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航空計器 instrument for aircraft
1. 速度計 speed indicator
(1)指示対気速度計 IAS indicator:indicated air speed indicator
(2)真対気速度計 TAS indicator:true air speed indicator
2. マッハ計 Mach indicator
3. 加速度計 accelerometer
4. 高度計 altimeter
(1)気圧高度計 barometric altimeter
(2)電波高度計 radio altimeter
●絶対高度計 absolute altimeter
5. 回転計 tachometer
6. 温度指示計 temperature indicator
7. フライト・ディレクター flight director
●ADI:attitude director indicator
8. HSI:horizontal situation indicator
9. ラジオ磁気指示計 RMI:radio magnetic indicator
10. ジャイロ計器 gyro instrument
(1)定針儀,ディレクショナル・ジャイロ DG:directional gyro
(2)垂直ジャイロ VG:vertical gyro
(3)水平儀 gyro horizon
(4)旋回計 turn and slip indicator
(5)機首磁方位測定装置 MHRS:magnetic heading reference system
●総合計器表示 IIS:integrated instrument system
●位置誤差 position error
●静圧配管系統 static air pressure system
●ピトー管 pitot tube
●グレア・シールド glare shield

 航空機に装備される計器は航空機の種類・大きさ・用途によってそれぞれ適当とする計器を選んで取り付けているため少しずつ違ったものになるが,操縦室に装着されている計器類を分類すると,おおよそ次のようになる。

基本飛行計器――
対気速度計,高度計,磁気コンパス
基本エンジン計器――
エンジン回転計,燃料量計,潤滑油油量計,同油温計,同圧力計
飛行計器(flight instrument)――
昇降計(垂直速度計),旋回傾斜計,人工水平儀,大気温度計,偏流計
エンジン計器(engine instrument)――
吸気圧力計(ジェット機では圧力比計),気化器温度計,シリンダ温度計(ジェット機では排気ガス温度計またはジェットパイプ温度計),エンジン振動計,エンジン回転同調計またはプロペラ位相同調計
航法計器(navigational instrument)――
ラジオコンパス,コース偏位指示器またはクロスポインター指示器,マーカービーコン通過指示灯,精密低高度用電波高度計,真対気速度計
方位指示器
DC-10のコックピットの計器類
747のコックピットの計器類
767のコックピットの計器類
747-400のコックピットの計器類
MD-11のコックピットの計器類
777のコックピットの計器類
図1-5-7 747の操縦士計器パネルとコントロール・スタンド
図1-5-8 MD-11の操縦士用計器パネルとコントロール・スタンド
 これらの計器の要否や装備については設計基準(耐空性審査要領,またはFAR)に細かく規定されている。なお,上記のうち対気速度計にはマッハ計が加わるし,人工水平儀はいわゆるフライトディレクターも意味する。またコース偏位指示器は現在ではHSI,ラジオコンパスはRMIとして知られている。
 航空計器の特徴は航空機に装備される関係上,安全に対する要求が特に厳しく,他の交通機関に比べ信頼性が高いこと,スペースや重量に制限があること,温度や圧力の変化,振動や加速度に強いことが必要であり,しかも指示値が広範囲であって,さらに指示が正確で読み取りやすくなければならない。また,高速度で飛行しているので読み取りや正常と不良の判断が容易なようにカラーマーキングやバグ(指示用のマーク),あるいは計器自体の機能状況を示すフラッグなどを設けておく必要がある。
