787運行停止・その3 [├雑談]
■電気ヒコーキ
渦中の787バッテリー関連についてぐだぐだと書いてみます。
以前の記事■ でも書きましたが、
787はジェットエンジンの圧縮機で作った高温高圧の空気を抽出して様々な機器に使用するする従来の方式を止めました。
最新の高バイパスエンジンの場合、エンジンから空気を抽出する方式は燃費を悪くするからで、
これを全て電気方式に置き換えました。
「787がより電気的になった」とはこのことを指します。
具体的には、与圧、空調、防/除氷、操舵、ブレーキ等で、
これまでジェットエンジンの抽出空気、油圧ポンプで駆動していた各装置を電気で動かすことにしました。
エンジンの起動も電気で行います。
このため従来機と比較して電気の使用量は大幅に増えました。
加えてアビオニクス、客室内の照明、エンタメ、ギャレー等従来から電力を使用する分もあります。
早い話が「すんごい電気使うヒコーキ」ということです。
こうしたことから787は「電気で飛ぶ」とか「電気ヒコーキ」などと呼ばれてきました。
■バッテリートラブル起こすと墜落
で、すっかり「787はオール電化」的なイメージが広まったところで一連のバッテリートラブルが発生し、運行停止になりました。
「電気ヒコーキ」にとってバッテリーは根幹にも関わる重要部品ですから、
バッテリートラブル→機体の全システムダウン→墜落
という気がしませんか?
実際そういう論調や、「787はバッテリーの電力で飛行の全てを司っている」みたいな書き方をアチコチで見ます。
後述しますが一部のテレビもそうです。
そういう方からすると、オイラが前記事で書いた「バッテリートラブルの原因不明のまま運行再開しても構わない」
という意見には、「冗談じゃない！」と大反対されることでしょう。
では実際のところ787のバッテリーはどんな役割を与えられているのか。という話を。
■エンジン起動
787は同型のリチウムイオンバッテリーを2つ搭載しています。
ボーイングはコックピットの下に設置しているものを「メインバッテリー」、
胴体の主翼近くに設置している方を「APUバッテリー」と呼んでいますので、オイラもそれに倣って話を進めます。
ところでちょっと脱線しますが、787のジェットエンジンが停止している状態で、貴方はこれを起動しなければならないとします。
クルマの場合、エンジンルームにあるセルモーターでクランキングしてやると始動しますが、
787のジェットエンジンも同様で、エンジン内部にモーターがあるので、これに電気を送ってやれば始動します。
外部電源に頼る方法もあるのですが、ここは頑張って自力でなんとかしましょう。
さっきからバッテリーバッテリー言ってますので、バッテリーの電力送ればいいじゃん。と思いますが、
残念ながら、搭載しているリチウムイオンバッテリーでは役不足なのです。
自動車のクランキングはほんの数秒で完了しますが、
ジェットエンジンはアイドル状態で落ち着くまでかなり長いこと(ジャンボの場合約20秒)手助けが必要です。
どうすればいいでしょうか。
そこで登場するのがAPUです。
APUとは胴体の一番後ろ、シッポの部分に搭載している小型のガスタービンエンジンのことです。
原理はジェットエンジンと全く同じですから、燃料を共用出来るため非常に都合が良く、小型軽量大馬力なのが特徴です。
反面ジェットエンジンの仲間なので大音量なのが玉にキズ。
「原理はジェットエンジンと同様」と書きましたが推力として利用することはなく、従来機と同様専ら動力の供給源です。
クルマはバッテリーの電力で直接エンジンを回しますが、旅客機の場合は、エンジンを動かすための小型エンジンが別にあるわけです。
まずはこの小型エンジンを回し、このエンジンの発電機でジェットエンジンに電気を送ってやるのです。ちょっとまどろっこしいですが。
■メインバッテリーの役割
ではエンジンを回すために早速 APUを起動させるわけなのですが、イキナリではダメで、その前にちゃんと準備が必要です。
この前準備がメインバッテリーの役割です。
具体的には、整備士が機内に入り、バッテリースイッチを押すと、
メインバッテリーからAPUを安全に起動するのに必要な電子機器に最低限の電源が入ります。
これでAPUを起動する準備が整いました。 やっとAPUバッテリーの登場です。
■APUバッテリーの役割
APUバッテリーの役割は、APUの吸気口を開き、APUの燃料ユニットとAPU制御装置に電力を送り、APUを起動すること。
APUバッテリーのおかげで無事APUが作動したならば、燃料ユニットに必要な電力はAPUが自ら電力を供給します。
メインバッテリーの役目はここまで。
通常の飛行でメインバッテリーが活躍するのは、バッテリースイッチONからAPU起動までのほんの数分間だけです。
