飛行機の操縦(5)動翼の作動方法

ここまで5回にわたって、飛行機の操縦や制動に使用する各種動翼の話をしてきた。今回は、その動翼を動かすメカニズムの話をしてみよう。

小型機なら人力で済む

小型の飛行機なら、操縦桿あるいは操縦輪、それとラダーペダルから索や棹を介して、人力で直接動翼を動かすことができる。グライダーや軽飛行機ならそれで用が足りるし、第2次世界大戦の頃の戦闘機、例えば零戦でもそうやっていた。

索を使用する場合、滑車で向きを変えながら、操縦装置と動翼を連結する。棹を使用する時は滑車というわけにはいかないので、リンク機構を使う。

ただ、速度が上がると動翼に当たる風の速度も上がるため、動かすために必要な力が大きくなる。機体が大型化した場合は、動翼も大型化して、かつ面積が増えるため、やはり動かすために必要な力が大きくなる。すると、単純に人力で動かすのは難しい。

1つの方法として、バランスタブと呼ばれる小さな動翼を取り付ける方法がある。つまり、動翼という名の舵面に、さらに小さな舵面がついて、親亀・子亀みたいな格好になっている。バランスタブに当たった風の力で、動翼全体を軽い力で動かせるようにアシストするというものである。

といっても、最後はやはり人力で動かすものだから、この方法でも限度はある。走っているクルマの窓から手を少しだけ出して、手に当たる風圧の強さを感じ取ってみるとわかるが、時速数十kmでも結構な風圧だ。飛行機の速度はさらに桁が1つ多いのだから、ずっと強い力がかかることは容易に理解できる。

動翼は油圧で動かすのが普通

そこで、速度が上がったり機体が大型化したりした場合は、索や棹の動きを機械力でアシストするとか、全面的に機械力で動かすとかいう話になる。そこで、動翼の作動機構に油圧装置を組み込むようになる。

油圧を簡単に言うと、エンジンで駆動するオイルポンプで作動油に圧力をかけておき、必要に応じてバルブ操作によって作動油をシリンダに送り込んでやるというものだ。この油圧系統を指して集中油圧系という。

油圧だけでなく空気圧を使用する場合もあるが、大きな力を出すことができるのは油圧のほうなので、負荷が大きい時は油圧を使うのが普通だ。ボーイング747の場合、後縁フラップや補助翼は油圧で動かしており、前縁フラップだけ空気圧で動かすという使い分けをしているのが面白い。

ちなみに、この油圧や空気圧によって実際に作動を担当する機械のことをアクチュエータという。一般的なアクチュエータはシリンダの中にピストンを入れて伸縮運動を行うもので、作動油や圧縮空気を送り込むとピストンが伸び方向に動き、作動油や圧縮空気を抜くとピストンが縮み方向に動く。

航空の世界ではメートル法よりもヤード・ポンド・フィートのほうが幅をきかせているので、油圧装置の圧力もpsi、つまり1平方インチ当たり何ポンド、という単位で表す。一般的なパスカル(Pa)やキログラム平方センチ(khf/cm2)との関係は以下のようになる。

1psi = 6894.757293Pa (N/m2)= 0.070307kgf/cm2

今だと一般的に用いられている油圧は3000psiだが、機種によってはさらに圧力を上げて4000psiの油圧系統を使用していることがある。圧力を高めると、小さな装置で同じ力を出せるから、油圧系統の小型軽量化につながる。しかし、圧力が上がれば油圧系統に求められる強度は上がるし、漏れ対策も難しくなる。

参考
航空実用事典 - JAPAN AIRLINES Worldwide Sites

電気ジェット機

油圧は大きな負荷に対して強いし、電動式と違って、過負荷で止まった時に動力系に悪影響を与えない利点もある。また、作動油自体に潤滑効果があるのも利点の1つだ。

動翼のほか、降着装置の上げ下げも油圧を使うのが一般的だ。身近なところでは建設機械、例えばブルドーザーのブレードやパワーショベルのバケットを動かしているのが油圧である。

そう言えば、坂井三郎氏の著書『大空のサムライ』の中で、零戦で訓練飛行に上がった時に油圧配管が破れて作動油が機内に漏れ出してしまい、降着装置を降ろせなくなる話が出てくる。

実は、飛行機の油圧系で使用する作動油は一目でそれとわかるように、着色してある。だから、もしも作動油が機体の外部まで漏れ出していれば、離陸前の機体外部点検の際に目視確認できる(はずだ)。

その点、電動式なら電線を引くだけで使えるし、作動油の漏洩あるいは漏洩対策とも無縁だ。ただ、油圧と比べると踏ん張りが効かないとか、過負荷で停止したときの動作に問題があるとかいう理由で、長いこと油圧が使われてきた。

しかし最近、技術開発が進んだことで、部分的にだが電動式アクチュエータを使用する機体が出てきた。民航機だとボーイング787ドリームライナーやエアバスA380、軍用機だとF-35がそれだ。

電動化の目的は、まず、油圧について回る漏れ対策などの問題がないこと。結果として構造がシンプルになるし、整備点検にかかる手間や費用の軽減も期待できる。そして、油圧ポンプや油圧配管を引き回す代わりに電線だけで済ませることができれば、機体の軽量化にもつながる。

また、電動式にすると運用中に自己診断機能を働かせることができるメリットもあるそうだ。すると、不具合が発生した時に、それがすぐにわかる。

ただし、電動式といっても1種類ではない。A380やF-35が使っているのはEHA(Electro-Hydrostatic Actuator : 電気油圧式アクチュエータ)といい、作動の指令が来ると、電動機が動いて油圧ポンプを作動させる。つまり、実際に動翼を動かすのは油圧ポンプだが、その油圧系統はアクチュエータの中で完結しているから、集中油圧系の配管を引き回す必要を減らせるわけだ。

ただしA380の場合、予備系統としてEBHA(Electro-Backup Hydrostatic Actuator : 予備電気油圧式アクチュエータ)も用意している。通常はモーターへの電力供給を遮断して集中油圧系で駆動しているが、集中油圧系が故障すると電力を供給して電動機で動作する。これがあるので、集中油圧系がなくなったわけではなく、減っただけである。

EHAに対して、EMA(Electro-Mechanical Actuator : 電気機械式アクチュエータ)というものもある。要するに作動そのものを電動化したもので、電動機が直接、作動機構を動かす。もちろん、所要の力を発揮できるような強力な電動機がなければ成り立たない。

ボーイング787の場合、車輪の回転を止めるブレーキを油圧式からEMAに変更している。全面電動化により、過熱や発火の歳に作動油に引火する危険性はなくなった。

F-35では、EHAやEMAを使用する操縦系統全体を指して "Power-by-Wire Architecture" と称している。担当しているのはムーグ社(Moog Inc.)で、同社のWebサイトに解説と図が載っているので紹介しておこう。

System Integrator for Lockheed Martin F-35 http://www.moog.com/markets/aircraft/military-aircraft/fighter-trainer/system-integrator-for-lockheed-martin-f-35/◆

この図を見ると、フラッペロンと方向舵は2重化したEHA、水平尾翼は単一系統のEHA、前縁フラップは電動式、となっている。それぞれが専用の制御用電子機器を持ち、そこに飛行制御コンピュータから指令が入るわけだ。

ちなみに、ムーグといっても同名の電子楽器メーカーとは別の会社だが、創業者が同じ一族であるらしい。