 大型機になると計器の数が増えてくるため,同系統の計器を2個以上組み合わせたり,1つの計器に多くのデータを統合して指示させ,操縦との視線の分散を防いだり,細かに数字を読む必要がなかったり,時間の余裕がないデータは,図的に表示させるなどの工夫も必要となる。
 こうした計器は設計基準によって配置される場所が決まっており,どの飛行機に乗っても混乱を生じないようにしてある。すなわち,飛行・航法用計器は正・副両操縦士の前方に置かれ,エンジン関係の計器はその中間に置かれる。また,一部の計器は機関士席に設けられる。飛行・航法計器の配置もまた規定に定められており,飛行機の姿勢を示す計器は操縦士の前の上方中央に,対気速度を示す計器はその左側に,速度を指示する計器はその右側に,飛行機の方向を指示する計器は中央下側に置くというように,計器板上にT型に配置する。イギリス製の航空機ではこれらの周囲を白い線で囲っているものもある。また,これらの計器は厚手のアルミ合金で作られ,光の反射を防ぐために灰色につや消し塗料された計器板に取り付けられて磁気の影響をなくしており,さらにこの計器板は機体の振動が伝わらぬよう,振動吸収ゴムを介して機体構造に取り付けられている。
 航空計器を作動原理によって分類してみると次の五つがある。すなわち〈1〉ダイアフラム(空盒)計器,〈2〉ジャイロ計器,〈3〉磁気計器,〈4〉電気計器,〈5〉バイメタル,熱電対,ブリッジ回路を利用する計器である。
〈1〉 ダイアフラム計器は,ダイアフラムの内外の圧力差による変形を機械的に指針の動きに直すもので,高度計,対気速度計などに用いられる。また,ダイアフラムの代わりにブルドン管の変位を利用するものがあり,圧力計(油圧,高圧空気など)に用いられる。
〈2〉 ジャイロ計器は,ジャイロスコープの軸が空間に対して常に一定の方向を指示し続ける,という性質を利用するもので,航空機が運動して与えておいた基準位置からずれると,その量を指示するようにした計器で,人工水平儀,ジャイロコンパス,INS(慣性航法装置)などがある。
〈3〉 磁気計器は,地球の磁気と機首方位とのずれを指示する計器で,磁気コンパスがこれに相当する。
〈4〉 電気計器は,地上の交通機関や固定設備のものと特に変わりはなく,電流,電圧,周波数,電力,力率などを指示する。
〈5〉 バイメタル,熱電対,ブリッジ回路を利用して主として温度(大気温度,エンジン排気温度,吸入空気温度,各装置類の温度)を測定し指示させる。
 次にこれらの計器の主なものについて説明する。
1.速度計(speed indicator)
 航空機の速度には,対気速度(大気に対する速度)と対地速度(地表に対する速度)があるが,これらの他にマッハ数(対気速度と音速との比)も速度を表すために用いられる。対気速度を指示する計器としては指示対気速度計(IAS indicator)と真対気速度計(TAS indicator)があり,マッハ数を指示する計器としてマッハ計(Mach indicator)がある。対地速度は以前はドップラー・レーダーにより知ることができたが,現在では慣性航法装置(INS)により非常に正確な対地速度が得られる。
(1) 指示対気速度計(IAS indicator:indicated air speed indicator)
 一般に速度計といえば,対気速度計のことをいう。飛行中の外気の密度が一定であると仮定すると,気流から受ける動圧は流速(すなわち航空機の対気速度)の2乗に比例するので,ピトー静圧管を用いて動圧を検出することにより対気速度を知ることができる。
 ピトー管が検出する全圧(動圧+静圧)と静圧孔が検出する静圧は計器内部のダイヤフラムの内側と外側へ伝えられる。ダイヤフラムは全圧と静圧の差(動圧)によって伸縮する。すなわち動圧の変化を表すので,これを機械的に指針あるいはコンピューターに伝達することにより対気速度を指示させる。
対気速度/マッハメーター(IAS)
(2) 真対気速度計(TAS indicator:true air speed indicator)
 指示対気速度計はピトー静圧管の取り付け位置,機速に伴う大気の圧縮性,大気の密度などによって誤差を生じる。したがって,航法上重要な真対気速度を得るためには誤差補正を行う必要がある。真対気速度はマッハ数と音速(外気温度から計算される)の積であるから,これをコンピューターで計算し,真対気速度計に指示させる。
2.マッハ計(Mach indicator)