ただしAPUバッテリーはまだ休めません。
APU制御装置にはAPUバッテリーから電力を供給します。
仮にAPUバッテリーが機能停止した場合は、APUが安全に停止するようになっています。
APUは787で使用する電力を賄い、ジェットエンジンの起動モーターにも電気を送るのですが、
ジェットエンジンが動き出せば、後はジェットエンジン内の発電機が充分な電気を供給しますから、APUは通常止めてしまいます。
APUバッテリーの役目もここまで。
離陸前のある時点で電力の供給担当をAPUからジェットエンジンに移行するのですが、
一瞬機内の照明が暗くなる瞬間がそうなので、「おお、今切り替わったな」と分かります。
この瞬間ピクリと反応にてニヤニヤと周囲を見回している人がいたら目を合わせてはいけません。
外部電源に頼らないジェットエンジン起動の手番をまとめるとこんな感じ。
メインバッテリーで最低限の機器に通電→APUバッテリーでAPU起動(メインバッテリーOFF)→APUで発電した電力でジェットエンジン起動→APUOFF(APUバッテリーOFF)
このように、787の2つのバッテリーは通常始発時のごく僅かの時間しか使用しません。
「787はバッテリーの電力で飛行の全てを司っている」
こういうイメージからすると随分ささやかなバッテリーの使い方ではないでしょうか。
冒頭で述べた通り787は従来機と比較して使用電力が大幅に増えました。
具体的には、787は同程度の大きさの767と比較して4倍強の発電機
(B767:120kVAx2台 合計240kVA、B787:250kVAx4台 合計1,000kVA)
をエンジン内に備えることで対応しています(787はAPUにも225kVAの発電機が2台あり)。
繰り返しになりますがこの膨大な電力を賄うのはバッテリーではなく、(APUと)ジェットエンジン内の発電機です。
■リーフとの比較
では787の主バッテリーって、実際のところどんなものなのでしょうか。
787と日産リーフそれぞれの主バッテリー(どちらもリチウムイオン電池)と比較してみました。
表はそれぞれに使用しているバッテリーの比較です。
この表をご覧になって「？」という気がしませんか?
「またまた～、787とリーフの項目が逆になってるよ。とりはオッチョコチョイだな～」とか思いませんでしたか?
でもこの表は間違ってません。
リーフと比べるなら全長57m、最大離陸重量228t の787は恐ろしく巨大で、
となるとそんな「電気ヒコーキ」のバッテリーもさぞやすごいものなのだろうと思ってしまいますが、
重量、容量共に、787のバッテリーはリーフのバッテリーの僅か1割弱しかないのです。
(因みに上の表で計算すると、体積もリーフの1割弱になるのですが、リーフのバッテリーは凸凹しているので、実際の体積はちょっと異なります。 )
787の6台の発電機による発電能力は、合計1,450kWhにもなります。
一方バッテリーの方は合計で4.44kWhです。文字通り桁違いです。
リーフのバッテリーは294kgもありますから、交換時には「パレット」だの「リフトテーブル」だの必要になります。
それに引き替え787のバッテリーはたったの28.6kgですから、
アメリカのタフガイならば、"HAHAHA!!"とひょいっと片手で持ち挙げるはずです。
両者のバッテリーを単純に比較することはできないのでしょうが、
仮に787のバッテリー1つをリーフに接続したとしたら、単純計算で残量9% ということになります。
「即充電が必要です!!」というレベルなんじゃないでしょうか。
調べた範囲ではリーフの実際の航続距離は走行状況によって大きく変わり、80～160km前後のようです。
787のバッテリーでは計算上リーフをその1割も動かせません。7～15km程度になるのでしょうか。
実際に787のバッテリーを搭載したリーフがあったとすると、ほんの4km先でも無事に戻ってこれるかギャンブルになってしまいます。
これでは使い物にならないでしょう。
同じくリチウムイオン電池を使用している電気自動車に三菱のアイミーブがありますが、こちらのバッテリーは16kWh。
787のバッテリーはあの可愛らしいクルマのそれよりも、更にずっとずっと小さいのです。
「電気ヒコーキ」787のバッテリーって、この程度のものなのです。
その大きさは「自動車用バッテリーよりやや大きい」と表現されます。
こんなささやかなバッテリーで「787の必要電力全てを賄う」なんてこと、土台無理なのです。
■その他のバッテリーの役割
という訳で、搭載している2つのバッテリーの役割を大雑把に言うならば、
メインバッテリーは787の目覚まし役、APUバッテリーはAPUの起動用。
