■第八章 F-16への道


■フライ・バイ・ワイア

F-16から本格採用されたもう一つの大きな新技術がフライバイワイア(FBW)でした。これはコンピュータによる操縦補助装置なのですが、以後の戦闘機の操縦と運動性を根本から変えてしまう技術となりました。なので、この辺りを少し詳しく見て置きましょう。

Fly by wireは直訳すると電線で飛ぶ、ですが地球上のあらゆる電線は空を飛べませんし飛びません。
じゃあなんなの、と言えばこれはコクピットの操作によって送り出される電気信号をコンピュータが適切な操作に変換してアクチュエーター(動力装置)を制御し、舵(ラダー)、昇降舵(エレベータ)、補助翼(エルロン)などを動かす仕組みを指します。つまり電気信号を通じて機体を操縦する、という事です。

従来の機体では各動翼は操縦桿とペダルからケーブル(索)で直結され、これを人力で直接動かしてました。第二次大戦後の大型機などからは油圧補助が付くものが増えましたが、それでも人力操縦という基本的な構造は1970年代に入るまでほぼ変わりません。今でも安価な民間小型機、グライダーなどはこの直結式のままで飛んでいます。

こういった構造では操縦が力仕事になるしケーブル(索)が切れたら終わり、という切実な問題がありました。前者の対策としては油圧補助が、後者の対策としては二重ケーブル(索)の採用が行われます。操縦用のケーブル(索)が二重になっていれば、どちらかが切れてもそう簡単に操縦不能にならないわけです。

が、世の中には二重ではまだ十分に安全とは言えぬ機体がありました。軍用機、中でも戦闘機です。機体内にケーブル(索)を通せる空間は限られるため一発の弾丸で両方のケーブル(索)が同時に切れてしまう可能性が高く、このため三重、四重に補助ケーブル(索)が必要になって来ます。
が、通常は機体内にそんな空間は無く、さらに操縦用ケーブル(索)は意外に重くて航空機でもっとも避けたい重量増に直結します。こうした問題に対する解答として考えられたのがフライバイワイヤ、電気制御で飛ぶ仕組みでした。これなら電気スイッチを入れる程度の力であらゆる操作ができ、接続は細くて軽い電線ですから、三重、四重の多重系統化も容易です。さらに操作索が無くなれば整備の手間も大幅に効率化される事になります。

このアイデア自体は古くからあったようですが、問題もまた多かったため簡単には実現しませんでした。
例えば緊急回避の急速横転と着陸準備のゆるやかな横転とでは操縦速度は全く異なり、前者は素早く、後者は逆にゆっくり操縦桿を動かす必要があります。が、電気式だとスイッチを入れるか切るかの二択しかなく、このため同じ回転速度で、同じように機体は動くだけで、操作の速度は全く反映されません。

これだと緊急時に操作が間に合わない事態が発生しますし、逆に繊細な操縦が必要な場合も問題になります。この問題の解決にはパイロットによる入力の強弱や速さを感知する装置が必要で、それは制御用コンピュータが必要な事を意味しました。そこでコンピュータを間に挟んだフライバイワイアが登場する事になるのです。その構造を簡単に説明してしまうと、以下のようになります。





従来の操縦系統は、操作用の索(Cable)でスロットルレバーとエンジン、操縦桿とエルロンなどを直結、それぞれをパイロットが押したり引いたりして物理的に直接動かす、というものでした。途中に油圧装置が入ったりする事もありますが基本は人力で操作、物理的には直結の操縦系統です。

対して電子式操縦系統、いわゆるフライ・バイ・ワイアはそういった操作用の索を全て撤去してしまい、操縦桿やフットペダル、スロットルなどの下には単に入力情報を電気信号に変換する装置が入ってます。この電気信号がコンピュータで処理された上で各部に置かれた制御装置に指示信号が送られ、油圧や電気モーターのアクチュエータ(制御/動力装置)が実際に各部を動かすのです。

