概要

　ＢＫ１１７は高性能多用途ヘリコプタとして人員輸送、警察、消防、防災、ＥＭＳ（Emergency Medical Service）用途等に世界中で使用され、シリーズ累計で１,３００機を超えており、常に時代のニーズに対応して改良設計を続けている。本稿ではシリーズ最新モデルであるＨ１４５/ＢＫ１１７Ｄ-２型（以下Ｄ-２型と言う。図１）の開発課題とその解決方法を交えて、Ｄ-２型設計変更の概要を紹介する。

図１　ＢＫ１１７ Ｄ-２　

１．はじめに

　ＢＫ１１７は、川崎重工とドイツＭＢＢ社（メッサーシュミット・ベルコウ・ブローム社、現エアバス・ヘリコプターズ・ドイツ（以下ＡＨＤと言う））が１９７７年に開始した国際共同開発プロジェクトである。ＢＫ１１７Ｃ-２型（以下Ｃ-２型と言う）の開発までは、それぞれの国で型式証明を取得し、それぞれの会社で製造してきた（当社の機体型式名称は川崎式ＢＫ１１７、ＡＨＤの型式名称はＭＢＢ-ＢＫ１１７）。Ｄ-２型（ＡＨＤ販売名：Ｈ１４５）の開発では、Ｃ-２型まで有効であったＬＢＡ（ドイツ航空局）とＪＣＡＢ（日本航空局）間の共同型式審査合意が無効とされたため、型式証明を欧州の航空局（ＥＡＳＡ）に統合することになり、２０１４年４月にＥＡＳＡからＡＨＤ社が型式証明を取得した。その後、日本国内では２０１６年１月にＪＣＡＢからＡＨＤ社がエアバス・ヘリコプターズ式ＢＫ１１７Ｄ-２型として型式証明を取得した。製造及び開発については、これまでと同様、川崎重工とＡＨＤがそれぞれの分担部位を担っている。日本国内におけるライセンスについては、航空従事者技能証明の限定が操縦士及び整備士ともにＤ-２型はＣ-２型と同じ“ＢＫ１１７”である。つまり、Ｃ-２型までのライセンス所有者が転換訓練によってＤ-２型を操縦・整備可能である。
　図２にＢＫ１１７の設計変更の変遷を示す。ＢＫ１１７はエンジン型式を変更するとアルファベットが変更され、その他部位の設計に大変更が行われると数字が変更される。Ｄ-２型ではエンジンをアリエル１Ｅ２からアリエル２Ｅに変更したため、型式名称がＣ型からＤ型に変更になった。過去にＤ-１型開発構想があり、型式設計変更申請したが実機開発には至らずキャンセルされたため、本機はＤ-２型としている。

図２　ＢＫ１１７の設計変更の変遷　

２．開発課題

　Ｄ-２型に対する開発課題を以下に示す。
　　●性能向上（ＴＡ級、ホバリング）
　　●安全性向上◦操縦・整備ワークロード低減
　　●低騒音
　現存するＣ-２型のメリットを継承しつつ、市場のニーズであるこれらの課題をクリアするため、Ｄ-２型の開発が進められた。

３．性能向上（ＴＡ級、ホバリング）

　ヘリコプタは夏場の運用や高高度での運用時にエンジン性能が低下するため、状況によっては全備重量を削減して運用しなければならない場合がある。Ｄ-２型では高温高高度でのＡＥＯ（All Engine Operative：両発動機作動時）ホバリング性能、屋上などのヘリパッドを使用する場合に必要なＴＡ級（注１）垂直離着陸性能の更なる向上が望まれた。更に、日本のユーザーからＳＡＲ（サーチ&レスキュー）運用においてホイストを使用して連続した人命救助を行う際に、ホバリングで使用する離陸出力継続時間が５分間であるが難しいミッションの遂行のためには余裕が必要であり、離陸出力継続時間を３０分間に延長する要望があった。
　ホバリングおよびＴＡ級性能を向上するためには、利用可能パワーを上げる必要があった。利用可能パワーは、エンジン性能とこれを伝えるトランスミッション性能で決まる。Ｄ-２型ではエンジン性能（エンジン定格）を向上したアリエル２Ｅを搭載した。アリエル２Ｅは、ＦＡＤＥＣ（Full Authority Digital Engine Control）によるエンジン・トルク及び回転数制御も特徴である。利用可能パワーを決めるもう一つの要素は、回転翼にエンジンからのトルクを伝達するトランスミッション性能である。Ｄ-２型では、ギア歯当りを修正し、オイルを変更、他機の証明を参考に、３０分間離陸出力項目を組み込んだタイダウン試験（図３）によりトランスミッション定格向上を実証した。また、本トランスミッションはオイル漏洩時の安全性を付加するために、ベアリング材質及びギアのバックラッシを変更し、ベンチ試験によりドライラン特性を証明した。
　エンジン換装とトランスミッション定格向上により、Ｄ-２型エンジン及びトランスミッション限界は表１のように大きく向上した。これらの性能向上に伴って最大全備重量をＣ-２型：３,５８５ｋｇからＤ-２型：３,７００ｋｇに増加させた。Ｃ-２型のアリエル１Ｅ２エンジンでは、ＯＥＩ（One Engine Inoperative：１発動機不作動時）定格として２分３０秒間出力を採用しているのに対し、Ｄ-２型のアリエル２Ｅエンジンは、最新の３０秒/２分間出力を採用した。ＯＥＩ発生時には急激に稼働側エンジンの追加トルクが必要となるが、リカバー操作により低トルク飛行へ移行するのには３０秒あれば十分であり、その後はややトルクを下げた２分間出力へ移行できる。このように、ＦＡＤＥＣにより定格出力を細分化し効率良く使用できるように設計変更を行った。

