飛行試験

飛行試験は航空工学の一分野であり、航空機の挙動やシステムの試験、または打ち上げロケットや再使用型宇宙船の大気圏試験に必要な専門機器を開発します。計装システムは、独自のトランスデューサーとデータ収集システムを使用して開発されます。データは、航空機の飛行中、または打ち上げロケットや再使用型宇宙船の大気圏試験中にサンプリングされます。このデータは、正確性が検証され、開発中にさらに機体設計を変更したり、機体設計を 検証したりするために分析されます。

飛行試験フェーズでは、2 つの主要なタスクが実行されます。1)設計上の問題を発見して修正し、2)機体設計が完了したら機体の機能を検証して文書化する、または政府認証や顧客承認のための最終仕様を提供する。飛行試験フェーズは、既存の機体に対する単一の新システムのテストから、新しい航空機、打ち上げ機、または再利用可能な宇宙船の完全な開発と認証まで多岐にわたります。したがって、特定の飛行試験プログラムの期間は、数週間から数年までさまざまです。

飛行試験プログラムには通常、商用と軍事の 2 つのカテゴリがあります。商用飛行試験は、航空機が政府認証機関の該当するすべての安全性と性能要件を満たしていることを証明するために実施されます。米国では連邦航空局 ( FAA )、カナダではカナダ運輸省(TC)、英国(UK)では民間航空局、欧州連合では欧州航空安全機関(EASA) が認証機関です。商用航空機の開発は通常、航空機メーカーや民間投資家によって資金提供されるため、認証機関は航空機の商業的成功には関与しません。これらの民間機関は、航空機の安全性と、パイロットの飛行マニュアルに航空機の性能が正確に報告されているかどうかを懸念しています。航空機が運航者に適しているかどうかは市場が判断します。通常、民間認証機関は、メーカーが開発上の問題を発見して修正し、認証を受ける準備ができるまで、飛行試験には関与しません。

軍事プログラムは、政府が航空機メーカーと契約して、特定のミッション能力を満たす航空機を設計および製造するという点で民間プログラムとは異なります。これらのパフォーマンス要件は、航空機の仕様でメーカーに文書化され、飛行テスト プログラムの詳細 (他の多くのプログラム要件とともに) は作業明細書に明記されます。この場合、政府が顧客であり、航空機のミッション遂行能力に直接関与します。政府がプログラムに資金を提供しているため、早い段階から航空機の設計とテストに深く関与します。多くの場合、軍のテスト パイロットとエンジニアは、初飛行前であっても、メーカーの飛行テスト チームの一部として統合されます。軍用航空機の飛行テストの最終段階は運用テスト (OT) です。OT は、航空機が意図されたミッションを遂行するのに適切かつ効果的であることを証明するという指示を持つ政府のみのテスト チームによって実施されます。^{[引用が必要]}

軍用機の飛行試験は、軍の飛行試験施設で行われることが多い。米海軍はパタクセントリバー海軍航空基地で、米空軍はエドワーズ空軍基地で航空機の試験を行っている。米空軍テストパイロット学校と米海軍テストパイロット学校は、軍の試験要員を教育するためのプログラムである。英国では、ほとんどの軍用飛行試験は、イギリス空軍、BAEシステムズ、キネティックの3つの組織によって行われている。小規模なアップグレードの場合、試験はこれら3つの組織のいずれかによって個別に実施されることがあるが、主要なプログラムは通常、統合プロジェクトチーム（IPT）空域の傘下で3つの組織すべてが協力して作業する共同試験チーム（JTT）によって実施される。^[要出典]

すべての打ち上げロケット、およびいくつかの再使用型宇宙船は、大気圏を移動する際に発生する空力飛行荷重に対応できるように設計する必要があります。

多くの打ち上げロケットは飛行試験が行われ、特定の打ち上げロケット設計の初期の軌道打ち上げに関するより広範なデータ収集と分析が行われる。再使用型宇宙船や再使用型ブースターの試験プログラムははるかに複雑で、通常は従来の航空機試験の完全なエンベロープ拡張パラダイムに従う。過去および現在の試験プログラムには、スペースシャトル、X-24B、スペースシップツー、ドリームチェイサー、^[1]ファルコン9プロトタイプ、^{[2] [3]} OK-GLI、およびスペースXスターシッププロトタイプの初期落下試験が含まれる。