 マッハ数は動圧と静圧の関数として表すことができるので,ピトー静圧管からの動圧と静圧によって機械的にマッハ数を算出,表示させることができる。現在では,エア・データ・コンピューターでマッハ数を計算し,コンピューターからの電気信号によりマッハ計を駆動する方法がとられ,機械式のものに比べ,より正確なマッハ数が得られる。なお,マッハ計は対気速度計に組み込まれているものが多い。
3.加速時計(accelerometer)
 加速度を検出する装置。自動操縦,慣性航法,フライトレコーダーなどに使われる。直線運動の加速度を検出するものが多いが,自動操縦のように直線だけでなく,回転運動の加速度,つまり,角加速度を検出するものもある。重りを左右(上下)からスプリングで引いて支えておくと,加速度がかかったとき,その向きと大きさに応じて重りが左右(上下)に変位することを利用している。
4.高度計(altimeter)
 航空機の高度を指示する計器。大きく分けて気圧高度を指示する気圧高度計と,絶対高度を指示する電波高度計がある。
(1) 気圧高度計(barometric altimeter)
 高度が高くなるにしたがって気圧が低くなるという関係を用いて,高度を知る計器。航空機の外気圧(静圧)を高度計内のアネロイド・ダイヤフラム(空盒)に導き,このダイヤフラムの伸縮を指針の動きに変え,それを目盛り盤上で読むようにしてある。計器の目盛りは,標準大気状態における高度を示すよう目盛られているので,実際には測定場所と時間とにより,気圧や気温が変化すると指示高度に誤差を生じる。このため高度計には,そのときの,海面上の気圧を地上から連絡を受け,標準大気とのずれによる高度の誤差を補正する機構が設けられている。この補正を加えて得た高度のことを真高度(true altitude)という場合もある。高高度で巡航中は通常1気圧(1,013hPa,29.92inHg)にセットすることになっており,このときに示される高度をフライト・レベル(flight level)という。最近の大型機ではエア・データ・コンピューターにより誤差を補正し,指示高度の精度を高めている。
(2) 電波高度計(radio altimeter)
 航空機から,地表に向かって電波を発射し,その反射波が戻ってくるまでの時間を測定して高度を知る計器。気圧高度計と異なり,地形と航空機との間の垂直距離,つまり絶対高度を指示するので絶対高度計(absolute altimeter)ともいわれ,高高度用(パルス型)と低高度用(FM型)とがある。ふつう低高度用のものは周波数変調方式が採用され,0〜2,500ftの範囲で正確な絶対高度を示す。
5.回転計(tachometer)
 エンジンの回転数を指示する計器で,たとえばピストン・エンジンではクランク軸の毎分回転数,ジェット・エンジンでは低圧のコンプレッサーの回転数(N1という)と高圧コンプレッサー回転数(N2,場合によってはN3)を示す。ジェット・エンジンでは計器面は,RPMではなく%RPM(通常離陸時の回転数を100としてその他の回転数を%で表したもの)で目盛られている。機械式のものと電気式のものとがあり,前者は遠心力が回転速度の二乗に比例すること,後者は円板に働く力が磁石の回転速度に比例することを利用している。電気式の場合には回転測定部にtacho generator と呼ばれる一種の発電機を取り付け,その電力をtachometer内の電動機が受けて磁石が回転し,円板と連動した指針が回転数を指示するようになっている。
6.温度指示計(temperature indicator)
 温度受感部からの信号により温度を指示する計器で,指示の仕方には,指針がダイヤル目盛りを指すものと,直接数字で示されるものがある。また,対応する受感部が電気抵抗式か,熱電対式かによって,作動原理上も二つに分けられる。前者は本質的には抵抗計で,大気温度計,エンジン空気圧縮機入り口温度計,油温計,気温計など比較的低温用のもの,後者は電流計で,エンジン排気温度計など高い温度を測定する温度計に用いられる。
7.フライト・ディレクター(flight director)
