旅客機の操縦探秘4.6 燃料消費と重心について
前回は自動操縦モードにおいて、航空機が事前に設定されたルートに沿って自動的に飛行するについて説明しましたが、パイロットも怠けているわけではありません。継続的に飛行計器を監視し、各ウェイポイントを通過するたびに、通過時刻と残燃料量を記録する必要があります。
上記はフライトログの例です。各ウェイポイントにおいて、パイロットが通過時刻、飛行高度、残燃料、外部気温、および風向風速の情報を記録していることがわかります。5行目には、飛行中に10分間の軽い乱気流が発生したことが記録されています。
本シリーズの<a href="/blog/ja/2012/12/ja-airline_pilot_13>“1.3 飛行準備会（ブリーフィング）では、詳細なフライトプランについて紹介しました。この計画は以下の情報に基づいて算出されます。
- 航空機の重量（旅客の予約人数から計算可能）
- 飛行距離
- 飛行速度
- 上空の風向風速予測値
- 上空の気温
このうち、上空の風と気温の予報情報は、世界地域予報センターWAFC（World Area Forecast Center）から取得できます。世界地域予報システムは、国際民間航空機関（ICAO）の枠組みの下、気象部門や認定ユーザーに国際航空に必要な航空気象資料（文書形式の飛行気象情報や天気図など）を提供するものです。ロンドンとワシントンにある2つの世界地域予報センター（WAFC）が、人工衛星を通じて世界地域予報システムの製品を放送しています。現在、わが国の民間航空国際線の気象支援は、主にロンドン航空気象センターから提供されています。
WAFCが提供する情報は非常に正確ですが、「天気が変わりやすい」という言葉がある通り、天候の急変は飛行速度やルートに影響を与える可能性があります。また、実際のフライト運航では交通量の問題により、流制（ATCによる管制）を避けることはできません。飛行速度、高度、およびルートは空中交通管制の要求に応じて変更されるため、当初のフライトプランで予測された燃料消費量も変化します。したがって、残燃料量を継続的にチェックすることは非常に重要です。
航空機の燃料タンクは一般的に、左右の主翼内と胴体中央部に配置されており、各タンクは独立しているため、胴体が傾斜した際に一方のタンクから他方のタンクへ燃料が流れることはありません。もし燃料が自由に流動すれば、飛行中の重心が絶えず変化し、安定した飛行制御が非常に困難になります。
下図はボーイング777型機の燃料タンク位置の概略図です。左翼メインタンク（Left Main Tank）、センタータンク（Center Tank）、右翼メインタンク（Right Main Tank）の相対位置がわかります。
3つのタンクにはそれぞれ対応する燃料ポンプがあり、燃料配管やチェック弁（一方向弁）などの部品を通じて接続されています。エンジンに燃料を供給する際、システムは各タンクからの供給順序を調整し、各タンクの重量を調整して重心を適切な位置に保つことで、翼根（翼根とは、主翼と胴体が接合する部分）における応力集中を軽減する効果があります。
図には通気サージタンク（Vent Surge Tank）も見えます。これは主翼の最高位置にあり、タンクと外部の通気口としての役割を果たします。燃料がエンジンに送られるにつれてタンク内の圧力が低下すると、外部大気圧よりも高くなり、タンクを押しつぶすような圧力が生じます。例えば、ストロー付きの紙パック飲料を飲んだことがある人は、飲料が吸い出されるにつれてパック内の圧力が低下し、外部大気圧によってパックがぺちゃんこになるのを経験したことがあるでしょう。燃料タンクも同じ原理です。圧力でつぶれないように、この通気口によってタンク内の圧力を外部と一定に保つと同時に、燃料の流れをよりスムーズにしています。
航空機の重量の大部分と搭載物は胴体に集中していますが、空中での揚力は主に主翼から発生します。そのため、下向きの重力と上向きの揚力が翼根付近で曲げモーメントを生じさせ、このモーメントは航空機の構造に強い影響を与えます。主翼タンク内の燃料重量は、揚力を相殺し、翼根の曲げモーメントを低減する役割を果たします。これが、最初に主翼タンクに給油し、可能な限り主翼内に燃料を保持する理由です。
旧式のボーイング747-200では、エンジンへの燃料供給時にまずセンタータンクを使用し、センタータンクが空になった後に両翼のメインタンクを使用していました。ボーイング777も基本的に同じ方式を採用しています。最初に使用されるのはセンタータンクですが、実際には3つのタンクすべての燃料ポンプが稼働しており、センタータンクの燃料ポンプの出力が大きいため、まずセンタータンクから直接両側のエンジンに燃料が供給されます。この方式の利点は、センタータンクの燃料ポンプに故障が生じた場合でも、両側のタンクの燃料ポンプが稼働しているため、バックアップ（予備）としての役割を果たすことです。センタータンクが空になると、燃料ポンプは自動的に停止します。
