航空機の設計、認証、生産プロセスの革新とプロセス統合に関する研究開発の紹介

宇宙航空研究開発機構 航空技術部門
航空機DXチーム 副チーム長

橋本 敦

2023年11月29日航空機ライフサイクルDX（CHAIN-X）コンソーシアム 第1回オープンフォーラム＠ソラシティホール

目次
1. 背景
2. NEDOプロジェクト受託
3. 研究開発課題




設計DX
認証DX
生産DX
DXプラットフォームによる統合

4. 目指す将来像
5. まとめ2

１. 背景：航空機開発の課題• 極めて複雑なシステムとなっている近年の航空機（部品点数は自動車の約100倍）の開発においては、設計変更等による手戻りや認証試験の複雑化により、開発スケジュールやコストを増大させることが大きな問題となっている。
• これらの課題の解決手段として、モデルベースシステムズエンジニアリング(MBSE: ModelBased Systems Engineering)、認証試験の解析による代替(CbA：Certification byAnalysis)、デジタルスレッド* 等のデジタル技術の活用が注目されている。
青色：航空機 緑色：自動車 赤色：CPU

製品の複雑さと開発期間の関係 出典：DARPA AVM pres.

TC取得に要した期間*デジタルスレッド：上流から下流に要求をフローダウンしたり、下流から上流に遡及調査できるようにデジタルデータをつなげる仕組み

3

１. 背景：海外の動向• 2021年に米国とスウェーデンと共同開発した高等練習機(T-7A Red Hawk)においては、MBSE等のデジタル技術を活用することで、品質が75%向上し、組み立て時間が80%短縮され、ソフトウェア開発時間を半分に短縮したという報告がある。
• 海外OEMでは、機体あるいはエンジンのライフサイクル全体をデジタル空間で模擬（デジタルツイン）し、ライフサイクルを一元的に管理する構想が示されている。

T7-A Red Hawk (BoeingとSAABの共同開発)
https://www.boeing.com/defense/t-7a/index.page#/gallery

Daniel Seal, GPDIS 2018

Boeingが提案するMBE(Model-BasedEngineering) Diamond 設計・製造・認証等の情報を一元的に管理する構想

4

１. 背景：我が国の航空機産業• MSJの中止によって、我が国の航空機産業が、ボンバルディア、エンブラエル等を競争相手とするリージョナルジェットの世界でOEMの地位を確立することは難しくなった。
• その結果、より大きな機体を対象とする海外OEMのパートナーとして参画する「Tier1事業」が我が国の航空機産業の主戦場となっている。今後「Tier1事業」でシェアを拡大していくためには、下請け的な「構造Tier1」から脱却して、設計等の上流工程に食い込むことが必要である。
• 上流工程に食い込むためには、近い将来主流となる「モデルベースで設計され、解析で認証を取得し、スマートファクトリーで製造される航空機」を扱うDX技術を早期に獲得することが必須である。これが出来なければ、現在の地位の確保さえ難しくなる。

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２.NEDO事業受託（2023年2月10日公募開始）

航空機の設計・製造・認証等のデジタル技術を用いた開発製造プロセスの高度化技術の開発・実証
目的• 本事業では、2030年以降に市場投入が見込まれる民間航空機（開発は2020年代後半に開始。以下、次期民間航空機）の開発の前提となるMBSE等のデジタル技術を活用した革新的な開発プロセスを構築し、日本の航空機産業の優位性を確保するとともに、脱炭素化を実現する次世代航空機、防衛航空機の開発に加え、空飛ぶクルマ、自動車、船舶、宇宙機といった他分野の開発のプロセス構築にも波及させることができる知見の獲得を目指す。

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2. NEDO事業受託（2023年7月12日プレスリリース）
https://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_101672.html

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3. 研究開発課題：本事業の課題概要
本事業では設計DX、認証DX、生産DX、プロセス統合（DXプラットフォーム）に取り組む
フェーズ

概要

担当機関

設計DX

Model-Based Systems Engineering (MBSE)とModel-BasedDevelopment (MBD)の連携に基づくプロセス、及びリファレンスモデルを構築

JAXA
IHI
KHI
MHI

認証DX

国際的な信頼性保証フレームワークとの連携を図りつつ、認証試験を解析で代替するCertification by Analysis (CbA)のプロセスを構築し、実用性の高いガイドラインを作成

JAXA
KHI
MHI

生産DX

※航空局と連携

デジタル技術を活用したAdvanced Product Quality Planning (APQP)、
JADCModel-Based Definition (MBD)とModel-Based Instructions (MBI) の連 KHI
携、スマートサプライチェーンのプロセス構築
SUBARU
MHI

