航空電子機器

セスナ・サイテーションI/SPの機首に搭載されたレーダーやその他の航空電子機器
航空電子機器を配置したF-105サンダーチーフ

アビオニクス（航空電子工学、 aviationとelectronicsを組み合わせた造語）は、航空機に搭載される電子システムです。アビオニクスシステムには、通信、航法、複数のシステムの表示と管理、そして個々の機能を実行するために航空機に搭載される数百ものシステムが含まれます。これらは、警察ヘリコプターのサーチライトのように単純なものから、空中早期警戒プラットフォームの戦術システムのように複雑なものまで様々です。[ 1 ]

歴史

「アビオニクス」という用語は、1949年に Aviation Week & Space Technology誌の上級編集者であるフィリップ・J・クラスによって「aviation electronics 」を組み合わせた造語として作られました。[ 2 ] [ 3 ]

無線通信が航空機で初めて使用されたのは第一次世界大戦の直前であった。[ 4 ] 最初の空中無線機はツェッペリン飛行船であったが、軍は、空中偵察複葉機が撃墜された場合に即座に観察結果を報告できるように、重航空機に搭載できる軽量の無線機の開発を促した。航空機からの最初の実験的な無線通信は、 1910年8月に米国海軍によって実施された。最初の航空機無線は無線電信によって送信された。これには、電信キーを操作してモールス信号でメッセージを打ち込む2人目の乗組員を乗せた2人乗りの航空機が必要だった。第一次世界大戦中、 1917年に振幅変調音声双方向無線機が三極管真空管の開発によって可能になった（TM（三極管）を参照）。三極管真空管は十分に単純で、単座航空機のパイロットが飛行中に使用することができた。

レーダーは、今日の航空機航法や航空管制で中心的な技術として使われているが、第二次世界大戦の直前の1930年代に防空システムとして複数の国で主に秘密裏に開発された。現代の航空電子機器の多くは、第二次世界大戦中の開発に端を発している。例えば、今日では当たり前となっている自動操縦システムは、爆撃機が高高度から精密目標を攻撃できるよう安定飛行するための専用システムとして始まった。[ 5 ]イギリスが1940年に同盟国アメリカとレーダー技術、特にマグネトロン真空管を共有することを決定し、有名なティザード作戦が行われたことで、戦争期間が大幅に短縮された。[ 6 ]現代の航空電子機器は、軍用機支出のかなりの部分を占めている。F -15Eや現在は退役したF-14のような航空機では、予算のおよそ20%が航空電子機器に費やされている。現代のヘリコプターのほとんどは、現在、予算の60/40が航空電子機器に充てられている。[ 7 ]

民間市場においても、航空電子機器のコストは上昇しています。飛行制御システム（フライ・バイ・ワイヤ）の導入や、空域の狭小化に伴う新たな航法ニーズの出現が、開発コストを押し上げています。大きな変化は、近年の一般向け航空需要の急増です。航空機を主要な移動手段として利用する人が増えるにつれ、こうした制限の厳しい空域において航空機を安全に制御するための、より精巧な方法が開発されてきました。

現代の航空電子機器

航空電子工学は、米国連邦航空局（FAA）の次世代航空輸送システムプロジェクトや欧州の単一欧州空域ATM研究（SESAR）イニシアチブといった近代化計画において重要な役割を果たしている。合同計画開発局（JDO ）は、以下の6つの分野における航空電子工学のロードマップを提示している。[ 8 ]

  • 公開されたルートと手順 – ナビゲーションとルーティングの改善
  • 交渉された軌道 – データ通信を追加して優先ルートを動的に作成
  • 委任分離 – 空中および地上での状況認識の強化
  • 低視程/天井進入/出発 – 地上インフラを少なくして天候制約のある運用を可能にする
  • 地上作戦 – 進入と離陸の安全性を高める
  • ATM効率 –航空交通管理（ATM）プロセスの改善