そして飛行中は基本的に使用しません。
それでももっと細かく見ると、それぞれのバッテリーには更に役割があります。
通常の運用では、給油や牽引中のブレーキ操作に使用します。
ではここから緊急事態のバッテリーの役割の話を。
もし何らかの理由で全ての発電機が止まってしまった場合、バッテリーをバックアップとして使用します。
さらに、「緊急時のブレーキ作動」と、「ラムエアタービン作動までのつなぎ役」という役割があります。
まず緊急時のブレーキ作動についてですが、
787は車輪のブレーキも電動にしており、これは通常エンジン内の発電機の電気で動かします。
しかし例えば離陸滑走中に離陸中断の事態が発生したとして、その原因が両エンジン停止だとします。
エンジンが両方止まってしまっては、ここからの電力でブレーキを作動させることが出来ません。
「じゃあ、APUを再起動して～、それからAPUの電気でブレーキ作動させようか～」なんて悠長なことやってたら、
あっという間に滑走路は終わってしまい、羽田だとそのまま海面にダイブしてしまいます。
こんな時、メインバッテリーを使ってヒコーキを止めるのです。
離陸滑走中に両方のエンジンが同時に止まってしまうなどということが実際に起こるとはとても思えませんが、
そんなまずあり得ないような事態まで真面目に考えているのですね。
リチウムイオン電池の特徴は瞬時に大電流を流すことが出来ることなのだそうで、
ボーイングの説明によりますと、787にリチウムイオン電池が選ばれたのは、小型軽量ということよりもむしろ、
緊急時のブレーキ作動とAPU起動にこの優れた特性が最適であったから。なのだそうです。
もう一つの 「ラムエアタービン作動までのつなぎ役」についてですが、
飛行中に何らかの理由で全ての電源が失われてしまったとします。
そんな時、お腹からラムエアタービン(風力発電用の風車)が飛び出すようになっています。
停電→風車出動→風力発電開始 という流れなのですが、
停電からラムエアタービンによる発電まで5秒を要するのだそうで、この間電気の供給が中断してしまいます。
そのためこの5秒間のつなぎ役として、こちらもメインバッテリーが活躍するのだそうです。
■最後のとりで
話は変わりますが。
某公共放送局で787トラブルの特集番組が放送されました。
オイラはこの放送を観てないのですが、番組公式サイトでテキスト全文を読むことが出来ます。
冒頭部分を一部抜粋してみます。
「こ のバッテリーは何に使われていたのか。取材を進めると、旅客機の運航の安全に極めて重要な役割を担っていることが分かってきました。(中略)もし、なんらかのトラブルですべての電力が失われたとき、このバッテリーが操縦室、そして着陸に欠かせないブレーキに電気を送ります。まさに、最後のとりでなのです。」
そして、 「バッテリーシステムのトラブルは決して起きてはならないもの」、「前代未聞に近いようなトラブルだったのではないか。」
というインタビューが続きます。
「バッテリーが最後のとりで」というのは確かにその通りなのですが、
787のバッテリートラブルが極めて重大な事態のように扱っています。
例えば、
「なんらかのトラブルですべての電力が失われたとき、このバッテリーが操縦室、そして着陸に欠かせないブレーキに電気を送ります。まさに、最後のとりでなのです。」
の部分ですが、コレ、(従来機と比較すれば)大容量バッテリーを搭載する787だからこそ、すべての電力が失われても、
操縦室とブレーキに電気を送れるのであって、バッテリーを最後のとりでに出来るのは787ならではの芸当です。
また、 「バッテリーシステムのトラブルは決して起きてはならないもの」と言いますが、
前述の通り、実際に2つのバッテリーが揃って機能喪失したとしても、それだけでは決して深刻な事態とはなりません。
繰り返しになりますが、飛行中基本的にバッテリーは使用しないのですから。
万一飛行中に2つとも使えなくなったとしても、
飛行には何ら支障なくそのまま燃料の限り何時間でも飛ぶ事が出来、普通に着陸して普通にスポットで停止する事が出来ます。
それから「バッテリーは最後のとりで」って、787だからこそバッテリーを最後のとりでに利用することができるのであって、
従来機より最後の一手が増えているということなんですよね。
従来機の場合、
エンジンの発電機全滅→APUの発電機で発電→APUの発電機も故障→ラムエアタービンで発電 →ラムエアタービンも故障→X
となります。
最後のxはこれ以上打つ手なしということで、こうなるとヒコーキは制御不能の状態に陥ってしまいます。
エンジンの発電機が全てアウトというのがまずあり得ないのですが、万一そうなったとしても、
