今回は新しい技術（この場合はC*やC*Uなどの制御則）を載せた飛行機がどのような基準をクリアして市場に出ていくのかを解説する。ルールというのは既存の技術の枠内で決められており、新しい技術には必ずしもうまく当てはまらない。そのような場合にどのようなやり方で安全性を担保するのか。それが今回の議題。前回までの分を含め、このシリーズの目次はつぎのとおり。
基準とは何か
旅客機は市場に出てお客さんを乗せて飛ぶ前に、航空当局からCertification (認証)を得ることが必要である。Certificationはあらかじめ決められた基準をクリアすることで得られる。たとえば、アメリカの連邦航空局（FAA）の基準のひとつとして、14 CFR Part 25がある。アメリカで旅客機を飛ばすためには、基本的にはこの基準に適合していなければならない。
一方、新しい技術を使った旅客機の場合、そもそもその基準当てはまらないことがある。今回の場合はC*などの制御則だ。これはパイロットの操縦感覚に直接影響する技術である。このような新しい技術を積んだ飛行機の場合にも、安全性を担保して飛行機を飛ばすため、その飛行機のためだけに一時的な新しい基準が設けられる。基準にないからと言って作ってはいけないというわけではなく、新しいルールを考えようという感じだ。これがSpecial Conditionsである。FAAの定義では下記のとおり。
A Special Condition is a rulemaking action that is specific to an aircraft make and often concerns the use of new technology that the Code of Federal Regulations do not yet address. Special Conditions are an integral part of the Certification Basis and give the manufacturer permission to build the aircraft, engine or propeller with additional capabilities not referred to in the regulations.
基準はそもそもどんなものがあるのか
C*の制御則の基準を議論するための分かりやすい例として、Static Longitudinal Stabilityがある。FAAでも14 CFR 25.173と25.175が定めているRegulationsである。ヨーロッパのEASAでも、（アメリカ英語とイギリス英語の違いはあるが）ほぼ同じ内容がCS-25によって決まっている。内容は同じなので、読みやすいアメリカ英語で書かれているCFRを引用する。
§25.173 Static longitudinal stability.
Under the conditions specified in §25.175, the characteristics of the elevator control forces (including friction) must be as follows:(a) A pull must be required to obtain and maintain speeds below the specified trim speed, and a push must be required to obtain and maintain speeds above the specified trim speed. This must be shown at any speed that can be obtained except speeds higher than the landing gear or wing flap operating limit speeds or VFC/MFC, whichever is appropriate, or lower than the minimum speed for steady unstalled flight.
(b) The airspeed must return to within 10 percent of the original trim speed for the climb, approach, and landing conditions specified in §25.175 (a), (c), and (d), and must return to within 7.5 percent of the original trim speed for the cruising condition specified in §25.175(b), when the control force is slowly released from any speed within the range specified in paragraph (a) of this section.
(c) The average gradient of the stable slope of the stick force versus speed curve may not be less than 1 pound for each 6 knots.
(d) Within the free return speed range specified in paragraph (b) of this section, it is permissible for the airplane, without control forces, to stabilize on speeds above or below the desired trim speeds if exceptional attention on the part of the pilot is not required to return to and maintain the desired trim speed and altitude.
[Amdt. 25-7, 30 FR 13117, Oct. 15, 1965]
CFR 25.175はこれらの縦の静安定の要求を証明する飛行条件が書かれている。要求そのものについては、25.173に書かれている内容を読めば十分。なので、ここでは25.173についてのみ触れることにする。
25.173は(a), (b), (c), (d)と書かれているが、要は操縦桿（またはサイドスティックなどのコントローラ）に関する要求である。旅客機は、パイロットが操縦桿を引いたら速度が下がり、パイロットが操縦桿を押したら速度が上がらなければならない。その比率は1/6 lbf/kt以上。また、操縦桿を放したら、元の速度（またはその近傍）に戻ってこなければならない。
たしかに、操縦桿押したり引いたりしたときに普通とは逆に飛行機が動いたらパイロットはかなり混乱するだろう。たとえば、速度を下げたい場合に、低速では操縦桿を押さないといけないけれど、高速だと引かないといけないみたいな（ボンバーマンのドクロで操作反転みたいな）ことになると操縦しにくそうだ。（技術的にいうと、この速度静安定は\( C_{m_{\alpha}} \)で決まる面が大きい。そのほかの要素としては、Mach変化に対する\( C_{m}\)変化、速度変化に対する推力変化、操縦系統やアクチュエータの特性なども関係してくる）
25.173へのSpecial Conditions
話をC*に戻す。C*では、操縦桿を押すか引くかによってC*コマンド(qとNzの線形結合)が出る(参考：C*Uとは何か その1)。それによって速度が変化する。ただ、操縦桿を放したら、C*コマンドはゼロになる。つまり、変化した先の速度が維持される。元の速度に戻らないため、機体は25.173の要求を満たさない。
また、例えばほんの少しの力で操縦桿を引いたとしよう（閾値以上の力で）。その場合でも、ずっとC*コマンドが出続けるので、機体は少しの力で減速し続ける。具体的に考えよう。150ktでトリムしているとする。普通の飛行機なら、たとえば5lbfで操縦桿を引いた時にはたとえば15kt減速する。比率が同じだと、10lbfで引いたときは30kt減速する（120ktになる）。操縦桿にかけた力と、減速量には正の関係があるわけだ。ところが、C*の場合は、たとえ5lbfで引いてもずっと減速しつづけるため、120ktでも100ktでも同じ力だ。これはつまり、縦の静安定がない（つまりは25.173を満たさない）ということになる。
要求を満たさない旅客機は認証されないので、お客さんを乗せて飛ぶことができない。それでは困るので、Special Conditionsの登場となる。C*を採用しているどの飛行機のSpecial Conditionsを見てもよいが、ここではA350に課されたものを参考として取り上げる。
(a) The airplane must be shown to have suitable static lateral, directional, and longitudinal stability in any condition normally encountered in service, including the effects of atmospheric disturbance. The showing of suitable static lateral, directional, and longitudinal stability must be based on the airplane handling qualities, including pilot workload and pilot compensation, for specific test procedures during the flight-test evaluations.