市場

航空機電子協会は、 2017年の最初の3四半期のビジネスおよび一般航空における航空電子機器の売上が17億3000万ドルで、前年比4.1％の増加だったと報告しています。そのうち73.5％は北米で、先行装備が42.3％、57.7％は米国が2020年1月1日にADS-Bアウトアプローチの義務化を期限としたことによる後付け装備でした。[ 9 ]

航空機の航空電子機器

コックピット、あるいは大型航空機の場合はコックピットの下、あるいは可動式のノーズコーン内には、制御、監視、通信、航法、気象、衝突防止システムなどの航空電子機器が搭載される典型的な場所があります。ほとんどの航空機は、14ボルトまたは28ボルトの直流電源システムを使用して航空電子機器に電力を供給していますが、より大型で高度な航空機（旅客機や軍用戦闘機など）には、115ボルト、400Hzの交流電源システムが搭載されています。 [ 10 ]航空電子機器の大手ベンダーとしては、ボーイング社、パナソニック アビオニクス社、ハネウェル社（現在はベンディックス/キング社を所有）、ユニバーサル アビオニクス システムズ社、ロックウェル・コリンズ社（現在はコリンズ・エアロスペース社）、タレス・グループ、GEアビエーション システムズ、ガーミン社、レイセオン社、パーカー・ハネフィン社、UTCエアロスペース システムズ（現在はコリンズ・エアロスペース社）、セレックスES社（現在はレオナルド社）、シャディン アビオニクス社、アビダイン社、イスラエル エアロスペース インダストリーズ社などがある。

航空電子機器に関する国際規格は、航空電子工学委員会によって作成され、ARINCによって発行されます。

航空電子機器の設置

アビオニクスの設置は、現代の航空において極めて重要な側面であり、航空機の安全かつ効率的な運航に必要な電子システムを確実に装備することを可能にしています。これらのシステムは、通信、航法、監視、飛行制御、気象検知など、幅広い機能を網羅しています。アビオニクスの設置は、小型の一般航空機から大型の民間ジェット機、軍用機まで、あらゆる種類の航空機で行われています。

インストールプロセス

航空電子機器の設置には、技術的な専門知識、精度、そして厳格な規制基準の遵守が求められます。このプロセスには通常、以下の手順が含まれます。

  1. 計画と設計：アビオニクス部門は、航空機の設置前に航空機所有者と緊密に連携し、航空機の種類、使用目的、規制要件に基づいて必要なシステムを決定します。多くの場合、新しいシステムに対応するためにカスタム計器盤が設計されます。
  2. 配線と統合：航空電子機器システムは航空機の電気系統および制御系統に統合されており、耐久性と識別性を高めるために配線にはレーザーマーキングが必要となることがよくあります。工場では、正確な設置を保証するために詳細な回路図を使用します。
  3. 試験と校正：設置後、各システムは適切に機能することを確認するために、徹底的に試験と校正を行う必要があります。これには、地上試験、飛行試験、そしてFAAなどの規制基準へのシステムの適合性確認が含まれます。
  4. 認証：システムの設置とテストが完了すると、航空電子機器工場は必要な認証を取得します。米国では、IFR（計器飛行方式）運航に関するFAA Part 91.411および91.413への準拠、およびRVSM（短縮垂直間隔最小値）認証の取得が含まれることがよくあります。

規制基準

航空電子機器の設置は、航空機システムの安全性と信頼性を確保するための厳格な規制枠組みによって管理されています。米国では、連邦航空局（FAA）が航空電子機器の設置に関する基準を定めており、これには以下のガイドラインが含まれます。

  • システム パフォーマンス: 航空電子工学システムは、FAA によって定義されたパフォーマンス ベンチマークを満たし、飛行のすべての段階で正しく機能することを保証する必要があります。
  • 認定: 設置作業を行うショップは FAA 認定を受ける必要があり、その技術者は多くの場合、一般無線電話オペレーターライセンス (GROL) などの認定を受けています。
  • 検査: 新しく設置された航空電子機器システムを搭載した航空機は、飛行許可を得る前に、地上テストと飛行テストの両方を含む厳格な検査を受ける必要があります。

