ATD-X改めX-2の地上走行試験

2月11日、先進技術実証機ATD-X改めX-2の地上走行試験が、名古屋飛行場の誘導路および滑走路を使って行われました。
地上滑走するX-2
この後も、引き続き数回の地上走行試験が行われ、高速滑走、模擬離陸を経て、初飛行が行われることになります。
初飛行では、そのまま航空自衛隊岐阜基地に着陸し、機体は防衛省へ引き渡されることになるようです。
地上滑走するX-2
このX-2については本ブログでも何回か採り上げましたが、将来戦闘機の実現に向けては、まだ様々な課題があります。
とはいえ、本機によって大きな技術的前進がもたらされることは間違いなく、その成果が大きく結実することを祈ってやみません。

以下、本機について触れた主な過去エントリです。
先進技術実証機ATD-Xとは何なのか(その1) IFPC
先進技術実証機ATD-Xとは何なのか(その2) ステルス性
先進技術実証機ATD-Xとは何なのか(その3) 戦闘機エンジンの国内開発


中国の戦闘機用エンジン開発インフラについて

以前のエントリで、日本には戦闘機エンジン開発のインフラが整っていないことを示した。
具体的には推力15トン級の高空試験設備(ATF)がないということだ。
では、諸外国はどうなのか。
防衛省・自衛隊の平成14年度政策評価書「エンジン高空性能試験装置」の参考資料に、下表が示されている。
table
表中「空力推進研究施設」となっているのが東千歳に整備されたATFだが、空気流量70kg/secで、上限が5トン級に留まることは明らかだ。
他方、欧米のATFはケタ違いの能力を持っており、アメリカの施設などはF-35に搭載されるような推力20トン級エンジンにも対応可能だ。さすがである。

では、航空先進国と呼ばれる欧米各国ではなく、近隣諸国ではどうなのか。
特に中国では、既に推力13トン級のWS-10を実用化しており、更に推力15トンを超えるWS-15の開発も進んでいるとされている。
中国には戦闘機用エンジンを開発できるATFはあるのだろうか。

答えを言うと、少なくとも中国は推力13トン級に相当するATFを保有しており、WS-10はこの施設を使って開発されたと思われる。
先の資料には示されていないが、米国空軍が開示した資料に、その存在が示されている。
タイトルは「CHINA’S HIGH ALTITUDE SIMULATION TEST STAND FOR AIRCRAFT ENGINE UNDER CONSTRUCTION =中国が建設中の航空機エンジン用高々度試験装置」とあり、米国の防衛技術情報センター(DTIC)のサイトでPDFを閲覧できる

report
1988年に作成されたこの資料は、その前年に出された中国の刊行物を翻訳したものだ。
これによると、中国南西部に第101高々度設備(No.101 High Altitude Stand)と呼ばれるATFが建設されており、空気流量は120kg/sec、最大速度2.5マッハ、高度は25,000m(82kft)まで試験可能だという。
前掲の表にこの施設を書き足すと、下のようになる。
table2
この施設、建設着手はなんと1970年とされ、文化大革命で工事進捗は滞ったが、1980年には初期段階の試験が行われたと書かれている。
やっと最近になって5トン級ATFを整備した日本と比べれば、中国が非常に早くから航空機エンジンの自国開発を念頭に置いて、努力してきたことがわかる。
現在中国が開発中のWS-15を想定すると、このATFでもやや力不足の感があるが、おそらく既にこれよりも大規模なATFが建設されているのだろう。

巷間、中国の航空機は皆ロシア機や米国機のコピーだとか、中国には独自開発能力がないなどという戯れ言も耳にするが、こうした現実を知っていれば、彼らの技術力を見下すようなことはできないはずだ。
既に、中国の航空機開発能力は、その環境と経験において、日本を凌いでいることは明らかなのである。