プロセス統合 複数組織間でのデータ連携手法、先進デジタルスレッド技術を確立するこ（DXプラッとにより、設計・認証・生産フェーズの各プロセスをシームレスにつなぎトフォーム） 統合するための手法を開発。国際共同開発において適用可能なプラットフォームを構築

JAXA

8

3．研究開発課題：本事業で構築するプロセスの全体像
設計/認証/生産の各フェーズのプロセスを統合し、MBSEで要求を全体にフローダウンする仕組みを構築。
KHI

MHI
JAXA 法規
要求IHI
JAXA

実証フェーズ ②認証DX(CbA )共通プロセスを構築(JAXA)
3

開発フェーズ

ｼｽﾃﾑ設計圧縮機設計 空調設計

(MBSE1-MBD2連携)
各モデルを統合(JAXA)

ｻﾌﾞｼｽﾃﾑ設計

MBSE1
デジタルAPQP7①設計DX

CbAによる実証（飛行性：トリム・静安定）（飛行性：失速）
KHI
ｼｽﾃﾑ実証CbAによる実証MHI（構造, 耐雷）ｻﾌﾞｼｽﾃﾑ実証
JAXA

CP4へのMBSE1適用

主翼概念設計

アクチュエータ設計

適合性確認

ステークホルダ要求①計画※航空局と連携

ｺﾝﾎﾟｰﾈﾝﾄ設計

生産

MBD5
MBI6

②製品設計

MHI

調達

③生産DX

各プロセスを統合(JADC)
④検証

③工程設計
スマート
サプライチェーン

ｺﾝﾎﾟｰﾈﾝﾄ実証

製造

物流

KHI
SUBARU④プロセス統合（プラットフォーム）

各モデル/プロセスを統合(JAXA)
デジタルスレッド
セキュリティ・アクセス制御

1MBSE: Model-Based Systems Engineering, 2MBD: Model-Based Development, 3CbA: Certification by Analysis, 4CP: Certification Plan,
5MBD: Model-Based Definition, 6MBI: Model-Based Instructions, 7APQP: Advanced Product Quality Planning93．研究開発課題：プロセス統合のイメージ
Requirement Compliance Plan

Customer Requirements
Regulatory RequirementsStakeholder
Requirement

MoC

Certification
Plan Model

Part 25

解析結果報告書

1
Aircraft Level
System Model

Requirement

Subsystem Level
System Model

設計DX

認証DX

Architecture

Requirement

1 ：設計DX – 認証DX 連携
2 ：設計DX – 生産DX 連携

Architecture

Component Level
System Model

CbA技術による解析

Requirement

Architecture

生産DX
2

3D形状モデルBOM

3D MBD*＊MBD: Model-Based Definition

103．研究開発課題：全体スケジュール※航空局と連携

各プロセス・プラットフォームの構築

モデル/プロセス統合、模擬審査

113．研究開発課題：設計DX（1/2）
設計DX
 中間目標/最終目標

MBSE※1
システムモデルMBD※2
高精度・高速なMBDツール
経験則の高度化,
ROM※3等

 設計変更等を想定した場合の開発作業に要する期間を従来に比べ3割短縮させる。また、システムモデル構
築方法をガイドラインとしてまとめる。
 次世代航空機のリファレンスモデルを構築し、ガイドラインとともに航空産業界と共有する。

 目標の達成方法

 実機の設計・試験データ等を用い忠実度の高いシステムモデル、及び高精度・高速なMBDツールを創出し、それらを自動連携させることで、設計変更時の影響等を即時に特定するとともに性能評価工数を削減する。
 SAEのシステム開発保証プロセスに適合するシステムモ
デルの構築方法をガイドライン化し、それに則り構築したモデルを一般化してリファレンスモデルを作成する。

AI技術

自動連携

３D解析ツール

MBSE-MBD連携

 DXへの寄与

 OEM/サプライヤ間での摺り合わせ設計が効率化されるとともに、開発後期の手戻りが大幅に抑制される。
※1 Model-Based Systems Engineering, ※2 Model-Based Development, ※3 Reduced Order Model

MBDによるEarly V&V

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3．研究開発課題：設計DX（2/2）
ガイドラインとリファレンスモデルの作成

133．研究開発課題：認証DX（1/2）
認証DX
 中間目標/最終目標*CP: Certification Plan，**CAF: Credibility Assessment Framework***VVUQ: Verification, Validation, Uncertainty Quantification

