(57)【要約】【課題】過去幾多の悲惨な航空事故の原因となってきた晴天乱気流について、その被害防止が困難な原因は飛行中の操縦士が晴天乱気流の存在場所を知ることができないという点にあった。本発明は、操縦士が飛行中に晴天乱気流域がどこに存在するかを知り、あらかじめ対策を取っておくような手段をもつことを課題とする。【解決手段】晴天乱気流は大気中の２個の等温位面に挟まれた領域、即ち晴天乱気流域に集中して発生する。気象解析機関は、高層気象観測値を解析して前記２個の等温位面の数値を求め、航空機に送信する。これを受け取った航空機側ではこの数値と自ら測定した機周囲の外気温位数値とを比較することによって、操縦士が航空機と晴天乱気流域との位置関係を把握し、余裕を以て高度変更や速度の減速、シートベルト装着の徹底、サービスカートなど機材の固定作業などの対策をとり晴天乱気流被害を防止することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
気圧計、温度計を具備した航空機において、外気圧及び外気温をそれぞれ計測しその計測値を外気温位演算装置に入力して外気温位数値を計算し、該外気温位数値を比較演算装置に入力する第１工程と、気象解析機関が送信した晴天乱気流域を特定する温位の上限値及び下限値を受信して、該上限値及び下限値を前記比較演算装置に入力する第２工程と、前記比較演算装置に入力した前記外気温位と前記晴天乱気流域を特定する温位の上限値及び下限値とを比較し、航空機と前記晴天乱気流域との位置関係を判定してその結果を操縦士に伝達する第３工程とからなり、上記全工程をコンピュータで自動処理することにより、操縦士がリアルタイムにかつ連続的に航空機と前記晴天乱気流域との位置関係について最新の状況を確認しつつ適正な操縦業務を行ない、もって晴天乱気流被害を防止する飛行方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は人類の飛行開始後既に１００年余を経過したが、航空機の機体破壊や墜落、多数の死傷など、悲惨な航空事故の原因となりながら正体不明、予測不可能とされ、現在にいたるも未だに有効な対策を打ち出せずにいる晴天乱気流についての、画期的な被害防止方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  過去幾多の悲惨な航空事故の原因となってきた晴天乱気流について、その対策が困難とされる理由のうち最大のものは、飛行中の操縦士が晴天乱気流の存在場所を知ることができないという点にある。
雲の内部やその周辺に存在する乱気流なら目視や気象レーダーによって飛行中でも捕捉が可能であるが、名前の通り晴天下に潜む晴天乱気流はそのような手段で捉えることは不可能である。
このため現在晴天乱気流対策の中心となっているのは、専らそれに遭遇した他のパイロットからの報告を活用することである。すなわちある場所で晴天乱気流に遭遇したとの報告があれば、後から飛ぶ操縦士にその周辺を警戒するよう伝え、回避またはシートベルト着用等の手段をとるようにするのである。【０００３】  ところがこの方法には弱点がある。例えば飛行中の航空機から強い晴天乱気流遭遇の報告があっても、１０分後に同じ場所を飛んだ航空機は何事もなく通過したとはよく聞くところである。一方逆も同じで何の報告もないところで大きく揺れることもこれまた珍しくない。一見不思議に思えるが、乱気流の原因となる大気乱流はごく短時間の内に発生と消滅を繰り返しているので、同じ場所に同じような晴天乱気流が存在し続ける可能性は非常に低いのである。【０００４】  結果としてよほど多くのデータが集まらない限り、操縦士の報告から晴天乱気流域を推測することは容易ではない。現在旅客機は航空保安無線施設を結ぶ航空路を飛行することを原則としているので、空域の場所によって報告数の疎密差が大きく、また各航空路や各飛行場毎の使用頻度にも大きな差がある。強い乱気流の報告が得られていない空域での晴天乱気流による事故例が多いことの原因にはこの問題が潜んでいるのであり、早急な改善は困難な状況といわねばならない。【０００５】  次に国の機関として航空気象情報サービスを担当している気象庁は、晴天乱気流についても必要に応じ空域悪天情報や悪天予報図などを発出して警戒を呼びかけている。天気図による晴天乱気流の予想は操縦士からの報告をその当時の気象観測の結果と対照させ、気象要素の分布パターンの特徴を検出するという方法を基本とする。