先進技術実証機ATD-Xとは何なのか(その3) 戦闘機エンジンの国内開発

先進技術実証機ATD-Xに2基積まれているXF5エンジンは、日本の独自開発によるもので、推力は約5トン。
しかし、現代の戦闘機用エンジンの推力は15トン級に達しており、XF5そのものは実用戦闘機に使えるほどの出力はない。
もし、日本が独自に国産戦闘機を開発しようとするなら、以前のエントリに書いた技術要素だけでなく、搭載エンジンも課題になるはず。
しかし、これまでのように米国などの外国製エンジンを使うという選択肢を採るのは難しいだろう。
F-35やF-22に採用されているようなエンジンは、アメリカも簡単に輸出しないだろうし、推力偏向を含めたIFPC機となれば、エンジンと機体の高度なインテグレーションが必要だ。エンジン制御ソフトウェアは、機体の姿勢制御ソフトウェアと不可分になるわけだから、単純にエンジンだけを輸入すれば済む話でもない。
となると、将来戦闘機の開発のためには、エンジンの国内開発も準備しなければならない

では、日本で15トン級エンジンの開発は可能だろうか。
エンジン開発の技術的難易度は、必ずしも推力の大小だけに左右されない。
日本のジェット・エンジン産業は、実証機用のXF5だけでなく、P-1哨戒機用の実用エンジンF7の開発も成功させている。また、戦闘機エンジン用の要素技術についても、防衛省による研究試作を経てきており、設計・試作だけなら、15トン級エンジンを目指すだけの基礎的技術力はあるかもしれない。
問題は、そのエンジンをどうやって試験するかだ。

エンジンの開発には、試作エンジンを実際の運転環境で試験することが必要だ。
しかし、航空機のエンジンは高空で仕事をする。地上で運転しても、高空の運転状態を試験することはできない。
では、どうするか。
大きく分けて次の2通りの方法がある。

  • 試験用のエンジンをFTB(Flying Test Bed)と呼ばれるテスト用の航空機に取り付け、高空で運転して試験する
  • 高空の大気諸元を模擬できるATF(Altitude Test Facility)と呼ばれる地上施設で運転して試験する
  • 東千歳のATF

    東千歳のATF


    これまでの国産エンジン開発では、エンジン推力の規模等に応じて、C-46輸送機やC-1輸送機を改造したFTB機による空中試験のほか、外国のATFを借用したり、北海道東千歳に建設されたATF等を使用したりして試験が行われた。
    しかし、戦闘機用の大推力エンジンとなると、FTB機による空中試験はほぼ不可能であるうえ、東千歳のATFは推力5トン級が能力の限度である。
    つまり、日本国内には戦闘機用エンジン開発のインフラが整っていないのである。

    では、外国のATFを借用して国産エンジンを開発できるだろうか。

    日本で初めて独自の戦闘機用エンジンを開発するとなれば、ATF試験だけでも相当な期間が必要になるはずだ。仮に(もちろん有償でだが)借用できたとしても、日本側が望むように施設を専有することは難しいだろう。
    また、開発においては、途中での不具合に対応して、試験スケジュールの変更や追加にも柔軟に対応できなければならないが、外国施設の借用では、そのような対応も期待できない。

    実は、現在のF-2戦闘機を開発していた頃、次期戦闘機のエンジン開発を睨んで、国内でも15トン級ATFの建設を望む声が挙がっていた。
    しかし、なかなか予算化されることがなく、結局5トン級に妥協して事業化されたのが、現在の東千歳にあるATFだ。
    このATF建設事業の顛末から、航空機開発に携わっている我々関係者は、「これで日本での戦闘機用エンジン開発はなくなった」と理解したのである。

    さて、それから20年あまりが経過した現在、当時から各種の提案を行っていたATD-Xが完成し、将来戦闘機への足がかりとなる技術蓄積を得ようとしている。
    しかし、以上のように、エンジンの自国開発が困難な現状では、独自開発戦闘機の実現も難しい
    つまり、ATD-Xができたからといって、単純に戦闘機開発への道が開けるといった話ではないのだ。


