旅客機の構造
飛行中の機体に溜まる静電気を逃がすために、主翼や尾翼の動翼後端部や脚に「スタティック・ディスチャージャ」と呼ばれる放電用の短い索や棒が幾つか後ろ向きに付けられ、ここから静電気を放電している。
機体全体を金属のような良導体とすることで、落雷時や静電気による被害を最小限にできる。多数のリベットで緊密に繋がれたアルミ合金の構造部材を除けば、多くの金属部品同士が潤滑グリースや樹脂製の滑面などで円滑な動きを与えられと同時に電気的には絶縁されるため、「ボンディング」と呼ばれるワイヤ接続によって導電性を保つようにしている。また、同じ理由で、複合材など非金属製の材質部分では、導電塗装などを行って等電位を保つ工夫をしている。
テイル・スキッド
離着陸時に機首の引き起こしが過大になり、後部胴体尾部が滑走路に接触することで生じる衝撃緩和のためにテイル・スキッドと呼ばれる緩衝装置をまれに備える機体がある。また、新しい機体では尾部の接触を最小限にするために、尾部にセンサーを備えて滑走路との距離を測り、操縦士が過剰に引き起こそうと操縦桿を引いても一定以上は引き起こせないように電子的に調整する「電子テイル・スキッド」と呼ばれる装置が備わるものもある。
以下では大型旅客機での一般的な通信・航法装置類について説明する。
通信・航法装置類の多くが、機首近くなどに設けられた電子機械室に収められており、エンジンやAPUによって発電され、交流・直流変換器で変換された直流電力が供給される。それらの電力が失われた場合でも、すぐ近くに収められた非常用バッテリーによってしばらくは使用可能になっている。
機首のレドーム内には気象レーダーの他に2本ずつのローカライザ用とグライドスロープ用のアンテナが収められている。胴体上部には、ATCトランスポンダ用とADR用のアンテナが2本ずつと、垂直尾翼にはVORとテレビ受信、HF通信のそれぞれのアンテナが1つずつ付いている。胴体底面には別のATCトランスポンダ用とDME用がそれぞれ2本と、電波高度計送信用と電波高度計受信用で1対と、マーカー、VHF通信用に1本ずつ付いている。VHF通信用アンテナは左右に1組付けられる機種もある。垂直尾翼の外板中央を基部より絶縁することで、上半分をHF、またはVOR用アンテナとして使用する機体が多い。
機首部分に気象レーダーを搭載している。航空機用のレーダーはCバンド (5.4nbspGHz) やXバンド (9.4nbspGHz) を使用するが、気象レーダーではXバンドの9,345nbspMHzと9,375nbspMHzを使用しており、出力60nbspkW程度のペンシルビームで5マイクロ秒のパルス波を4秒間で前方180度を掃引する。気象レーダーでは前方の空中に漂う水滴や氷晶からの反射波を捕らえることで雨や雲の位置を知る。探知距離は200 - 300nbspnm程度である。また、ペンシルビームとは別に、スイッチの切り替えでコセカント・スクエア・パターンと呼ばれる地上に向けて掃引する機能も備え、この「マップ・モード」によって地上の地形が判別できる。このレーダーは左右方向に首振りしているだけであり、縦方向は通常は1 - 2度程度の下向きに設定されているが、操縦席のノブ操作でティルトモーターにより角度を変更できる。また、機体のロール運動によって掃引角度が変わらないように、ロールモーターが自動的にロールを補正する。21世紀現在ではデジタル処理によって反射パルス波の周波数変異を高精度で測れるドップラー式レーダーが使用されるようになり、PPI表示面もカラー化されて水滴や氷の移動まで判るようになっている。
主に音声による交信を行うための通信機がいくつか搭載されている。一般には短い波長の電波の方が十分近い場合には明瞭な会話が行えるが、到達距離が短くなる傾向がある。長い波長の電波は遠距離まで届く。これらには周波数帯が定められており、おのおの規定方式の電波が使用される。航空無線で使用される単信式のすべての音声通信システムは「サイドトーンシステム」と呼ばれる送信動作を確認する仕組みを備えている。これは送信機の発信電波を送信時にも受信機で受信しておき、操縦士は自らの発話音声をヘッドフォンで聞くことで電波がほとんど正しく発信されていることを確認するものである。
