[AI書房] 第5章 戦闘機自動化の進化：機械式操舵からデジタルFBWまで
人工知能戦闘機、人工知能空軍
第5章 戦闘機自動化の進化：機械式操舵からデジタルFBWまで
金京鎮
1974年1月20日、アメリカ・カリフォルニア州のエドワーズ空軍基地。ゼネラル・ダイナミクスの試験操縦士フィル・オスレーは、新しい戦闘機試作機YF-16の操縦席に座っていました。その日は高速走行試験の予定でした。飛行ではなく、ただ滑走路を高速で走ってみるのが目標でした。オスレーがスロットルを押し込むと、アフターバーナーに火がつきました。戦闘機が猛烈に加速し始めました。
ところが奇妙なことが起こりました。走行中に機体が左右に揺れ始めたのです。オスレーはコントロール・スティックを動かしてバランスを取ろうとしました。しかし、機体の反応は予想と異なりました。揺れがだんだん激しくなり、急に戦闘機が滑走路から飛び上がりました。意図しない離陸でした。経験豊富な試験操縦士であったオスレーは瞬時に判断しました。もう一度着陸しようとすれば、より大きな事故になる可能性があると。彼はそのまま上昇し、6分間飛行した後、無事に着陸しました。これが世界初の量産型フライ・バイ・ワイヤ戦闘機F-16の誕生の瞬間でした。
ところで、ただいま述べたフライ・バイ・ワイヤとは何かについて、ご質問があるでしょう。この技術を理解するには、まず従来の飛行制御方式を知る必要があります。
ライト兄弟が1903年に初の動力飛行に成功した後、飛行機の操縦方式は数十年間大きく変わりませんでした。操縦士がコントロール・スティックを引くと、その動きは鋼ケーブルとプーリー、レバーを通じて翼の操舵面に伝わりました。ちょうど人形劇で糸を引いて人形を動かすのと似ています。操縦士の腕力が直接飛行機を動かしていたのです。
この機械式操縦方式は単純で直感的でした。操縦士は風の抵抗を指先で感じることができました。飛行機の状態を全身で感知しながら飛行していました。しかし問題がありました。飛行機がどんどん速くなり、大きくなるにつれ、操縦に必要な力も幾何級数的に増加したのです。音速を突破するジェット戦闘機の操舵面を人間の筋力で動かすことはほぼ不可能になりました。
この問題を解決するために、油圧システムが導入されました。自動車のパワーステアリングと似た原理です。操縦士がコントロール・スティックを少し動かすと、油圧ポンプがその力を増幅させて操舵面を動かしてくれます。F-4ファントムやF-15イーグルのような名機がこの方式を使用していました。操縦士の負担は減りましたが、コントロール・スティックと翼の間はまだ機械的な接続装置でつながっていました。複雑な油圧配管は重く、敵の攻撃に脆弱であり、整備も厄介でした。
そしてより根本的な問題がありました。機械式操縦では不安定な飛行機を扱えないということです。これはちょっと奇妙に聞こえるかもしれません。飛行機が不安定だなんて、それが良いことでしょうか。実は戦闘機にとっては良いことなのです。安定した飛行機はバランスを保とうとする性質が強いです。これは安全ですが、機動性を低下させます。急激な方向転換に抵抗するからです。一方、不安定な飛行機はちょうどコマのように、いつでも方向を変える準備ができています。空戦では決定的な利点です。
問題は、人間の反応速度ではこの不安定性を制御できないということです。不安定な飛行機は、操縦士が手を離す瞬間にバランスを失い、墜落しようとします。これを防ぐには、毎秒数十回操舵面を微調整する必要があります。人間の脳と手がそれほど速く動くことはできません。まさここでコンピュータが登場します。
フライ・バイ・ワイヤ、略してFBWは、コントロール・スティックと翼の間の機械的接続を切り離します。代わりに電線を通じて電気信号を送ります。操縦士がコントロール・スティックを引くと、センサーがその動きを感知してデジタル信号に変換します。この信号は飛行制御コンピュータに送られます。コンピュータは操縦士の意図を解釈し、現在の飛行状態（速度、高度、姿勢など）を考慮して、各操舵面をどの程度動かすべきかを計算します。その後、油圧アクチュエータに命令を送って操舵面を動かします。
