飛行機の安全設計とロケットの信頼性設計とは違う旬米本浩一川崎重工業株式会社〒504‑8710岐阜県各務原市川崎町 1番 地1.序論日本ロケット協会運輸研究委員会（第 3期）では、「宇宙旅客事業に使う宇宙船の安全性の問題」を研究テーマに活動している。この中では、航空機の安全性要求である耐空性審査要領を参考に、宇宙旅行機に対する安全性要求（案）をまとめている。
ここでは、．この活動を通して明かとなった、安全性設計に対する航空機とロケットとの違いについて、航空機の安全性要求では何を要求しているのかを中心に述べる。

:L 事故率heNationalTra
nsportation先ず、航空機の事故率として、米国の交通安全局 TSafetyBoa
rdが、インターネットで公開している 1982年から 1998年までの 17年間にわたる米国のエアラインの事故データ I)を表 1に示す。このデータには、全ての事故件数の中に、致命的な事故、即ち航空機の喪失に関わる事故の割合も示されている。

0万飛行時間あたりの事故率、または 10万回の出発回数当たりの事故率とこれらは、 1して整理されている。
このデータに基づき、機体の喪失に繋がる致命的な事故率について、飛行時間と出発回数当たりの事故率を計算すると以下のようになる。

FatalAccidentsProbability (致命的な事故確率）=3.1x10‑7 [pe
rFl
i
ghtH
our]=4.sx10‑7 [perDeparture]一方、ロケットの事故率については、少し古いデータではあるが、 1997年の宇宙開発データプック 2)から引用したものを表 2に示す。各国でバラッキはあるものの、ほぼ 80%後半から 90%前半であることがわかる。この値は、航空機の出発回数当たりの事故率に相当する意味をもつと考えられる。今、米国のロケットを対象に、その事故率を計算すると以下の通りとなる。

LaunchFailu
reProbabi1ity (打上げ失敗確率）=8X10‑2 [perLaunch]以上で求めた事故率を比較すると、航空機に比ベロケットの致命的な事故率が桁違いに大きいことがわかる。

第 5回ロケット協会ロケットシンポジウム， 1999年 1
2月17日，於富士重工業（株）会議室注114構造設計の安全率は飛行機のままでよいか釦宮原啓富士重工業株式会社〒320‑8564栃木県宇都宮市陽南 1‑1‑111. はじめに宇宙旅行機の構造設計に飛行機で使われている安全率をそのまま用いて良いかという議論は、宇宙旅行機の安全性を考える上で重要である。なぜなら、飛行機の安全率は過去数十年間にわたって使用されてきた材料、構造様式、製造方法等の経験に裏付けされた値であるが、その値を宇宙旅行機の新しい構造様式や製造方法に用いることで、・飛行機と同等の安全性が得られるのかという問題が残るからである。
本報告では、宇宙旅行機の安全性基準（案）の検討の一環として行った、宇宙旅行機の構造設計に飛行機の安全率を適用することの妥当性評価について報告する。

