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三菱重工業の開発トップが語る!航空機設計の舞台裏
日本の航空機産業をリードする三菱重工業・名古屋航空宇宙システム製作所。現在は、ボーイング社など海外メーカーの大型旅客機をはじめ、40年ぶりの国産旅客ジェット機「MRJ」の基本設計が進む。名航の民間機技術部で機体設計を統括する巽重文氏に、航空機設計の醍醐味を聞いた。
(取材・文/広重隆樹 総研スタッフ/宮みゆき 撮影/早川俊昭)作成日:09.01.07
民間航空機はどういう流れで設計されるのか

 民間航空機の設計では、新型機の「開発設計」と、すでに就航している航空機のメンテナンスや改良のための「維持設計」の二種類があります。まず開発設計を例に、航空機がどのように設計されるのか、その概略をお話ししたいと思います。

 民間機の場合は、航空機を開発して、それを事業として成り立たせないといけませんから、通常の製品開発と同じように、市場調査やマーケティングというものからスタートします。民間航空機の需要がいま世界でどうなっているのか、お客さまのニーズは何なのか、それに対して我々はどんな航空機と関連するサービスを提供していけばよいのか、ということです。

 現在、三菱重工グループが開発を進めているMRJ(三菱リージョナルジェット)の場合ですと、当然、世界の航空機メーカーが競争相手になります。従って、私たちの強みを含めてその競合関係を分析しながら、私たちがどういう市場にどういうタイプの航空機を提供すれば、世の中にとっても私たちにとってもよいのだろうか、ということを、考えるわけです。

 こうして新しい航空機についての私たちなりのコンセプトができたら、そのおおよその仕様を決めて、図面や模型を持って世界のお客さま──各国のエアラインやビジネスジェットを必要とする企業を回ります。そこであらためてお客さまのご意見をいただき、機体仕様をさらにブラッシュアップして、まとめ上げていきます。

三菱重工業株式会社 名古屋航空宇宙システム製作所 民間機技術部 部長 巽 重文氏

 こうしたマーケティング活動と並行しながら、設計開発の陣容づくりを進めます。この機体を作るために設計者は何人ぐらい必要だろうか、場所はどこで作ろうかとか、いわゆる「ヒト・モノ・カネ」の環境の整備を行うわけです。

 こうした準備作業というのは、短期間でできるものではありません。MRJは40年ぶりの国産民間航空機ということになっていますが、1981年に型式証明を取得したMU-300の後も、現在までずっと次世代民間機を自主開発するための環境整備を続けており、それがようやく、本格的にスタートできたのが、2007年10月でした。

 もちろん、三菱重工の現在の主たる事業は、ボーイング社など海外航空機メーカーとの国際共同開発において、その一翼を担うということです。現在の航空機開発というのは、投資額が膨大ですから、どんな大手のメーカーでも一社単独ではとうていリスクを負いきれません。そのため、国際的にパートナー企業を募り、その共同開発事業として行うのが通例です。三菱重工はボーイング社と長年にわたってアライアンスを組んでおり、胴体や主翼の構造設計、部位のとりまとめなどを担当しています。

 例えばボーイング社が新型航空機を作るとなると、市場調査やマーケティングはボーイング社が行うわけですが、我々も長年共同開発をしていますから、次の旅客機の仕様はどんなふうになるか予想はつきます。「次も一緒にやらないか」という正式のオファーを受けるころには、だいたい設計開発の準備というのはできているわけです。


ボーイング機ワークパッケージの基本設計はシアトルで

 共同開発の契約が結ばれたら、いよいよ基本設計に入ります。既にその段階でボーイング社の概念設計は一とおり終わっています。航空機全体としてはおよそこんな機能、性能で、例えば主翼はこんな形をしていて、素材には炭素繊維複合材を使うというようなところまでは決まっています。ただ、主翼の外形は決まっているものの、内側の構造設計は「三菱に任せるから、考えてください」というのがオファーの内容です。

 ボーイング787の基本設計は、ボーイング社の主力工場がある米・シアトルに、設計者を送りこんでボーイング社と一緒に設計を行いました。三菱重工だけでも100人近くエンジニアを送り込んで、主翼の設計を行いました。この個々の企業の担当部分をワークパッケージと呼んでいます。当然、航空機には主翼や胴体もあれば尾翼もあり、エンジン関係やシステム関係もあるわけで、世界各国からいろいろなパートナーがシアトルに集合して、それぞれのワークパッケージ間の整合をとりながら、基本設計を進めていきます。これに約半年かかります。

