2D3 国産水上飛行機開発プロジェクト ○伊藤景一 (飛洋航空機製造開発株式会社)、千田泰弘 (飛洋航空機製造開発株式会社)、伊藤恵理（東京大学院）、中川英毅 (飛洋航空機製造開発株式会社)、小舘民雄 (飛洋航空機製造開発株式会社)、櫻井達美 (飛洋航空機製造開発株式会社) The Development of a New Japanese Seaplane Keiichi Ito (FOAMDC), Yasuhiro Senda (FOAMDC), Eri Itoh (University of Tokyo), Hideki Nakagawa (FOAMDC), Tamio Kodate (FOAMDC), Tatsumi Sakurai (FOAMDC) Key Words: Flying Boat, Seaplane, Floats, Water Transportation, Ultra Light Plane, General Aviation Abstract This paper describes the concepts of an ongoing project whose objective is to build Japanese made seaplanes to revitalize medium and small sized manufacturing companies in the Keihin industrial zone of Japan. Seaplanes became almost obsolete soon after the Word War II due to the higher operating cost compared to that of the land based aircraft and word wide availability of runways. However, recent advances in computational and material technologies have come to a point where it is now possible to mitigate many of the drawbacks once encountered. This paper describes the motivation and the plan of the project. 1. はじめに日本のような海洋国においては、運用効率の良い水上飛行機は、環境保護、旅客輸送、遠隔地医療、救難、自家用、レジャーの面から極めて重要な可能性を秘めるものであり大きな潜在市場がある。しかしその製造技術に関しては設計手法が未だ確立されておらず、とりわけ中小企業が開発に参入できるような技術基盤が整備されていない。したがって中小企業にも利用できる設計システムを確立し、この成果を広く我が国の中小製造業に公開しサポートすれば、世界に無いユニークな水上飛行機の製造が可能図 1 1/8 スケールのコンセプトモデル例（本間大氏製作）となり中小企業による航空機製造への道が開かれ、我が国の製造業の活性化を計ることができるとともに、利用の普及によって地域経済の活性化が大きく期待できる。本プロジェクトは未だ確立されていない水上飛行プロジェクトの背景と意図 2. 本プロジェクトは様様な背景を背負って生まれて来た。本節では、その主な物を列挙することにより、本プロジェクトの社会的動機を示すことにする。機の艇体形状の総合的設計手法を確立し、我が国の中小製造業が競争力のあるユニークな水上飛行機の製造に参入する技術を提供し産業と地域の活性化に貢献することを目指す。 2.1. 航空産業の停滞と活性化第二次世界大戦後の連合国からの強制的な航空機の研究製造禁止によって、その製造の技術の空白とマインドの消沈が背景にあった。然しながら、ＹＳ −１１の製造により復活があったが、依然としてアンジン、複合材料、最適化設計システム等その応用メリカの航空機のライセンスによる生産と、自衛隊範囲は多岐にわたり、中小企業の活性化に与える波用の採算を度外視した生産により辛うじて息が続い及効果は大きい。た。５５年体制の崩壊はグローバル化に伴い経済性が重要視され、また顧客の価値観の多様化により、新しい市場変化を生じるようになってきた。 