(b) The airplane must provide adequate awareness to the pilot of a low-energy (low speed/low thrust/low height) state when fitted with flight-control laws presenting neutral longitudinal stability significantly below the normal operating speeds. “Adequate awareness” means warning information must be provided to alert the crew of unsafe operating conditions and to enable them to take appropriate corrective action.
CFR 25.173の要求は、上記の要求で代替されることになる。上記の要求は、ずいぶんと具体的なことが書いてあった（たとえば1/6 lbf/ktとか）元の要求に比べると、「総合的評価」になったと言える。逆に言えば、もともとの要求が半世紀以上も前に作られたもので、いまのコンピュータの時代のことを考えていなかったともいえる。HQRMなどの総合的評価手法を用いて、想定される飛行条件で飛行試験およびシミュレータを用いてこの設計が妥当であることを確認すればよい。
もう一つ、(b)が要求していることは、低エネルギ状態を警告する手段を持つこと。C*はパイロットへのフィードバックがないので、パイロットがいまの速度に気づきにくい。たとえば、低高度で推力がアイドルだった場合に、意図せず（パイロットへのフィードバックがないため）低速に陥ってしまうと、リカバリできずに墜ちてしまうかもしれない。そうならないように、低速や高速に対する警告を出すようにしなければならない。
これを防ぐために、Protection機能がある。この要求（速度安定）に関して言えば、低速になりすぎたり高速になりすぎたりを防ぐような機能である。伝統的に言えば、低速側にはStall Warningがある。失速に近づくと、音声や振動、視覚などでそれを伝える仕組みである。ただそれはWarningであって、パイロットが無視しして操縦桿を引き続けることができるものだった。Protectionの場合はそれより一方進んで、どんなに操縦桿を引いてもそこまでの領域に達しないようにする仕組みである。パイロットが操縦桿を引き続けたとしても、そこからはC*コマンドがもはや出なくなる。
25.177へのSpecial Conditions
今までは縦の要求(25.173)について、Special Conditionsをみてきた。このセクションでは、 横方向の静安定の要求であるCFR25.177を見ていく。
まずは既存の要求は下記のとおり。
§25.177 Static lateral-directional stability.
(a) The static directional stability (as shown by the tendency to recover from a skid with the rudder free) must be positive for any landing gear and flap position and symmetric power condition, at speeds from 1.13 VSR1, up to VFE, VLE, or VFC/MFC (as appropriate for the airplane configuration).(b) The static lateral stability (as shown by the tendency to raise the low wing in a sideslip with the aileron controls free) for any landing gear and flap position and symmetric power condition, may not be negative at any airspeed (except that speeds higher than VFE need not be considered for flaps extended configurations nor speeds higher than VLE for landing gear extended configurations) in the following airspeed ranges:
(1) From 1.13 VSR1 to VMO/MMO.
(2) From VMO/MMO to VFC/MFC, unless the divergence is—
(i) Gradual;
(ii) Easily recognizable by the pilot; and
(iii) Easily controllable by the pilot.
(c) The following requirement must be met for the configurations and speed specified in paragraph (a) of this section. In straight, steady sideslips over the range of sideslip angles appropriate to the operation of the airplane, the aileron and rudder control movements and forces must be substantially proportional to the angle of sideslip in a stable sense. This factor of proportionality must lie between limits found necessary for safe operation. The range of sideslip angles evaluated must include those sideslip angles resulting from the lesser of:
(1) One-half of the available rudder control input; and
(2) A rudder control force of 180 pounds.