2.安全率の変遷構造の安全性については、耐空性審査要領の中で種々の要件が規定されているが、特に疲労に関する規定と安全率に関する規定は、構造設計の基本的な部分である。 1930年代から現在に至るまでの飛行機の疲労設計思想と安全率の変遷を図 1に示す。
疲労設計は、安全寿命まで飛行機の構造が疲労で破壊しないことを目標とする安全寿命設計から、構造の一部が破壊してもそれが致命的な事故につながらず、安全な飛行を続けられるように設計するフェールセーフ設計へ移行し、現在の損傷許容設計へと移行している。
それに対して安全率は、第 2時世界大戦後、疲労による影響を別に試験等で証明することになり、 1.
8から疲労分を差し引いて 1.
5に変更されてからは、この値が飛行機の構造設計において国際的に認められた値となって、約 50年間使われ続けている。
3• 安全率の中に含まれるものそもそも安全率を用いる目的は、構造設計の中で避けることの出来ない不確定な部分を設計に反映することである。飛行機の構造設計の中で不確定と考えられる要素は以下のとおりと考えられる。
①飛行、地上荷重等の荷重（大きさ、方向）のばらつき②想定していない操縦をすることにより予想以上の荷重がかかる可能性③材料強度自体のばらつき④繰返し荷重に対する疲労強度のばらつき⑤摩耗や腐食による強度低下の可能性⑥工作及び材料寸度の不正確による強度低下の可能性第 5回ロケット協会ロケットシンポジウム, 1999年 12月17日，於富士重工業（株）会議室注121これらの不確定要素がどのように飛行機の構造設計に反映されているかを図 3に示す。
①と②と⑥については、耐空性審査要領の中で特に規定が無いため、安全率の中でカバーされていると推測できる。③については、耐空性審査要領で統計的手法により材料強度、 B値の適用が規定されているため、安全率の中には含まれなのばらつきを考慮した A値いと考えられる。ただし、図 2からわかるように A値、 B値の適用前後で安全率の変更はなく、材料のばらつきについて安全率がどこまでカバーしているかは不透明な状態となっている。同様に⑤についても、損傷許容設計の導入によって、摩耗や腐食に対する強度保証が規定されているが、安全率は損傷許容設計の導入前後で変わらないままである。④は、前述のように疲労強度のばらつきを安全率と分離して 1.
8から 1.5に変更された経緯により、現状の安全率の中には含まれていない。

4. 宇宙旅行機の安全率宇宙旅行機の場合、前項の不確定要素は飛行機と比較してどういう傾向を示すであろうか。以下に推測する。
・①の荷重のばらつきは、垂直離着陸型の宇宙旅行機では主翼構造を持たないため、突風等の影響を受けづらく、小さくなる。
・②の予想以上の荷重がかかる可能性は、自動操縦や操縦支援システムの高度化により、小さくなる。i・③の材料強度の まらつきは、機体重量の軽量化要求を実現していくために、複合材を主構造に用いる構造様式が不可欠であると考えられため、一般に大きくなる。
・④の摩擦や腐食による強度低下の可能性は、宇宙旅行機では空力加熱による高温環境、極低温環境、主推進系からの振動等の摩擦や腐食を促進する環境が飛行機と比べて多いため、大きくなる。
・⑤の工作及び材料寸度の不正確に起因する強度低下の可能性は、複合材の一体成形やハニカムサンドイッチによる構造物の製造によりさらに大きくなる。以上のように定性的に評価すると、飛行機と比べて宇宙旅行機の場合、①と②による荷重のばらつきが小さく、③と⑤と⑥による構造強度のばらつきが大きくなる傾向にある。
これより、①と②による荷重のばらつきと、③と⑤と⑥による構造強度のばらつきを定量的に評価することが、宇宙旅行機の安全率を設定する上で重要であることが判る。
5.安全率の妥当性評価本項では、宇宙旅行機の荷重のばらつきと構造強度のばらつきを定量的に評価するために、統計的手法を用いた。宇宙旅行機における荷重のばらつきと構造強度のばらつきは正規分布すると仮定すると、正規分布上の制限荷重に相当する応力と材料の設計許容応力の22乗客の命を守る為の装備設計注 1篠崎昇，岡屋俊一日産自動車株式会社〒350‑1107埼玉県川越市的場新町21‑1ここでは、その結果を受けて、「宇宙旅行機の安全装備案」を検討し、その装備設計における課題の抽出を行った．（図 1)次項以降で、この検討により得られた「乗客の命を守る」安全装備（主に一般装備）の設計上の課題について報告する．