    オスプレイの安全性を考える – ハザード検討の一例

    オスプレイの安全性議論に関する前のエントリを受けて、ヒューマン・エラーで生じたモロッコでの墜落事故について書くつもりだったが、その前に片舷停止によるハザードに関わる検討を示しておくことにした。簡単なハザード解析に近いものだ。

    片発エンジンの停止ケース
    オスプレイは、離着陸を除く飛行中の大半が、いわゆる「飛行機モード」で運航される。その際は、ほとんど双発プロペラ機と同様の形態だと言って良い。
    しかし、安全性の面で通常の双発プロペラ機と大きく違う点がある。オスプレイは、片方のプロペラが停止した状態では釣り合いが保てない(飛行できない)ということだ。
    そこで本機は、片方のエンジンが停止した場合に備え、健全側のエンジンから故障側のプロペラにも駆動力を伝えられるよう、インターコネクト・シャフトを有している。健全エンジン1基だけで、両方のプロペラを回せるのだ。
    このことを、在来型双発機との比較で示すと、下表のようになる。

    エンジン片発停止ケース

    エンジン片発停止ケース

    すなわち、オスプレイは、在来プロペラ機と同様、片側エンジンが故障しても飛行継続可能だ。

    片舷プロペラの故障ケース
    しかし、片舷の推力を失うケースは、エンジン停止だけではない。エンジンが無事でも、プロペラ機構の故障によって、片舷推力を失うことがある。
    P-3CやE-2Cなど在来のプロペラ多発機が、1基のプロペラを停止して着陸する事例は時折見受けられるが、これらのうち多くのケースは、エンジンのトラブルではなく、プロペラ・ピッチ機構のトラブルだ。プロペラのピッチ機構が油圧トラブル等で制御不能となり、その結果、当該エンジンを停止しているのである。
    もし、こうしたトラブルが起きた場合はどうか。オスプレイと在来機を比較すると下表のようになる。

    プロペラ片舷故障ケース

    プロペラ片舷故障ケース

    つまり、1エンジン停止に対するオスプレイのリスクは在来双発機と同等だが、片舷プロペラ故障については、在来航空機にない独特のハザード・リスクがあるのだ。
    また、飛行機モードで双発プロペラ機として飛行するオスプレイは、在来単発プロペラ機と単純比較すると、プロペラ故障を起こして推力を完全喪失する確率が2倍である。
    しかも、離着陸を主翼揚力に依存しないオスプレイは、推力を喪失した際の滑空性能が低く、滑空比は5程度(F-104やF-16、あるいはスペース・シャトルと同程度)だとされている。これは高度を1,000m失う間に5,000m進むことができる計算だが、個人的には、オスプレイの実際の滑空比はもっと低いと見ており、滑空比5というのは理論的な理想値に近いだろう。
    また、F-104やF-16などの戦闘機と滑空比が同程度だとしても、オスプレイの場合は戦闘機よりも運用高度がずっと低いはずなので、不時着条件はずっと悪くなる。仮に1,000mを飛行時にプロペラ不具合で推力を喪失したら、直近5km以内に安全に不時着できる滑走路代わりの広場がある見込みは極めて低いだろう。数1,000mの高度で運用される戦闘機に比べて、オスプレイは非常に条件がシビアなのである。

    リスクにどう向き合うか
    このようなリスクを十分低減するために、オスプレイのプロップ・ローター機構が、在来のプロペラ機構よりも遥かに高い信頼性を備えていなければならないし、そのような設計になっているはずで、そのためにはコストも掛かっているだろう。しかし、オスプレイには在来機にないリスクがある、ということは事実として言える

