飛行機の窓は丸くないと危険！？【過去の事故から得た教訓】

飛行機に乗ったとき、機内の設備をじっくり観察することはあるでしょうか。見慣れているため気にも留めない部分でも、少し視点を変えると「どうしてこの形なのだろう」と気になるものが見つかります。

第122回雑学調査レポートでは、そんな「飛行機」に関する雑学をご紹介していきます。

飛行機の窓にはなぜ鋭い角がないのか

旅客機の窓を見ると、きれいな円ではなく、縦長の楕円形や、角を大きく丸めた長方形のような形をしています。機種によって窓の形や大きさは異なりますが、現在の一般的な旅客機では、90度に近い鋭い角を持つ客室窓はほとんど使われていません。

窓がこのような形をしている大きな理由は、飛行中に機体へ加わる力を、窓の周囲にできるだけ滑らかに分散させるためです。

飛行機の胴体には、飛行中にさまざまな力が加わります。その中でも窓の形と深く関係しているのが、客室内と機外の気圧の差によって生まれる力です。

窓に鋭い角があると、その角の周辺に力が集中しやすくなります。反対に、窓の角を丸くすると、力が一か所に集中しにくくなります。

『Federal Aviation Administration』も、『de Havilland』DH-106 Comet 1の事故から得られた教訓を紹介する資料の中で、角張った窓の周囲では高い応力集中が発生したと説明しています。

そのため、飛行機の窓で重要なのは「完全な円にすること」ではありません。「鋭い角を作らないこと」が重要なのです。

窓が丸い理由を理解するには「与圧」を知る必要がある

飛行機の窓の形が安全性に関係する理由を理解するには、まず「与圧」という仕組みを知る必要があります。

地上から高度が上がるにつれて、空気は薄くなり、気圧も低くなっていきます。

旅客機は一般的に高度1万メートル前後の高い場所を飛行します。この高度では機外の気圧が非常に低いため、そのままの環境では旅客が快適に過ごせる客室を維持できません。

そこで旅客機では、客室内へ空気を送り、機外より高い気圧を保っています。これが与圧です。

米国の輸送カテゴリー航空機に適用される14 CFR §25.841では、高標高空港での運航など一定の例外を除き、通常運航時の客室高度を8,000フィート以下に保つことが求められています。8,000フィートは約2,440メートルです。

ここでいう「客室高度」は、飛行機が実際に飛んでいる高さではありません。客室内の気圧が、標準的な大気で考えると何メートルの高度に相当するのかを示した値です。

たとえば、飛行機そのものが高度1万メートル付近を飛んでいても、客室内の気圧は高度1万メートルの外気と同じではありません。与圧によって、もっと低い高度に相当する高い気圧が保たれています。