飛行試験は、通常、収益を生まない飛行の一種ですが、SpaceXは収益を生む打ち上げでの帰還ブースター飛行のミッション後の段階で広範囲にわたる飛行試験も行っています。飛行試験では、統計的に実証された事故や重大インシデントのリスクが高くなります。これは主に、新しい航空機や打ち上げロケットの操縦特性が不明であることと、運用手順が確立されていないことに起因しており、テストパイロットの訓練や飛行乗務員の経験が不足している場合はさらに悪化する可能性があります。^[4]このため、飛行試験は、準備、実行、分析と報告の3つの段階で慎重に計画されます。

商用機、軍用機、および打ち上げロケットのいずれの場合も、飛行試験の準備は試験機が飛行する準備ができるかなり前から始まる。まず、何を試験する必要があるかを定義し、それに基づいて飛行試験エンジニアが試験計画を作成する。試験計画は、基本的に飛行する特定の操縦 (または実行するシステム) である。各試験はテスト ポイントと呼ばれる。新しい航空機の完全な認証/適格性試験飛行試験プログラムでは、多くの航空機システムと飛行中の状況の試験が必要となる。通常、各試験は個別の試験計画に文書化される。全体として、認証飛行試験プログラムは、約 10,000 のテスト ポイントから構成される。^[要出典]

航空機の 1 回のテスト飛行を準備するために使用される文書は、テスト カードと呼ばれます。これは、飛行するテスト ポイントの説明で構成されます。飛行テスト エンジニアは、可能な場合は、すべてのテスト プランから同様のテスト ポイントを同じ飛行で飛行するようにします。これにより、必要なデータを最小限の飛行時間で取得できます。飛行テスト プロセスを制御するために使用されるソフトウェアは、飛行テスト管理ソフトウェアと呼ばれ、飛行テスト エンジニアが飛行するテスト ポイントを計画し、必要な文書を生成するのに役立ちます。^{[引用が必要]}

飛行試験データ要件が確立されると、航空機または打ち上げロケットにデータ収集システム(DAS) またはデータ収集ユニット (DAU) とセンサーが装備され、分析用にそのデータが記録されます。大型航空機の飛行試験中に記録される一般的な計測パラメータは次のとおりです。

• 大気圧（静圧）と温度。
• 胴体周囲のさまざまな位置で測定された動的（「総」）圧力と温度。
• 振動レベルを含む翼と胴体における構造負荷。
• 航空機の姿勢、迎え角、横滑り角。
• 航空機のさまざまな位置にある加速度計で測定された、 6 つの自由度すべてにおける加速度。
• 騒音レベル（屋内および屋外）
• 内部温度（客室内および貨物室内）
• 航空機の偏向を制御します（スティック/ヨーク、ラダーペダル、スロットルの位置）。
• エンジン性能パラメータ（さまざまな段階での圧力と温度、推力、燃料燃焼率）。

以前のテストで動作が判明している特定の校正機器を、航空機に内蔵されたプローブを補完するために機内に持ち込むことができます。

飛行中、これらのパラメータは、対気速度、高度、重量、重心位置などの関連する航空機の性能パラメータを計算するために使用されます。

飛行試験の特定の段階、特に新型航空機の初期開発段階では、飛行中に多くのパラメータが地上に送信され、飛行試験および試験サポート エンジニアによって監視されるか、または後続のデータ分析のために保存されます。これにより、安全性の監視が可能になり、取得されたデータのリアルタイム分析と完全シミュレーション分析の両方が可能になります。

航空機または打ち上げ用ロケットが完全に組み立てられ、装備されると、地上で長時間の試験が行われます。これにより、航空機の基本的な操作、飛行制御、エンジン性能、動的システムの安定性評価など、さまざまな側面を調査でき、構造負荷を初めて確認することができます。その後、航空機または打ち上げ用ロケットは、あらゆる航空機または打ち上げ用ロケットの開発プログラムにおける大きなマイルストーンである初飛行に進むことができます。

