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落ちない飛行機への挑戦

平成21年6月6日日本技術士会中部支部中部航空会

(株)航空システム研究炭田潤一郎

2009.5.29 1航空システム研究 Jun Sumita

話の流れ

1. 航空の歴史と現状

2. 航空機事故統計/分析

3. 落ちない飛行機の提案

4. 現在の設計

5. ハードウェア設計- 落ちない飛行機

6. ソフトウェア設計- 落ちない飛行機

7. まとめ


1-1) 航空の歴史 – 民間航空機1903.12 / 米国ノースカロライナ州キティホーク：12 sec. , 39 m

“The Next 100 Years” AIAA Conference 2003.7 @ Dayton

ニール・アームストロング: またここで100年後に会いましょう !

“That’s one small step for a man, but one giant leap for mankind.”

フライト・シミュレータ@東大、鈴木研


1-2) 航空の現状

2009.5.29航空システム研究 Jun Sumita 4

1-3) 航空の現状と見通し

旅客機/Passenger Aircraft :

システム・形態の”成熟”期

“Conventional

Configuration”


From”AW&ST May 4,2009”

Next Generation Concept by Airbus

Change が必要

材料、システムの進化は起きている

2-1) 航空機事故統計-全般


Boeing 統計2008より

2-2) 航空機事故統計 – 飛行数


飛行時間(mil. hour)

機数

Boeing 統計より

~ 2,000 hr/機/年

~ 10 hr/機/日

2-3) 航空機事故統計 – 類別


・Loss of Control

・CFIT

・System Failure

・Runway Excursion

Boeing 統計2008より

2-4) 航空機事故統計 – 原因

2-5) 航空機事故統計-機種別

2009.5.29航空システム研究 Jun Sumita 10Boeing 統計2008より

2-6) 航空機輸送の安全性


Boeing 統計より

・米国/カナダ: ~10-7、 (~1件/年):NTSB – 19.4 mil.Flt.Hr/年 -@2007

・その他/全世界: ~10-6 、(~17件/年)

~1件/ 週(20年後)

2009/6/6ＪｕｎＳｕｍｉｔａ 12

2-7) 航空機輸送の安全性 -2

- FAA の取り組み

事故率:1997時点の80%に低減

<米国クリントン大統領時代の設定>

“順調に低減効果が上がっている”- FAAの、時に応じた打ち手- 機体整備- 乗員訓練

;米国運用の第5世代に対しては10-8に近づいてきた。しかし、全体として10-6~10-7に止まっていることは問題。

From AW&ST 2003

(ex) 66年羽田沖/FDR,CVR搭載義務

2-8) 航空機の安全設計 –事故対応

航空機の発展 : 失敗学の結晶 !!

/事故教訓の反映(NTSB、航空・鉄道事故調査委員会、等)


（Aloha航空243便 B-737, ‘88 4.28）(コメット機事故、 ; 1950’ )

金属疲労問題損傷許容設計

14

DC-10 (1989)

Failure of Hydraulic Pressure System

Emergency Landing at Near Airport

112 died, 184 survival

2-8)-2Lessons Learned from Accidents

パイロット操作:’85年JAL御巣鷹山事故の教訓

2-9) 航空機事故分析への考察

事故統計 10-8 に近づいている。

(先進国、第5世代機)FAR Part 25.1309 “extremely Improbable” for a

catastrophic accident / 10-9 回/時間

10-12 / More Automationへの提案

: 世界の学会(AIAA, ICAS, APCATS, etc. ) / 2005~

: Boeing , Airbus / 2007~


問題点・全体としては、10-6にとどまっている。・ヒューマン・エラーが55%以上占めている。・そして、事故数は増加の傾向にある。

問題点 : コスト: ネガティブ・イメージ

失敗学のもうひとつの捉え方

2-10) これからの方向

10-9はもはやExtremely Improbable ではない

10-12の提案 :世界の学会/Boeing/Airbus

<< 高信頼性志向環境の設定 >>

More Automation / Autonomous << Single Pilot Operation >>


コストを抑えた高信頼性システム構築

高信頼性機体に整合した周辺システム / CRM

更なる多分野最適設計手法の適用

2009/6/6JunSumita 17

3. 落ちない飛行機の提案 - 概念

機体と、運航システム、機体整備等の関連システム全てを含めた超高信頼性の超安全システム

:AIRCRAFT

OPERATION MAINTENANCE

Structure, Engines,

Systems, Parts, etc.