そして当日の気象観測値にそのパターンが見出された場合、該当する領域に対して情報を出すことになる。晴天乱気流が発生しやすい特徴的なパターンは気圧の谷、峰、前線、ジェット気流、低気圧その他風の変化が大きい領域とその周辺あるいは近傍である。これらは主に飛行前の段階で、飛行計画作成のための資料として活用されている（例えば、非特許文献１参照）。【０００６】  しかしこれらの情報もまた、飛行中の操縦士に対して晴天乱気流の存在位置を教えるものではない。しかも「周辺」や「近傍」の定義が明らかでないので、警戒すべき空域を極めて広くとることになりがちであり、その一方で本当に危険な領域に絞って万全の対策を実施するという方策は取り難くなっている。こうした事情によって、現在は離陸から着陸までを通して乗客に常時シートベルト着用を要請するという方法が推奨されているのである。けれどもそれだけではトイレを使用する乗客や、ベルト着用の点検や飲食物のサービスを義務づけられている客室乗務員を不意の乱気流から救うことはできない。現に常時着用の規定に変ってからも、この種の事故は絶えることが無いのである。【０００７】  一方で、電磁波を利用しての晴天乱気流探知機の開発努力も、国内外で莫大な費用を投じて３０年以上にわたり続けられているがいまだに大型旅客機では実用化に至っていない（例えば、特許文献１参照）。結局従来の技術では晴天乱気流による航空事故を大幅に減らすことは不可能と言うしかない。それだけに有効性��ある晴天乱気流対策が世界中の航空界から切実に求められているのである。【０００８】
【特許文献１】  特開２００７−２３２６９５
【非特許文献１】  「気象業務はいま２０１０」気象庁、９０−９５ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  従来の技術によっては、晴天乱気流域が飛行空間のどこにあるかを的確に絞り込むことはできない。まして飛行中の航空機が晴天乱気流域の存在位置を知ることはまったく不可能である。この結果操縦士が最善の努力を尽くしてもなお予測不能のまま晴天乱気流域に進入する可能性は払拭できず、ひたすら強い晴天乱気流に遭遇しないよう幸運を祈りつつ飛行するしかないというのが現状である。しかし晴天乱気流は広い空のどこかに間違いなく実在しているのだから、今後も晴天乱気流事故は必ず起こるといわなければならない。言うまでもないがその時には、事故による甚大な被害は操縦士のみならず乗客や客室乗務員にも及ぶのである。すなわち日々世界中の乗客、乗務員がこの大きな危険に直面しつつ飛んでいることになる。【００１０】  このことが航空界全体に与える悪影響は小さなものではない。第１に事故が報じられると人々の航空機を利用することへの不安が募ることで、利用率の低下につながる。第２に強い乱気流は航空機に大きな負荷を与えるから機体の寿命を縮め、保守点検、修理に時間と人手を費やさせることになる。
それだけに操縦士が飛行中に晴天乱気流域がどこに存在するかを知り、あらかじめ対策を取っておくような手段をもつことは、人類が飛行を開始して以来の悲願であった。
本発明はまさにこの悲願達成を課題とするものである。
【課題を解決する手段】
【００１１】  本発明は空気が持つ性質の一つである「温位」という値を利用してこの課題を解決しようとするものである。発明者は過去の晴天乱気流事故記録を詳細に分析し、ほとんどの晴天乱気流事故が上空の前線層および対流圏界面（以後単に圏界面と呼ぶ）と称される領域において起こっていることを突き止めた。すなわちこの両者こそが晴天乱気流の発生領域なのであり晴天乱気流域そのものということができる。逆にこの領域以外での発生確率は極めて小さいことも判明した。故に以後は前線層および圏界面をまとめて晴天乱気流域と呼ぶ。
【００１２】  そして晴天乱気流は従来考えられていたような、大気の中のどこでも無秩序に突発的に発生するものではないことも明らかになった。従って航空機が晴天乱気流域である前線層および圏界面に進入する以前にその所在を認識することができるならば、その段階で晴天乱気流域の回避、航空機の減速、シートベルト着用指示の徹底などの安全対策を時間的余裕をもって実施できる。しかし晴天乱気流そのものと同様に、晴天乱気流が潜む領域である前線層も圏界面もレーダーや目視では捉えることができない。そのことが安全対策実施のための最大の障壁となってきたことは背景技術の項で詳述した。