この目的の一つが操縦系の複数化、生存性の向上ですから、試作機のYF-16でも4つのコンピュータを搭載し、操縦系も4つに分散されてバックアップするようになっていました。量産型のF-16A以降でも、この4つに分散された操縦系統は維持されたのですが、以後、何度も改修されており最新型ではどうなってるのかはよく判りませぬ…。

さらにフライバイワイアにはもう一つのメリットがありました。
パイロットの入力は一度コンピュータで処理されるため、もし墜落に直結するような危険な操作をしたら、これを拒否する、あるいはより適切な穏やかな機動にする、といった修正が効くのです。
戦闘機のような高い機動性を持った機体は一般に安定性が低く、これによって高い運動性を持つのですが(わずかな操作で敏感に反応する)、逆にちょっとした操縦ミスで速攻で墜落に直結する可能性が高くなっています。が、フライバイワイアを利用すれば、これをやったら危険という操作を予めコンピュータに入れて置き、パイロットがうっかりその操作を行っても入力を拒否する、という仕組みが可能になります。これによって操縦の安全性は大幅に向上することになりました。
例えばF-16Aの場合、旋回時のG(加速度)は9Gまで、迎角は23.5度までで、それを超えると自動的にリミッターが入り、それ以上の操作はできなくしてました。

さらにこれを利用すれば機体設計にミスが見つかっても、その問題を避けて操縦するように設定すれば安全に運用する事も可能です。実際、F/A-18などでは、初飛行後に見つかった問題のいくつかをフライバイワイアの修正で解決してしまい、機体の大幅な設計やり直しを避けています。

この結果、航空機の性能をキチンと引き出すには、フライ・バイ・ワイアの飛行プログラムの優劣が大きく関わる事になり、以後の機体開発ではそのコンピュータプログラム開発部門が追加され、極めて重要な役割を担う事になって行きます。

■アナログ フライ バイ ワイア

最初に実用化されたフライバイワイヤはアナログコンピュータ制御によるものでした。普通にコンピュータと聞いて連想するデジタルコンピュータはCPUやメモリがあり、0と1の2進数で制御されるコンピュータです。この記事を読んでる皆さんのPC、タブレット、スマートフォンなども全てこれです。

が、0と1の数字でデータを扱わない、CPUもメモリも無いコンピュータ(計算機)が存在します。それが歯車や回転板、さらに複数の電気スイッチなどを組み合わせて作られ、特定の計算に特化したアナログコンピュータ(機械式計算機)と呼ばれるものです。これらは第二次大戦時に戦艦の砲撃の照準などに使われていました。
アナログコンピュータは構造上、柔軟なプログラミングは不可能で、最初に設定された操作にしか対応できないのですが、初期のデジタルコンピュータは大きすぎ、さらに信頼性に疑問があったので、この旧式なアナログコンピュータが採用されていました。

アナログコンピュータのフライバイワイヤを世界で初めて搭載したのはカナダの幻の超音速戦闘機、1958年3月に初飛行したアブロカナダCF-105だと言われていますが、これはわずか数機造られただけで生産が打ち切られてしまいました。そもそもこの時代の技術でどこまで実用性があったかも微妙な所があります。よって実用レベルで最初に採用したのは1969年3月に初飛行した民間機、超音速ジェット旅客機のコンコルドでしょう。



私の知る限り、コンコルドは飛行中に銃撃を受けるような運用は想定されてないので、これは操縦の安全確保のためのフライバイワイアでした。無尾翼デルタに6枚分割のエレボンという旅客機では例を見ない複雑な構造で超音速飛行をするため、従来の人力操縦系統では安全ではないと判断されたのです。これは民間機としては世界初ですし、キチンと実用化された機体としても恐らく世界初でした。