(d) For sideslip angles greater than those prescribed by paragraph (c) of this section, up to the angle at which full rudder control is used or a rudder control force of 180 pounds is obtained, the rudder control forces may not reverse, and increased rudder deflection must be needed for increased angles of sideslip. Compliance with this requirement must be shown using straight, steady sideslips, unless full lateral control input is achieved before reaching either full rudder control input or a rudder control force of 180 pounds; a straight, steady sideslip need not be maintained after achieving full lateral control input. This requirement must be met at all approved landing gear and flap positions for the range of operating speeds and power conditions appropriate to each landing gear and flap position with all engines operating.
[Amdt. 25-135, 76 FR 74654, Dec. 1, 2011]
ちょっと量が多いが、言っていることはそれほど複雑ではない。要は横の静安定と、方向の静安定を持っていなければならないということだ。簡単に言えば、横に関しては、横滑り状態のときに操縦桿をもとに戻したら、下がっている側の主翼が持ち上がる（バンクが元に戻る）性質を持っていなければならないこと。方向に関しては、横滑り状態のときにラダーペダルを放したら、滑りから回復すること。
これらの要求を満たせているかどうかを確認するのに、上記の(c)および(d)で書かれている定常横滑りというマニューバを行う。普通の飛行機（たとえばBoeing 737）などでの定常横滑りのやり方は次のとおり。
- まっすぐ飛んでいる状態から、徐々にラダーペダルを踏む。そうすると横滑り (\(\beta\))が出て、\(C_{l_{\beta}}\)によって機体はバンクが出てくる。
- 操縦桿でエルロンまたはスポイラを使い、バンクを抑える。パイロットはヘディングが一定になるように操縦桿でエルロンとスポイラを使う。
- 最後までペダルを踏み切ったら終了。
この結果、βが増えるのに比例してラダーペダルが大きくなり、操縦輪の角度も大きくなればRegulationsを満たしている。その場合、バンクもどんどん大きくなる。
ところが、P-betaコントロールの飛行機（参考： C*Uとは何か その2 (横の制御則)）だと、操縦桿に触れていない限り、常にp=0のコマンドが出ていることになる。つまり、ラダーを踏んでもバンクは増えない。エルロンが勝手に動くためだ。これだと、βが増えるのに対してラダーは大きくなるが、操縦輪（実際にはサイドスティックだが）の角度は増えない。
ついでに言えば、この状態だとこれではRegulationsを満たさず、お客さんを載せて飛ぶことはできない。ちなみに、このP-betaコントロールの機体で、ラダーペダルを踏んでβを増やすことができるが、そのマニューバは定常横滑りではない。ヘディングが定常ではなく、徐々に動いてしまうからだ。
これに対して、A350のSpecial Conditionsで課された要求は次のとおり。
(e) In straight, steady sideslips over the range of sideslip angles appropriate to the operation of the airplane, but not less than those obtained with one-half of the available rudder-control movement (but not exceeding a rudder-control force of 180 pounds), rudder-control movements and forces must be substantially proportional to the angle of sideslip in a stable sense; and the factor of proportionality must lie between limits found necessary for safe operation. This requirement must be met for the configurations and speeds specified in paragraph (c) of this section.
Special Conditions: Airbus Model A350-900 Series Airplane; Electronic Flight-Control System: Lateral-Directional and Longitudinal Stability, and Low-Energy Awareness
原文はrudder-controlではなくthe aileron and rudder controlだったのが、aileronという言葉が抜かれている（さきほど紹介した25.177原文と比較しやすいよう、下線を引いておいた）。これはaileron control (つまりはpコマンドを出すサイドスティック)がこの要求を満たせないために、削除されている。単に要求を削れるなら、この要求ははじめからいらなかったのかとか、A350の安全性は他の機体に比べて劣るのではないかとか、そういう話になりそうだが、この機体特有の飛行特性に考慮した結果、この要求で問題ないという結論である。サイドスティックが中立位置ではあるものの、エルロンおよびスポイラはβが増えるにしたがって増えることが確認できるため、それで安全性は問題ないという見方ができるからだ。
まとめ
この記事では、C*やP-betaコントロールの機体の特性の安全性はどうやって証明されるか、という観点について、Special Conditionsを紹介しつつ縦と横・方向について紹介した。次回以降、どのメーカーのどの飛行機がどのようなコントロールになっているかや、Fly-By-Wireでの他の側面（失速やProtectionなど）について考えてみたい。
不正確な記述を見つけたり、この点がよくわからなかったなどがあったらコメントください。
謝辞
本記事を書くにあたり、ラダーペダルを踏んだときの挙動について推測の域を出ないところがあり、説明できる自信がなかった。そこで、@yutsumiと@cirrus22さんに助けてもらった。深く理解できてとても助かった。ありがとうございます。
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