【００１３】  これに対して発明者は温位を利用する技術によって、あたかも肉眼で視認するかのように航空機と晴天乱気流域との位置関係の把握が可能となる方法を考案した。以下にその内容について説明する。前線層とは、対流圏中の気団（同じ性質を持つ空気の集団）の境界となっている厚さ１〜２キロメートルの層である。また圏界面とは地球大気に於て、地上から１０〜２０キロメートルの範囲を占める対流圏と、そのすぐ上方に広がる成層圏との境界面である。晴天乱気流のほとんどは前線層内部と、圏界面を挟む約１２００ｍの領域に発生している。
【００１４】  ここに晴天乱気流が発生する理由は、両者を挟む空気が異なる風速で運動しているからである。そこでは空気は粘性のためにお互いに引っ張りあうことになり、さまざまの大きさや強さの渦が作られている。この渦が航空機に衝突して不規則な揺れを与える状態が、晴天乱気流の正体である。航空機が飛行している範囲は地上から高度１５ｋｍまでで、この空域では最大で４種の前線層と、３種の圏界面が発生、移動、消滅を繰り返している。
【００１５】  晴天乱気流の元になる空気中の渦の一つ一つを検出したとしても、その寿命は大きなものでも僅か数分に過ぎないから有効な対策はとれない。これに対して渦の母体となっている圏界面と前線層の寿命は１週間ほどはあるので、この所在を把握することが晴天乱気流事故を防ぐ上で最良の策につながる。
【００１６】  そのための手段となる温位について説明する。温位とは気体についての熱力学の第１法則およびボイル・シャルルの法則から導かれる量で、その値は測定された気圧と気温から計算できる。乾燥空気の場合は数１式により計算する。
【数１】
2013159332.tif 000002
地球大気の場合、温位は地表近くを除けば上方に向かって単調に増加するという分布をしている。言い換えると気温や湿度と異なり、ある地点の上空ではある値の温位は１個しか存在しないということである。これがどの地点についても成り立つので、地球大気は温位が等しい点を連ねた無数の曲面、すなわち等温位面の重なりということになる。
【００１７】  温位はまた空気が持つ静的エネルギー量と考えることもできる。この見方からは、暖気団は高い温位、寒気団は低い温位の空気の集団であり、その境界である前線層は温位の変化が大きい層ということになる。この性質を使えば高層気象観測結果の分析から、高度差に対して温位差が大きい領域として前線層を識別することが可能である。また上に述べたふたつの温位の性質を組み合わせると、前線層を構成する温位の上限値と下限値も求めることができる。
【００１８】  次にもう一つの晴天乱気流域である圏界面について述べる。圏界面は対流圏と成層圏の境界をなす領域であり、これを挟んで両側の空気は異なる風速で運動している。すると前線層の場合と同様に粘性による渦が生じて晴天乱気流をつくるのである。圏界面は層として存在していることもあるが、その厚さは前線層よりも小さい。しかし各種調査により圏界面を挟む各６００メートルの空域では強い晴天乱気流の可能性が大きいことが報告されている。
【００１９】  温位という点から圏界面を見ると、対流圏では高度に対して温位の減少率が小さく、成層圏では減少率が大きくなっており、その不連続面（或いは層）は特定の等温位面に沿って存在していることが多いので、この等温位面の数値から圏界面を特定することができる。
【００２０】  地球上では表面に近い部分を全体にわたって対流圏が覆っているのでその上限に当たる圏界面もまた常に地球表面全体に広がっている。ただ前線層に比較すると、高高度に存在する圏界面の場合は航空機が遭遇する機会は少なく、遭遇した場合も飛行高度の変更によって晴天乱気流域を避ける自由度が大きい。この方法を取るか、諸事情を考慮し万全の準備をして圏界面を突っ切って飛ぶかは操縦士の判断に任される。これもまた本発明により可能となった飛行方法である。
【００２１】  さて温位を利用して大気中に潜む晴天乱気流域の所在を把握するに当たっては、航空機周辺の空気の温位、すなわち外気温位の値を求めることが必要である。外気温位は航空機周辺の気温を外気温、航空機州周辺の気圧を外気圧として数２式により計算する。
【数２】