航空電子工学技術の進歩

近年、航空電子工学分野では急速な技術進歩が見られ、システムの統合化と自動化が進んでいます。主なトレンドは以下の通りです。

  • グラス コックピット: 従来のアナログ ゲージは、完全に統合されたグラス コックピット ディスプレイに置き換えられ、パイロットにすべての飛行パラメータの集中表示を提供します。
  • NextGen テクノロジー: ADS-B と衛星ベースのナビゲーションは、航空交通管制の近代化と国家空域の効率向上を目的とした FAA の NextGen イニシアチブの一部です。
  • 自律システム: 高度な自動化システムは、より自律的な航空機システムへの道を開き、安全性と効率性を高め、パイロットの作業負荷を軽減します。

コミュニケーション

通信は操縦室と地上、そして操縦室と乗客を結びます。機内通信は、機内放送システムと機内インターコムによって提供されます。

VHF航空通信システムは、118.000MHzから136.975MHzのエアバンドで動作します。各チャンネルは、ヨーロッパでは8.33kHz、その他の地域では25kHz間隔で隣接チャンネルから離されています。VHFは、航空機間や航空機と管制局間の見通し内通信にも使用されます。振幅変調が使用され、会話は単信モードで行われます。航空機間の通信は、HF（特に大洋横断飛行の場合）または衛星通信でも行われます。

航空航法とは、地球の表面上または地表上の位置と方向を決定することです。航空電子機器では、衛星航法システム（ GPS、WAAS、EGNOS、GBAS/LAASなど）、慣性航法システム（INS）、地上ベースの無線航法システム（ VOR、LORANなど）、またはこれらの組み合わせを使用できます。GPSなどの一部の航法システムは、位置を自動的に計算し、移動する地図ディスプレイで飛行乗務員に表示します。VORやLORANなどの古い地上ベースの航法システムでは、パイロットまたは航法士が紙の地図上で信号の交点をプロットして航空機の位置を決定する必要がありましたが、最新のシステムでは、位置を自動的に計算し、移動する地図ディスプレイで飛行乗務員に表示します。

監視

エアバスA380のグラスコックピットには、引き出し式のキーボードとパイロット用の2つのワイドなコンピューター画面が側面に備わっている。

グラスコックピットの最初の兆候は、1970年代に、飛行可能なブラウン管（CRT）スクリーンが電気機械式ディスプレイ、計器、計器に取って代わり始めた頃に現れました。「グラス」コックピットとは、計器などのアナログディスプレイの代わりにコンピュータモニターを使用することを指します。航空機には次第に多くのディスプレイ、ダイヤル、情報ダッシュボードが搭載されるようになり、最終的にはスペースとパイロットの注意を奪い合うようになりました。1970年代には、平均的な航空機には100を超えるコックピット計器と操作装置が搭載されていました。[ 11 ]グラスコックピットは、1985年にガルフストリームG-IVプライベートジェット で実現し始めました。グラスコックピットにおける主要な課題の一つは、どの程度の制御を自動化し、どの程度をパイロットが手動で行うべきかというバランスを取ることです。一般的に、グラスコックピットでは、パイロットに常に情報を提供しながら、飛行操作を自動化しようとします。[ 11 ]

航空機の飛行制御システム

航空機には飛行を自動制御する手段が備わっています。自動操縦装置は、第一次世界大戦中にローレンス・スペリーによって発明されました。爆撃機を高度25,000フィートから正確に目標を攻撃できるよう、安定して飛行させるためでした。アメリカ軍に初めて採用された当時、ハネウェル社のエンジニアは後部座席にボルトカッターを持って座り、緊急時に自動操縦装置を切断していました。今日では、ほとんどの民間航空機に、離着陸時のパイロットのミスや作業負荷を軽減するための航空機飛行制御システムが搭載されています。[ 5 ]