1974年1月に初飛行した(これは予定外のハプニング飛行で正式な計画による初飛行は2月)F-16は、量産まで行われた最初のフライバイワイア戦闘機となっています。当初はアナログコンピュータによるフライバイワイアだったのですが、1984年から製造に入ったC型とD型(複座)以降からデジタルフライバイワイアに切り替えらえました(ただし初期のC&Dの一部はアナログコンピュータのままだったらしいが)。後にA&B型の一部もデジタル式に改修されたようですが、全機なのか一部だけなのかは判りません。とりあえず、これによって以後の機体はフライバイワイアによる制御が一般的になって行きます。

ちなみに、F-16のフライ・バイ・ワイア装置は世界初でありながら、実に細かい部分まで造りこまれていました。例えば、空中給油を受けるために背中の給油口を開くと、自動的に操縦スティックやラダーペダルの信号が大幅に減衰され、誤操作で機体が大きく動いてしまうのを防いでますし、着陸時に脚が出ると、ロール機動(進行方向を軸に機体をぐるりと回す運動)の入力信号は半分にカットされ余計な横揺れを防いでます。世界初の採用にしてはかなりよくできていたと言えるでしょう。



ちなみにF-16の同世代機、約半年遅れで1974年8月に初飛行したヨーロッパの共同開発機(といっても主な部分の開発はほとんどイギリスがやってる)、パナビア トーネードもフライバイワイアの操縦系でした。こちらも当初はアナログコンピュータだったのですが、装置の一部は最初からデジタル化されていた、という話もあり。写真は後に湾岸戦争に投入されたトーネードのGR-1。

この機体、高迎え角時の気流対策である斜め空気取り入れ口、フライバイワイアの採用と、それなりに先進的だったんですが、可変翼というボイド達がとっくに見切りをつけていた技術を今さら搭載、結局、その任務は地上攻撃がメインとF-111と同じような展開を見せる事になります。まあ正直言って、パッと見た印象もYF-16、YF-17に比べて古臭いなあ、という感じはぬぐえないです。ちなみにトーネードの攻撃型は湾岸戦争中に少なくとも8機を損失したと見られ、多国籍軍中最大の損失を受けた機体となっています。

余談ですが、こういった天井付き空気取り入れ口は高迎え角対策ですから、離着陸時と空中戦時のエンジンへの空気流量確保のためと思われがちです。が、実際はそれは半分の理由に過ぎません。現在の航空戦で戦闘機が高機動、急旋回をもっとも必要とするのは、誘導ミサイルの回避なのです。ベトナム背戦争で猛威を振るい、湾岸戦争でも最大の脅威だった地上から撃ちあげられる地対空ミサイル(SAM)から逃れるには、急旋回による高機動性が命になって来ます。

ベトナムにおける地対空ミサイル(SAM)の脅威はすでに見ましたが、1991年の湾岸戦争でもこの点は同じようなものでした。この戦いにおける多国籍軍の航空機損失の87%は地対空ミサイル、そして対空砲によるものでした。残りの13%は原因不明で、その内、空中戦による損失と見られるのは海軍のF/A-18(USS サラトガ所属)が開戦直後にイラクのミグ25に撃墜された一機だけです(ただしこれも推測理由で確定はされてない)。
多国籍軍の損害は損失(Lost)38機、重度の損傷(Damaged)48機、 計86機と作戦期間が短かった割には意外にあるのですが、そのほとんどと言っていい87%、約75機までが地上からの対空攻撃による損失だったのです(以上の数字はアメリカ空軍が1993年にまとめた報告書 Gulf War Air Power Surveyによる)。

これら地上からの対空ミサイル、そしてレーダー誘導の対空砲から確実に逃れるには、高いGを掛けた素早い急旋回が必須となり、この時、大量の空気を必要とする大出力エンジンがキチンと性能を維持できるよう気流対策が行われているわけです(というか流入気流の対策を取らない大出力エンジンでは空気不足で火が消えて止まる)。上の数字を見れば、むしろこちらのための対策が主だというのが判ると思います。