図３　タイダウン試験実施状況　

表１　エンジン及びトランスミッショントルク限界

　屋上ヘリポートからの離着陸で使用されるＴＡ級垂直離着陸（ＶＴＯＬ）では高いＯＥＩ性能が要求される。Ｄ-２型のＴＡ級垂直離着陸全備重量は、ＩＳＡ＋２０℃（注２）、高度６,０００ｆｔにおいてＣ-２型と比較して５６０ｋｇ増加するなど、性能が飛躍的に向上した（図４）。
　Ｄ-２型は、ＯＥＩ性能とともにＡＥＯ性能も向上した。ＡＥＯ定格向上により、図５に示されるように、地上気温３５℃の大気条件（ＩＳＡ＋２０℃）での最大全備重量におけるホバリング可能高度はＣ-２型からＤ-２型で６,９００ｆｔ向上した。また、同じ大気条件において１２,０００ｆｔの高度におけるホバリング可能全備重量を例にとると、ホバリング可能全備重量は２４０ｋｇ増加した。前述したように離陸出力継続時間を５分間から３０分間に延長したこと、夏場の気温が高い条件におけるＯＧＥ（Out of Ground Effect：地面効果外）ホバリング性能が向上したことにより、Ｄ-２型のレスキュー運用能力は格段に向上していることがわかる。
　これらの性能向上はパワー余裕の増加に繋がり、次項の安全性向上にも寄与する。更にＣ-２型ではＡＥＯ連続出力７１%×２＝１４２%よりＯＥＩ２分３０秒定格１２５%の方が小さいが、Ｄ-２型ではＡＥＯ連続出力７４%×２＝１４８%よりＯＥＩ３０秒定格１５０%の方が大きいため、１発動機不作動時の安全性が格段に増していることが判る。

図４　ＴＡ級垂直離着陸全備重量　

図５　ＯＧＥホバー全備重量　

４．安全性向上

　空を飛ぶ航空機にとって、安全性は必須の要求である。Ｄ-２型ではＣ-２型からの更なる安全性向上のため、前述したパワー余裕増加の他に次の設計変更を実施した。
　Ｃ-２型ではテール・ロータを意図的に高い位置に取り付けることで、地上運用時の安全を確保していた。Ｄ-２型では回転するテール・ロータ・ブレードをシュラウドによって物理的にガードするフェネストロン型ロータ（図６）を採用した。これにより地上運用時だけでなく、レスキュー時など狭所にて運用する際にテール・ロータと地上物との接触による事故防止に貢献する。フェネストロンへの変更と合わせて、テール操縦油圧系統の２重化も実施している。
　エンジン・コントロールについては、ＦＡＤＥＣ化によってロータ回転数の変動が減ると共にエンジン始動停止操作手順が簡素化されたことによって、パイロット・ワークロードが低減し、安全性向上に寄与している。また、ＯＥＩの非常操作についてパイロットは訓練により習熟する必要があるが、本当の１発不作動にしてしまうとエンジン及び機体駆動系統にダメージを与える可能性が避けられない。Ｄ-２型では、ＦＡＤＥＣ制御及び新統合計器 ＨＥＬＩＯＮＩＸ の機能により、ＡＥＯのままでＯＥＩを模擬する機能であるトレーニング・モードが標準装備された。これによりパイロットは機体にダメージを与えることなく訓練を実施することができる。エンジン・コントロール・パネル（図７）中央部のＴＲＡＩＮＩＮＧボタンを押すことにより、ＡＥＯのままＯＥＩ表示のトレーニング・モードを起動することができる。計器表示だけでなく過渡的なトルク変動をも模擬しているため、実際のＯＥＩ状態同様の動きを体感できる。トレーニング・モードはＴＲＡＩＮＩＮＧボタンを再度押すことによりいつでも中止できる。