重要な違いをお知らせします。機械式操縦では、操縦士が操舵面の角度を直接制御していました。FBWでは、操縦士が入力するのは角度ではなく意図です。「機首を上げたい」という意図を入力すると、コンピュータが現在の状況でその意図を実現するための最適な操舵面の動きを計算するのです。
NASAの役割が決定的でした。1972年、NASA・ドライデン研究センターはF-8クルセイダー戦闘機の機械式操縦装置をすべて取り外し、アポロ月着陸船のコンピュータを移植しました。世界初のデジタルFBW航空機実験でした。試験操縦士ゲリー・クリアーは1972年5月25日、機械的バックアップなしに、コンピュータだけで制御される飛行機を飛ばしました。13年間にわたる210回の試験飛行の間、コンピュータの故障による緊急事態は一度も発生しませんでした。デジタル飛行制御が信頼できることが立証されたのです。
F-16はこの技術を量産機に初めて適用した戦闘機です。それも意図的に不安定に設計された戦闘機に、です。F-16の重心は揚力中心より後ろに位置しています。これは機体が絶えず機首を上げたり下げたりしようとしているということです。コンピュータが毎秒数千回操舵面を調整して、この不安定性を相殺します。操縦士が感じるのは安定的で反応性の良い飛行機です。しかし、コンピュータなしには数秒も飛行できない機体なのです。
F-16のFBWが提供するもう一つの機能は飛行包囲保護です。過去の戦闘機では、操縦士の失策により構造的限界を超える機動をして翼が折れたり、失速（揚力を失うこと）に陥って墜落する事故は珍しくありませんでした。F-16のコンピュータは、操縦士がどれほど粗く操縦桿を動かしても、機体が耐えられる範囲内でのみ機動するように制限します。9Gを超える負荷がかからないように、失速角を超えないように自動調整します。操縦士は敵との戦闘に集中できます。飛行機自体と戦う必要がなくなったのです。
初期のF-16はアナログ方式を使用していました。アナログ方式は電圧や電流の変化で数値を表現します。一方、デジタル・コンピュータは0と1の二進法を使用します。1980年代後半からF-16はデジタル飛行制御コンピュータにアップグレードされました。デジタルの利点はプログラミングが可能なことです。飛行特性をソフトウェアで変更できます。同じ機体でもソフトウェア・アップデートにより、異なるように飛行させることができるようになったのです。
民間航空でもFBW革命が起こりました。1988年に就航したエアバスA320は、完全デジタルFBWを採用した最初の量産旅客機です。エアバスの哲学は飛行包囲保護を最大化することでした。操縦士がコントロール・スティックをどれほど強く引いても、飛行機は失速しません。コンピュータが許可しないからです。ボーイングは777でFBWを導入しましたが、操縦士がコンピュータの保護機能を無視して手動操縦できる余地を残しました。2社の異なる哲学です。
今、自動地面衝突回避システムAuto-GCASについてお説明します。この技術はFBWの延長線上にありながら、AI戦闘機への重要な足がかりです。
戦闘機操縦士にとって最大の危険の一つは地面衝突です。空戦中に状況認識を失ったり、高G機動で意識を失ったり（G-LOCと呼ばれます）、飛行機が地面へ垂直に落ちる事故は珍しくありませんでした。無事な飛行機と熟練した操縦士が一瞬にして消えるのです。
Auto-GCASはこの問題を解決するために開発されました。システムは地形データベース、GPS、レーダー高度計を組み合わせて現在の飛行経路を予測します。このままでは地面と衝突すると判断されれば、まず操縦士に警告します。操縦士が反応しなければ、コンピュータが操縦権を奪い、機体を上昇させます。翼を水平に回転させ、5Gで引き上げるのです。