2.4. ＩＴとコンピュータの発達近年、コンピュータは低価格化し非常に性能が発達してきた。ＣＡＤや強度計算、シミュレーション 2.2. 中小企業の技術的継承と社会環境等の模擬実験が容易に試行されるようになってきた。バブル景気崩壊以降、社会環境は大きく変化し、中小企業でも対応が必須となってきた。 2.5. 新素材の発達１）少子化に伴い日本人の平均年齢は、急速な高齢様様な複合材料や金属材料が開発され、軽量、高化構造となり工業立国としての｢神業的な職人の技強度、且つ化学反応に強い素材の適応が広範囲に利術継承｣が困難になってきた。それを伝承し補完する用できるようになってきた。為に技術ベータベースの構築、ＩＴ技術の活用等の利用が必須になってきた。 2.6. 水上飛行機の製作の意図２）先進諸国から発展途上国に高度な技術移転が成１）水上飛行機の発着場所は新たに巨大な空港を作され、豊富な資金移入並びに低廉な労働力と連動し、る必要がなく、巨大な設備資金が不要である。漁港廉価で品質の安定した製品が中国を初めとする東ア設備の利用も考えられる。ジア諸国からの輸入によりわが国の産業はダメージ２）滑走路を建設する場合と異なり、海の埋め立てを受けるようになった。特に中国は『世界の工場』や山林の造成により自然破壊することが殆ど無い。として工業製品の巨大な供給源の存在となってきた。３）中小企業者に技術公開するため産業活性化に貢３）多くの後継者の子弟が大手企業のサラリーマン献できる。として勤務するような社会現象になってきた。（３K ４）日本の大学や研究機関では、航空機の製造は行に代表される回避傾向）その為に伝承的な技術は継っておらず、本プロジェクトは産官学連携で作成す続されなくなってきた。る為に実学の教育の提供ができる。４）大企業からの下請け供給受託関係の一方的な解５）全国の大学工学部航空宇宙工学科卒業生を活用消により自立しなければならなくなった。部品製造する。長年航空宇宙工学の研究に携わってきても、の供給の構造変化（中抜き取引現象傾向）が生じる卒業後大多数の人は他分野の就職をして充分にそのようなって、中小企業が直取引するようになった。専門能力を発揮できない状況であるので、同学科卒（IT の普及と大企業の系列関係の解消）業生の活用の場を提供したい。５）昨今の構造的な景気変動は、ケインズ学説のよ６）航空レジャー産業を創設することにより、今まうな公共事業のインフラ事業によっては解決しないでにない分野の活路を開くことになる。ことが証明された。設計や工業デザイン、ソフトウェア産業など知的創造物を伴う産業を起業する機運 2.6.1. ユニークな技術の一例が高まってきた。（中小企業でも設備投資の過小であ１）耐波性のよいフロート・艇体の開発るため起業が容易）２）潮水に強い機体構造（新素材、複合材料）３）軽量，低価格エンジンの開発 2.3. 産業のインテグレーション効果航空機の製造開発は科学技術の集大成であり、エ４）最新コンピュ−タ技術の CAD／ＣＡＭ／ＣＡＥを総合活用して中小企業開発者のデザインの要求に対し満足性の高いものを製作計指針は１にフィードバックし、基本及び詳細設計５）最適化設計手法を開発し、中小企業の事業開においては、近年の数値流体力学（ CFD）の成果（市発に利用販のソフトを含む）を積極的に利用する。 2.6.2. 本プロジェクトの目的・特徴１）最適化の設計思想を取り入れる。 3.2. 安定性（Stability）機体は停泊中、走行中共に安定でなければならな２）CFD 手法により解析を行う。い。各フェーズの機体設計案に対してその安定性を３） IT を利用してバーチャル・ファクトリーを行予測するソフトを開発する 2。特にポーポイジング、うことによい広く参加者を募集する。チャイン・ウォーク、スキッピング、ヨーイング等、４）プロジェクト進行は、東京大学工学部、都立動的不安定性の要因になる運動を出来るだけ正確に産業技術研究所、都立航空高専、横浜国立大学、予測しなければならない。これは空力的な（航空機東海大学等の産学公共同の連携によって行われる。としての）安定性とも連成している。技術的課題 3. 3.3. 抵抗の分解（Decomposition of Total Drag）小型水上飛行機の実現には数多くの技術課題が存離着水性能及び飛行性能を推定する上で、水力学在するが、本節では当面取り組まなければならない的な抵抗の推定が欠かせない。