図６　フェネストロン　

図７　エンジン・コントロール・パネル　

５．操縦・整備ワークロード低減

　操縦・整備ワークロード低減は先の安全性向上に繋がると共に、ヘリコプタの商品価値を高める。Ｄ-２型では、Ｃ-２型からの更なるワークロード低減のため、整備点検間隔の拡大の他に次の設計変更を実施した。Ｄ-２型では４軸オートパイロットを導入した。これは、Ｃ-２型の３軸オートパイロットにＣＰ trimactuator と ＣＰＳＥＭＡ（Small Electro – Mechanical Actuator）を追加装備したものである（図８）。
　Ｄ-２型のオートパイロットには以下のモードがあり、Ｃ-２から追加されたモードを※印で示す。
基本安定モード：
　ＡＴＴモード（姿勢保持）
　ＤＳＡＳモード（デジタルＳＡＳ）
基本上位モード：
　ＡＬＴモード（気圧高度保持）
　ＡＬＴ.Ａモード（気圧高度獲得）
　ＣＲＨＴモード（電波高度獲得保持）※
　ＩＡＳモード（指示対気速度獲得保持）
　ＨＤＧモード（機首方位獲得保持）
　ＶＳモード（昇降率獲得保持）
　ＧＡモード（ゴー・アラウンド）
航法及びアプローチ用上位モード：
　ＶＯＲモード（ＶＯＲ航法）
　ＮＡＶモード（ＧＰＳ航法）
　ＬＯＣモード（ＩＬＳ進入ローカライザ）
　ＧＳモード（ＩＬＳ進入グライドスロープ）
　ＡＰＰモード（横方向ＲＮＰアプローチ）※
　Ｖ.ＡＰＰモード（垂直方向ＲＮＰアプローチ）※
ＧＰＳ基準の上位モード：
　ＦＰＡモード（パス角獲得保持）※
　ＴＲＫモード（トラック角獲得保持）※
　ＧＴＣモード（速度ベクトル保持）※
　ＧＴＣ.Ｈモード（ホバー保持）※

図８　４軸オートパイロット・アクチュエータ配置

　Ｄ-２型では、Ｃ-２型のピッチ軸、ロール軸、ヨー軸の３軸制御にＣＰ軸の制御が加わって４軸制御になったことで上位モードの組合せが可能となると共に、オートパイロットのモードが増加してより高機能となったことで、パイロット・ワークロードをこれまで以上に効果的に軽減させることができる。
　Ｄ-２型では統合計器をＣ-２型のＣＰＤＳ（Central Panel Display System）/ＦＣＤＳ（Flight Control Display System）システム（図９）から大型ディスプレイと高速処理能力を備えた ＨＥＬＩＯＮＩＸ システム（図１０）に変更した。Ｃ-２型のＣＰＤＳ/ＦＣＤＳシステムの７台のディスプレイを６×８インチの大型ディスプレイ３台に統合することにより、個々の表示は従来から継承しつつ、ディスプレイ上に見易くアレンジしている。更にＣ-２型の５つのアナログ式予備計器を統合したＩＥＳＩ（Integrated Electronic Stand – by Instrument）が搭載された。

図９　Ｃ-２型ＣＰＤＳ/ＦＣＤＳシステム

図１０　Ｄ-２型 ＨＥＬＩＯＮＩＸ システム

　ＨＥＬＩＯＮＩＸシステムは、画面の周りのフレームに配置されたベゼル・スイッチにより操作を行う。画面フォーマットはＭＦＤ（Multifunctiondisplay）フレーム上部のベゼル・スイッチで選択する。これらのベゼル・スイッチはメイン・セレクト・キーと呼ばれ、画面にラベルが表示されており、どのキーを押せばよいかが一目で分かるようになっている（図１１）。ＭＦＤは、コパイロット画面がＭＦＤ１、センターがＭＦＤ４、パイロットがＭＦＤ２と識別される。
　種々の画面フォーマットのうち、ＦＮＤ（Flightand Navigation Display）フォーマット（図１２）は最も基本的なフォーマットであり、主要な全ての情報を表示する画面である。ＭＦＤ２（パイロット）は常にＦＮＤフォーマットが表示される。

