航空機の設計に無くてはならない「CAD」技術

CAD=コンピュータ支援設計や、CADで作られた設計データにより工作機械を動かして製造を行うCAM=コンピュータ支援製造は、現在では様々な工業分野でなくてはならないものとなっています。一番最初の2次元CADは、軍用機の設計をするために作りだされたものでした。

現在、航空機業界で最も使われている3D-CADのソフトウェアは、フランス空軍などが用いる「ミラージュ」戦闘機の製造などで有名なダッソー・アビアシオンの系列会社ダッソー・システムズのCATIA(Computer graphics Aided Three dimensional Interactive Application=3次元コンピュータグラフィックス支援対話型アプリケーション)です。

これはもともと、ダッソー・アビアシオンの自社航空機を設計するために開発したものでした。しかし、現在では一般販売されており、航空機業界のみならず宇宙開発、防衛産業、自動車業界などで広く使われるようになりました。

また、そうした流れでCATIAの機能は3D-CADだけではなく設計や製造に関する作業を支援できるように拡張されています。

今ではダッソー・アビアシオンのライバル会社もCATIAを使って製品を設計しているほど。ダッソー・アビアシオンのライバル会社にとっては競合他社にいわば「助っ人」になってもらっているような形ですが、それでも使わざるを得ないほどCATIAは優秀なソフトウェアであるということです。

さて、空を飛ぶことを目的にしている以上、航空機を製造するには軽さと頑丈さという相反するような条件を満たす必要があります。そのためには「しなり」を利用します。つまり、空を飛んでいるときにかかる様々な力に対して「柳に枝折れなし」というようにしならせることで力を逃がすようにしているわけです。

飛行機に乗ったときに、翼が見える座席に座ったことはありませんでしょうか?観察していると、羽ばたくというほどではないにしろ飛行機の羽というのは結構上下に動くものです。あれは、そもそもそのように設計されているもので、そういう変形があることを前提に製造しておかないと却ってぽっきり折れてしまいます。

しかし、飛んでいるときどれだけの力が機体や羽にかかり、どれだけ変形するかなどを織り込んで設計するというのはそれはそれは大変なことです。そこで活躍するのがCAD、つまりコンピュータによる支援となってくるわけです。

CADの登場によって、それまで人間が必死に計算していた手間が省かれ、飛躍的に効率的な設計ができるようになりました。

航空機の設計に用いられるのが、構造力学で使われる有限要素法という数値解析手法です。有限要素法は、航空機のような複雑な構造を持つものを、分割された要素の集まりと考え、変異量から強度を解析するというもので、航空機の他に鉄道車両の強度計算にも応用されています。

もう一つ重要なのが「空気力学」。これは流体力学の一種であり、空気の中を運動する物にどれだけの影響があるかを解析するものです。これも膨大な計算の他、体験に頼るところがありました。

有限要素法も空気力学の解析もコンピュータの利用により正確かつ迅速な計算ができるようになっています。もちろんこれには、コンピュータ自身の処理能力が高くないといけないのですが・・・。

空気力学については、特に数値流体力学という方法が用いられます。これはコンピュータによる計算が前提となっている解析法です。数値流体力学が用いられるのは、実際の航空機の模型を製作して風洞実験に移る前に、最も有効な設計を洗い出せるからです。

当然のことながら、コンピュータ上の計算だけで飛行機ができあがるというわけではありません。様々な実験を繰り返した後に、実物を作り、飛行テストを行った上でやっと実用化ができます。飛行テストをやって初めて出てくる問題というのもありますが、しかし、いくつも実物を作らずに済むという点ではやはり非常に効率がいいし、人力による思わぬミスから発生する事故なども未然に防げる可能性が高くなります。

CADが最初は軍用機の設計のために生み出されたことは既に述べました。現在の軍用機、もしくはミサイルで非常に重要とされているのがレーダーに映らないようにする「ステルス性能」

ステルスというのはよくフィクションなどで透明化するような表現がされています。しかし、実際のステルスというのは実物が透明になって目に見えなくなるということではありません。

レーダーは電波を発射し、それが何かにぶつかって跳ね返ってくる反射波をパラボラアンテナで受け取ることで、その物体の存在や距離、方角などを測定するという技術。ステルスは、そのレーダーの電波が当たったときにパラボラに戻っていかないように関係ない方法に飛ばしたり、吸収することでレーダーに発見されないための技術です。

初めて実用化され、湾岸戦争などに投入されたことで一躍有名になったステルス戦闘機・F-117ナイトホークが、角が多い平面の組み合わせになったのはその当時のコンピュータが曲面に対する計算ができるほどの能力がなかったからです。しかし、現在各国の空軍で運用されているステルス戦闘機は、それまでの戦闘機と変わらないような曲面構造で設計されています。

これは現在のコンピュータやCADなどの性能が、曲面が複雑に組み合わされた構造に対する膨大な計算を処理できるようになったためです。

もちろん、このようなCADを中心とした設計技術の向上は軍用機に活かされるばかりではなく、民間の航空機の設計のためにも有効に応用されているのです。

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