各フェーズの機体設設計と設計システム（ソフト）に係わる問題を中心計案に対して艇体の水力学的な抵抗を推定するソフに述べる。トを開発する 3。その際、航空機の急速な発展を支え水力学的視点からは、飛行中には通常の航空機とた「Divide-and-Conquer」の思想を尊重して、排水抵同等の性能をもち、なおかつ水上から安全に離着陸抗、粘性抵抗、造波抵抗を分離して計算できるようできる水上飛行機の艇体形状の同定が設計上の目標にする。抵抗成分を分離してその各々に対して物理である。航空機設計論の慣わしに従い、３つのフェ的観点から適切な処置を設計に施せるようにする。ーズで設計を行うためのシステムを考える。すなわある艇体形状はどの抵抗成分で問題を起こすか、艇ち概念設計、基本設計、詳細設計の各フェーズに適形状のパラメーター変化や速度等の状態量変化がど合したシステムである。これらのシステム開発を実のように各成分に影響を及ぼすか等解析できるよう機開発を通して行う。以下大まかに７分野の技術項にする。目に分けてそのプロセスを説明する。ルビの数字は具体的な作業項目を示す。 3.4. 数値流体力学（CFD）基礎設計においては、様様な艇体パラメーターの 3.1. 艇体形状の設計（Hull Design）設定において出来るだけ正確な水力（着水時の衝撃以下の技術項目で行う作業は全て艇体形状の設計を含む）の推定をする事とその物理的原因の解明がするためのものであるが、概念設計や、従来型の水重要である。上で述べた１,２,３等のソフトは CFD 上飛行機を設計する際は、経験的に知られている設で得られた知見やデータを基に構築する。詳細設計計指針が大いに有効である。これらを体系的にまとにおいては最終的に絞られた艇体に対して、精度の 1 めて、概念設計ソフトに取り込む。基本設計、詳細高い予測値と水槽及び風洞試験のための指針を与え設計において、新たな艇体形状を模索するためにはる。CFD の利用方法はまず、自由表面が扱える市販パラメトリックスタディーを行う必要があり、以下の CFD ソフトウェアに対して、NACA-TN-2503 等の６つの技術項目は、その際勘案されるべき内容のお実験データの存在する水上飛行機の艇体パラメータおまかな枠組みを示している。新たに解明された設ーを使って、実験データの再現を試みる 4。これにより、整合性が取れれば、そのままソフト開発に利用し、そうでなければ必要な補正または数学モデリングを行う（インハウスの CFD 開発を含む）5。ソフト開発での利用の仕方は、数学モデリングの項目を参照。図 4 横浜国立大学の水槽：様様なスペクトルの波を含む水面を模擬できる 3.6. 最適トリム角（Optimum Trim）設計パラメーターと安定性及び抵抗の関係がある図 2 CFD 計算結果例：水面を滑走する簡易水上飛行機モデル（翼と五角柱）の航跡の様子程度解明された段階で艇体のトリム角の制御問題を扱う事が出来るようになる。離水時の抵抗最小のトリム角履歴を取ることが出来れば、滑走距離も短くて済むし、パイロット教習の面からも有益な情報である。また艇体設計においては、最適トリムで安定な設計にすることが望ましい。自動制御の検討も含めて、離着水時における最適トリム履歴を同定する 8。 3.7. 数学モデリング（Mathematical Modeling）パラメーターの変更毎に、CFD による計算や水槽・風洞試験を行うのは現実的では無いので、設計パラメーターや状態量・初期条件等を入力として、図 3 CFD 計算格子の様子所望の情報が得られるようにしなければならない。そのために適切な実験計画に基づき CFD や水槽・風 3.5. 水槽及び風洞試験（Wind Tunnel and Towing 洞試験のデータを利用して、入力に対する応答曲面 Tank Tests ）を求める 9。また３の物理的洞察を得るのにも CFD 既存の水槽実験データが一度に扱うパラメーターを利用して数学モデリングを行う。また、開発初期の数は限られており、基礎設計の段階で真にパラメにおいては、それぞれの技術項目は分離して考えるトリックに設計を行おうとすると、実験範囲外の設が、段階的に空気力学・水力学・動力学・構造力学計も出てくると予想される。そのような設計に対すとの連成を考慮し、より洗練された設計が可能になる CFD の信頼性を検証するためには、やはり水槽やるようにする。