最初のシンプルな商用オートパイロットは、機首方位と高度の制御に使用され、推力や操縦翼面といった制御権限は限定的でした。ヘリコプターでは、自動安定化装置が同様の方法で使用されていました。初期のシステムは電気機械式でした。フライ・バイ・ワイヤと電動操縦翼面（従来の油圧式ではなく）の登場により、安全性が向上しました。ディスプレイや計器と同様に、電気機械式の重要な装置にも寿命がありました。安全性が極めて重要なシステムでは、ソフトウェアは非常に厳格にテストされます。

燃料システム

燃料残量表示システム（FQIS）は、船内の燃料量を監視します。FQISコンピュータは、静電容量管、温度センサー、密度計、レベルセンサーなどの様々なセンサーを用いて、船内に残っている燃料の質量を計算します。

燃料制御および監視システム (FCMS) は、同様の方法で船内に残っている燃料を報告しますが、ポンプとバルブを制御することで、さまざまなタンク間の燃料の移動も管理します。

  • 燃料の総量を一定量までアップロードし、自動的に分配する給油制御。
  • 飛行中にエンジンに燃料を供給するタンクに燃料を移送する。例えば胴体から翼のタンクへ
  • 燃料が消費されると、重心制御は尾部（トリム）タンクから翼へと前方に移動する。
  • 翼端に燃料を保持し（飛行中の揚力による翼の曲がりを軽減するため）、着陸後にメインタンクに移す
  • 緊急時に燃料の投下を制御して航空機の重量を軽減します。

衝突回避システム

航空管制を補完するため、ほとんどの大型輸送機と多くの小型輸送機は、交通警報・衝突回避システム（TCAS）を搭載しています。TCASは、近くの航空機の位置を検出し、空中衝突を回避するための指示を提供します。小型航空機は、TPASなどのより簡素な交通警報システムを搭載している場合があります。これらのシステムは受動的であり（他の航空機のトランスポンダーを能動的に照会することはない）、衝突回避のための助言は提供しません。

航空機は、制御飛行による地形への突入（ CFIT）を回避するために、レーダー高度計を主要な要素とする対地接近警報システム（GPWS）などのシステムを使用しています。GPWSの大きな弱点の一つは、地形の「見下ろし」高度のみを提供するため、「前方」情報が不足していることです。この弱点を克服するために、現代の航空機は地形認識警報システム（TAWS）を使用しています。

フライトレコーダー

民間航空機のコックピット・データ・レコーダー（通称「ブラックボックス」）は、飛行情報やコックピットからの音声を記録します。墜落事故発生時に航空機から回収され、事故時の操縦設定やその他のパラメータを確認するために使用されることがよくあります。

気象システム

気象レーダー（民間航空機ではARINC 708が一般的）や雷検知器などの気象システムは、パイロットが前方の気象を予測できない夜間や計器気象条件下での航空機飛行にとって重要です。レーダーで感知される激しい降雨や雷活動で感知される激しい乱気流は、どちらも強い対流活動と激しい乱気流の兆候であり、気象システムによってパイロットはこれらの領域を迂回することができます。

ストームスコープやストライクファインダーのような雷検知器は、軽飛行機にも実用的に使用できるほど安価になりました。レーダーと雷の検知に加え、観測データや拡張レーダー画像（NEXRADなど）が衛星データ接続を通じて利用可能になり、パイロットは自身の機内システムの到達範囲をはるかに超えた気象状況を把握できるようになりました。最新のディスプレイでは、気象情報に加え、動く地図、地形、交通情報を一つの画面に統合して表示できるため、航行が大幅に簡素化されます。

現代の気象システムには、風せん断や乱気流の検知、地形や交通の警報システムも含まれています。[ 12 ]機内気象電子機器は、アフリカ、インドなど、航空旅行が成長している市場であるものの地上支援が十分に発達していない国々で特に人気があります。[ 13 ]