VHF(超短波)は比較的明瞭な交信が行えるが、到達範囲は見通し距離内であるため、高高度でも400nbspkmほどである。飛行場付近の管制や陸上航空路での管制に使用されることが多い。
HF(短波)はVHFより遠くまで届き、地平線を越えて到達するので、洋上飛行を行う機体にはHF通信機を2台搭載することが義務付けられている。海上航空路の管制に使用されることが多い。各国ごとの航空路管制に使用されている電波帯域が異なるので、2 - 30nbspMHzまでの1nbspkHzごとの28,000チャンネルが送受信できる通信機が搭載されている。電波帯域の有効利用を図るために単側波帯 (SSB) 通信方式が採用されている。
セルコール・システム
管制や航空会社などで使用される音声による交信電波帯は複数あり、それぞれでは複数の航空機が地上との交信に共有しているので、自機が呼び出されるのを常に機上の乗務員が受信しモニターし続けるのは、大きな負担であり疲労の原因にもなるため得策ではない。ほとんどすべての旅客機では、セルコール・システム(自動呼び出し装置、SELCAL)と呼ばれる自機が呼び出しを受けた時だけ音と光で呼び出しを知らせる装置によってクルーの負担が軽減されている。
セルコール・システムでは、"A"から"S"までの16個の記号を4桁組み合わせた独自の符合がセルコール・システムを備えた個別の航空機に与えられている。この4桁の符号から10,920機が区別できるようになっている。地上のセルコール呼び出し装置は、"A"から"S"までの16個の記号に対応して異なる可聴音(312.6 - 1,479.1nbspHz)を発生するトーン発生器を備えており、特定の1機を呼び出すには4桁の符号を装置で選択してからトーン送信ボタンを押すと、最初に2桁分のトーンが同時に重なって1秒間送信され、0.2秒間の無音の後に残りの2桁分のトーンが同時に送信される。音声通信であるため機上でも受信状態にあれば「ピーポー」と聞こえるが、人間には音から符号は判別できない。機上ではこのトーンを解読するデコーダーが備わっており、飛行中はこの装置を使用することでデコーダーに設定した自機の符号を受信したときだけチャイム音と光の点滅で操縦席の乗務員に呼び出しを知らせる。管制機関や航空会社では、これに対応した装置を使って個別の航空機を呼び出すが、地上では常時、担当者が受信機で空中からの送信に耳を澄ませている。
多くの旅客機には1.5 - 1.6nbspGHz帯を使用したACARS衛星通信システムが搭載されており、航空衛星かインマルサット衛星を経由して、音声通話用に地上の公衆電話網と、データ通信用にデータリンク網に接続されている。ACARS(Aircraft Communication Addressing and Reporting System) は衛星通信とVHF通信を利用した民間航空会社共通のほぼ全地球をカバーする比較的低速のデジタル情報ネットワークである。地上の航空会社からは、到着空港のノータムや駐機ターミナル情報、上層風予想などを送り、航空機からは離着陸時刻や位置、残存燃料、フライトプラン(飛行計画)の変更要求、到着予定時刻、エンジン・パラメータ、故障報告などが送られる。これらは基本的に衛星通信を利用した文字による定型のデジタルデータであり、音声通信は別の無線になるが、文字による報告は行える。
ADF(自動方向探知機、Automatic Direction Finder)
ADFは、ループアンテナと垂直ポールアンテナを組み合わせてアンテナ感度を360度全周の内の特定方向にだけ大きくしたアンテナ部を用いる。受信電波の強度が最大となる方向が地上無線局の方向となる。
VOR(超短波全方位式無線標識、VHF Omni-direction Range)
DME(距離測定装置、Distance Measuring Equipment)
ILS(計器着陸装置、Instrument Landing System)
MLS(マイクロ波着陸装置、Microwave Landing System)