この結果、機体の内側と外側には気圧差が生まれます。

客室内のほうが高い気圧になっているため、胴体には内側から外側へ押し広げようとする力が加わります。

イメージとしては、風船を膨らませたときに、風船の表面が内側から引っ張られる状態に近いものです。

旅客機の胴体は、この圧力差に繰り返し耐えながら飛行しています。

窓やドアがある場所では力の流れが変わる

飛行機の胴体を一本の筒として考えると、穴のない部分では力を比較的滑らかに伝えられます。

しかし、実際の旅客機には客室窓、ドア、非常口など、さまざまな開口部があります。

機体に穴を開けると、その部分では構造が途切れるため、胴体を流れていた力は穴を避けるように周囲へ回り込みます。

川の中に大きな岩を置いた場面を想像すると分かりやすいでしょう。まっすぐ流れていた水は岩を通り抜けられないため、左右へ分かれて流れます。

航空機の構造でも、考え方は似ています。

窓がなければまっすぐ伝わっていた力が、窓という開口部があることで、その周囲へ迂回します。

そのため窓は、単に胴体へ穴を開けて透明な板を取り付ければよいものではありません。窓の形、位置、大きさ、周囲の補強構造まで含めて設計する必要があります。

四角い窓では「角」に力が集まりやすい

窓を鋭い角を持つ四角形にすると、特に問題になりやすいのが角の部分です。

材料や構造物へ力を加えたとき、穴や切り欠きなどによって形が急激に変わっている場所では、周囲より大きな力が局所的に発生することがあります。

この現象を「応力集中」と呼びます。

簡単にいえば、「特定の場所だけに力が集まる現象」です。

身近な例として、紙を破る場面を考えると分かりやすいでしょう。

何も傷がない紙を端から破ろうとすると、それなりの力が必要です。しかし、あらかじめ小さな切り込みを入れておけば、その切り込みを起点として簡単に破れます。

航空機の窓と紙では構造も材料も異なりますが、「形が急激に変わる場所に力が集中しやすい」という基本的な考え方は共通しています。

四角い窓に鋭い角があると、胴体を流れてきた力は、その角の近くで急激に向きを変えなければなりません。

そのため、窓の角付近では周囲より大きな応力が発生しやすくなります。

角を丸くすると力を分散しやすくなる

窓の角を大きく丸めると、形が急激に変わる場所を減らせます。

胴体を伝わる力も、急に方向を変えるのではなく、曲線に沿って徐々に向きを変えられるようになります。

その結果、一つの小さな場所へ極端に力が集中するのを抑えられます。

このため、現在の旅客機では完全な円形だけでなく、楕円形や、角を大きく丸めた長方形に近い窓も使用されています。

大切なのは窓を必ず円形にすることではなく、十分に大きな丸みを持たせ、鋭い角による大きな応力集中を避けることです。

『Federal Aviation Administration』も、現代の丸形や楕円形の航空機窓では、曲線部分に沿って応力が流れやすいと説明しています。

飛行機の窓の安全設計を大きく変えた「de Havilland Comet」

航空機の窓と応力集中の関係を知るうえで重要な機体が、イギリスの航空機メーカー『de Havilland』が開発したDH-106 Cometです。

Comet 1は1952年5月2日に商業運航を開始しました。

世界で初めて定期旅客運航へ本格的に投入されたジェット旅客機として知られており、当時としては非常に先進的な航空機でした。

それまでの大型旅客機ではプロペラ機が中心でしたが、Cometはジェットエンジンによって高速かつ高い高度を飛行できました。

しかし、初期のCometでは重大な事故が相次ぎます。

1954年1月10日、『British Overseas Airways Corporation』781便として運航されていたComet 1が、ローマからロンドンへ向かう途中で空中分解し、イタリアのエルバ島付近の地中海へ墜落しました。

事故機は高度約27,000フィートを上昇中でした。

さらに同年4月8日には、『South African Airways』201便として運航されていた同型機も、ローマからカイロへ向かう途中で空中分解しました。こちらは高度約35,000フィートを上昇中でした。

