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宇宙航空研究開発機構

乱気流事故防止機体技術の実証(SafeAvio)

2008年から2017年までの10年間に、日本国内で起きた大型航空機事故のうち、およそ40%超が乱気流を原因としています。現在の旅客機は事前の気象予報や機体に搭載した気象レーダーは、乱気流を内包する可能性が高い積乱雲等の雨雲の中にある雨粒の動きを検知できるので、雨雲を伴った乱気流をある程度予測することは可能ですが、雨雲を伴わない乱気流(晴天乱気流)を事前に察知することは困難です。もし事前に乱気流を察知することができれば、乱気流のエリアを迂回したり、迂回できなかったとしてもシートベルト着用サインを出したり、客室サービスを中断するなど、さまざまな対応が可能になり、事故の低減が期待できます。
「乱気流事故防止機体技術の実証(SafeAvio)」では、これまで検知が不可能だった晴天乱気流を検知できる、航空機搭載用のドップラーライダーを開発し、パイロットへ乱気流情報を提供する「乱気流事故防止システム」を飛行実証しました。ドップラーライダーは、前方にレーザー光を照射し、気流と同様に運動する空気中の小さな粒子(エアロゾル粒子)に当たった光の散乱を計測することができます。その計測データから、計算によりエアロゾル粒子の動きを知ることができるのです。ドップラーライダーは、羽田空港や成田空港などでも運用されていますが、非常に高価でサイズも大きなシステムなのです。
今後は、システムの実用化を目指し、機器の標準化に向けた活動を行います。また、検知した乱気流情報と航空機のオートパイロットとを組み合わせ、乱気流による急な機体の揺れを抑える「機体動揺低減技術」の開発を進めていきます。

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乱気流事故防止システムの運用イメージ
(乱気流検知:巡航中であれば機体動揺を低減/着陸進入時であればパイロットに情報を提供し着陸復行する)

乱気流事故防止システム

乱気流事故防止システムの目標と技術的成果

ドップラーライダーは、航空機からレーザー光を放射して、大気中に浮遊するエアロゾル粒子(微細な水滴やちりなど)からの散乱光を受信し、ドップラー効果による光の波長変化を調べることにより、波長変化による気流の変化、すなわち乱気流を求めることができます。これにより多くの航空機に搭載されている気象レーダーで検知できなかった晴天乱気流を検知することが可能になります。
旅客機が巡航する10km以上の高高度では、エアロゾル密度が減少し散乱光が弱くなるため、より強力なレーザー光が必要になります。一方で、航空機への搭載を考慮した場合、できるだけドップラーライダーの重量を軽くしなければなりません。つまり、軽量かつ高出力のドップラーライダーが必要となります。JAXAでは2011年に重量が約150kgで、高度12,000mの高高度において約9km先の乱気流を検知することが可能な航空機搭載型のドップラーライダーを開発しました。高高度でも乱気流検知できることを飛行実証し、翌2012年2月には晴天乱気流の事前検知に世界で初めて成功しました。
さらに、2017年1月から2月にかけて行った飛行実証試験では、気流の検知距離としては世界トップとなる17.5km(各高度平均値)先にある気流の動きを観測しました。これは、乗客1人分程度の重量のシステムで約70秒前に乱気流を検知することができ、乗客にシートベルト着用を促す時間余裕を生み出すことによって負傷者を6割以上減らすことが可能となる技術です。

搭載型の晴天乱気流検知装置(ドップラーライダー)

性能・仕様(2016年)
レーザー波長 1.55㎛
光出力 3.3W
ビーム径 150mm+50mm
重量 83.7kg
消費電力 936W

実用化に向けた連携と研究開発の広がり

この研究開発成果が米国ボーイング社から高く評価されたことにより、2018年2月には同社が実施する「エコデモンストレーター2018プログラム」において晴天乱気流検知システムを大型機(ボーイング777型機)に搭載して飛行試験を実施しました。航空機アビオニクスとしてのドップラーライダーと情報提供の実用化に向けた評価を得らえたほか、航空機への搭載、搭載後の調整および運用に関する技術課題などの知見が得られました。大型旅客機への実装の実現性が確認できたことで、今後の晴天乱気流検知システムの実用化に向けたさらなる研究開発を進めます。

さらにライダー技術を応用し、空中に漂う火山灰や氷晶を遠隔検知する機能を具体化する検討を行っています。飛行中に火山灰や氷晶が多い高度・空域を特定できれば、トラブルの可能性が高い空域を回避できますし、どうしても飛行しなければならない場合にも、吸い込んだ火山灰の量を推定し、点検整備に活用することが可能になります。火山灰や氷晶はエアロゾル粒子よりも大きく検知は容易ですが、物質まで特定するには、ドップラーライダーのシステム構成を二重化して差分を調べる必要があります。今後も、航空機事故を防ぐための搭載型ライダー技術の研究開発を進めていきます。

機体動揺低減技術

次世代航空イノベーションハブの活動

SafeAvioプロジェクトで開発した、晴天乱気流の検知が可能な乱気流検知システムからの情報を使って、推定した気流ベクトルデータをもとに舵面(航空機の姿勢をコントロールする動翼)を自動で制御することで、機体の揺れを低減させる技術を実証します。

機体動揺低減技術の概念図

動画:乱気流遭遇時の客室内のシミュレーション結果(1分02秒) 左は通常の乱気流遭遇時の客室内。右は機体動揺低減技術で上下の揺れ(上下加速度)を半減できた場合の客室内。


2019年8月5日更新
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