MLSはマイクロ波帯を使用した着陸侵入誘導装置である。同種の着陸侵入誘導装置としてはすでに普及しているVHF帯を使用したILSがあるが、ILSでは地形の影響を受けて精度が保てないことやVHF放送電波の干渉を受けること、侵入路が1本しか持てないことなどによって、より精度の高い新たな着陸支援システムが求められ、今後はILSからMLSへと移行される空港施設の1つとして国際標準化された。ILSでも大きな問題はなく世界中の空港で使用されており、MLS施設の経済的負担やMLSへの移行において両施設を維持する必要もあり、あまり導入は進んでいない。
GPSでは現在位置と時刻情報を得ることができ、IRSの位置情報の補正とFMSの時刻情報の補正に使用される。
21世紀現在では、従来の3軸の回転変位と2方向(または3方向)の直線加速度を計測するセンサ部を備えたINS(Inertial Navigation System、慣性航法装置)はIRS(Inertial Reference System、慣性基準装置)に置き換わっている。
内部に可動部を持っていた従来型のINSとは異なり、IRSは可動部を持たず、3軸の回転変位と3方向の直線加速度を計測するセンサを乗せたプラットフォームが機体軸方向に合わせて正確に固定されていて、空間座標の変換はデジタル演算によって行われる。出発時には基準となる緯度と経度が飛行管理装置(FMS)のデータから読み込まれて設定される。また、静止状態で重力加速度を受けない方向が水平面方向でありレベル調整は自動的に行われる。15分間停止している間に地球自転率が東西軸ジャイロ(イースト・ジャイロ)で受感されない方向から地球自転軸での北が自動設定される。回転変位量は、地球自転率や移動率を修正する必要がある。直線加速度もコリオリの力や重力変化を補正する必要がある。機体の姿勢方向を補正し続けながら補正された直線加速度を積分することで速度が求められる。速度と移動方向から移動量を知り、常に自らの座標を得ることができる。
GPSによる航法支援が得られるようになり、位置データと時刻が修正されるが、航空機はGPSのデータが得られなくなっても良いように、INSやIRSは必要な装置となっており、磁気コンパスも搭載される。回転変位の検出には半導体レーザーと光ファイバを組み合わせた光ファイバ・リングレーザー・ジャイロが用いられる。
気圧高度計(Pressure Altimeter):気圧の変化によって海面からの高度を知る。機外の気圧情報はCADCが統括してEFIS等に提供する。
電波高度計(Low Range Radio Altimeter):4.2 - 4.4nbspGHzの電波を送信し地面からの反射波の遅れを計ることで、2,500フィート以下の高度なら2nbsp%以内の精度で対地高度を計測する。EFISの高度指示計だけでなくGPWS(対地接近警報装置)やAFCS(自動操縦装置)への情報を提供する。滑走路に静止している状態を0フィートとなるように調整され、アンテナと送受信機の間のケーブル長や脚部の長さなどを含めた送受信機と地面との距離は、40、57、80フィートのいずれかと定められており、送受信機のプログラム・ピンで設定される。
AFCS(自動操縦装置、Automatic Flight Control System、Auto-pilot)は、飛行姿勢の安定化と、飛行高度と方向の変更、航法誘導を自動的に行う装置システムである。これら主要な3機能はAFCS内で互いに連携して働いて、現実の機体制御出力では一体のものとなるが、個別に分解して以下に示す。
機体が外力を受けることでロール、ピッチ、ヨーの各方向に対して揺れが発生する。この揺れを最小限に抑える。また、推力の不均衡やダッチロールといった内的要因に対する是正もこの機能が担う。
操縦士や航法装置の指令に従って、機体を上昇・下降・旋回させる。旋回時にはヨー制御だけでなく釣合旋回と呼ばれるロール制御も同時に要求される。
電波や慣性運動の変異を測るセンサーなどで飛行方向や位置、それらの変位量等を知り、設定値と照合しながら自ら判断して誘導を行う。
大型旅客機のAFCSには一般的に、Gyroモード、Turn-Knobモード、HDG SELモード、ALT Holdモード、GAモード、VOR/LOCモード、ILSモード、INSモード、FMSモード、LANDモードがある。