風洞での実証を要所要所で行わなければならない 6。詳細設計においては最終的な確認のために行う 7。 3.8. 安全性の確保水上飛行機を製造開発し、社会に広く普及させるために、安全に運用する技術が求められる。本プロジェクトは、老若男女が気軽に安全に操縦できる水の機体の動特性は正常なものと異なるため、設計基上飛行機の開発を目指す。準自体を考え直す必要があり、発展が期待される。水上飛行機は、水と空気の両方の影響を受けるた飛行制御技術は公表されていないものが多く、水上め、特有の不安定現象を生じる場合がある。特に、旅客機を生産し世界市場に進出するためにも、日本ポーポイジングと言う現象が難題の一つになってい独自の技術開発が望まれる分野である。る。ポーポイジングとは、水上飛行機が離水時に海これらの技術を実現するために、産学が連携して研面でピッチ安定性を欠き、イルカの泳ぐような上下究を行う。運動をして発散する不安定現象である。舵の効きが他にも、水上飛行機が身近な輸送手段になることを十分でない速度で空中に跳ね上がった機体は、前に推定し、航空管制の在り方を考慮しなければならなのめるか、翼端失速で横に倒れるか、極めて危険ない、といった課題があげられる。状態となる。ポーポイジングの発生は、フロートまたは艇体の浸水面積、形状やトリム角に依存すると 3.9. エンジンについていわれている。しかし、それらの値を概念設計に利本プロジェクトでは、新しい水上飛行機用エンジ用し、安全性を確認するために離水時の運動特性をンの製造開発を行う。エンジンに求められる性能は、シミュレーションするのは難しい。そこで、本プロ重量が軽く、かつカタログ通りの推力が得られるこジェクトでは、CFD 計算結果を利用して水上飛行機と、高負荷運転での耐久性があること、防錆対策がの安定微係数を決定して安定性推算を試みる。そし施されていること、コストが小さいことである。製て、水槽実験で有効性を確実に評価する。造したエンジンについては、十分にメンテナンス体また、本プロジェクトでは、操縦の容易な水上飛制を整え、市場を開拓しなければならない。行機の開発を目指す。航空機がパイロットに困難な馬力あたりの重量が小さいエンジンの実現は、特操縦を強いると、人命に関わる事故を引き起こす原に、エンジン重量比が大きい ULP の性能、安全性に因となる。安全性を確保するため、パイロットの操著しく貢献すると予想される。そこで、軽量で高性縦負荷が小さくなるよう設計する必要がある。その能なエンジンの製造開発を目指す。ためには、まず、パイロットの操縦負担と機体の動水上飛行機の海上での離着水を考慮し、万全の防特性を関連付け、概念設計に生かすことができる操錆対策を施すことも、必要不可欠である。製造した縦性評価基準の提案を試みる。水上飛行機の操縦にエンジンの国内外での需要を見込み、整備および部おいて、最も操縦が難しいのは、離着水時である。品交換を行うために日本および海外でのメンテナンこのときのパイロットの操縦負担を軽減するよう機ス体制を確立する。そして、日本のみならず世界中体を設計するだけでなく、より効率的な操縦方針をで安全に水上飛行機が運用できるよう、信頼性の高提案することも必要となるだろう。陸用航空機の緊いエンジンを供給する。急時について、安全な離着水を保証する操縦法の提また、エンジンの製造開発コストを抑える努力を案にも発展できる知見を得るであろうことも予想さする。このプロジェクトには、京浜地区を中心に多れる。また、飛行中、機体に事故・故障が生じた時、数の中小企業が連携しており、低コストで高性能な無事に帰還できるよう、最善の耐故障技術を取り入エンジンを製造するための技術はすでに集結していれる。例えば、舵の効きが悪くなった場合や機体のる。運航費についても低コスト化を実現する。低コ一部が破損した場合でも、安全性を確保する飛行制スト化は、水上飛行機が身近な輸送機関として普及御系の構築を目指す。事故・故障時でも安全な飛行できる有効な対策である。を継続させ得る事故修復飛行制御技術が、欧米や日本でも重点的研究課題となっている。事故・故障時 3.10. タイムライン当プロジェクトの当面の大雑把なスケジュールを個人の自家用飛行機に対する需要は米国において以下に示す。図にあるのは、ウルトラライトプレー操縦免許取得が６０万人といわれる一方，わが国はン（ULP）までの開発だが、2006 年以降順次小型機６０００人とその１％程度である。