1.はじめにこれまで、有人宇宙活動は全て米口両国の宇宙輸送システム（スペースシャトル等）に依存しており、民間の宇宙利用を考えることは困難であった． ．
しかし、近年、各国で民間のロケットによる宇宙親光旅行や宇宙ホテル措想が提案される等、宇宙の商業利用に向けた動きが始まりつつあり、日本でも、宇宙競光旅行用翰送システムとして、再使用型の垂直離着陸ロケット「観光丸」が、日本ロケット協
JRS)により提案されている．
会(この様な「宇宙旅行機」は、一般旅客を乗せた定期的運航を前提とするため、従来の航空機同様に耐空性に関する基準を設けて、公的な認証を得る必要があることから、 JRS では第 3期運輪研究委員会において、航空機並の安全性を前提とした「垂直離着陸型宇宙旅行機の安全性基準（案）」を検討・作成している．
この検討では、まず、航空機の耐空性審査要領を参照して安全装備設計上の基本的要求を確認し、実際の航空機の安全装備と、実際の宇宙機の（現paceShuttleの安全装備を在の唯一の）例である S整理した．次に、両者の装備の内容を比較し、宇宙旅行に固有の問題も考慮して、実際の宇宙旅行機に求められる安全装備及びその安全性基準の案を検討した．

2.安全装備における基本的要求安全装備における基本的要求を大別すると、次の 2つが挙げられる．
・異常発生の予防・異常発生時の対応策
これらの要求に対応する装備は次の様になる．
i)異常発生の予防（＝正常な運航の支援・維持）a)機内装備・計器系統 ［飛行／離着陸状況の表示各種装備の機能状態の表示・防火装備 ［火災検知・消火設備不燃材料b)機外装備・燈火類［外部への機体明示機体表而及び周辺の監視ii)異常発生時の対応策（飛行維持、非常時の搭乗者保護、非常脱出）a)電源及び動力源の冗長性確保b)通常電源喪失時の安全飛行時間確保

属客の命を守るための装備（安全装備）の検討全装偏設計における基本的要戎は何か？（耐空性1審査要領を参照）「．．．．．．．．

（航空機では 5分間以上）c)生命維持＝圧力低下時の酸素供給確保（航空機では 15分間）．.

F際の宇宙機の安全装備内容はどの様なものか？
V従来の航空機の安全装爾内可はどの様なものか？

(SpnccShult.
le)➔ 呼吸可能な酸素分圧を維持

1両者の違いは何か? I↓I

押宙旅行機の安全装備には何が必要となるか?
↓1宇宙旅行幾の安全装備案 H安全装阻設計における課題 I図］注 1第安全装備案の検討の流れ（環境圧力 +30mmHg以内）・・レギュレータ付酸素マスク・純酸素供給装泄d)危険筒所からの退避支援・機内通恨設備（航空機では通報時間 5分間を含む IO分間以上作動）5回ロケット協会ロケットシンポジウム， 1999年12月 17日，於富士重工業（株）会議室292. ‑Gz方向負荷（体液の頭方移動）持続に対する耐性参考：—Gz 方向負荷による一般的症状（文献 2)‑lGz‑2Gz頭部膨満感、不整脈出現
耐えがたい不快、拍動性頭痛、数分が限界‑2,5 ‑3Gz 眼瞼浮腫、顔面ー・頚部の点状出血、一時的心拍停止、上気道部粘膜腫脹による呼吸困難、 10‑15秒が限界‑4 ‑5Gz 6秒以内に意識混濁、意識喪失3. +Gx方向負荷（頭が後方へ）持続に対する耐性参考 1: +Gx方向負荷による一般的所見（文献 2)+2Gx 四肢荷重、腹部圧迫を感じ始める（横隔膜上昇）。
+3Gx 呼吸がしずらくなる。＇+5Gx 胸部鈍痛+6‑7Gx 不整脈+7‑8Gx 腕が挙がらない、頭を支えておれない、背の皮膚に点状出血。
参考 2: 体位傾斜による +Gx耐性上限（文献 2)仰臥姿勢 (0度）grey‑out、black‑outは起きない。