Pilots, CrewsATC,

Repair,

Logistics,


3-2) 落ちない飛行機の展開- System of Systems

全体的統合システムとして考えていく必要がある。

落ちない飛行機 (航空輸送/飛行安全管理) システム

機体システム

構造システム/損傷許容

運航管制システム

機体整備/補給システム

乗員訓練システム

フライト・コントロール・システム

エンジン/コントロール・システム

コックピット・システム

その他

その他システム

ソフト - 制御則

通常運航時システム故障時

ハードここでは、フライト・コントロール・システムを中心に考える。

全てが超高信頼性 !!


3-3) 落ちない飛行機概念 - 機体

SYSTEM

- Ultra High

Reliability

:10-12

CONTROL

-Intelligent

:Autonomous

:Reconfiguration

HUMAN

“Min. Human Interfaces” is an important approach

Intuitive Interfaces

Pilot Role : Flight Director

Fault Tolerant &

Immune System

Continuous operation

Continuous operation

Accidents:

Approaching to 10-8

Human Error

; 55% (TBC)

4. 現在の設計 -民間航空機システム設計

フライト・コントロール・システムのスコープ

主操縦系統/三舵副操縦系統

/高揚力装置

コックピット・システム

エンジン・コントロール・システム

構造/油圧/電源etc.

航空交通管制システム

イフェクタとして適用

加えてソフト: 制御則マン・マシーン


4-2) 現状

システムの機能

/ パイロット入力,自動入力

メカニカル/マニュアル

ブースト

機力/油圧

フライ・バイ・ワイヤ :

コンピュータ・コントロール

(FBL / 電動)


セスナ172

FBW

メカ : ロッド、ケーブル

コンピュータ・コントロールの

組み入れ

4-3) 現状 – 制御システム設計

2009.5.29航空システム研究 Jun Sumita

22

安定増強(SAS)

操縦性増強(CAS)

オート・パイロット

飛行管理システム (FMS)

Active Control Technology

最適制御- 機体、交通管制

オートノマス制御

: Feedback Control

: Feedforward Control

: 燃費、時間、ルート、etc.

: 乗り心地 / 突風制御

: ミッション / 衝突回避制御: 交通管制とのインタフェース

: More Automation / 自律Single Pilot Operation

(発展の歴史)

/ 階層性を持った制御

安全対策装備品の搭載義務-TCAS (衝突防止)

-GPWS (地表面接近警告)

: 自動操縦装置

きめ細かい最適制御 -(ex)燃費

2004.10.9 Jun Sumita 23

4-3)-2 ACT –Gust Alleviation (例)

航工会研究”高信頼性飛行制御システム研究”より

4-4) 現状 – 安全システム設計思想


フール・プルーフ

フェール・セーフ

フェール・オペラブル

フォールト・トレラント/ 耐故障

冗長度設計

安全設計

: Fool Proof

: Fail Safe

: Fail Operable

: Fault Tolerant

4-5) 航空機のシステム設計 –手法

• System Descriptionシステム記述

• System Schematic

•信頼性アロケーション系統図

• Fault Tree Analysis <Top Down法>FTA

• Failure Mode and Effect, Criticality Analysis <Bottom Up法>

FMECA

/ FMEA


型式証明

:故障の原因分析

:故障の影響解析

4-6) 設計の思想違い ;Airbus/Boeing


1) China Airline,名古屋 A320 „94.4

2) Turkish Airline, Amsterdam B737 „09 Feb.25

5.ハード・システム設計-落ちない飛行機

超高信頼性設計- 高冗長性設計

(高信頼性単品部品がベース)

- マルチ・サクセス・パスの創生

ヒューマン・エラー防止設計- 誤認識、誤作動の撲滅

<<フール・プルーフ設計>>


“落ちない飛行機”に対して

Airbus コメント : too ambitious

(Jun25,2007)

Boeing コメント: Single Pilotも可能性

(Jan.11. 2007)