航空機管理システム

航空機に搭載されている複数の複雑なシステム（エンジンの監視・管理を含む）の集中管理が進んでいます。航空機管理コンピュータと統合されたヘルス・アセスメント・システム（HUMS）は、交換が必要な部品について整備員に早期警告を提供します。

統合モジュラー・アビオニクス・コンセプトは、共通ハードウェア・モジュールの集合体全体にわたって移植可能なアプリケーション・ソフトウェアを備えた統合アーキテクチャを提案する。これは第4世代ジェット戦闘機や最新世代の旅客機に採用されている。

ミッションまたは戦術航空電子機器

軍用機は、兵器の搭載、あるいは他の兵器システムの目や耳となることを目的として設計されています。軍が保有する膨大なセンサー群は、あらゆる戦術的手段に活用されます。航空機管理と同様に、大型センサープラットフォーム（E-3D、JSTARS、ASTOR、Nimrod MRA4、Merlin HM Mk 1など）には、ミッションマネジメントコンピューターが搭載されています。

警察や救急医療の航空機にも高度な戦術センサーが搭載されています。

軍事通信

航空機通信は安全な飛行の基盤となる一方、戦術システムは戦場の過酷な条件に耐えられるよう設​​計されています。UHF 、VHF戦術（30～88MHz）、衛星通信システムに加え、 ECCM方式と暗号化技術を組み合わせることで、通信の安全性を確保しています。Link 11、16、22、BOWMAN 、JTRS 、さらにはTETRAといったデータリンクは、画像や目標情報などのデータ伝送手段を提供します。

レーダー

航空機搭載レーダーは、初期の戦術センサーの一つでした。高度による範囲測定の利点から、航空機搭載レーダー技術は大きな注目を集めました。レーダーには、航空機搭載早期警戒レーダー、対潜水艦戦レーダー、さらには気象レーダー（ARINC 708）、対地追跡／近接レーダーなどがあります。

軍は、パイロットの低空飛行を支援するために高速ジェット機にレーダーを搭載しています。民間市場では気象レーダーがしばらく前から使用されていますが[ 14 ] 、航空機の航行にレーダーを使用することについては厳格な規則があります。[ 15 ]

ソナー

様々な軍用ヘリコプターに搭載されているディッピングソナーは、潜水艦や水上艦の脅威から船舶資産を守るのに役立ちます。海上支援機はアクティブソナーとパッシブソナー（ソノブイ）を投下することができ、敵潜水艦の位置特定にも使用されます。

電気光学

電気光学システムには、ヘッドアップディスプレイ（HUD）、前方監視赤外線（FLIR）、赤外線捜索追跡装置、その他の受動赤外線装置（受動赤外線センサー）などの装置が含まれます。これらはすべて、飛行乗務員に画像と情報を提供するために使用されます。これらの画像は、捜索救助から航法支援、目標捕捉まで、あらゆる用途に使用されます。

ESM/DAS

電子支援手段および防御支援システムは、脅威または潜在的な脅威に関する情報収集に広く利用されています。航空機に対する直接的な脅威に対抗するための装置（場合によっては自動）を起動するために使用できます。また、脅威の状態を判断し、特定するためにも使用されます。

航空機ネットワーク

軍用機、商用機、そして先進的な民間航空機の航空電子機器システムは、航空電子機器データバスを用いて相互接続されています。一般的な航空電子機器データバスプロトコルとその主な用途には、以下のものがあります。