短期間に同型機の重大事故が続いたことから、Cometの構造について大規模な調査が行われることになります。

実物の胴体を水槽に入れて原因を調べた

Cometの事故調査では、墜落した機体の残骸を回収して調べるだけでなく、実物のCometを使った大規模な実験も行われました。

機体の胴体を巨大な水槽へ入れ、水圧を利用して、実際の飛行で起きる与圧と減圧を何度も再現する試験です。

水を使うことで、万が一胴体が破壊しても、空気を使う圧力試験より激しい破裂を抑えながら調査できます。

この試験を繰り返した結果、Cometの胴体が、当初想定されていたより少ない与圧サイクルで疲労破壊する可能性が分かってきました。

重要だったのが、胴体に設けられた角張った開口部です。

窓や脱出口などの角付近には、想定していた以上に大きな応力が集中していました。

コメット事故は「四角い客室窓だけ」が原因ではない

Cometの事故は、「四角い客室窓の角から亀裂が入り、機体が空中分解した」と説明されることがあります。

飛行機の窓が丸くなった理由を簡単に説明するときには分かりやすい表現ですが、実際の事故調査結果はもう少し複雑です。

1954年1月にエルバ島沖へ墜落した機体について、英国当局は、与圧された客室構造に発生した疲労による構造破壊が事故につながったと判断しました。

ただし、この機体で最初の破壊が発生した場所として特定されたのは、乗客が外を見るための一般的な客室窓ではありません。

胴体上部に設けられていたADF用の角張ったアンテナ窓付近でした。

ADFは「自動方向探知機」と呼ばれる航法装置で、当時の航空機が無線局の方向を確認するためなどに使っていました。

つまり、事故を単純に「四角い客室窓が壊れた」と説明すると、実際の状況とは少し異なります。

客室窓や脱出口でも大きな応力集中が確認された

一方で、Cometに使われていた角張った客室窓や窓枠も、構造上の問題と無関係だったわけではありません。

調査や試験では、角張った窓の角付近に非常に大きな応力集中が発生することが確認されています。

実物大の胴体を使った水槽試験では、試験機G-ALYUの胴体が、角張った前方脱出口窓の角から破損しました。

つまりCometから得られた重要な教訓は、「特定の一枚の四角い客室窓だけが危険だった」ということではありません。

与圧された胴体に鋭い角を持った開口部を設けると、その周辺へ大きな応力が集中し、疲労亀裂が発生しやすくなることが明確になったのです。

客室窓だけでなく、アンテナ用の開口部や脱出口なども含め、「胴体に穴を設けるとき、その角をどのような形にするか」が重要だと分かりました。

繰り返し加わる力が「金属疲労」を起こす

Cometの事故を理解するには、もう一つ「金属疲労」という現象を知っておく必要があります。

金属は、1回の力に耐えられたからといって、同じ力へ永久に耐え続けられるとは限りません。

材料を壊すほどではない比較的小さな力でも、何千回、何万回と繰り返し加わると、小さな亀裂が生まれることがあります。

その亀裂が少しずつ成長し、最終的に大きな破壊へつながる現象が疲労です。

たとえば、金属製の細い針金を一度曲げただけでは折れなくても、同じ部分を何度も前後へ曲げると、やがて折れます。

航空機の胴体でも、考え方は同じです。

飛行するたびに与圧され、着陸するたびに減圧されます。この繰り返しによって、胴体には毎回負荷が加わります。

特に窓などの角に応力が集中していると、その部分から疲労亀裂が生まれやすくなります。

コメットでは疲労試験の方法にも問題があった

Cometから得られた教訓は、窓の角を丸くすることだけではありません。

機体の耐久性をどのように試験するかという点でも、大きな教訓が残されました。

開発段階の『de Havilland』では、胴体が十分な強度を持っていることを確認するため、通常の飛行で受ける差圧よりも高い圧力を加える試験を行っていました。

その後、同じ試験用胴体を使い、与圧と減圧を何度も繰り返す疲労試験を実施しています。

この試験用胴体は約16,000回の与圧サイクルまで耐えました。

その結果だけを見ると、実際の航空機でも十分な耐久性を持っているように見えます。

しかし、ここに問題がありました。

疲労試験を始める前に実施した高い圧力による試験によって、窓の角など特に大きな力が加わった部分の材料特性が変化していたのです。

このように、金属へ力を加えることで材料の性質が変化する現象の一つが「冷間加工」です。

結果として、試験用胴体の一部では、実際の量産機より疲労に対して強い状態になっていました。

つまり、試験用の機体が実際に飛んでいた量産機と同じ条件ではなくなっていたため、本来存在していた弱点を試験で正確に再現できなかったのです。

試験機は耐えたのに量産機では早く亀裂が生じた

『Federal Aviation Administration』の資料では、試験用胴体が最初の疲労亀裂まで約16,000サイクルに耐えた一方、同じ高圧試験を受けていなかった量産機では、およそ1,000飛行サイクル付近で窓の角周辺に疲労亀裂が生じる状態だったと説明されています。

この違いは非常に重要です。

航空機の安全性を確認するときには、単に強い力を加えて壊れないことを確認するだけでは十分ではありません。

実際の運航で機体がどのような力を、どの順番で、何回受けるのかまで考えて試験する必要があります。

Cometでは、開口部に発生する大きな応力集中、繰り返される与圧による疲労、そして量産機の状態を十分に再現できなかった試験方法など、複数の要因が重なっていました。

飛行機では「何時間飛んだか」だけではなく「何回飛んだか」も重要

航空機の寿命や疲労を考えるときには、飛行時間だけでなく「飛行サイクル」も重要です。

旅客機は離陸して高度を上げると、機外の気圧が下がっていきます。そのため客室を与圧すると、機内と機外の気圧差が大きくなります。

着陸に向けて高度を下げると、その気圧差は徐々に小さくなります。

基本的には、一度の飛行で「与圧してから減圧する」という一つのサイクルを経験することになります。

そのため、同じ3万時間を飛んだ航空機でも、長距離便を中心に飛んできた機体と、短距離便を何度も繰り返してきた機体では、胴体が経験した与圧サイクルの回数が大きく異なる場合があります。

短距離便を繰り返す飛行機はサイクル数が多くなる

たとえば、年間3,000時間飛行する2機の航空機を考えてみます。

1回10時間の長距離便だけを飛ぶ場合、単純計算では年間約300回の飛行です。

一方、1回1時間の短距離便を中心に飛ぶ場合、同じ3,000時間でも約3,000回飛行することになります。

飛行時間は同じでも、与圧と減圧を経験する回数には約10倍の差があります。

そのため、胴体の疲労を管理するときには、機体が何年間使われてきたのか、何時間飛んだのかだけを見るのではなく、何回飛行したのかも確認する必要があります。

89,680回飛行していたアロハ航空243便

飛行サイクルの重要性を示した代表的な事故の一つが、1988年4月28日に発生した『Aloha Airlines』243便の事故です。

事故機は『Boeing』737-200でした。

事故までの飛行時間は35,496時間でしたが、飛行サイクルは89,680回に達していました。

この機体はハワイ諸島間の短距離路線を中心に運航されていたため、一回あたりの飛行時間が短い一方で、非常に多くの離着陸を繰り返していました。

つまり、飛行時間に対して与圧サイクルが非常に多い使われ方をしていたのです。

『Federal Aviation Administration』はこの事故について、与圧された胴体構造で疲労亀裂が発生し、その亀裂が成長する速さには、飛行時間より飛行サイクルの蓄積が強く関係すると説明しています。