5-2)ハード・システム <Flt. Cont. Sys>

-落ちない飛行機

超高信頼性システム : 10-12

センサ系: 冗長度は現状維持/解析的冗長をプラス

コンピュータ系: 冗長度は現状同等レベル

/アクチュエーション・コンピュータを格上げ

アクチュエータ系: Flexible Actuation System

/ 舵面 (Effector) のサクセス・パス増加

アドバンスト・グラス・コックピット

/ Windowless (Fine Day) Cockpit

加えて[訓練によるヒューマン・エラー撲滅]

< CRM (Crew Resource Management) >

[ 従来から培ってきた設計法の順守 ]


< China Airline 8.20.2007 @ Okinawa >

全電気システム

2009/6/6 JunSumita 29

5-3) センサ / スキュー配置

; 落ちない飛行機

Skewed Array Sensor/ Parity Check 計測 m=H・w + e

Parity = V・e

ここで V・H = 0

H : 形状マトリクス

w : 3軸変換値

e : ノイズ

If m=Hw+e+ejb

P=Ve+Vjb4重*3軸=12個

6個


5-3)-2 統合センサ・システム

; 落ちない飛行機 Virtual / Analytical Redundancy

- State Observer

- Kalman Filter

Aircraft

Estimator

Controller

~10-13

Accel.

Rate

Attitude

Vel.

Alt.

Others

統合センサ・システム

5-4) フレキシブル・アクチュエーション

マンタ

; Flex. Actuat’n

とんぼ

; Reconfigurat’n


Morphing Aircraft

32

5-4)-2Lessons Learned from Accidents

F-15 (1983, Israel) lost its right wing but could land safely by Pilot’s skill.

2007Apr5JunSumita 33

5-4)-3 フレキシブル・アクチュエーション

操縦桿

/制御入力

通常作動

代替イフェクタ作動

プライオリティ2 プライオリティ3 プライオリティ 4

ピッチGP. : 同時作動エルロン、エンジン作動、等スタビレータ、

フラップ、等

ロールGP : 片効きエルロン、差動エレベータ、等

ヨーGP : 残存(分割)ラダー、差動エンジン、等

:プライオリティ1

BWB 機は18舵面


5-4)-4フレキシブル・アクチュエーション・システム

Simplex Actuatorsの分散配置

- Many Control Surfaces / Actuation Points

- Elastic Structure / Morphing Aircraft

効果的イフェクタの3軸配分

Sensors

Computers

Flex.

Actuation

Pitch

Roll

Yaw

Effectors

<Flexible Actuation System>

Engines

~10-13

current

practice

5-5) コンピュータ– 落ちない飛行機

B-777: 3重系/dissimilar ソフト

(: 高い自己故障発見能力がベース)

A-340: 3重+2重

2009/6/6JunSumita

35

Flexible Actuation system :

3重フライト・コントロール系+3重アクチュエータ・コントロール系

~10-13

ハード・レベルは現状と殆ど変わらない !!


5-6) アクチュエータ: 落ちない飛行機

アクチュエーション・

コントロール・

コンピュータ・

システム

Flexible Actuation System

~10-13

3rd Priority

- Split Surfaces : Differential/Simultaneous

- 2ndary flight control devices

2nd Priority

Throttle Rudder Aileron

Elevator

1st Priority

PILOT / Computer INPUT

PITCH ROL

L

YAW THRUS

T

Right

Left

Uppe

r Lower

Morphing Aircraft Concept / Many Surfaces

/ Curvature Deformation , / Config. Deformation

Actuation Computer

Sensors

System

< Every Possible Candidates for the Control Function >

Multi-Success Paths

5-6)-2 アクチュエータ; 落ちない飛行機

EHA / Electro-Hydro Actuator

- A380, F-35,

EMA / Electro- Mechanical Actuator

革新アクチュエータ研究 -名大等

/ 小出力・分散型 (通産省研究)

; 圧電セラミックス

; 形状記憶合金

; 高分子系・静電アクチュエータ

アクチュエーション・システム・

コントロール・コンピュータ

- ACE /Actuator Control Electronics


< F-18 >

<EHAの構造>全電気航空機

5-7) コックピット・システム– 現状、 / 落ちない飛行機


B747-200

B-777

B-787

A380

2009/6/6 JunSumita 39

5-7)-2 コックピット- 落ちない飛行機

EGPWS (Enhanced Ground Proximity Warning System)

主ディスプレイのトンネル表示例

From “NAL Report”

Vertical Mode

誤認識/誤操作のないパイロットとの接点設計

5-7)-3 Windowless Cockpit

; 落ちない飛行機


Advanced Glass Cockpit

: 常に昼間好天時外景の合成提示

CG統合ディスプレイ

6. ソフトウェア設計 <Flt.Cont.Sys>-落ちない飛行機

高信頼性ソフトの構造- 多重 / Dissimilar

- Loose Synchro.