最新の統合とデジタルフライトデッキ

航空電子機器は、アナログ計器から、複数のシステムを単一のインターフェースに統合した完全統合型デジタルフライトデッキへと進化しました。現代の航空電子機器スイートには、飛行管理システム（FMS）、合成視覚、データリンク通信、性能基準航法（PBN）、高度な地形・交通流回避ツールなどが含まれています。グラスコックピットは現在、LPVおよびRNP ARアプローチ、状況認識の向上、そして低視程ヘリコプター運航を含む困難な環境における安全性の向上をサポートしています。これらの進歩は、WAASやGBASなどの衛星航法システムによって推進されており、これらのシステムは正確な横方向および垂直方向の誘導を可能にします。[ 16 ] [ 17 ]

参照

注記

  1. ^ Wragg, David W. (1973). 『航空辞典』（初版）. Osprey. p. 47. ISBN 9780850451634。
  2. ^ McGough, Michael (2005年8月26日). 「In Memoriam: Philip J. Klass: A UFO (Ufologist Friend's Obituary)」 . Skeptic. 2015年9月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年4月26日閲覧。
  3. ^ディクソン、ポール (2009). 『宇宙時代の辞典』 JHU Press. p. 32. ISBN 9780801895043. 2021年10月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年11月24日閲覧。
  4. ^ 「無線による飛行機の操縦」『テレフォニー』77 (8)。シカゴ、イリノイ州：テレフォニー出版：1919年8月23日。2021年10月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年11月24日閲覧。
  5. ^ a bジェフリー・L・ローデンゲン著。ISBN 0-945903-25-11995年にWrite Stuff Syndicate, Inc.より出版。「ハネウェルの伝説」
  6. ^レジナルド・ビクター・ジョーンズ(1998). 『Most Secret War』 . ワーズワース・エディションズ. ISBN 978-1-85326-699-7。
  7. ^ Douglas Nelms (2006年4月1日). “Rotor & Wing: Retro Cockpits” . 2019年4月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年4月17日閲覧。
  8. ^ 「NextGen Avionics Roadmap」（PDF） . Joint Planning and Development Office. 2011年9月30日. 2012年4月17日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2012年1月25日閲覧。
  9. ^ Chad Trautvetter (2017年11月20日). 「AEA: Retrofits Lift Avionics Sales through 3Q」 . AIN . 2017年12月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年11月21日閲覧。
  10. ^ “400 Hz Electrical Systems” . 2018年10月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008年3月19日閲覧。
  11. ^ a bアビオニクス：開発と実装、キャリー・R・スピッツァー著（ハードカバー、2006年12月15日）
  12. ^ラムジー、ジェームズ（2000年8月1日）「気象レーダーの適用範囲の拡大」 Aviation Today。2013年1月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年1月25日閲覧。
  13. ^ Fitzsimons, Bernard (2011年11月13日). 「Honeywell、安全な成長のために革新を続けながら東へ目を向ける」 . Aviation International News. 2011年11月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年12月27日閲覧。
  14. ^ Woodford, Chris (2007年8月7日). 「レーダーの仕組み | レーダーの用途」 . Explain that Stuff . 2022年6月24日閲覧。
  15. ^ 「14 CFR § 121.357 - 航空機搭載気象レーダー機器の要件」法律情報研究所2022年10月20日閲覧。
  16. ^ 「ヘリコプター向け旅客機型PBN」アビオニクスマガジン、2019年2月。 2025年10月6日閲覧。
  17. ^ 「Hughes Aerospace PBN Executive Summary」（PDF） FAASafety.gov 2024年1月 2025年10月6日閲覧。

さらに読む

  • キャリー・R・スピッツァー著『アビオニクス：開発と実装』 （ハードカバー、2006年12月15日）
  • 『Principles of Avionics』第4版、Albert Helfrick、Len Buckwalter、Avionics Communications Inc.著（ペーパーバック、2007年7月1日）
  • 航空電子工学トレーニング：システム、インストール、トラブルシューティングLen Buckwalter著（ペーパーバック – 2005年6月30日）
  • Avionics Made Simple、Mouhamed Abdulla博士、Jaroslav V. Svoboda博士、Luis Rodrigues博士著（コースパック – 2005年12月 - ISBN 978-0-88947-908-1）。
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