APUの発電機とラムエアタービンという二段構えの備えがあるわけです。
ラムエアタービンはぶっちゃけ風車なので、
何となくそんなものにヒコーキと我々の命を預けて大丈夫なのだろうかと思ってしまいますが、
現代の民間機はこれできちんと操縦ができなければならない。という決まりになっています。
そして787の場合は、
エンジンの発電機全滅→APUの発電機で発電→APUの発電機も故障→ラムエアタービンで発電→ラムエアタービンも故障→バッテリーから電力供給→バッテリーも故障or残量ゼロ→X
となり、従来機の「APUの発電機」、「ラムエアタービン」に加えて「バッテリー」も使えますから、三段構えなのです。
その意味で787は従来機よりも最後の一手が増えて、より冗長性に優れた機体なのです(そのバッテリーシステムの信頼性が低くては困りますけども)。
従来機もバッテリーは積んでいる訳ですが、最後にバッテリーまで利用することが可能になったのは、
「オール電化」を進めた787だからこその芸当ともいえます。
番組のニュアンスとは大分異なるのではないでしょうか。
番組内では「なんらかのトラブルですべての電力が失われたとき、このバッテリーが…」とさらりと言っているのですが、
そもそもエンジンもAPUも使えず、その上さらにラムエアタービンまで使用不能という事例を少なくともオイラは知りません。
因みに787のテストフライトでは、6台ある発電機のうち5台を止め、しかも1基のエンジンのみで5時間半の飛行をしました。
これだけ余裕を見越しているのです。
余談ですが、2013年7月21日放送のNHK サイエンスZERO「空の安全は守れるのか？ ボーイング787 徹底解説」
という番組で、件のバッテリー問題が取り扱われたのですが、
従来型のニッカド電池とリチウムイオン電池の比較データが紹介されていました。
B777のニッカド電池は重量49kgに対し、B787のリチウムイオン電池は重量30kgで容量は2倍とありました。
ということは同一の容量で比較すると、ニッカド電池からリチウムイオン電池に移行することで、
1/3の軽量化ということになります。
番組内では、パイロットの「飛行中バッテリーは使用しません」。に対し、
出演者が「"電気ヒコーキ"だからバッテリーが故障したら墜落するかと思っていた」的なリアクションでした。
(そういう脚本だったのかもしれませんけど)
■結論
以上ぐだぐだと書き連ねてしまいましたが、そんなわけで787に搭載しているバッテリーは非常に小型で、
通常使用するのは最初だけ、それもごく短時間に限られています。
ですからバッテリーが出火した時、それが機体に損傷を与えず、煙が客室内に入らないようにすることが本当にできるのであれば、
という条件付きですが、仮に2つとも飛行中に使用不能になってしまったとしても、通常の飛行には何ら支障ありません。
ボーイングのバッテリー対策は合理的と思います。
でも正直なところ、ヒコーキは墜ちたら取り返しのつかないことになってしまいますから、
もっとゆっくり時間を取って調査を続行した方がいいんじゃないかと思いますが、そういう心情的な理由は抜きにして
「ぞれでも飛行すべきではないと言うのなら、その理由を具体的に挙げてみよ」と言われたら、オイラには思いつきません。
この記事をご覧いただいて、「それでもやっぱり軽々に運行再開すべきではない」というご意見の方の方が多いと思いますし、
ヒコーキはそれ位慎重な方がいいと思います。
それでもアチコチでバッテリーに過度の役割と責任を負わせる声があるので、こういう記事を書こうと思いました。
ともかく今は1日も早く原因と対策が明らかになることを願います。
日産リーフと比較するとは、なんともわかりやすいφ(..)メモメモ
by an-kazu (2013-02-26 20:18)
APUの件は勉強になりました。
こんど飛行機に乗った時に、ニヤニヤしないように気をつけないと。
by Takashi (2013-02-26 20:24)
とりさんの丁寧なご説明で、バッテリーの役割は重要である一方、飛び立ってしまえばその後故障しようと大した問題ではない(それが原因で操縦できなくなるわけではない)。ということが理解できました。
ありがとうございました。m(_ _)m
そうなると、根本的な問題点。
「なぜバッテリーが破損するような状況に陥ったのか？」「バッテリーだけが悪いのか？」といった部分の検証が、すっぽり抜け落ちた形で報道が過熱していましたが、なぜだったのでしょうか。
まあ、テレビも新聞も「某国にとって都合の良いニュースはしっかり伝えるが、都合の悪いニュースは伝えない」ので、何を今更なのでしょうけれど。