図１１　ＨＥＬＩＯＮＩＸのベゼル・スイッチと表示

図１２　ＦＮＤフォーマットＦＤＳ表示

　ＦＮＤフォーマットでは、標準のＦＤＳ（Flight Display System）表示フォーマットの他に、地形情報を表示するＳＶＳ（Synthetic Vision System）表示フォーマット（図１３）を選択可能であり、ＶＦＲ及びＩＦＲでのパイロットの状況認識を向上させる。ＶＦＲでは、パイロットが機外の視覚的基準（例えば谷、川、山）の位置を特定することを支援し、機外の視界がＳＶＳ範囲より狭い場合はパイロットが地形の存在を予測することを可能にする。ＩＦＲでは、状況認識を向上させ、ＶＦＲＩＦＲの切替えを容易にする。
　ＶＭＳ（Vehicle Management System）フォーマット（図１４）は機体及びセンサーの状態に関する情報を表示する。ＭＦＤ１（コパイロット）又はＭＦＤ４（センター）で選択することができる。
　その他、詳細な航法情報を表示するNavigation Display（ＮＡＶＤ）フォーマットや、文書、チャートや写真を表示するElectric Flight Bag（ＥＦＢ）フォーマット等が用意されており、パイロットやコパイロットに見易い視覚情報を与え、安全性とワークロード低減に寄与している。

図１３　ＦＮＤフォーマットＳＶＳ表示

図１４　ＶＭＳフォーマット

６．低騒音

　地上付近での運用が多いヘリコプタにとって、住民の生活に影響する機外騒音は非常に大きな問題であり、ヘリコプタの機外騒音の改善は、今後の重要な課題の一つである。Ｃ-２型では、メイン・ロータの変更、ロータ回転数スケジューリング等により世界トップ・レベルの低騒音化を実現していたが、Ｃ-２型では更なる低減を目指した。
　低騒音化要求への対応として、フェネストロンの採用が挙げられる。フェネストロンのシュラウドによって物理的な騒音低減効果があると共に、メイン・ロータ後流渦とテール・ロータとの干渉や高速飛行時の遷音速域効果から守られる。
　ステータ･アセンブリには、非対称かつそれぞれ異なる角度をもつ１０個のベーンが取付けられることで、テール･ロータによって発生する気流を整流にし、空力効率を向上させて、同スラスト時の騒音レベルを下げる働きがある。
　１０枚のブレードは不等間隔に配置されて、非対称で異なる傾きを持つステータのガイド・ベーンとの組合せで音響振動を重ね合わせ、テール・ロータの騒音レベルを軽減させる。
　Ｄ-２型で証明された騒音基準はICAOCHAPTER８の８.４.１項であるが、２００２年以降の新型式の機体に適用されるより厳しい８.４.２項の基準も十分にクリアしている。Ｄ-２型は、Ｃ-２型よりも最大全備重量を増大しているが、騒音レベルは低くなっている。
　図１５、１６にＤ-２の機外騒音レベルを離陸中及び上空通過について他機と比較したデータを示す。
　ＩＣＡＯ騒音基準に規定される離陸、上空通過、着陸のいずれにおいても、Ｄ-２型はＣ-２型よりも騒音レベルが下がっており、他機と比較しても格段に機外騒音が低い。
　Ｃ-１型からＣ-２型への低騒音化では、メイン・ロータ・ブレードの形状変更や速度・高度に応じた可変ロータ回転数により、大きな低騒音効果を獲得した。Ｄ-２型では、Ｃ-２型の良好なメイン・ロータの騒音特性を保持しながら、テール・ロータの騒音特性を改良することによって、更なる低騒音化を実現した（図１７）。

図１５　離陸中の騒音値

図１６　上空通過中の騒音値

図１７　ＢＫ１１７機外騒音余裕の改善

７．まとめ

　Ｄ-２型は、広いキャビンと大きな前部及び後部ドア開口部（図１８、１９）、コンパクトで機動性の高い機体、優れた安全性、これまでの実績に基づく信頼性、クラストップの低騒音性能といったＣ-２型のメリットを生かしつつ、エンジン定格及びトランスミッション定格を上げて、ＴＡ級運用性能やホバリング性能を格段に向上させた。エンジンのＦＡＤＥＣ化により、メンテナンス性が上がり、ＯＥＩトレーニング・モードにより安全性が高められた。統合計器は一新されて ＨＥＬＩＯＮＩＸ となり、４軸オートパイロットも導入され、パイロットのワークロードが低減されて安全性がより一層向上した。こうした、性能の向上、ワークロード低減、安全性の向上に加えて、フェネストロンによる更なる低騒音化を実現し、人と環境に対してもより一層優しい機体に仕上がった。
　ＢＫ１１７は、常に時代のニーズに即した改良が施され市場に投入されてきた。ここに最新モデルのＤ-２型をリリースし、これまで以上に社会に貢献できるヘリコプタとなることを期待する。

図１８　Ｄ-２型前部ドア開口部

図１９　Ｄ-２型後部ドア開口部

注１：航空法の定める耐空類別で、航空運送事業の用に適する多発の回転翼航空機であって、臨界発動機が停止しても安全に航行できるもの
注２：International Standard Atmosphere：国際標準大気