CbAツールの構築、信頼性評価実施

ガイドライン構築 CbA及び、CP*のモデル化のプロセスを構築し、実用性の高いガイドラインを発行する。
 ガイドライン適用により試験を解析に置き換えることで認証試
験ボリューム3割削減を示す。

 目標の達成方法

 解析技術の成熟度を向上させるとともに、CAF**に基づき、実機開発データを用いたVVUQ***を進めCPモデルの雛型作成を行い、ノウハウをガイドライン案として纏める。
 VVUQやCPモデルの実用性を、模擬審査で検証しながら、ガイドラインを完成させる。

 DXへの寄与

 実効性検証済のCbAプロセスで、将来開発における認証試
験のデジタル技術による削減方法が示されることにより、国内各社の事業参入時の負担(コスト/期間)が軽減される。

 文書ベースで管理していた膨大な認証関連情報が、モデルで一元管理されることにより、変更管理が容易になるとともに、審査者と申請者間で情報の即時共有が可能となり、認証プロセスが効率化される。

CPのモデル化イメージ14

3．研究開発課題：認証DX（2/2）
「航空機の設計・製造・認証等のデジタル技術を用いた開発製造プロセス
高度化技術の開発・実証」の研究開発構想に基づきJAXAで作成

CbAプロセスの構築とガイドライン策定• モデル化• アルゴリズム• ポスト処理• 品質確認 (既知解との比較等)
・・・• 計算格子品質• 計算収束• 計算条件・・・

ガイドライン
Lv. 2• Validationデー
タ選定• Validationケース選定• Validationデー
タ取得計画策定・・・• 不確かさの特定• 組み合わせ誤差の評価• 上下限値の選定• 不確かさの推定
・・・

ガイドライン
Lv. 3

ガイドライン• 解析ツール• 機体形状• 飛行条件• 乱流モデル• 計算条件• Ver管理ﾌﾟﾛｾｽ
・・・

ガイドライン
Lv. 1

フレームワークに基づいて各認証項目毎にガイドラインを策定

V&Vの計画策定Task2

Task3Task4

Task5

ツール構築
が意図通りか検証

実装の適正性の評価

実現象との比較による検証

誤差とUQの評価

ツールの 能力不足

ツールの 能力不足

ツールの 能力不足

ツールの 能力不足

ﾂｰﾙとモデルの改良

ﾂｰﾙとモデルの改良

ﾂｰﾙとモデルの改良

ﾂｰﾙとモデルの改良

Task6

適合性証明への適用可否
判定

CbAに供し得る
ツールとモデル認証へ

Task1

フレームワーク

模擬認証

高信頼度
MBD技術

UQ: Uncertainty Quantification （不確かさの定量化）

153．研究開発課題：生産DX（1/2）
生産DX 中間目標/最終目標

 デジタルAPQP, MBD-MBI連携、スマートサプライチェーンの生産プロセスを構築する。
 従来手法を適用した場合と比較し、図面改訂および工程変更等やり直し作業の3割削減、出図後に製造着手準備にかかるリードタイムまたは工数の3割削減、生産の滞留期間の3割削減等を実証する。

 目標の達成方法

 開発設計段階から、製造準備や製造及び品質計画までをシームレスにつなぐデジタルスレッドを構築する。サプライチェーン(SC)における管制塔に相当するシステム（コントロールタワーシステム）を開発する。
 生産性や品質を考慮した機体設計や製造工程全体の最適化を可能にし、やり直し作業やリードタイムを削減する。停滞要因の特定や予防、および影響範囲を予測し、SC内の各企業で情報共有することによって、SC全体を最適化し滞留期間を短縮する。

 DXへの寄与

 業界で共通に使えるプロセスにより、フェーズ/企業をまたいだ連携が可能となる。

海外OEM

APQP: Advanced Product Quality Planning
EBOM: Engineering Bill Of Material
EC: Engineering Chain
MBOM: Manufacturing Bill Of Material
MBD: Model-Based Definition
MBI: Model-Based Instructions
SC: Supply Chain
SCM: Supply Chain Management16

3．研究開発課題：生産DX（2/2）
将来の航空機開発における航空機産業DX
 開発時に機体と生産システムを同時に事前検証して成立させる
 製品開発はドキュメントベースからデジタルスレッド化
 生産システムをデジタル技術により製品開発と同時検証