ボーイング777のEICAS表示：
一方、エアバス330-200の動作方式は少し異なります。同じく最初にセンタータンクを使用しますが、センタータンクから直接エンジンに供給するのではなく、まずセンタータンクの燃料を両側のメインタンクに移送し、その後、左右の主翼メインタンク内の燃料ポンプを通じてエンジンに直接供給します。
現代の旅客機の燃料供給システムは自動化されていますが、ボーイング747-200のような旧式の航空機では、各タンクの残量を継続的に確認し、手動で各タンクの調整を行う必要がありました。
次に、重量とバランス（Weight and Balance）の概念について紹介します。これは、航空機が運航自重、ペイロード（業載）、燃料重量とその分布に基づき、様々な制限条件を満たした状態で、離陸重量、重心、およびトリム調整の状態を達成することを指します。飛行機によく乗る旅客ならご存知の通り、飛行中、航空機のバランスを崩して操縦性に影響を与えないよう、旅客が勝手に座席を乗り換えることは禁止されています。
航空機は空中で運航される際、支えとなる着力点がないため、重心のバランスは飛行安全に影響を与える重要な要素です。各機種には、飛行安全、操縦の利便性、燃料節約を確保するために、重心の前後移動に対する制限範囲が設けられています。これを重心許容範囲と呼び、航空機の重心はこの前後の制限を超えてはなりません。
航空機の重心がわずかに前方にある場合、安定性が高く、気流に遭遇しても揺れにくくなります。一方、重心がわずかに後方にある場合、操縦性が良く、燃費も向上します。しかし、重心が極端に前寄りまたは後ろ寄り、さらには安全許容範囲を超えると、深刻な結果を招く可能性があります。軽い場合は着陸装置の損傷、構造への損傷、燃料消費の増加、航空機の寿命短縮、滑走路の損傷などにつながり、重い場合は離着陸時にテールストライク（尾部擦過）、滑走路オーバーラン、あるいは失速による墜落を引き起こす可能性があります。
重心位置は、平均空力翼弦（Mean Aerodynamic Chord、略称MAC、すなわち主翼の幾何学的重心）線上のパーセンテージで表現され、単位は%MACです。例えば下図のボーイング777の場合、MACの長さは7メートルです。もし重心値が25%MACであれば、
重心は主翼前縁から 7m × 25% = 1.75m の位置にあります。一般的に、航空機の重心許容範囲は非常に狭く、上記の777の場合、許容範囲はわずか1.4メートルです。別の例として、ボーイング747の許容範囲は13～33%MAC、エアバス380は29～44%MACです。
地上で航空機の重量と重心の管理を担当するのはロード・コントロール係（配置搭載員）です。彼らは航空機の離陸性能表を对照し、空港の気象、地形、障害物が離陸重量に与える影響、および空港の滑走路が航空機の離着陸重量に課す制限に基づいて、航空機の重量制限を計算し、最適なバランス位置の重心を確定します。これに基づき、貨物、郵便物、手荷物の機内での配置を合理的に決定します。これを「ローディング・プラン（積載表）」と言います。もし航空機の実際の重量とロード・コントロール係が作成した重量データが一致しない場合、パイロットの操縦に影響を与え、間違った飛行速度や角度を決定させる可能性があり、安全上の隠れた危険（リスク）が生じます。実際の重量が航空機の許容最大制限重量を超えた場合、機体が崩壊し、人命が失われる恐れがあります。
重量の計算には、乗客の平均体重設定が関係します。例えば、国内線では一般的に64キログラム、国際線では73キログラム、パイロットは77キログラム、客室乗務員は59キログラムと設定されています。しかし、時には特殊な状況もあります。例えば、あるフライトで多くの相撲力士を乗せる必要がある場合、事前に各力士の体重を聞き取り調査し、各自の座席状況に基づいて、航空機全体の重心位置を計算する必要があります。また、例えば<a href=“http://book.douban.com/subject/20495472/"『ロンドンからニューヨークへ－ボーイング747-400を操縦して』という本で紹介された逸話があります。あるフライトのパイロットが任務を遂行中、通常よりもはるかに制御しにくい（離陸の滑走距離が長くなる、上昇率が低いなど）と感じましたが、異常事態が見つかりませんでした。後に着地して調査したところ、このフライトの乗客の多くがある古代貨幣収集協会に属しており、それらの収集家が搭乗際に多くの重い古代貨幣を携帯していたため、航空機の実際の重量が予測重量を大幅に上回っていたことが判明しました。幸い、あの時は事故が発生しませんでしたが、あれは極めて危険なフライトでした。
完