 あらかじめ選択しておいた飛行方式に対し,適正な操縦量を視覚的に指示する装置。操縦量の指示は,姿勢指示器(ADI)上の縦・横2本の指針によって行われ,縦の指針はロール・コマンド・バー,横の指針はピッチ・コマンド・バーと呼ばれている。ロール・コマンド・バーは「バンク(傾斜)させよ」という指示を出し,ピッチ・コマンド・バーは「機首を上げよ(または下げよ)」という指示を出す。航空機が適正な姿勢で飛行しているときは両コマンド・バーは指示器の中央位置にあるが,適正な姿勢でないときはコマンド・バーは中央からはずれて,正しい姿勢に直すために必要な操縦を行うよう指示する。したがって,パイロットは,コマンド・バーが常に中央を示すように操縦することにより,選択した飛行方法に対して正しい飛行状態を保つことができる。機種,装備機器により若干差があるが,目的に応じたスイッチを操作することにより,姿勢,高度,機首方位,上昇(降下)率を一定に保つとか,計器着陸を行うなどの飛行方式を選択することができる。
ADI(attitude director indicator)
 姿勢指示を主目的とした計器であるが,総合計器表示方式により,他のいろいろな指示器が組み込まれている。中央の球は姿勢の指示を,縦/横の針はフライト・ディレクターの指示を行う。その他グライド・スロープ,エクスパンデッド・ローカライザー(ローカライザーの偏位を高感度で指示するもの),ファースト・スロー・インジケーター(希望する飛行速度との偏差を指示するもの)の指示器の他,旋回傾斜計,デシジョン・ハイト・ライト(電波高度計がデシジョン・ハイトになるとオレンジ色に点灯する)が組み込まれている。なお,最近の767やA310以降に開発された航空機ではブラウン管表示になっているものが多い。(→EADI)
姿勢指示計およびフライト・ディレクター(ADI)
8.HSI(horizontal situation indicator)
 総合計器表示方式による航法用計器で,ADIと同じように一つの計器にいろいろな指示器が組み込まれている。計器の中央には,方位板(コンパス・カード)があり,機首方位を表示する。方位板上にはコース・ポインターとデビエイション・バーがあり,希望する飛行コースの方位と希望コース,あるいはローカライザー(計器着陸時)からの偏位を指示する。また,トゥ・フロム・インジケーター(VOR局へ近づいているか,遠ざかっているかを示す),ナビゲーション・ウォーニング・フラッグ(航法信号が失われたときに表れる),ヘッディング・バグ(ヘッディング・セレクターによりセットされ,希望する機首方位を表す)のほか,グライド・スロープ指示器,INSマイレイジ・インジケーター(慣性航法装置―INS―のウェイ・ポイントまでの距離を表示する)が組み込まれている。
 HSIはスイッチ切り換えにより,無線航法計器あるいはINS航法計器として使用でき,設計基準によって操縦室計器板のADIのすぐ下側に取り付けられている。ADIと同様,767やA310以降に開発された航空機ではHSIもブラウン管表示となっているものが多い。(→EHSI)
9.ラジオ磁気指示計(RMI:radio magnetic indicator)
 航法計器の一種で,磁気方位を表す方位板(コンパス・カード)と,ADF局あるいはVOR局に対する相対方位を表す指針を組み合わせた計器。方位板上の指針の読みは,航空機からADF局あるいはVOR局を見た場合の磁方位を表し,指針の読みと機首方位との差は,相対方位を表す。(→自動方向探知機,→VHFオムニレンジ)
10.ジャイロ計器(gyro instrument)
 高速で回転するコマを,摩擦の少ない軸受けで交差する二つの円い環(ジンバルという)で支えてやると,コマの回転軸は一定の方向を保つという性質を利用した計器。
(1) 定針儀,ディレクショナル・ジャイロ(DG:directional gyro)
 航空機内に回転軸が,常に水平を保つように設置されたジャイロ。ジャイロの回転軸の方向は,航空機の機首方位が変化しても,一定の方向を保つのでコンパスとして利用される。特に磁気コンパスの誤差が大きい旋回時や高緯度の地域では,ジャイロ・コンパスが有効である。そのため,DGは機首磁方位測定装置のフラックス・バルブからの磁方位信号を安定させるためにも用いられている。
(2) 垂直ジャイロ(VG:vertical gyro)
 航空機内に回転軸が常に垂直を保つようにジャイロを設け,機体に対する回転軸の前後左右の傾きを検出することにより,機体の姿勢を知ることができる。検出された姿勢信号(ピッチングおよびローリング)は水平儀,ADIに指示されるほか,フライト・ディレクターや自動操縦装置に送られる。