 OEM/Tier1/Sub-Tierが同一のデジタルツインを共有
将来の航空機開発

Daniel Seal, GPDIS 2018

機体開発が主眼

機体開発と生産システム開発
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3．研究開発課題：DXプラットフォーム（1/2）
DXプラットフォーム
 中間目標/最終目標

 国際共同開発を想定し、国内外の組織が共同利用できる標準的なセキュリティ、相互運用性等の機能を備えたプラットフォームを構築する。
 設計/認証/生産DXで開発したプロセスをシームレスに統合する手法を開発する。

 目標の達成方法

 海外OEMやTier1各社の情報システムをベースにして、最新クラウド技術やPLM技術を活用し、国内外企業が接続可能な標準的なプラットフォーム・アーキテクチャを設計・構築する。国内外の組織間連携が含まれる生産プロセスをDXプラットフォーム上で稼働させ、継続的に機能改善する。
 フェーズ毎のプロセス間のインターフェースや各プロセスの実装に必要なプラットフォーム機能等を充実させる。

 DXへの寄与

 航空機国際共同開発においてTree方式から、Hub &Spoke方式へ変換し、プロセスやモデルを企業間で共有できる仕組みを実現する。

現状
Tree型

目指す姿
Hub&Spoke型

海外OEM

海外OEM

(1)

(2)

(3)

T1

T1

T1(4) (6)(5)T2
T2(7) (9)(8)
T2
T2(10) (12)
(11)
T2
T2

T2

T2

T2

T1

Tier1

T2 Tier2(1)~(12)各社間で以下を調整
・セキュリティレベルの調整・改善
・データ交換の書式や方法等の調整構築
・自社システムとのIntegration

T1 (1)T1 (2)

(0)

(12)

T2

(11) T2
(10)
(3)
T2
T1(9)
(4)
(8)
(5)
T2
T2(6) (7)
T2
T2
T2 T2

T1

DX

プラット
フォーム

Tier1

T2 Tier2(0)~(12) で以下を調整
・自社システムとのIntegration

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3．研究開発課題：DXプラットフォーム（2/2）
 全体構成
Tier1

海外OEM

DXプラットフォーム
MHI領域

(MHI)
(KHI)

KHI領域

(SBR)

SBR領域

デジタルスレッド[A] 安全性 (Security)
Sub Tier A
Sub Tier B
・・・・運用業者等

データ交換

デジタルスレッド[B] 相互運用性 (Interoperability)

Sub Tier A 領域
Sub Tier B 領域
運送業者領域

Sub Tier向け情報
サプライチェーン等のデータ
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４.

目指す将来像 (1/2)

Supplier Engagement Framework(SEF)のレベル:
OEMとSupplierの連携として下記のようなレベルが提案されている

Brenda Mark, GPDIS2022

４.

目指す将来像 (2/2)

本事業の最終ターゲットは、DigitizationやDigitalizationではなく、Digital Transformation(DX)Digitization（ﾃﾞｼﾞﾀｲｾﾞｰｼｮﾝ）

Digitalization（ﾃﾞｼﾞﾀﾗｲｾﾞｰｼｮﾝ）

アナログ情報のデジタル化（ペーパレス）

部署内

部署横断業務プロセスのデジタル化（CAD、CAE）

Digital Transformation (DX)(ﾃﾞｼﾞﾀﾙ・ﾄﾗﾝｽﾌｫｰﾒｰｼｮﾝ)
業界のデジタル変革
企業横断（プロセス/プラットフォームの共通化）
欧州

Tier1
Tier1
Tier2

設計/認証/生産プロセスをデジタル化・標準化

米国

日本
Tier3

Tier1
Tier2

バーチャル
Super Tier1•共通プラットフォーム上で各標準プロセスを有機的に接続し、国内企業で共有⇒協調領域を大幅に拡大し、国内の企業間連携を促進•海外OEMとも連携可能なインタフェース/セキュリティ⇒このプラットフォームを介して海外OEMと容易に連携可能

航空機開発の未来へのチケット（入場券）

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５. まとめ
JAXAは代表機関として共同提案機関とともに、Kプロ「航空機の設計・製造・認証等のデジタル技術を用いた開発製造プロセスの高度化技術の開発・実証」に取り組みます。
本事業では、設計DX、認証DX、生産DXを実現するプロセス構築を行い、それらをDXプラットフォームで統合するとともに、国内企業で共有可能でかつ海外OEMとも連携可能にします。
これらの活動を通じて、共同提案機関とともに、航空機開発の未来へのチケットの獲得を目指します。
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ご清聴ありがとうございました23