 基本設計の最終段階のゲートをCDR(クリティカル・デザイン・レビュー)と言いますが、航空機の設計仕様がここですべて固まります。そこからはよほどのことがない限り、設計変更はないというところまで固めてから、各パートナーは自分たちが設計したものを持ち帰り、詳細設計、試作行程へと入っていきます。

 3次元CADの電子データを持ち帰って、今度はこれをモノが作れる情報に変換をするという作業をします。これが詳細設計のフェーズです。787の場合、主翼の複合材は三菱重工の工場で作っていますが、主翼にはほかにもたくさんの部品があって、それらは愛知県を中心にたくさんのパートナー企業に製造をお願いしています。それらのパートナーが、実際にモノを作れる状態にまで図面を落とし込む作業が詳細設計です。これにも半年ぐらいかかります。

 同時に、治工具(ツール)の製作というのも私たちの仕事になります。ツールというのは航空機を量産するためには欠かせないものです。部品を削るときは、NC工作機を使いますが、それを制御するプログラムもツールの一種です。ほかにも、胴体を組み立てるのに足場を構築し、フレームやストリンガーというものをセットしますが、このセッティングには1/10mmの狂いがあってもいけません。そういうものを全部治工具として用意しなくてはならないのです。


重要なインテグレーターの役割

 治工具ができてようやく主翼の試作初号機の生産に入ります。主翼の内部には、燃料タンクや油圧配管も設置しないといけません。そうしたものを装備品と呼び、それらの取り付けもします。燃料タンクには漏れがあってはいけませんので、圧力をかけて漏れがないかどうかのチェックもやります。主翼の組み立てが全部終わると、ボーイング787の場合、片翼だけで30mにも達します。それを中部国際空港まで運び、そこから主翼丸ごと格納できる専用の輸送機に積み込んで、シアトルまで運びます。航空機全体の組み立てはシアトルのボーイング社の工場で行います。

 シアトルでは、各国のパートナー企業が製造した主要パーツを統合する作業が行われます。例えば主翼と胴体の合体ですね。設計図どおりに製造されているとはいうものの、合体させてみるとインターフェイスが微妙にズレるということはあります。これを調整するのが、インテグレーターと呼ばれる人々です。何か問題があれば、インテグレーターの下に、主翼設計のエンジニア(この場合は三菱重工ですが)と胴体設計のエンジニアが集まって、問題点を洗い出し、対策を立てます。

 ボーイング機の場合は、最終的なインテグレーションはボーイング社の担当ですが、MRJの場合は、三菱航空機(株)がその役割を果たすことになります。全機の整合を取っていく仕事で、大変重要な役割です。

 すべてのパーツが組み上がり、航空機の全体像が現れるときは、それは相当な感動を呼びますが、それで終わりではないんですね。そこから地上試験、実際に飛ばしての飛行試験と、佳境が続きます。


教科書には書かれていないノウハウを積み上げる

 設計どおりに製造しているのに、主翼と胴体が噛み合わないなんてことがあるのかと不思議に思う人がいるかもしれません。しかし、航空機は現実には空気や慣性力を受けて飛んでいるわけですね。その力の伝わり方には、かなり微妙なところがあるんです。

 机上の理論だけでは限界があるので、最新の解析手法に加えて、私たちが現在までに積み上げたノウハウでカバーしながらやっています。それでも航空機は軽く作るためにギリギリの設計をしていますから、実際に試験をしてみると、考えていたとおりの荷重の流れとは少々、違う道を通っていってしまうということがごくたまにあるわけです。すると、「ここはもうちょっと補強しないといけないね」というふうに、設計変更を行います。決して教科書には書かれていない知見を、こうして開発現場で積み重ねていくわけです。

 航空機が、自動車などほかの輸送機器と何が違うかというと、まず軽く作らなくてはいけないということですね。空中に浮かばないといけませんから。重量に対する制限が、けた違いに厳しい製品です。と同時に、丈夫でなきゃいけないということもあります。軽くて丈夫な機体を作るためには、飛行中にかかるであろう最大荷重を計算し、その1.5倍までの荷重に耐えられるように機体を設計をします。これを安全率と呼んでいます。

 安全率を大きく見積もって、荷重の2倍、3倍にすればより安全になるかもしれませんが、そうなると機体が重くなり、乗客の数も制限され、飛行距離も短くなってしまいます。それでは旅客機としてはダメなんです。そのギリギリのところに安全率を置くわけです。