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【００２２】  一方、気象解析機関は高層気象観測値を解析して、最新の晴天乱気流域を特定する温位の上限値及び下限値を算出し航空機に送信する。
これを受け取った航空機側ではこの数値と自ら測定した外気温位数値とを比較することにより、次のようにして航空機と晴天乱気流域との位置関係を知ることができる。
【００２３】  航空機の外気温位数値が晴天乱気流域の上限の温位数値よりも大きい場合は、航空機は晴天乱気流域の上方にある。航空機の外気温位数値が晴天乱気流域の下限の温位数値よりも小さい場合は、航空機は晴天乱気流域の下方にある。両者の温位数値の差が大きいほど晴天乱気流域までの距離が大きい。そしてもし航空機の外気温位数値が上限と下限の間にある場合は、航空機は晴天乱気流域の中にある。この判定結果は直ちに操縦士のもとに送信されディスプレイに表示される。
ここにおいて操縦士は飛行中、常に航空機と晴天乱気流域との位置関係を把握し、余裕をもって操縦業務を行なうことが可能になった。
【発明の効果】
【００２４】  本発明は次のような効果を発揮する。
これまで１００年余におよぶ航空の歴史に於て晴天乱気流による悲惨な事故が起こる度にその原因調査がなされたが、結局、原因不明、予測不可能という結論がほとんどで、有効な対策が打ち出されることがなかった原因は、操縦士が飛行中に晴天乱気流域の存在場所を的確に把握する技術を開発できなかったところにある。このままでは晴天乱気流事故はなす術もなく続いていくだけかと思われてきた。
【００２５】  今回の発明はその難題を解決したものであり、晴天乱気流被害防止方法を実行することによって、飛行中に操縦士が航空機と晴天乱気流域との位置関係を掌握することが可能になり、世界中の航空関係者が切望してきた晴天乱気流事故の絶滅という夢が果たされることになったのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】  本発明が多くの悲惨な航空事故の原因となってきた晴天乱気流の影響ををいかにして最小限にとどめ、人身の障害や機体損壊などの被害を防止することができるかについて以下に述べる。
本発明の大型旅客機における一実施形態を以下に示す。
なお、これにより発明を限定するものではない。【００２７】  この発明を実施するに当り最初にやるべきことは数３式による外気温位の計算である。
【数３】
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こうして得られた外気温位数値を比較演算装置に入力する。これが第１工程である。大型旅客機の場合は、外気温数値、外気圧数値はセントラル・エア・データ・コンピュータで常時計算されているので、外気温位の計算は容易でありその数値を比較演算装置に入力すればよい。【００２８】  一方、気象解析機関は高層気象観測値を解析して、１個または複数個の晴天乱気流域を確定する各上限値及び下限値を求め、無線通信手段により航空機宛に送信する。これを受信してその各数値を前記比較演算装置に入力する。これが第２工程となる。【００２９】  比較演算装置に於ては、入力された外気温位数値と晴天乱気流域を確定する上限値及び下限値とを比較し、航空機と晴天乱気流域との位置関係を判定して、その結果を操縦士に伝達する。もし飛行空域に晴天乱気流域が複数個存在する場合は、その各々について判定を行なう。判定の方法は［００２０］に述べたとおりである。これが第３工程となる。【００３０】  上記全工程をコンピュータで自動処理することにより、晴天乱気流域が時間的に変動しているときにも、最新の状況を短時間に把握でき、操縦に於て即座に対応することを可能としている。
【実施例】
【００３１】  航空機と晴天乱気流域との位置関係を操縦士に伝達する方法としては、操縦室内の晴天乱気流域存在位置表示装置に上記各晴天乱気流域を上から順に表示させ、その各々の範囲を特定する上限及び下限の温位数値をも表示させる。更にこの画面上で、自機の上下に位置する二つの晴天乱気流域の間の空間に、各々の温位数値の内分点に当たる位置に航空機のマークを置き、自機の外気温位の変動に応じて一定時間内（例えば３０分間）における過去の経路を破線で記入させる。すなわちこの画面は晴天乱気流域と航空機との関係位置表示装置であり晴天乱気流域に対する自機の相対的な位置関係の変動をひとめで分かるように表わすものである。