また、『Aloha Airlines』の機体では、短距離便を繰り返していたことで、『Boeing』が整備計画で想定していたペースのおよそ2倍の速さで飛行サイクルが増加していました。

現代の飛行機の窓は完全な円形でなくても安全に設計できる

現在の旅客機を見ると、すべての窓が真円になっているわけではありません。

縦長の楕円形に見える窓もあれば、角を大きく丸めた長方形に近い窓もあります。

これは、「円形以外は危険」という意味ではないためです。

構造上重要なのは、窓の形が急激に変化する鋭い角を作らないことです。

十分に大きな丸みを持たせれば、胴体を流れる応力を滑らかに窓の周囲へ回すことができ、局所的な応力集中を小さくできます。

そのため、航空機メーカーは窓の大きさや機体構造、使用する材料などに合わせて、必要な強度を確保できる形を設計しています。

飛行機は単純に材料を厚くすればよいわけではない

「窓の周囲に大きな力がかかるなら、機体を分厚い金属で作ればよい」と考えることもできます。

しかし、航空機では重量が非常に重要です。

機体を重くすると、その重量を持ち上げるためにより大きな揚力が必要になります。

燃料消費量にも影響し、同じ機体で運べる旅客や貨物の量にも影響します。

そのため航空機では、単純に材料を厚くして強くするだけでなく、「必要な強度を確保しながら、できるだけ軽くする」という設計が求められます。

窓の角を丸くして応力集中そのものを小さくすることは、材料の量だけに頼らず、形状によって効率よく強度を確保する方法の一つです。

窓を丸くするだけで飛行機が安全になるわけではない

Cometの事故を知ると、「昔は四角い窓だったが、丸い窓に変えたことで飛行機は安全になった」と理解しやすくなります。

しかし、現在の航空機の安全性は、窓の形だけで成り立っているわけではありません。

窓の周囲には、機体へ加わる力を受け止めるための補強構造があります。

さらに、使用する材料、部品同士の接合方法、疲労に対する評価、製造方法、定期的な検査など、多くの対策が組み合わされています。

一つの対策だけで安全を確保するのではなく、複数の仕組みを重ねて重大事故につながる可能性を小さくしているのです。

現代では小さな亀裂が生まれることも考えて設計する

『Federal Aviation Administration』のCometに関する資料では、航空機構造の考え方が、その後「安全寿命」や「フェイルセーフ」といった設計思想を経て、現在の「損傷許容」という考え方へ発展したことが説明されています。

損傷許容では、「使用中に構造へ小さな損傷が生じる可能性がある」という前提も含めて安全性を考えます。

たとえば、非常に小さな疲労亀裂が発生したとしても、それだけですぐに機体全体が大きく破壊しない構造にします。

さらに、その亀裂が危険な大きさになる前に、点検によって発見できるようにすることも重要です。

つまり、現在の航空機では「絶対に亀裂が発生しないようにする」という一つの考え方だけではなく、「もし小さな損傷が発生しても、安全なうちに発見して対処できるようにする」という考え方も使われています。

丸い窓には航空機事故から得られた多くの教訓が生かされている

現在の飛行機の窓に鋭い角がないのは、単なるデザイン上の理由ではありません。

飛行中の旅客機では、与圧によって機体の内側と外側に気圧差が生まれます。その力は胴体全体へ加わり、窓などの開口部がある場所では周囲へ回り込みます。

開口部に鋭い角があると、その角へ大きな応力が集中しやすくなります。

さらに、航空機では一度だけではなく、飛行するたびに与圧と減圧が繰り返されます。そのため、応力が集中する場所では疲労亀裂が発生し、長い時間をかけて成長する可能性があります。

窓の角を大きく丸めることで、力の流れを滑らかにし、こうした応力集中を抑えられます。

そしてCometの事故から得られた教訓は、窓の形だけにとどまりませんでした。

疲労を考慮した構造設計、実際の運航条件を再現する試験、飛行サイクルを考慮した機体管理、定期的な検査、損傷が発生した場合にも安全を保つ構造など、現在の航空機安全につながる多くの考え方へ発展しています。

まとめ

「どうしてこの形なのだろう」と思って調べてみると、何気ない飛行機の窓にも意外な歴史が隠されています。

普段は見過ごしてしまう部分にも、安全な空の旅を支える工夫が詰まっているのです。