高信頼性ソフトの内容- 通常飛行時 : 自動 / 最適 / 自律制御

< 新方向ATC -デジタル自律制御- との整合性 >

- 異常飛行時 : 耐故障制御

/ 再構成制御 ; Implicit FDI


( Fault Detection & Isolation )

6-2) 落ちない飛行機– ソフト・システム / FCS

最適 / 自律制御

; 自動制御 / 最適制御

; 自律制御 / 人工頭脳、Expert Sys.with Flt. Managmt. Sys

<< 交通管制システムとのデジタル会話 >>

耐故障制御

; 再構成制御 / (ex.) 適応制御、Neural Net Work Control

< Fuzzy or Neural Expert System >or

; 反射反応的制御 + (最適)自律制御

More Automation / 自律飛行制御

2009/6/6JunSumita 42Single Pilot Operation

各種制御概念の複合

43

6-3) 最適経路設定制御 –通常飛行時

最適自動飛行 : 飛行管理システム(FMS) / かなりマクロな最適性

状況の変化に応じた最適経路変更 / 例

Combination of the RTA* algorithm for online search and the R-TABU search method for nonlinear optimization

1Waypoint in

)('),( 11 iiii nhnngJObjective Function

inWaypoint

1Waypoint in

[Sub-Waypoints]

航工会報告書より

Ex.きめ細かい燃費制御

FMS Reset Pt.

6-4) Fuzzy Expert Control :通常時- Flight Pattern in More Automation

Basic flight performer

:FMS

<from Take Off to Landing >

ATC interaction

:Autonomous Control

by Fuzzy-Expert Control

such as forintruder avoidance,adverse area avoidance, mission change, landing sequence, etc.

Fuzzy Control Step

1st: 飛行プラン変更の検討・決定

2nd: 経路変更の実施 (次のFMS利用地点まで)

Change Pt.

提案

FMS

6-4)-2 Fuzzy Expert Control - 1st Step

directions

AIRCRAFT

monitor

ATC

checkcheck

Revised plan

DO

Aircraft and ATC Relationship

Flight and Mission Organizing : Prior to Action

<while following the current flight plan>

(Autonomously)

compatible ATC are req‟d


6-4)-3 Fuzzy Expert Control -2ND STEP

– 数値シミュレーション

1

0

0

0

2000

300

4000

600 m

ΔDh

ΔDv

PS PL ZE

1

0

0

0 0.3

0.1 1.2

0.4 deg/s

ω d

ω v

PS

PL ZE

0.6

0.2

ZE PS PL

Th ZE ZE PL PL

Tv PS ZE PS PL

PL ZE PS PS

ΔDh ,ΔDvωd

ωv

Membership Function

Fuzzy Rule

This is also achieved thru the actuation of the alternatives for the reconfiguration..

OWN

INTRUDER

EX. 衝突回避運動

(in 3D)

6-4)-4 Fuzzy Expert Control Concept- Simulation Example by MATLAB -2

Simulation Result :

<Avoidance of Adverse Weather Area>In Landing Case :

(not calculated, see the left)

-Membership Functions /

for Antecedent

: deviation

(from directed point, time,

or desired path etc. )

for Consequent

: turning rate

Fuzzy Expert could change the Flight Path autonomously.

6-5) 再構成飛行制御 – 異常飛行時

< 一般的概念 >


異常/故障の発生

・システム故障 : システムが処理/10-9(10-12)・その他故障 (空力的故障 –舵が効かない)

: 耐故障制御/ 再構成制御

耐故障制御- 適応制御 / モデル規範型

/ Self Tuning Regulator/ 自己学習方式(Neural Network)

故障の識別・同定(Fault Detection & Isolation)

制御則の再構成(Reconfigured FCS)