 実際に、初飛行の前には、航空機全体に荷重をかける全機静強度試験を行います。150%の荷重までは絶対に壊れてはいけないので、みんな「壊れてくれるなよ」と願っている。ところが150%を超えると、今度は「早く壊れろ」と祈るわけです。だいたい153%くらいで壊れましたっていうのが、とてもいい設計なんですね。これが200%超しましたというのは、それはもう全然ダメなんです。

 飛行試験では、通常は4機程度の試作機を作ります。基本的には全部同じ仕様ですが、1号機は性能、2号機では荷重というように、それぞれ試験項目を変えてテストします。中には長くたくさん飛ばして、航空機の信頼性を確認するための試験機もあります。飛行試験には1年から1年半ぐらいかかります。これ以上長くなると、市場に提供するタイミングが遅れてしまいます。たしかに試作機をたくさん作れば、それだけ試験期間が短くなるでしょうが、今度はコスト的に限度があります。

 型式証明の取得などを含めると、最初の基本設計から、実際にエアラインに納入され、運用に供されるまで少なくとも5年ほどの月日がかかることになります。


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たえず最新技術を導入して同型機を改良する維持設計

 ここまで主に新型機の開発設計について話をしてきましたが、私たちの任務にはもう一つ、すでに就航している航空機の維持設計というものがあります。
 航空機の寿命は年々延びています。40年前に就航した初の国産機「YS-11」でさえ、まだ現役です。当初はこんなに長く使われるとは考えていなかったでしょう。それが40年飛ぶとなると、当初は予想していなかった部分が傷んできます。航空機が飛び続ける限り、経年機対策を施して飛行安全を確保します。航空機には検査間隔というのが定められており、その定期検査のときに何か不適合の兆候が見つかれば、それを補修するのです。自動車の車検のようなものです。

 維持設計でもう一つ重要なのは、改良設計です。同型機種を作り続けていく場合に、私たちとしても随時改良を行って、より性能のよい、よりコストの安いものにしていきたいと考えていますから、たとえ故障や不適合がなくても、設計のマイナーチェンジは常に行っています。先ほど概念設計から初号機納入まで5年かかると申し上げましたが、言い換えれば、どんなに新型の航空機でも、その設計思想は少なくとも5年前のものなんです。電子機器の進歩ということを考えたら、この5年というのはかなりの時間です。電子機器は5年たつとずいぶん進歩しますからね。

 最新の機器をどんどん入れて行くということは、当然、お客さまにとってもメリットのあることなので、ある程度の節目のときに改良設計を行います。これも維持設計の重要な役割です。


鳥のように自然を味方につけることが設計の基本

 現在、私たちの部署(民間機技術部)では、ボーイング787とMRJという新型機の開発設計に8割以上の人材を投入しています。残りが維持設計です。MRJはまさに現在が基本設計のピークで、これから3年ほどたつと初飛行を行うでしょう。それから約1年の飛行試験の後にエアラインに納入されますが、その後は維持設計に入るので、設計要員はピーク時よりは必要としなくなります。しかしその頃には次の航空機の開発が始まっているでしょうから、MRJの維持設計に携わらない人は、再び開発設計に取り組むようになります。こうして、複数のピークがあることで、常にエンジニアの需要があるわけです。

 航空機を作るためには、どんな要素技術が必要かというと、まずは空力設計と構造設計がありますね。さらに、装備品の設計として機械装備(メカニカル・システム)、電気装備(アビオニクス・システム)があります。要素技術としては大きく分ければこの4つでしょう。さらにそれら全体をまとめる統合設計(インテグレーション)という分野も非常に重要です。

 若いエンジニアは、最初はみなそれぞれの要素技術の中で徹底的に専門性を高めていきます。さらに関連するほかの要素技術を学んで視野を広げ、相互の整合をとるということがわかるようになってもらう。同時に、チームの中でリーダーシップを発揮できるように訓練を積んでいきます。縦に深い専門性と横に広い総合力を組み合わせた「T型」というのがスキル形成の基本です。その後のキャリアは人によってさまざまですが、空力なら空力の専門エンジニアになるのも一つですし、中には個々の要素技術を離れて、航空機の設計全体を統合するインテグレーターへの道を歩む人もいます。


 いずれにしても、航空機は一人ではけっして作れません。多種多様な技術の総合力です。自分一人ではなくて、チーム全体でパフォーマンスをだしていくという仕事の仕方が基本になります。