Gyroモード(Attitude Hold Mode、姿勢保持モード)では、ロール角を中立に戻す以外はピッチ角と機体の方位をモード設定時のまま保つように働く。Turn-Knobモード(Attitude Control Mode、姿勢制御モード)ではターン・ノブとピッチ・ノブの設定値になるようにそれぞれロール角とピッチ角が変更・維持されることで機体の姿勢が変更され維持される。HDG SELモード(Heading Select Mode、機首方向設定モード)では、あらかじめ水平位置指示計でHDGノブで変更すべき方位を設定してからHDG SELモードスイッチを入れることで、設定方向へ旋回し、水平飛行状態を維持する。ALT Holdモード(Attitude Hold Mode、高度保持モード)では、同じ高度を維持する。GAモード(着陸復行モード)は着陸復行を行うモードである。
以降は航法情報に基づいた誘導に従った飛行を行うモードである。VOR/LOCモードでは、あらかじめ水平位置指示計のHDGノブで変更すべき方位を設定しておき、VOR局が受信できたらVOR/LOCモードスイッチを入れることで、設定した角度でVOR局へ飛行できるまで直進してから設定方向へ旋回しVOR局へ向って飛行を維持する。VOR局を越えても方位を保つ。ILSモードでは、あらかじめ水平位置指示計のHDGノブで変更すべき方位を設定しておき、ILS信号が受信できたらILSモードスイッチを入れることで、ローカライザ・ビームを受信して自動的に誘導され滑走路方向へ近づく。やがてグライドスロープ・ビームによる誘導に従って自動的に降下する。飛行士は200フィートなどの一定高度まで降下すると、AFCSを停止して手動操縦を行う。INSモードは慣性誘導装置による誘導である。FMSモードは飛行管理コンピュータであるFMSを使用した誘導である。LANDモード(自動着陸モード)は自動着陸を行う。
フライト・ディレクタ (Flight Director) は、設定した飛行姿勢を保つのに必要なロール軸とピッチ軸の操縦操作を姿勢指示計 (Attitude Director Indivcator; ADI) に表示するシステムである。
オートスロットル・システムはエンジン出力を自動的に制御し、機速を一定に保つ装置である。主に離着陸時に用いられる。AFCSが手動モードでも、オートスロットル・システムを有効にできる。
オートスロットル・システムは、操作パネルからの速度設定情報や、ピトー管による対気速度センサー入力、電波高度計からの入力、ピッチ角度補正した前後加速度入力を得て、エンジン出力を制御する。
オートスロットルによるスロットルレバーの操作はサーボモーターで行われる。サーボモーター駆動軸とスロットルレバーは摩擦クラッチで接続され、一定以上の力で滑るようになっている。これにより、スロットルレバーを一定以上の力で操作することで一時的にエンジン出力制御を手動で上書きでき、レバーから手を離せばオートスロットルがレバー位置の制御を取り戻す。スロットルレバーにはオートスロットルを無効状態に切り替えるスイッチが備わっている。
AFCSが自動着陸モードにあれば、高度計が設定値以下になるとエンジン出力を自動的に下げて減速動作を行う。
ATC(Air Traffic Control) システムは、機上のATCトランスポンダと地上の2次レーダーとから構成される。厳密には航法装置ではなく、地上の管制官に滞空中の航空機の情報を機械が自動的に知らせることで管制業務を支援して安全性を高めるものである。
CADC(Central Air Data Computer) は 機体周囲の気圧や温度を測る多数のセンサ類(ピトー管、静圧孔センサ、客室差圧計、客室圧センサ、全温度センサ)からの情報を一括して受け取り、統合処理を行い、気圧高度計やIAS/MACH計(Indicated Air Speed / Mach、指示対気速度とマッハ数)、TAS/SAT計(True Air Speed / Static Air Temperature、真対気速度と静温度)やオートスロットル・システム等のセンサ情報を必要とするシステムに情報を提供する。電力喪失などCADCの機能停止時に備えて、ダイヤフラム式の気圧高度計と指示対気速度計が操縦席のパネルに備わっている。
