飛行機の開発に関わる施設(6)機体構造の試験施設

機体構造を対象とする疲労試験の話は、第123回や第127回で取り上げたことがある。疲労試験は、試験対象部位に対して繰り返し荷重をかけて、素材の疲労による破壊が生じないかどうかを確認するためのもの。また、所定の強度を備えているかどうかを確認する静強度試験もある。

機体構造の試験は地上で実施する

繰り返し荷重をかけたいからといって、実機を何万回も飛ばして試験を行うのでは、時間も費用もかかりすぎる。第一、最後には壊れる可能性もあるわけだから、実機を飛ばして試験するのでは危ない。だから、この種の試験は地上で実施しなければならない。すると、試験のために機体を地上に固定して、荷重をかけるための道具立てが必要だ。

所定の負荷に耐えられるかどうかを確認する静止荷重試験は、シンプルな方法でどうにかなることもある。例えば、主翼にかかる曲げ荷重の試験であれば、かつては、主翼の上に錘を積み上げてテストする方法が用いられていた。しかし、そんな方法が通用する部位ばかりとは限らないし、必要な部位に対して精確に、所定の荷重をかけなければ試験にならないという問題もある。

現在は一般的に、機体を試験架構(テストリグ)と呼ばれる構造物にセットして、油圧などを用いて荷重をかける方法を用いている。すると、実機が収まるサイズの試験架構を用意しなければならないし、そこに、実機が飛行する際にかかるのと同じ荷重負荷がかかるように、負荷をかけるためのデバイスをセットしなければならない。荷重がかかる向きが実機と違っていたり、荷重の量が足りなかったりすれば試験にならない。

以下で紹介するのは、ボーイングが777を対象とする疲労試験を実施したときの動画だ。巨大な777が収まる巨大なテストリグを、屋外に構築している。機体の各所には、荷重をかけるためのさまざまな仕掛けが取り付いている。油圧ジャッキを使ったり、機体に取り付けたケーブルを引っ張ったりしているようだ。

Boeing 787 conducts fatigue testing
https://www.youtube.com/watch?v=TH9k9fWaFrs&ab_channel=Boeing

静強度試験の場合、所定の荷重をかけて耐えられることを確認するのは当然の話。「150%・3秒間ルール」であれば、設計段階で定めた所定荷重の1.5倍の荷重をかけて、かつ、その状態で3秒間耐えられなければならない。

繰り返し荷重のほうは、実機の運用期間を通じてどれぐらいの荷重がかかるかを想定して、それに合わせた回数の繰り返し荷重をかける。例えば、与圧した胴体は離着陸の度に膨らんだり縮んだりするから、金属疲労の原因になる。

旅客機であれば、膨らんだり縮んだりする回数は基本的に、飛行回数に比例するから、「何年間の運用で何サイクルの飛行を想定」との数字を出した上で、それに見合った回数の繰り返し荷重をかける。一度の飛行の間に何回も上昇・下降を繰り返す機体だと、この辺の条件は厳しくなる。

主翼が相手なら、主翼に油圧ジャッキをかまして、上げたり下げたりして繰り返し荷重をかける。こちらは1度の飛行で1回限りの曲げ荷重というわけではないから、同じ飛行サイクル数の想定でも、繰り返しの回数はずっと多くなる。

• 米国ミズーリ州セントルイスのボーイングの施設で疲労試験を受けるためトレーラーで運び出されているF-15　写真：U.S. Air Force

落下させる試験もある

ときには、もっと手荒な試験を実施することもある。例えば、空母に搭載する艦上機は、着艦の際に「制御された墜落」と形容されるように「ドカン」と接地するので、降着装置のみならず、それを取り付ける機体構造にも負荷がかかる。

F/A-18ホーネットの延命改修では中央部胴体を新品に取り替えている。これは、中央部胴体に主脚が取り付いていて、着艦の度に衝撃が加わった結果として、構造材が傷んでしまったからだ。もっとも、主翼が取り付いている部分でもあるから、そちらの荷重負荷もあったのだろうけれど。

• 空中給油・輸送機KC-10から給油を受ける米国海軍のF/A-18ホーネット　写真：U.S. Air Force

それはそれとして。空母に搭載する艦上機を開発するときは、機体を持ち上げて落下させる方法で着艦の際にかかる衝撃を再現する。近年の事例では、F-35Cがこれをやっている。以下の動画を見ると、機体を数メートルの高さから落下させており、着地した機体は何回か跳ねてから、ようやく落ち着いている。

F 35C Drop Test
https://www.youtube.com/watch?v=iNnSrg7Npzg&ab_channel=CosfordMTS

機体が衝撃に耐えなければならないのは当然のことだが、そのための試験を行う施設も、機体が落ちてきたときに加わる衝撃に耐えられないと具合が悪いだろう。すると、相応に丈夫な施設・設備を用意しないと試験ができないという話になる。