 幸いにも、名航には航空機づくりの厚い伝統、そこに流れる基本的なモノづくりの考え方、DNAがあります。若い頃には上司や先輩の背中を見て学ぶということがありますが、その先輩たちもきっと前の世代の先輩たちの背中を見てきたに違いない。そうした人々の背中の山脈の連なりというものを想像していくと、やはり零戦の設計主任だった堀越二郎氏(1903-1982)にたどり着くのでしょうね。もちろんその途中には、YS-11設計を率いた東條輝雄氏(1914-)など多くの先輩たちの背中が見えるような気がします。

 そこにあるのは、航空機の性能を追求するために、自然現象に忠実にものを考え、かつ自然を味方につけるという考え方ですね。とにかく自然現象、物理現象はうそをつくことがありません。人はだませても自然はだませない。つまり、紙(やコンピュータ)の上で設計しても、実際に飛ばしたときにどうかということが重要なんであって、その時にダメなものはダメなんです。それを徹底的に追求して、よいものに仕上げていくという伝統はずっと受け継がれていると思います。

 私たちの航空機の理想の形態というのは、鳥ですね。鳥は自分たちの力と空気をうまく調和させながら、静かになめらかに空を飛んでいます。私はもともと空気力学の出身ですので、特にそれを考えています。航空機が飛ぶときに乱れた渦を作ってはやはりよくないんですよね。無駄なエネルギーを費やすことになります。例えばよどみのないきれいな流れを作り上げるということが、自然を味方につけると一つの方法だと思っています。

 私たちはエンジニアですので、サイエンスの世界を実用の世界の役に立てるにはどうしたらいいかというのを一生懸命に考える使命があります。自然の力をうまく利用した航空機を開発して、世の中の進歩に貢献したいといつも考えています。


三菱重工のDNAに新しい血を加えて欲しい

 現在の航空機の形が最終ということはないんです。主翼一つとっても現在の後退翼というのは、第二次世界大戦中にジェット機を高速に飛ばすために考えついた技術で、戦後に実用化されました。近い将来、化石燃料が枯渇すれば、別のエネルギーを使って飛ばなければならない。そのとき、航空機の形も大きく変わっていくでしょう。そのためには私たちが、一生懸命に考えて現状の技術を超えるブレークスルーを起こさなくてはならない。

 名古屋航空宇宙システム製作所にいる人間は多かれ少なかれ、航空機が好きでこの職業を選んでいますから空を飛ぶということに対する憧れ、それを自分の手で作りたいという意欲は強いですね。そういう思いの中からきっと次の航空機の形というのは見えてくるんだと思います。

 先ほども申し上げましたが、現代の航空機というのはとうてい一つの会社が単独で作り出せるものではありません。MRJにしても、国内のパートナーに多数参加していただいていますし、エンジンやアビオニクスは海外のパートナーにも参画いただいています。しかもMRJでは、これを世界のエアラインで使っていただくことになります。つまり、これまでの三菱重工が持っているDNAだけでは、これからの民間機事業をベストな形で推進できない。そのDNAに少しずついいものを加えていかないと、これからの時代に合ったものにはならないだろうと思うわけです。

 航空機の開発というのは、開発設計はもちろん、その維持設計というところまで含めれば、非常に長期にわたるプロジェクトです。一度そのプロジェクトに入ってしまえば、さまざまなタイプの技術者といやでも相当な期間“同じ釜の飯を食う”という関係が生まれます。そこではもう新卒入社だ、キャリア入社だというのは関係ない。だからキャリア採用エンジニアの職場への同化ということは、私はあまり心配していません。

 一緒にMRJなり、ボーイング機の開発にかかわっていただければ、たちどころに仲間になれる。そのチームには苦楽を共にする仲間意識があり、個性の違ういろんな“同級生”とのコミュニケーションがある。エンジニアをそれこそ大空に大きく羽ばたかせる舞台があるのです。

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宮みゆき(総研スタッフ)からのメッセージ 宮みゆき(総研スタッフ)からのメッセージ
巽部長の「技術者人生の中で、3機開発できれば非常にハッピー」というお話が印象的でした。航空機の新機体の開発は何十年に一度くらいで、そうそうあるあるものはないからとのことでしたが、今はまさにそのチャンスの時期。航空機経験は問わないそうなので、興味のある方はこの機会をお見逃しなく!

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