EFIS(Electric Flight Instrument System、電子式飛行計器システム)は、航法装置類やEICAS等の情報を主にFMSを経由して、操縦席の計器パネルに表示するシステムであり、操縦士の負担軽減や視認性向上のために操縦に必須な計器を大きく常時表示し、他の表示を随時切り替えるようになっている。21世紀からはカラー液晶による複数面表示が採用され、Primary Flight Display (PFD) と、Navigation Display (ND) の主要な2つの画面をそれぞれの操縦者ごとに座席正面に備える形式になっている。
エンジン計器・乗員警告システム(EICAS:Engine Indication and Crew Alerting System)は、EFISによって実現したエンジン計器類の表示システムで、エンジンや燃料系統など航空機関士が担当していた監視業務を自動化し、降着装置や任意の機器情報の表示を行う。加えて各機器の異常発生時には故障箇所を自動的に特定し表示、警告する機能も有する。
エアバスでは同機能の装置を電子式集中化航空機モニター(ECAM、イーカム)と呼んでいる。
FMS(Flight Management System、飛行管理システム)は、機上に搭載された飛行に関わる多数のコンピュータ群と飛行状態センサ群、航法センサ群、エンジン・センサ群、燃料センサ群など多数のサブシステムから構成され、これらを統括制御するFMC(Flight Management Computer、フライト・マネジメント・コンピュータ)が中心となって、主に航法、性能・経済性管理、誘導といった飛行全般の機能を司り、操縦席のEFISを経由することでこれらのサブ・システムと操縦士との仲立ちとなる。
性能・経済性支援
性能情報と航法情報からピッチとロールに関する指令をFCC/AFCS(飛行制御コンピュータ/自動操縦装置)へ送る
FMSには出発前にウェイポイントを含むフライトプランとそれに関わる無線局や空港の基礎データが読み込まれており、操縦士はいつでもCDUの操作によってEFISのNDにマップモード等で呼び出せ、ウェイポイント情報を元に自動操縦によって飛行することも可能である。VOR/DME局の自動選局とADF/ILS/VOR/DMEの情報に基づいてINSを修正することも行う。
主に飛行を終えた後の整備性向上のために、幾つかの自動記録システムが搭載されている。これらは一般に機上整備システム (Onboard Maintenance System; OMS) と呼ばれ、機種やメーカーによって個別のサブシステムから構成される。
サブシステムの1つは、飛行性能モニター・システム (Airplane Condition Monitor System; ACMS) であり、米ボーイング社でもB-747初期型などの古い機種や他社では、飛行記録集積システム (Aircraft Integrated Data System; AIDS) と呼ばれているものであり、もう1つは中央整備コンピュータ・システム (Central Maintenance Computer System; CMCS) などと呼ばれるものである。
ACMSは基本的にDMU(Data Management Unit) とデータ記録より構成され、新しい機種ではこれに液晶ディスプレイやキーボード、トラックボールが加わってさらに操作性が向上しているものがある。データ監視とレポート作成、データ記録を行う。
CMCSは不具合情報やエンジンパラメータ、飛行パラメータ、操縦パラメータなどの情報をデジタルレコーダによって記録しておき目的地で交換されたり、飛行中にACARSによって送信されたりして、これらの情報は機体の整備部門に回される。
21世紀現在生産されている大型旅客機には、さまざまな異常を乗員に知らせるために多くの警報システムが備わっている。
警報システムは機能から3種に分類される。
スイッチやレバーなどが正しい位置にないなど、誤操作を知らせる
制御システムのいずれかが正常に作動しない、機内環境に異常があるなどを知らせる