■F-35のフライバイワイア疑惑

前回も述べたように、F-35ではこの空気流入対策を放棄しており、空気取り入れ口の上側になんの板もありません。そんなF-35ではフライバイワイアのプログラムで、2017年まで旋回は最大加速度7Gまで制限されていました。つまり急旋回の限界性能はかなり低かったのです(通常、旋回が急になるほど(迎え角が大きくなるほど)Gも大きくなる)。

F-35では空軍のA型のみプログラムによる規制が2017年中に解除され、9Gまでの急旋回が可能になりました。ただしフライバイワイアの更新によって機体が頑丈になるなんて物理的にありえませんから、これは恐らくエンジン吸気問題による制限だったのではないか、と思われるわけです(もし機体構造の耐久性不足で7G規制が掛かってるなら完全な欠陥機である)。

となると9G旋回まで可能と言っても条件付きで、おそらくエンジンが止まる条件の旋回はフライバイワイアによって今でも規制されてると思われます。つまり無条件で高負荷旋回に入れるわけでは無いはずです。
さらに2019年現在に至っても9G旋回が可能なのはA型のみで、海兵隊用の垂直離着陸機B型は7G、海軍用の艦載機C型は7.5Gのフライバイワイアによる旋回規制がかかったままです。すなわち旋回の限界性能は第二次大戦時の機体レベルの数字となっています…。どうすんの、これ。

ちなみに1980年代までF-15Aでも旋回時の加速度を7.3Gまでに制限してましたが、これはフライバイワイアではないF-15では機体重量、速度ごとの限界Gを即座に計算できないためでした。
F-15では離陸重量の17トン(燃料満載+機関砲弾)で9G旋回は当然問題なし、さらにスパロー4発満載の18.6トンあたりまでも問題なく9G旋回が可能でした。ただしこれ以上重量が増え、さらに主翼下にサイドワインダーをぶら下げるとなるとさすがに9G旋回は無理で、この辺りから旋回時のG限界規制が掛かって来ます。ところがフライバイワイアではないF-15では飛行中にその限度計算が随時できないので最初から一定の安全マージンを確保して一律に7.3Gの制限をかけたのです。
(この段階では耐用年数の見当がつかず、機体構造の劣化が進む高負荷を避けた、という面もあったらしいが)

なのでフライバイワイアではないF-15では、その気になればいつでも9G旋回をやってしまえました。そもそも機体だけなら(パイロットも機外の武装もないなら)14G程度の負荷まで耐えられるようになってる機体なのです。
なのでこのままでじゃアカン、という事になり、後にOWS(Overload warning system/超過警告装置)が搭載されます。この装置により燃料搭載量、武装の重量、そして速度(マッハ数)ごとに、いつ9Gまで掛けていいか即座に判断できるようになり、この規制は撤廃されました。要するにF-15の場合、機体に問題があったわけではないのです。
実際、最初からフライバイワイアを搭載して最適な9G制限が掛けられたF-16にこういった規制は全くありませんでした。この点はフライバイワイアで強制的に7G以下の旋回しかできなくしていたF-35とは根本的に異なるのに注意が必要です。


なのでF-16は9Gまで負荷を掛けられますし、フライバイワイアのリミッターが無いF-15では12Gまで掛けて生還した猛者が居た、という記録もあります(ちなみにF-16も緊急時にはリミッター解除が可能になってるらしい)。他の国の戦闘機も同じような数字ですからF-35は生きるか死ぬかのドッグファイトに入ったら極めて不利ですし、ミサイル回避能力も見劣りしますから実戦で使うにはかなり無理があるように思います。…どうする気なんでしょうね、この辺り。



米海兵隊用であり、垂直離着陸機でもあるB型は7Gを超える負荷を掛けた旋回はできません。海兵隊の場合、地上部隊支援が主任務で空戦はそれほど重視されてない可能性もありますが、それはむしろ地上からの対空攻撃を一番食らう任務に投入される事を意味するのです。おそらく近年の高機動ミサイルを相手では上手く逃げれないでしょう。