人口比率のとお開発に着手する。りにはならないとは言え現在の１０倍程度の潜在的プロジェクト 2005 年 2004 年 7月 12 月 9月 1月 3 、4月 6 月 9月 1 2月 2006年 1月・・・フロート CFD・ソフト開発な飛行機操縦人口があるという想定は必ずしも間違いではないと思われる。この種の課題として利用人基本設計水槽実験口を拡大する仕組みの整備が急務である。製造設計製造 4.1.1. ULP に対する飛行制限の緩和基本計画エンジン ULP 基本設計現在、ULP は国土交通省省令によって、発進した風洞実験製造設計製造・試験飛行場から一定の距離以内を飛行したあともとの飛基本計画行場に戻らなければならないとされている。自動車生産設計に例えれば、サーキット内だけしか走れない車であ製造試運転図 5 ULP 開発までのタイムテーブルり、移動手段とならない。ULP を魅力的にするためには先進諸国のように、移動手段としても使えるように安全性などの枠組みを整備した上で規制緩和をすることが期待される。安全策としては例えば、無商業的課題 4. 線の設置やフライトレコーダの設置の義務付けなどわが国のウルトラライトプレーン（ULP）や小型が考えられる。わが国の ULP 機は３０００機とも言航空機など自家用航空機の利用市場は先進国に比べわれており，現状ではこれらの機体は特定の飛行場著しく小規模であり未発達といえる。例えば、登録に帰属したままであり、他地点での利用には陸上運された自家用機の数は送を行わなければならないなどの制約から利用が伸全世界２２，５７６機、米国１５，５６９機、欧州２，２８９機にたいし、日本びていない。航空特区などの設定により安全対策を考慮して順次緩和地域を増やす等の施策が活性化に大きく貢献すると考えられる。１５２機日本の場合ほとんどが公用機で、純粋商用機は約２５機（出典：NBAA Business Aviation Fact Book 2003） 4.1.2. ULP に対する重量規制の緩和 ULP は前記省令によって単座は自重１８０Kｇ以と少ない。また、レジャー用の ULP や小型飛行機の下，複座は２２５ｋｇ以下と定められている。この利用者を見ても自作航空機ため，機体構造には著しい制限を設けざるを得ない。機５３７（人）ULP １３０（人）小型航空２２００（人）と先進北米に比べて二桁以下の規模であるとされている。わが国の個人用自家用機市場は、このように未発達の段階にあるといえる。したがってこの市場を活先進国にはもっと緩やかな規制によって、機体設計の自由度を大きくし、快適性能の付加などができるようになっており、この規制緩和は需要の喚起に非常に有効である。性化するための方策が今後の課題である。先ず，利用の活性化の課題と供給 4.1.3. エクスペリメンタル航空機の概念の導入体制の課題がある。航空スポーツの盛んな先進諸国では，わが国に無いエクスペリメンタル航空機の概念が明確に定義され 4.1. 利用活性化の課題ており、その枠内で自ら製作した航空機が多く飛んでいる。諸外国においては、飛行実績に基づいて安イツ，イギリス，ロシア，フランスなど全世界に１全性が確認されれば、ある程度自由に飛行できると４社以上が存在する。する概念があるが、わが国の現状はこれを認めていない。エクスペリメンタル機が認定されている国においては、小型航空機は自作キットとしても販売されて個人の創意工夫によって、先進的な航空機やオンおり、ネットによる通信販売も盛んである。リーワンのユニークな航空機を作り，飛行できると航空機製造技術は非常に関連分野が大きく，技術いう概念は，自家用機や個人愛好家の市場を真に活波及効果が著しい為航空機製造体制の確立は中小製性化することができる方策として，今後の導入が期造業の活性化や地域産業の活性化に直結する期待が待されている。大きい。 4.2.2. 4.1.4. 水上飛行機発着場の整備関連サービスの開発水上飛行機の操縦免許取得や安全な利用の普及のわが国は嘗て水上飛行機の商業旅客用の利用が盛為，操縦訓練学校や普及活動を行なう拠点を国内各んであり、多くの発着場が存在した。福岡飛行場や地に展開しサポートするサービスの提供が必要であ小笠原の父島飛行場などは代表的である。今後のわる。