2016年、米空軍は衝撃的な映像を公開しました。アリゾナ州空軍州兵所属のF-16訓練生が空戦訓練中にG-LOCに陥りました。8.4Gの負荷に耐えている間に意識を失ったのです。戦闘機は機首を下に向けたまま、時速700キロメートル以上で地面に向かって突進していました。教官の
緊急の叫びが無線機を通じて聞こえました。「ツー、リカバー！ツー、リカバー！」しかし反応がありませんでした。高度8,700フィートでAuto-GCASが作動しました。コンピュータが自動的に機体を回復させて、操縦士の命を救いました。
2014年の実戦配備以来、Auto-GCASは12機のF-16と13名の操縦士（1機は複座機でした）の命を救いました。F-35にも搭載されており、F-22でも最低1件の救助記録があります。この技術により30年間で30億ドル以上の資産と数十名の生命を救うと予想されています。
しかし、Auto-GCASの導入は順調ではありませんでした。技術的には1990年代にはすでに完成していました。では、なぜ実戦配備に20年以上かかったのでしょうか。操縦士たちの抵抗のためでした。
戦闘機操縦士にとって、飛行機を操縦する能力は正体性の核です。極限の状況で機体を精密に扱うことが彼らの自負です。Auto-GCASはこの領域に機械が侵入することを意味していました。「私が操縦しているのに、コンピュータが私の手を押しのけるのか？」多くの操縦士がこのように反発しました。彼らは自分の技量が疑われていると感じました。
DARPAのACEプログラム・マネージャーであるライアン・ヘフリン中領は、これを1930年代の騎兵隊に例えます。当時、騎兵隊員にとって馬乗り技術は彼らの正体性でした。機械化部隊の導入を拒否したように、操縦士たちも自動化に抵抗したということです。しかし結局、騎兵隊は戦車に席を譲りました。技術の流れには逆らうことができなかったのです。
F-22やF-35のような5世代戦闘機はFBWを超え、センサー融合という新たな次元の自動化を実装しました。過去には、操縦士がレーダー画面を見たり、赤外線センサーを確認したり、レーダー警報受信機の音を聞いたり、これらすべての情報を頭の中で統合する必要がありました。認知負荷は膨大でした。5世代戦闘機のコンピュータはこの作業を代行します。複数のセンサーの情報を融合させて、「あれは敵機だ、このミサイルで攻撃するのが最適だ」という加工された情報を操縦士に提供します。
この進化の軌跡をたどると、AI戦闘機が自然に登場します。機械式操縦から油圧操縦へ、アナログFBWからデジタルFBWへ、飛行包囲保護からAuto-GCASへ、センサー融合からAIパイロットへ。各段階は人間の操縦士の負担を軽くする方向に進化してきました。その終わりには、人間なしでも飛行し戦闘できる完全自律戦闘機があります。
デジタルFBWはAIが戦闘機を操縦するための必須インターフェースです。機械的接続が残っていたら、AIが飛行機を操縦するには、ロボット腕が物理的にコントロール・スティックを掴む必要があったでしょう。
しかし、FBWのおかげで、AIはソフトウェア・コードを通じて直接飛行制御コンピュータと対話できます。操縦士の手がコントロール・スティックに入力していたことをAIのアルゴリズムが代行するのです。
ローマのグラディウス剣を思い出してください。剣士の熟練した手が剣を振るいました。これが機械式操縦です。今、剣と手の間に精密な装置が入り込みました。剣士の意図を読み、剣が最も効果的な角度で目標に向かうように調節する装置です。これがFBWです。そして今、その装置の上に戦術参謀が座りました。いつ、どこを、どのように攻撃するかを判断する知性です。これがAI戦闘機です。
戦闘機自動化の歴史は、人間の限界を機械で補ってきた過程です。そしてその過程の終わりで、私たちは人間なしでも空を支配しようとする機械と向き合っています。