飛行試験プログラムにはいくつかの側面があり、その中には次のようなものがあります。

• 操縦性、飛行範囲全体にわたる航空機の制御性とパイロットの入力に対する反応を評価します。
• 性能テストでは、速度、航続距離、利用可能な電力、抗力、気流特性などの予測される能力に関連して航空機を評価します。
• 空力弾性/フラッター安定性は、航空機の制御と構造の空力（空気誘導）荷重に対する動的応答を評価します。
• 航空電子工学/システムテストでは、すべての電子システム（ナビゲーション、通信、レーダー、センサーなど）が設計どおりに動作することを確認します。
• 構造荷重は、機体、動的コンポーネント、および制御装置にかかる応力を測定し、あらゆる飛行状況での構造的完全性を検証します。

軍用航空機に特有のテストには以下が含まれます。

• 兵器投下。これは、機上システムを使用して目標を捕捉し、目標に兵器を正確に投下するパイロットの能力を評価する。
• 安全上の問題がないことを確認するために航空機から発射される兵器の分離を評価する。
• 空中給油;
• レーダー/赤外線シグネチャ測定;
• 航空母艦の運用。

緊急事態は、すべての飛行試験プログラムの通常の一部として評価されます。例としては、飛行のさまざまな段階 (離陸、巡航、着陸) でのエンジン故障、システム故障、制御の劣化などがあります。全体的な運用範囲 (許容総重量、重心、高度、最大/最小対気速度、操縦など) は、飛行試験中に確立され、検証されます。航空機は、飛行マニュアルで通常運用に許可されている制限を超えて常に安全であることが実証されています。

飛行試験プログラムの主な目的は、多くの場合、完全には実証されていない設計に関する正確なエンジニアリング データを収集することであるため、飛行試験機の操縦には高度な訓練とスキルが必要です。そのため、このようなプログラムは通常、特別に訓練されたテスト パイロットによって飛行され、データは飛行試験エンジニアによって収集され、多くの場合、飛行試験計器を使用してテスト パイロットや飛行試験エンジニアに視覚的に表示されます。

認証のための飛行分析が含まれます。飛行の内部と外部を、すべての細かい部分をチェックして分析します。レポートには、分析されたデータの結果が含まれます。

はじめに航空機の性能には、離陸、上昇、巡航、加速、減速、降下、着陸、その他の基本的な戦闘機の操縦など、 さまざまなミッションがあります。

飛行試験後、航空機はFAAのFAR、EASAの認証仕様 (CS)、インドの航空職員コンプライアンスおよび要件 などの規制に従って認証を受ける必要があります。

1. 飛行性能評価と文書化

• 飛行データの処理には、フィルタリング、バイアス補正、飛行経路（軌道）に沿った解像度が含まれます。
• 飛行試験データからのミッションセグメントの分析。
• パフォーマンス サイクル デッキ (PCD) を使用した推力の推定。
• 飛行中推力デッキ (IFTD) を使用した飛行中推力の計算。
• 標準手順による飛行パフォーマンスの文書化。
• 航空機性能モデルの検証と更新。

2. 飛行性能を標準状態まで低下させる

• 国際標準大気条件 (ISA)による航空機性能のモデル推定。
• 非標準（テスト済み）条件は、標準質量、高度、速度、スロットル設定を個別に組み込むことによって研究されます。
• 認証のための国際標準大気条件でのパフォーマンスを得るために、個々の効果がテストされた（非標準）条件に追加されます。
• 離着陸時には風の影響も考慮されます。

3. 運用データマニュアル（ODM）のパフォーマンスチャートの作成と検証

性能チャートにより、パイロットは航空機の離陸、上昇、巡航、着陸の性能を予測できます。製造元が提供するこれらのチャートは、AFM /POH に含まれています。製造元がこれらのチャートで提供する情報は、新しい航空機で、通常の運用条件で、平均的な操縦スキルを使用し、航空機とエンジンが良好な状態で実施されたテスト飛行から収集されたものです。エンジニアは飛行データを記録し、テスト飛行中の航空機の動作に基づいて性能チャートを作成します。これらの性能チャートを使用することで、パイロットは離陸と着陸に必要な滑走路の長さ、飛行中に使用される燃料の量、目的地に到着するまでの所要時間を判断できます。航空機が良好な状態でない場合、または悪条件下で運航している場合は、チャートのデータは正確ではありません。航空機が良好な状態でない場合、または操縦スキルが平均以下の場合は、性能数値を補正する必要があることを常に考慮してください。航空機はそれぞれ異なる性能を発揮するため、性能数値も異なります。飛行はそれぞれ異なるため、飛行前に航空機の性能を計算してください。