水上飛行機の利用に係る各種情報の提供たとえが国の水上飛行機の利用は，嘗てのそれではなく、ば、オンラインでの発着場の波浪予報サービス、安個人が海洋レジャーやスカイスポーツ、あるいは、全ガイドサービスなどが考えられる。商業航空路の無い地点を結ぶ空のタクシーといった、より個人向けの利用を目指すべきであり、わが国が法的課題 5. ユニークな海洋国家として海と共存する道を大きく既に前節でも述べられているように、法的課題を開く手段として考えるべきである。したがって、こ無視しては日本の航空機産業の活性化をすると言うれからの水上飛行機発着場は、ヨットハーバー、レ目的は果たせない。現存の法制度が適切なものであジャー漁港、マリンレジャーセンター、マリンリゾるか、或いは形骸化し、産業の発展を妨げているかート、離島観光などと密に関連して設定されるべき検討し、その改善に積極的に係わっていく。水上飛であると考える。行機の開発・製造・運用等について、我が国における関係法令等の規制などについて調査検討するもの 4.2. 供給体制の課題を以下にまとめる。わが国の URL や小型水上飛行機の供給体制は、これまで市場が未発達であった為に、皆無に等しく、これを整備することが今後の課題である。 5.1. 検討対象 ①当面は「ウルトラライトプレーン（ULP）」の製造・運用に関する規制など 4.2.1. ベンチャー、中小企業による航空機製造体制・製造上の規制の確立・運用上の規制：飛行区域、離着水海域、離 ULP や自家用小型機の製造は，先進国に見られるようにベンチャーや中小企業の参加が可能な航空機産業の一分野であり、あらゆる技術が国内で調達可能なわが国において、今後、市場さえ活性化されれば当然、育つ可能性が大きい産業分野の一つである。着陸場所、接舷岸壁・その他の留意事項：飛行機・操縦士等乗組員の安全対策、保険など ②近い将来は「小型水上飛行機」・水上飛行機の位置付け：飛行機であるが、小型水上飛行機の市場は世界で２０万機といわれて船ではないか？離着水時の前後の水上航行おり（Bombardier 社）、米国，カナダ，イタリア，ド距離・時間が長い・製造上の規制・運用上の規制 6. おわりに戦後、水上飛行機は航空業界の表舞台からしだいに姿を消した。しかし、今日の計算技術、制御技術、材料科学をもってすれば、４０年前のそれより遥かに優れた水上飛行機が実現できておかしくない。本プロジェクトは、この「知の空洞」を埋めることにより、新たな次元で効率性を追求した水上及び水陸両方で離着陸が可能な航空機の開発とそのための設計用ソフトウェアツールの開発を実現しようとするものである。本プロジェクトはまだ動き出したばかりだが、最終的にはかなり大掛かりになる事が想定される。中小企業と航空機産業の活性化、人材活用、法政整備、需要開拓の何れが欠けても成り立たない。我々は、京浜工業地帯に留まらず日本を元気にし、世界に喜ばれるような成果にしたいと思っている。 7. 1. 参考文献 W. C. Hugli, J. and W.C. Axt, Hydrodynamic Investigation of a Series of Hull Models Suitable for Small Flying Boats and Amphibians, TN2503. 1951, NACA: Washington. 2. Hamilton, J. and J.E. Allen, Seaplane Research the MAEE contribution. The Aeronautical Journal, 2003(March). 3. Raymer, D.P., Aircraft Design: A Conceptual Approach. Education Series. 1989, Washington D.C.: AIAA. 4. 日本航空宇宙学会：航空宇宙工学便覧, pp. 691-694 5. 菊原静雄：「新しい飛行艇の傾向」, 日本航空宇宙学会誌，第 5 巻，第 37 号，pp. 46 – 52 6. 菊原静雄：「飛行艇艇体の水力学的設計」，日本航空宇宙学会誌，第 20 巻，第 223 号，pp. 426 - 433 7. NBAA Business Aviation Fact Book 2003 8. 航空法施行規則（昭和二十七年七月三十一日運輸省令第五十六号）http://koukuu.hourei.info/