25度仰臥10度仰臥+lOGxで black‑out+16Gxまで b
lack‑outおきない。
（文献 3:10度仰臥を推奨）参考 3 : 上体傾斜、下肢屈曲姿勢に対する考察(1) 姿勢の 15 25度仰臥位により、内臓の移動が抑えられ、従って横隔膜の胸腔内移動が少なくなり、呼吸は随分と楽になる。また、尻、膝を 90度曲げることによっても、呼吸が楽になる。これにより、+5Gxだと換気されないはずの背中側 1/3肺の換気も改善される。 （文献 2)(2) +5Gxで上記姿勢をとると：①下肢及び一部腹部から胸郭への血液移動⇒右心房圧上昇 (20mmHg)⇒心拍出量 t (約 20%)⇒大動脈圧上昇 (+1Gxに比べ 20 30mmHgt)‑+脳動脈圧上昇（以上、文献 2)② 25度上体傾斜では十 Gz負荷の影響が半減するので約 +2.5Gz相当。従って、十 Gz耐性限界より低い。
また、①は良い方に影響する。これらのことから； +5Gxは一つの限界値と考えてよいかもしれない。
ただし、スペースシャトルで適用されている +3Gxの値の根拠について記載が見当たらず、さらに調査が必要である（考察、森）。

4. ‑Gx方向負荷（頭が前方へ）持続に対する耐性（文献 2)(1) 簡易固定（頭部、四肢の固定なし）の場合：高—Gx で、頭部前屈、四肢の前方伸展による体液移動 ⇒ 頭痛、四肢の痛み（特に下肢）、点状出血。

‑5Gxで 10秒〜程度、一3Gxで 3分程度が忍耐の限界。頭部、四肢も固定の場合‑. ー8Gx
(2) 身体輪郭にあった固定をした場合：症状：呼吸困難、鼻汁、唾液流涎、眼瞼下垂、局所点状出血。呼吸困難は十 Gxに比べ軽い。
腹臥位、半腹臥位：—5Gx で 5 分程度、一lOGx で 2 分程度が限界。

78資料 2ロケット研究シンポジウム参加者第 5回

第 6回

氏名所属相葉昭男

氏名所属

ワイ・エス・ケー株式会社

秋山豊寛宇宙開発事業団

阿部守男芝浦工業大学磯崎弘毅川崎重工業株式会社

飯酒盃茂幸中央工学校

岩間一敬

石川島播磨重工業株式会社

磯崎弘毅

稲谷芳文宇宙科学研究所

稲谷芳文宇宙科学研究所岡屋俊一

IHIエアロスペース株式会社大橋全日空株式会社

北山三菱重工業株式会社

大貫美鈴清水建設株式会社

近藤貞雄全日空株式会社

小俣基幸東海大学大学院桜井健太郎株式会社日本サテライトシステムズ

笠原信一芝浦工業大学篠崎

昇I
HIエアロスペース株式会社北澤大輔

芝浦工業大学高野

ヽ中l.
.
'宇宙科学研究所鳥養鶴雄富士ェアロスペーステクノロジ一辻真一郎辻工業所鳥居啓之川崎重工業株式会社鳥居啓之川崎重工業株式会社

長友信人宇宙科学研究所鳥養鶴雄富士エアロスペーステクノロジ一

成尾芳博宇宙科学研究所

長友信人

宇宙科学研究所野崎健次

清水建設

成尾芳博宇宙科学研究所

野中聡

宇宙科学研究所野崎健次

清水建設

橋本保成宇宙科学研究所

橋本保成宇宙科学研究所舟津良行航空コンサルタント畠山正樹横浜国立大学大学院

桝谷利男（財）宇宙少年団

青木

,広‑,.
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治

パトリック・コリンズ

宇宙開発事業団林禾

仁滋夫名古屋大学舟津良行航空コンサルタント本橋和彦FATEC丸山辰也川崎重工業株式会社若松立行

スペーストピア株式会社

宮下徹運輸省航空局宮原啓富士重工業株式会社

山田哲哉宇宙科学研究所米本浩一川鏑重工業株式会社若松立行スペーストピア株式会社（五十音順敬称略当時の所属）130