース動画をオンラインで見る
- ^ ab Extant Aerospace | 制御システム | 失速防止システム
- ^ Florian JJ Schmidt-Skipiol & Peter Hecker (2015)。「触覚フィードバックと状況認識 - サイドスティック制御のフライバイワイヤ航空機におけるエンベロープへの準拠の改善 [sic]」。第15 回 AIAA 航空技術、統合、運用会議: 2905。doi :10.2514/6.2015-2905。
- ^ Traverse P. Lacaze I. Souyris J. (2004). エアバスのフライ・バイ・ワイヤ：信頼性への総合的アプローチ。IFIP 国際情報処理連盟：情報社会の構築。156: 191–212. doi :10.1007/978-1-4020-8157-6_18
- ^ Briere D. および Traverse, P. (1993)「Airbus A320/A330/A340 電気飛行制御: フォールトトレラントシステムファミリー Archived 2009-03-27 at the Wayback Machine」 Proc. FTCS、pp. 616–623。
- ^ Rogers R. (1999). パイロットの権限と航空機の保護。Cockpit (1月-3月号)。4-27。
- ^ Aplin JD. (1997). ボーイング 777 用プライマリ フライト コンピュータ. マイクロプロセッサとマイクロシステム. 20: 473–478. doi :10.1016/S0141-9331(97)01112-5
- ^ https://www.ntsb.gov/investigations/AccidentReports/Reports/AAR1003.pdf 特にセクション 1.6.3 と 2.7.2