フライ・バイ・ワイヤ

フライ・バイ・ワイヤ（英語: Fly by wire, FBW と略される）とは、航空機等の操縦・飛行制御システムの1種。直訳すると「電線による飛行」。

概要

フライ・バイ・ワイヤ以前の機力操縦システムでは、パイロットが操縦桿（輪）やラダーペダルに与えた入力は、金属製のロープ（鋼索、この分野における「ワイヤ」との呼び分けでは「ケーブル」と呼ぶ）やロッドや滑車による機械的リンクを経由して、直結、あるいは油圧式のアクチュエータの補助により、補助翼・昇降舵・方向舵などの操縦翼面が動かされていた。自動操縦も、ケーブルへ自動操縦装置が機械的入力を与えることで達成されていた。

フライ・バイ・ワイヤでは、パイロットの操作を電線に流れる電気信号によって伝え、油圧式のアクチュエータを動かして操縦翼面を操作するものである。実際には、パイロットの操作をコクピットにある発信器と人工感覚装置で電気信号に変換され、機体にかかる加速度や傾きを検知するセンサとコンピュータを組込んだ、ジャイロとエレクトロニクスの入ったブラックボックスを介して、油圧式のアクチュエータに電線で送られており、操縦者の感知能力を補うことができるシステムとなっている。これにより、今までの操縦システムにおいて、航空機の姿勢を変える場合には、一旦大きく動翼を操舵して姿勢を変えた後、反対に動翼を操舵してから中立の位置に動翼を戻す、当て舵と呼ばれる操作が必要だったが、フライ・バイ・ワイヤでは、コンピュータが計算して当て舵を必要な分だけ取ることが可能となり、飛行性能が良くても、操作性や安定性が悪くて乗れなかった航空機を実用化できることが可能となった。また、操縦桿や方向舵ペダルは操縦者の操縦信号をコンピュータに入力するためのものとなるため、今までの操縦システムでの重さと操舵量の2つの機械的入力はいらなくなり、加える力の大きさの入力信号だけで十分となる。

アナログコンピュータを使用した初期のものはアナログFBW、デジタルコンピュータを使用するものはデジタルFBWと呼ばれる。また電気信号を伝える電線を複数にして、多重系にすることにより冗長性を持たせている。

おおむね以下のような利点と欠点がある。

利点

• ケーブル・ロッド・滑車などの機械部品が電線に置き替えられることにより、重量の軽減化と繁雑な機械部品の点検作業が不要となり操縦系の整備性の向上と電子機器の自己診断機能が可能となる。
• 機械的な機構から信号線に替わることにより、操縦系統の設計の自由度が高まる（ジョイスティック型操縦桿の登場）。
• コンピュータを介在させることによる以下の利点
  • 自動制限機能（リミッタ）により、失速や荷重などによる飛行制限を気にすることなく操縦可能。それに伴いパイロットの負担が減少する。また、旅客機には、操縦力（パイロットが操縦桿を操作する力）を速度によって変化させて、パイロットが過大な操縦を行うことを防ぐ人工感覚装置と呼ばれる人工の操作感覚装置が装備されている。
  • 静安定性緩和などのCCV技術導入による、燃費向上や機動性向上。
  • 機械式の操縦系と比較して操縦系を構成する電線の多重化が容易となるため、冗長性が確保しやすい。

欠点

• 飛行制御コンピュータとそれに伴う環境調節システムの設置による空間的・重量的制約。
• 導入初期に、プロテクション機能を正しく理解せず無理な操縦を行ったことが原因と思われる事故が発生した（エールフランス296便事故を参照）。
• 機体の制御をソフトウェアに依存しているため、ソフトウェアの欠陥が事故につながる恐れがある。
• 操作に対する油圧やリンクの応力（手応え）がないことによる以下の欠点
  • 該当機能が正常に作動しているか分かりにくい（系統が切れてもレバーの重さは不変）。
  • 急激な操作が可能になるため戦闘機では旋回時にすぐに限界Gに達してしまい、G-LOCを起こしやすい。アメリカ空軍でF-16が導入されてから急激な操作によるG-LOCが原因の墜落が多発したことが一時期あった。
  • 機体が停電となりコンピュータが止まると、操縦不能となる。特にコンピュータの操縦系への介入を前提として設計された､空力安定性が低い機体では致命的。

CAS

フライ・バイ・ワイヤへの移行の前段階として、CAS（コントロール増強システム）と呼ばれるものがある。コンピューターによる飛行制御を、機械的リンクの補助として用いるものである。

採用例

フライ・バイ・ワイヤは、元々はアポロ計画での月着陸船やVTOL機などの空気力により安定を得られない宇宙船や航空機に使用されていた装置であったが、その後、超音速機の運動性向上や大型機の経済性向上の手段として採用されている。以下に採用例を示す。

軍用機

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フライ・バイ・ワイヤを搭載したF-4実験機62-12200号機

軍用機では、試作のみで終わった大型戦闘機・CF-105 アローがデジタルFBWを採用していた。

実用機ではF-16に初めてアナログFBWが搭載された。F-16はCCV技術の導入により運動性の向上が図られており、以降の多くの戦闘機で同様の技術が採用されるようになった。F/A-18は実用機として初めてデジタルFBWを搭載し、F-16も後にデジタルFBWに換装された。