    とはいえ、これを「オスプレイが危険な航空機である」と単純解釈するのは短絡である。
    言えることは、あくまで「オスプレイには在来機にないリスクがあり、安全性を保つために、適切な対応が要求される」ということだ。
    たとえ従来にないリスクがあっても、適切な配慮が実現されていれば、ハザードに至らず運用することは可能なのである。問題は、それが実現されるかどうかである。
    安全性評価というものは、危険or安全の択一ではない。結論はしばしば定性的なものに留まり、せいぜいこのような比較論でしか語ることができないものだ。
    従って、普天間配備の是非論についても、安全性の検討評価は、一定の参考材料を与えることはあっても、最終的には運用者や周辺住民の許容度の問題に帰着せざるを得ない部分が残るのである。


    安全性とは何か – オスプレイ問題を考えるために

    「オスプレイの安全性」評価にかかわる「軍事ブロガー」のデタラメについて愚痴るエントリを書いたところ、予想外の反響があったので驚いた。
    とあるサイトのコメントでは、「エンジニアのいう安全性の意味するところが、しばしば一般のそれとズレている」ということも書かれていた。
    これはそのとおりかもしれないが、正確に言うと、専門的に確立されている「安全性」という概念が、一般に正しく理解されていない、というのが実態である。一部の人には当たり前の概念でも、一般には誤解されているということは多い。

    今回は、安全性という概念について、もう少しだけ説明を加えるエントリを書いてみたい。
    自分も安全性工学が専門ではないので心許ないが、航空機の開発現場で少なからず安全性管理にコミットしたこともあるので、少しでも皆さんのお役に立つならと思って、敢えてこのエントリを立てる。
    オスプレイの話は出てこないけれど、安全性を議論するための最低限の前提知識として読んでいただきたい。

    安全性とは
    まず、簡単に言うと安全性とは、システムが事故(ハザード)に至るリスクが十分低いかどうか、という概念だ。
    システムのハザード要因はいろいろだ。部品の故障もそうだが、人間による誤操作や、雷などの自然現象もハザード要因だ。これらへの対策も含めて対応するのが、安全性設計である。
    これらハザード要因のうち、部品故障による障害の抑止を取り扱うのが「信頼性工学」だから、「安全性」は「信頼性」を包含した概念だ。実際、安全性工学は信頼性工学から発展したものといえる。
    福島第一原発の事故を例に取れば、あれは故障でなく天災によるものだから、原発の安全性に問題はないのだ、と言う人はいないだろう。システムが安全性を備えているためには、故障しないという信頼性に加えて、誤操作や天災によってハザードに至らないことが求められるのである。
    すなわち、ヒューマン・エラーが容易に起き得るシステムや、自然災害に脆弱なシステムは、安全性に問題があるということだ。

    以上を端的にまとめると、扱う対象範囲は以下のとおりになる。

    • 信頼性:部品の機械的・電気的故障を取り扱う
    • 安全性:上記の故障信頼性に加え、人的過誤、自然現象などを含めたハザードを取り扱う

    今日では、信頼性工学の発達で故障によるハザードの抑止が進んだ結果、安全性管理は、事実上、人的過誤や自然災害への対策が大きなファクタになっている。
    そして、信頼性は確率で定量的に表されるのに対して、安全性は自然現象や人的エラーのような定量化できない要素を扱うため、全ての要素を定量表現できない。

    信頼性と安全性の区別がつかないJSFさん
    ところが、「信頼性」と「安全性」の概念が理解できておらず、ヒューマンエラーによる事故は安全性の問題ではない、と主張する人がいた。件のJSFさんである。
    JSFさんがtwitterで主張したところでは、オスプレイがヒューマンエラーで墜落した事故について、それはマニュアルに従わなかったパイロットが悪いので、オスプレイの問題ではないという。
    更に、JSFさんによると、安全性は事故率で定量的に表され、信頼性は人の主観的な判断だそうだ。
    これがいかに滅茶苦茶な理解であるかは上に書いたとおりで、そのことを私はJSFさんにtwitterで指摘し、丁寧に説明した。
    そのやり取りをtogetterでまとめてくれた人があったので、下にリンクで引用しておく。