さらに後のステルス編でまた説明しますが、F-35の場合、機体下面のステルス能力が低い可能性があり、よって下方向からレーダーで狙われる対空砲火、対空ミサイル(SAM)に対して脆弱性を抱えてると思われます。ホントにどうするんでしょうね、これ。もしかしたら、ドラえもんのステキ秘密技術の提供によりそこら辺りの問題は解決済み、という可能性も否定はしませんが、私ならこの機体で敵地進入はやりたくないですね。

さらに余談。
嘉手納に2018年の5月ごろまで約半年ほどF-35が派遣され、アメリカ空軍の中でも最強レベルにある沖縄のF-15パイロットと飛行訓練を行った事がありました(自衛隊のF-15とも密かに模擬空戦をやったらしいが未確認。ちなみに嘉手納のF-15Cはレーダーなどの電子機器を含め、いろいろ“特別”な機体でアメリカ空軍最精鋭部隊の一つ)。
この時の事をDefence Newsが2018年3月に取材し、F-15Cのパイロットの一人、Brock McGehee大尉にインタビューしています。その時のやりとりが興味深いので紹介して置きましょう(ちなみに派遣されたF-35は9G飛行可の最新型(Block 3F))。
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So can the F-15 beat the F-35 in dogfights?
“I mean, sometimes,” McGehee said, adding that all aircraft lose in aerial combat sometimes, and for various reasons.
“Part of it is the aircraft and part of it is the man in the aircraft,”

(訳:
結局、F-15はF-35を空中戦で打ち負かせるのですか?
「そうだね、それはその時々による。全ての機体は色んな理由で、その時々の空戦で負ける」マギーヒーは言葉を続ける。
「一部は機体のせいであり、一部は中の人間のせいでだ」

*この場合のsometimes は二つの対象を並べて、半々の確率でどちらかになる、といった意味。
例:Sometimes I go by bus and sometimes by car バスで行ったり、車で行ったりするよ)

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立場上、かなり言葉を選んでますが(笑)、なかなか興味深い意見です。
完全状態のF-35相手に模擬空戦をやった上で、少なくとも彼はF-15がF-35にかなわないとは思ってないと見るべきでしょう。しかもDefence Newsが基地に入って取材してる以上、記事の公表前に軍が内容を検閲してるはずなのに、その公表を差し止めなかった、つまり彼の発言を否としなかったわけです。
さらに上の記事が書かれたのは、2017年のレッドフラッグ演習で、F-35が20対1の撃墜比(20機撃したが1機しか失わなかった)を記録した、とアメリカ空軍が発表した後なのにも注意が要ります。これはアメリカ空軍の大本営発表と実際に戦って見た現場のパイロットでは意見が違う、という事を意味します。

よって、この辺り、空軍の上層部にF-15擁護派がいるのかも…とか思ってたんですが、その後、2020年度予算からホントに米軍はF-15(X)を少なくとも72機(単座、複座合わせて。E型とは別のC&D型の代替機である)、新規導入する可能性が高いと、空軍参謀長のゴールドフィン(David Goldfein )が発表したのです。やっぱりなあ、という所で、やはりF-35だけではどうしようも無いのでしょう。ただし、彼は予算の申請はできても決定権は持たないので、国防省や議会で弾かれる可能性もありますが、おそらくいずれF-15は帰って来ることになりそうです。
( David Goldfein の発言は2019年1月26日にDefence News で発表された。よって、おそらくほぼ既定事項だと思われるがこの記事を執筆中の2019年2月の段階ではまだ断言まではできない)

ただし、公平のために述べて置くと、沖縄に居るF-15飛行隊は極めて練度の高い部隊であり、対して今回派遣されたF-35Aの飛行隊は比較的経験の浅いパイロットが多かった、という点は注意が要ります。もっとも、パイロットの経験差がそのまま出る、という事は機体性能にさしたる差が無い、という証左でもあるのですが。

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