ExplicitOr

Implicit

2004.10.9Jun Sumita 49

6-5)-2 再構成の手法


6-5)-3 再構成の手法


6-5)-4 再構成/制御則の手法

6-6) 再構成飛行制御 – 一般的概念-2


経産省/航工会研究: 耐故障飛行制御システムの研究

- フィードバック誤差学習方式

- Neural Network を組み入れたダイナミック・インバージョン方式

/ H15-16, H17-19, H20-(22)

<<試験実証>>

-JAXA µ-PAL実験機- 小型無人機

;世界の最先端研究

前頭、側頭、後頭、上頭中継点

2009/6/6JUnSumita

53

6-7) 異常時制御 – 耐故障/反射反応

感覚系運動系

大脳皮質/連合野

右脳、左脳

前頭葉

ニューロン/ コラム

感覚皮質、運動皮質

大脳各部

小脳、間脳

神経系

筋肉、関節

軸索

感性受容器

視覚、聴覚

体性感覚

目、耳、鼻

脊髄、延髄


6-7)-2

反射反応的安定作動制御 – 下層制御

故障/機体応答

Flex. Actuation

安定

P,q,r, etc.:threshold

Gain 調整

: With プライオリティ1

(通常アクチュエーション)

: With プライオリティ2以降

: 作動イフェクタ記憶/作動設定

Pilot

Input

dormant

or normal

提案

2009/6/6JUnSumita 55

6-7)-3 Flexible Actuation; (Math) Simulation Results for Basic Layer Control

Attitude/Alt. Hold Controller

: disturbance control,

with “trim” reference

:

Aircraft

Sensors

Controller

Attitude,rate

Straight /level

Disturbance

by failure

a :For Controller

(ex.)

If authorityaa , ,or 0

t

a If authorityrr , ,or 0

t

r

Then arK Then aaldifferentieK ,

Add, and (if necessary) .)(constkt

p

Used Actuator are in memories, with the amount

And applied thereafter, in the proportion


6-7)-4 Aircraft Response Tests -1 in Flight Simulator 実験

Roll (no control)

Yawi (ditto)

Roll (with control)

Yaw (ditto)

¼ of Left Wing Break-Off at V=150Kt. H=3000ft. In MU-300

< Recovery by Differential Elevators , Rudder >


6-7)-4 Aircraft Response Tests -2

in Flight Simulator 実験

Left Engine Drop-Off at V=150Kt. H=300Ft

< Recovery by Aileron, Rudder, >

Roll (no control)Yaw (ditto)Roll (with control)Yaw (ditto)


6-7)-5 反射反応制御のステップin Basic Layer

Step 1 : Reflex Action

- for distinct faults

corrective action by all of active surfaces

<no pilot participation>

Step 2 : Pilot Control Initiative

- for dormant faults

<pilot control finds faults, and

evokes corrective actions>

corrective action thru

all of active surfaces/effectors <The acted effectors are in memory, & applied thereafter for the function>


6-8) Pilot Controls in Autonomous System

Superimposing

- for tailoring the control to the feeling

of the pilot

OverridingPilot Control

Autonomous Control

- Superimpose (full time)

- Override (by switch)

Aircraft

Movement

<Commander & Full Time Participation>

Single Pilot with

Fault Immune System

Concept: Tailoring the Flight Control

2009/6/6 JUnSumita 60

6-8)2 HACM architecture

航工会研究報告書より

( Human As a Control Module )

7. まとめこれからの航空機 : 成熟期の技術革新

< 更に安全なシステムへの発展が求められる >

10-12 ハードウェア- 革新的高信頼性センサ系 /スキュー配置、解析冗長

- フレキシブル・アクチュエーション

- 高冗長系コンピュータ (分散機能)

More Automation / < Autonomous Control >: 航空交通管制システムとの整合 ( with Digital Communication)

- 耐故障制御

: 反射反応/ 最適自律制御、再構成制御

: Fuzzy / Neuro Expert Control

<< Single Pilot Operation >>

<< 日本がリードしていくためには >>

/飛行実証実験プログラムの実施

/機体開発/派生型開発プログラムの持続の中で技術革新2009/6/6JUnSumita 61

効率的マルチ・サクセス・パス !!(ハードの数は限定)

全状況対応の自動化

21世紀は日本航空機工業の世紀

@Next 100 Years;重工プロジェクトへの冷静な反応

落ちない飛行機

ご清聴ありがとうございました

(株) 航空システム代表取締役

航空宇宙産業アドバイザ

炭田潤一郎

[email protected]


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