F-16以前においても、F-15の場合、機械系統が戦闘などで破損しても、前述のCASを通じて問題なく操縦が可能になっており、完全なデジタルFBWの一歩手前の状況まで来ていた。ただしCASはFBWと異なり1重のシステムであり、故障時を考慮して制御範囲を最大舵角の数%程度に抑えていたため、機体それ自体の安定性を放棄するCCV技術の導入は不可能であった。またF/A-18も機体の設計それ自体はF-16よりも古く、また機械的操縦機構をバックアップとして備えており、CCV技術の導入はされていない。

民間機

旅客機では、コンコルドがはじめてアナログFBWを採用した。

エアバスはA320で、旅客機として初めてデジタルFBWを採用した。同時に操縦桿はジョイスティック型となり、操縦席の脇に配置された。以降のA330・A340・A380などでも踏襲されている。エアバスではボーイングに比べるとコンピュータによるプロテクション機能を優先しており、その点も含めた設計思想の違いはたびたび議論の的となっている（前述のエールフランス296便事故や中華航空140便墜落事故を参照）。

マクドネル・ダグラスはベストセラー三発機DC-10の拡大型であるMD-11においてFBWを採用。DC-10に比して水平尾翼面積を30%削減して燃費の向上を計ったが、ETOPS認定で双発機での長距離路線が可能になったことで販売が伸び悩む。他の旅客機も軍需も振るわず窮地に陥った同社は、後にボーイングに吸収されることになる。

ボーイングは777で初めてデジタルFBWを採用した。形状は従来と似た操縦輪であり、エアバスのようなジョイスティックではない。プロテクション機能はあるものの、操縦感覚が重くなることでパイロットに注意を促すだけで、それ以上の力を操縦桿に加えれば、プロテクション機能を越える操縦をすることもできる。これは空中衝突などを避けるための急激な回避行動を取れるようにするための措置で、安全性に劣るということではない。

他にはイリューシンのIl-96、ボンバルディアのCRJシリーズ、エンブラエルのエンブラエル E-Jet（アナログFBW）などの例がある。

ヘリコプター

ヘリコプターの操縦システムは、リング機構やリング機構を介して油圧アクチュエータを作動させることにより、メインローターやテールローターのブレードを動かす機体がほとんどであるが、フライ・バイ・ワイヤを採用しているものもある。例としてNH-90では、メインローターとテールローターをフライ・バイ・ワイヤによって制御する、また、メインローター、テールローター、エンジンの動きをモニタリングするセンサーと機体の姿勢を検知するセンサーからの情報を、FBWの飛行制御コンピュータにフィードバックすることにより機体を安定させるようになっている。

発展

光ケーブルの利用

操舵信号を電線ではなく光ケーブルによって伝えるシステムはフライ・バイ・ライト (Fly-by-light, FBL) またはフライ・バイ・オプティクス (Fly-by-optics) と呼ばれる。フライ・バイ・ライトは電磁干渉に強く、電磁シールドを省けることによる更なる軽量化、高速大容量の伝送の実現、防火性に優れるなどというメリットがある。その反面、構造上光ファイバーは断線時の修理が難しいというデメリットがある。実用機では川崎重工業の固定翼哨戒機P-1が唯一採用している。

民間機としてはワールドワイド・エアロス社が開発中のハイブリッド飛行船エアロスクラフトの試作機ドラゴンドリームで実証実験が行われた。

パワー・バイ・ワイヤ

FBWでは、電気信号が伝わるのは油圧アクチュエータまでである。そのため依然として油圧システム（タンク・ポンプ・配管・アクチュエータ）は存在し、重量と整備性においての課題となっている。このためアクチュエータとして、電動モーターまたは密閉式電気油圧式アクチュエータを採用し、タンク・ポンプ・配管を削減したシステムが開発され、パワー・バイ・ワイヤ (Power-by-wire, PBW) と呼ばれている。F-35やA380のバックアップシステムとして採用されている。

参考文献

• 日経エレクトロニクス 2007年11月19日号 P147-158
• ヘリコプタ　日本航空技術協会　1990年 ISBN 4930858453
• 飛行機構造　日本航空技術協会　1989年 ISBN 4930858429
• 飛行機構造 第3版 第1刷　日本航空技術協会　2012年 ISBN 978-4-902151-22-0
• 最強　世界の軍用ヘリ図鑑　学研パブリッシング　2012年 ISBN 978-4-05-405191-1
• 航空機の飛行制御の実際 -機械式からフライ・バイ・ワイヤへ- 片柳亮二（森北出版、2011年）ISBN 978-4-627-69091-2

関連項目

• ドライブ・バイ・ワイヤ - フライバイワイヤから発展した自動車の電子制御技術で、現状ではスロットル制御のみ普及している。
• 電気指令式ブレーキ - 鉄道車両のブレーキを電気的に制御する方式。
• MIL-STD-1553 - フライ・バイ・ワイヤの各機器の通信はこの規格で行われている。