すべてのチャートは特定の条件に基づいており、飛行条件に合わせて情報を調整する方法に関する注記が含まれています。すべてのチャートを読み、その使用方法を理解することが重要です。製造元が提供する説明書をお読みください。チャートの使用方法の説明については、その特定のチャートについて製造元が提供する例を参照してください。

メーカーが提供する情報は標準化されていません。情報は表形式で含まれている場合もあれば、グラフ形式で含まれている場合もあります。複合グラフでは、複数の飛行条件を補正するために 1 つのチャートに 2 つ以上のグラフが組み込まれている場合もあります。複合グラフを使用すると、パイロットは密度高度、重量、風の変化に対する航空機のパフォーマンスをすべて 1 つのチャートで予測できます。このタイプのチャートから抽出できる情報量は膨大であるため、チャートを正確に読み取ることが重要です。最初の小さな誤差が、最後に大きな誤差につながる可能性があります。

このセクションの残りの部分では、航空機の一般的なパフォーマンス情報を取り上げ、チャートに含まれる情報と、直接読み取りと補間法によってチャートから情報を抽出する方法について説明します。すべてのチャートには、飛行計画時に使用する必要がある豊富な情報が含まれています。飛行のあらゆる側面に関する表、グラフ、および組み合わせグラフ形式の例について説明します。

補間 チャート上のすべての情報を簡単に抽出できるわけではありません。チャートによっては、特定の飛行条件の情報を見つけるために補間が必要です。情報を補間するということは、パイロットが既知の情報を使用して中間情報を計算できることを意味します。ただし、パイロットはチャートの値をより控えめな数字に丸めることがあります。わずかに悪条件を反映した値を使用すると、パフォーマンス情報を合理的に推定でき、安全域もわずかに確保できます。次の図は、離陸距離チャートから情報を補間する例です。

• 広範囲の大気条件、飛行およびエンジンパラメータのモデル推定。
• 航空機の性能を予測するためのモデル推定からのチャートと表の作成と検証。
• これにより、パイロットは効果的かつ安全に操縦し、パフォーマンスの比較を行うことができます。

飛行試験チームの構成は、飛行試験プログラムの組織と複雑さによって異なりますが、一般的にすべての飛行試験組織に所属する主要人物がいます。飛行試験チームのリーダーは通常、飛行試験エンジニア(FTE) または実験テスト パイロットです。他の FTE またはパイロットも関与する場合があります。その他のチーム メンバーには、飛行試験計装エンジニア、計装システム技術者、航空機整備部門 (機械工、電気技術者、航空電子工学技術者など)、品質/製品保証検査官、地上コンピューティング/データ センター担当者、およびロジスティクスと管理サポートがいます。他のさまざまな分野のエンジニアが、特定のシステムのテストをサポートし、専門分野で取得したデータを分析します。

多くの航空機開発プログラムは政府の軍事サービスによって後援されているため、軍または政府に雇用された民間のパイロットとエンジニアが飛行試験チームに組み入れられることがよくあります。政府の代表者はプログラムを監督し、データを確認して承認します。政府のテストパイロットは実際のテスト飛行にも参加する可能性があり、初飛行に参加することもあります。

• 航空記事の索引
• 初飛行
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• 航空宇宙飛行試験センターのリスト

• スティーブン・コルダ：飛行試験の観点から見た航空宇宙工学入門。Wiley、2017年、ISBN 978-1-118-95336-5。 

ウィキメディア・コモンズには、航空機の飛行試験に関連するメディアがあります。

• 実験テストパイロット協会
• 飛行試験技術者協会
• 飛行試験安全委員会
• オーストラリア飛行試験協会
• 飛行機の安定性と制御
• NASA 飛行試験入門
• クランフィールド大学の飛行力学の科目一覧
• CAFE財団による一般航空機の飛行試験
• (リンク修正) 現在の飛行試験プログラム多数 (ドイツ語) 出典: FliegerWeb.com
• フライトトレーニングプログラムモジュールは、2017年9月17日にWayback Machineにアーカイブされました。