【００３２】  世界中の操縦士が抱いてきた、飛行中に、目には見えない晴天乱気流域の所在を認識できたらどれほど心強いだろうという願いはここにおいて現実のものになったのである。大気中では通常等温位面と等圧面は交叉しているから、たとえ水平飛行（すなわち等圧面上の飛行）をしている航空機であっても晴天乱気流域に接近してしまうことがありうる。一方、晴天乱気流域の厚さは１〜２キロメートルであるのに対して幅のほうは１００〜４００キロメートルに及んでいるから、水平方向に晴天乱気流域を通過すると長時間乱気流にさらされる結果となることから、これを避けなければならない。【００３３】  晴天乱気流域存在位置表示装置からの情報によって、そのまままっすぐに飛行を続けると晴天乱気流域に接近する可能性があると分かったときに、操縦士は二通りの方法のいずれかを選択して、乱気流の影響を最小限にとどめることができる。【００３４】  そのひとつは飛行高度を変更して晴天乱気流域から遠ざかることである。この場合、外気温位数値が時間と共に増加しているときは下方に、減少しているときは上方に高度変更すれば目前の晴天乱気流域を避けることができる。しかしこの方法ではさらに水平飛行を続けていると、傾斜している晴天乱気流域に再度ぶつかることが多い。そこで二つ目として、以後の飛行経路を勘案し逆の側に高度変更することにして、晴天乱気流域を短い時間で通過し晴天乱気流のない空域に入るという選択がありうる。これは離着陸による上昇・降下の際にも起こりうるケースである。この場合に必要なのは晴天乱気流域進入前に十分な時間的余裕をもって安全対策を尽くしておくことである。【００３５】  上記のどちらの選択をした場合であっても、外気温位数値の時間的変化状況を監視し、晴天乱気流域の自機に近い側の温位と自機の外気温位との差が減少して、あらかじめ設定した値（例えば１０Ｋ）に達したとき、光、音、文字による操縦士に伝える接近警報機能をつけてもよい。この機能はほとんどのケースにおいて操縦士に準備のための十分な時間を提供する。さらに前記接近警報機能は接近警報を発するのみでなく、外気温位数値が１Ｋ変化する時間を算出し、これに晴天乱気流域の自機に近い側の温位と自機の外気温位の差を乗じて、これを晴天乱気流域までの所要時間として分単位で表示してもよい。これにより操縦士は残り時間を把握しながら効率的に業務を進めることができる。【００３６】  ただ当初から航空機が晴天乱気流域に近接して飛行している場合、または大きな上昇或いは降下率を取って晴天乱気流域に接近する際には、警報の出しっぱなし状態になったり、逆に警報後の準備のための時間が十分に取れないなどの事態が考えられる。これに対しては、晴天乱気流域存在位置表示装置の画面を監視しつつ、適切なタイミングでの管制機関との調整、飛行速度の減少などの対処を取る。この際、管制官と機長との間で晴天乱気流域についての正確な知識の共有がなされていれば、航空機の安全操作はよりスムーズに行なわれるであろう。【００３７】  以上晴天乱気流域を回避或いは十分な準備の上で接近、進入する場合の方法についてるる述べてきたが、これらとともに計画的に晴天乱気流域に進入する場合にそれを脱出する時刻がいつになるかも極めて重要な情報となる。前記接近警報機能に於ては晴天乱気流域の入り口の温位数値と共に出口の温位数値も分かっているので、両者の温位差に温位１Ｋ変化する時間を乗じると晴天乱気流域を通過するに必要な時間を算出できる。従って本警報システムは晴天乱気流域の到達時刻と同時に、離脱時刻をも推定することができる。さらに操縦室に於ては機の昇降率がわかっているので、温位数値の変化は気圧高度の変化に変換できる。これらのことが機内作業を計画的、かつ効率的に進める上で大きく貢献することは明らかであろう。
上に述べた時間的数値はあくまでそのときの機速と昇降率、または操縦士が入力した計画的数値に基づく推定値であるが、航空機の外気温位数値が晴天乱気流域の温位範囲外に出たことをもってその離脱を確認することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】  飛行中の操縦士が恐ろしい晴天乱気流が存在する領域を予め知り対策をとることができるシステムは、航空機の乗組員と航空旅客のすべてから切望されてきた。航空史上初めてこの要望に応える本発明は世界中から歓迎され多くの航空機に採用されて、晴天乱気流被害から人々を救うことになると予想される。