(3) 水平儀(gyro horizon)
 ジャイロの回転軸と機体との相対的な動きを計器面に指示し,機体の大地に対する姿勢,すなわちピッチング,ローリングを操縦士に知らせる計器。小型機では計器の中にジャイロが組み込まれているが,大型機ではこのタイプのものは予備の計器としてのみ使われている。
(4) 旋回計(turn and slip indicator)
 旋回率(旋回の角速度)と横滑りを指示する計器。旋回率はジャイロを利用して検出される。航空機内に回転軸を水平にした1自由度のジャイロを設置することにより,航空機が旋回すれば旋回率に比例したトルクがジンバルに加えられる。したがってこのトルクの大きさを指針の振れで指示させることにより旋回率を知ることができる。傾斜計は円弧状の透明な管の中に液体と球を入れたもので,旋回中に球の位置から釣り合い旋回であるか,あるいは左右の横滑りを伴っているかを知るために用いられる。最近では旋回計は自動操縦系統のコンピューターからの電気信号で駆動され,傾斜計とともにADIの中に組み込まれているものが多い。
(5) 機首磁方位測定装置(MHRS:magnetic heading reference system)
 機首磁方位測定装置は,航空機内に設置されているフラックス・バルブ(磁力線の方向を感知して電気信号に変換するもの。航空機自体が持つ磁気の影響を少なくするため,翼端または尾部に取り付けられている)が,地磁気を感知することにより,機首磁方位を検出している。しかし,フラックス・バルブからの信号には変動があり,また旋回時に大きな誤差を生ずるため,ディレクショナル・ジャイロを利用してフラックス・バルブからの信号を安定させるとともに旋回時等の誤差を少なくしている。この装置の機首磁方位信号はHSI,RMI(無線磁方位指示器)などの方位板(コンパス・カード)に表示される。
総合計器表示(IIS:integrated instrument system)
 一つの計器に多数の計器の持つ機能を組み込むことにより,一つの計器上で多くの情報が得られるように設計された計器。高速で長距離を飛ぶ飛行機では,飛行計器および航法装置の計器数が多くなるので,パイロットにとって計器監視が大きな負担となり,またパイロットの視界中に多くの計器を配置することも困難になったため,この方法が発達した。
位置誤差(position error)
 ピトー静圧系統の計器(速度計,高度計,マッハ計)の圧力(全圧および静圧)の受感部は機体表面の近くに取り付けられており,干渉などの影響を受けやすく,自由気流(機体から離れた場所の気流)の値とはやや違った値を示す。この差のことを位置誤差または取り付け位置による誤差という。航空機では,最大速度と最小速度との差が大きく,また機体の姿勢の変化や気流の変化の割合が大きいので,あらゆる速度範囲にわたって位置誤差をゼロにすることはできない。したがって航空機は必ずこの位置誤差を知るためのデータを搭載してある。なお最近の航空機では,エア・データ・コンピューターでこの誤差を補正している。
静圧配管系統(static air pressure system)
 飛行中,外気の静圧を気圧高度計,昇降計,対気速度計,セントラル・エア・データ・コンピューターに伝達するシステム。外気の静圧は,機体の姿勢・運動に影響されないように,機体両側面の左右対称位置に設けられた静圧孔を結合したうえで,配管により各装置に伝えられる。高度計,昇降計,速度計などの重要な計器は,一つの静圧信号源が故障しても,常に正常な信号が得られるように,静圧選択弁により,予備の静圧信号源に切り換えることができるようになっている。
ピトー管(pitot tube)
 飛行中の気流による全圧(動圧と静圧の和)を検知するために機首や主翼前縁に取り付けられている管。ピトー管は,対気速度計やセントラル・エア・データ・コンピューターに接続されており,それらに全圧信号を送る。
グレア・シールド(glare shield)
 操縦室の窓から入る光が計器板上で反射するのを防ぐために設けられた遮蔽板。最近ではスイッチ類の数が多くなったため,グレア・シールドの前縁部にもスイッチやライトなどが配置される形式となってきた。

 
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