自分が懸念しているのは、バッテリー以外の製造上のミスはないのか？(犯人はメーカーたるボーイング)とか、日本企業以外の外国の下請業者の作った部品には欠陥はないのか？とかです。
そういった、バッテリーに焦点が当たったことで注目されずに済まされた問題が顕在化したときに、不幸な事故が引き起こされる心配はないのだろうか？ということです。
残酷な言い方ですが、「自分が乗っている飛行機が墜ちなければOK」という確率論になるかもしれません。
しかし、天候とか人間が原因の事故(操縦士のミスとかテロリストによる爆破等)以外の、飛行機そのものが原因の事故は起きてほしくないと思いますので。
「しっかり調べてから、飛行再開の許可をしていただきたい」です。
毎回長文になってしまい、失礼しました。m(_ _)m
by tooshiba (2013-02-27 00:19)
すばらしいレポートありがとうございます。
とりさんの本文をぜひ関係各位見てもらいたいものです。
どうも日本が人柱になっているみたいで残念です。
ちなみにニッカドの置き換える選択はないのでしょうか？
by うめ (2013-02-28 21:18)
バッテリーの役割って、ジェット旅客機にしてみたら少ないものなのですね。
これはみんなの目を他に向かないよう、バッテリーを吊し上げているようにしか見えなくなってきたぞぉ（｀Δ´）
by 鹿児島のこういち (2013-02-28 22:39)
皆様 コメント、nice! ありがとうございます。m(_ _)m
■an-kazuさん
ありがとうございます^^
艦船のエンジン始動はどういう仕組みなのでしょうか??
■Takashiさん
「CAさん、あの人です!」
ｄ(￣∇￣*)☆＼（－－
■tooshibaさん
真正面からのコメントありがとうございます。
>根本的な問題点
ユアサのみが悪者であるかの如き報道の仕方は問題だったと思います。
ただ、検証が抜け落ちるのもある面仕方ないと思います。
専門家自身が未だ問題の全容を理解できていないのですから。
調査側が「これまでのシステムとまるで異なっていて経験が生かせない」と嘆き、
本場アメリカでも外部に広くエキスパートの助力を求めている位です。
>懸念
tooshibaさんご懸念の通り、まだまだ未知の不具合が残っていると見るべきだと思います。
でもそれらは実験室とテストフライトで膨大な時間を費やしても発見することが出来ませんでした。
あとは実際に各航空会社で飛ばしながら現れた不具合を一つ一つ地道に潰していくしかないのです。
今回の記事では電気システムに何重もバックアップが組まれていることに触れましたが、
それは他の部分でも同様であり、不幸にして飛行中に重大な問題が生じたとしても、
それが墜落に至るような事態にならないよう多くの対策が施されています。
特に重要な部分の対策には、その機種が生産中止になり、最後の1機が廃棄になるまで発生しないだろうという確率のものまで含まれています。
■うめさん
「日本が人柱になっているみたい」というのは確かにその通りですね。残念ですけど。
この記事はちょいと調べればすぐ分かる程度のことしか書いていないので、そんなに持ち上げられると恐縮です。
>ニッカド
「リチウムイオンで軽量化に寄与」と言っても、元がたかだか数十キロのものですからね。
ニッカドに変更すればそれで問題が解決するのですからアリだと思います。
で、実際にニッカドに変更するとすると、787用バッテリーを試作し、
新たな電源で全システムが正常に作動することを
長い時間をかけてFAAに実証しなければなりません。
その後デリバリー済みのもの、仕掛機を含めて改修しなければなりません。
そうした諸々を比較すると、リチウムイオンの改修で乗り切った方が良いという判断なのだと思います。
「結局、すぐニッカドに変更した方が早かったね」という結果になるかもしれませんが。。。
■鹿児島のこういちさん
ユアサが悪いのか全く悪くないのか、今はまだハッキリしませんが、
責任の所在が最終的にどうなるとしても、もっと配慮があってしかるべきだったと思います。
踏んだり蹴ったりですよね。
by とり (2013-03-02 09:48)
こんにちは。
７８７のバッテリーシステムの再認証取得計画案をFAAが承認しましたね。
とりさんのご考察には脱帽です。
いくつかの航空雑誌見ましたがこの問題について一番分かり易いレポートはとりさんのこの記事がＮｏ．１と思っています。
by うめ (2013-03-13 20:31)
■うめさん
そんな大した記事じゃないですよ～＾＾；
航空雑誌の類はまったく読まずに書いちゃってますから。
今度読んでみます。
月曜日にまたぐだぐだと関連記事を書きますので宜しければご覧くださいませ。
by とり (2013-03-15 07:45)