    仲井真県知事の「(原因は)操縦ミスでしたとしゃあしゃあと言うのは全く意味が分からない」との検証報告書に対する批判発言について「安全と信頼とは?」 – Togetterまとめ http://togetter.com/li/364399

    上記リンク先のまとめでは、さすがにカッコ悪いと思ったらしいJSFさんが、自分のtweetを非表示にして遁走してしまった。しかし元tweetまでは消していないようなので、興味のある向きは、面倒だが「※このツイートは削除されています。」のところをクリックして、JSFさんの主張を確認していただきたい。
    twitterの限られた文字数の中で、できるだけ丁寧に説明したので、皆さんの参考にもなるまとめだと思うのだが、JSFさんが自tweetを非表示にしてしまうという、たいへん情けない行為に及んでおられることが残念でならない。
    私としてはJSFさんの無知を暴くのは必ずしも本旨ではなく、多くの人に正しい理解を得たいという思いなのだが、まあJSFさんとしてはデタラメな理屈ででも相手を言い負かすことだけが関心事なのだろう。

    また、先のエントリで述べたとおり、過去の事故率は安全性の指標ではない、ということもJSFさんには指摘した。過去に事故を起こさなかったからといって、ハザードのリスクが小さいとはいえない。
    福島第一原発だって、3.11までは大事故なんか起こしていないが、実際に起きた天災に対して、安全性は全く不十分だったわけだ。事故が起こるまで安全性は十分だった、というわけではない。つまり、安全性とは「当該システムが過去に事故を起こしていない」こととは関係なく、「システムのライフサイクル全体でハザード・リスクが十分低いかどうか」を問題にする概念である。

    安全性管理のプロセス
    では、ヒューマン・エラーや自然災害を含めたハザード・リスクを視野に入れた安全性の確立と評価は、どのようになされるのだろうか。
    これにはまず、ハザードに至るような誤操作が起き得ないような、あるいは誤操作が致命的にならないような設計をする。フール・プルーフとか、フェール・セーフとか言われるものだ。雷などの有害な自然現象に対しても、たとえば電気ボンディングや耐雷設計などの安全対策を施し、その有効性も試験などで確認する。また、機体に関わる整備員や操縦士には、過ちの起きないようなヒューマン・インターフェイスと、注意事項を明示したマニュアル、適切な訓練を提供する。
    そのうえで、リスク・アセスメントを行い、予測されるヒューマン・エラーや自然災害を含めたFTA(Fault Tree Analysis=故障の木解析)などで、リスクを可視化あるいは定量化し、それらの事象が致命的ハザードに至る確率が十分低いことを示し、安全性を評価するのである。

    なお、安全性設計の手法と評価に関しては、MIL-STD-882というMILスペックによって、そのアウトラインが示されている。米国や日本の軍用航空機は、このスペックに従って安全性管理が実施されており、オスプレイもその例外ではない。
    このMIL-STD-882は公開スペックなので誰でも閲覧可能だが、素で読んでも主旨を理解することは難しいだろう。安全性工学についての理解を深めるには、やはり日本語で書かれた書籍にあたるのが良いので、参考になりそうな書籍へのリンクを末尾に貼っておく。
    (ちなみに、安全性工学と安全工学は、たいてい別のものを指すので注意して欲しい)

    まとめ

    • 安全性とは、機械の故障だけでなく、ヒューマンエラーや自然現象による事故も対象にする
    • ヒューマンエラーや自然現象を視野に含む安全性は、しばしば定性的に評価せざるを得ない
    • システムの安全性は、機器側の対策だけでなく、訓練体系やマニュアル等を含む包括的な取り組みによって確保される
    • JSFさんのようなデタラメな理解でシステムの安全性を語るのは論外である

    では、できれば次回あたりで、オスプレイにまつわるヒューマン・エラー事故事例についても触れてみたいと思う。

    そんじゃーね。

    【追記】オスプレイにまつわるヒューマン・エラーについて書きました。(2016/4/12)
    オスプレイの安全性を考える – フール・プルーフ設計