機内の警報システムは主警報システムにまとめられており、それぞれ個別の警報システムの赤やオレンジの警報灯のいずれか1つでも点灯すれば、乗務員から最も目につきやすい位置にある赤またはオレンジの主警報灯が点灯して、乗務員は個別の警告灯を確認するように促す。
警報はランプの点灯に同期してブザーやチャイム、ホーン音、音声メッセージといった音でも伝えられ、機械的なものではフラッグで示すものもある。警報を伝える手段や調子には、人間工学に基づき危険度に応じた工夫が加えられている。
以下に個別の警報システムを示す。
離陸警報システム(Take-off warning system)
離陸時にフラップ、水平安定板、スポイラーなどの角度や位置が正しくないと、ブーブーブーという断続警報音で操縦士に知らせる。
着陸警報システム(Landing warning system)
ブーという持続警報音を発する。
着陸装置警報システム(Landing gear warning system)
着陸装置が正しい脚下げ位置になっていないのに着陸操作を行うと、赤色警報灯が点灯し操縦士に知らせる。
自動操縦システム開放警報システム(Auto-pilot disengage warning system)
操縦士が意図したか予期せずに行われたかにかかわらず自動操縦システムが自動操縦モードから外れた場合に、ワゥワゥワゥという警報音と共に警告灯を点滅させて知らせる。
最大運用速度警報システム(Max air-speed warning system)
運用限界速度 (Operation limitation speed) を越えると、カタカタと音を鳴らして操縦士に知らせる。
失速警報システム(Stall warning system)
失速速度手前で7 - 10nbsp%ほどの余裕しかなくなると、操縦桿をガタガタと揺らせて失速の危険を操縦士に知らせる。
ウインドシア警報システム(Wind-shear warning system)
ウインドシア警報システムはB-747やDC-10より後のすべての大型旅客機に備わっており、離着陸時にウインドシアを受けると危険であるため、気象レーダー等の情報を分析して飛行前方でウインドシアが発生する危険性が高い場合に警告灯と警報メッセージを発して機首上げを指示する。離着陸時には低速で高度も低いため過剰な機首上げは失速を招く。失速を避けるために新しい機種では失速を招かない機首上げ角や機首上げ余裕度を示すようになっている。
高度警報システム(Altitude warning system)
選択した高度に近づきつある時、または、選択した高度から外れてゆく時に、ドミソの和音による警報音を発し、警告灯を点灯、または点滅させて操縦士に知らせる。
低高度警報システム(Decision height aural warning system)
着陸侵入中に着陸続行か着陸復行かの決心を求める高度であるデシジョンハイト(着陸決心高度)に達すると、ドミソの和音による警報音を3度鳴らして、デシジョンハイト灯を点灯させて操縦士に知らせる。
TCAS(衝突防止装置、Traffic alert and Collision Avoidance System)と呼ばれる装置によって空中衝突の危険性が最小化されている。
GPWS(対地接近警報装置、Ground Proximity Warning System、TPWS; Terrain Proximity Warning System)は、地上からの高度を監視して危険なほど近づいた時に警報を発する装置である。電波高度計とCADC、グライドスロープ受信機、脚センサ、フラップ角度センサ、フラップ・オーバーライド・スイッチからの入力を受けて、操縦席へスピーカーとライトによる9種類の警報を発する。多くの旅客機が搭載している。
火災警報システム(Fire warning system)
エンジン火災、APU火災、脚格納室加熱、貨物室の発煙などを検知して大きなベル音と場所を示すランプで知らせる。
客室与圧異常警報システム(Cabin altitude warning system)
客室の与圧が高度1万フィート以上に相当する低い圧力まで低下すると断続的な警報音で知らせる。
ドア警報システム(Door warning system)
与圧部分のドアにロックが掛かっていないとオレンジ色の警報表示版が点灯する。