生涯いちエンジニアを目指して、ついに半老人になってしまいました。

その場考学研究所:ボーイング777のエンジンの国際開発のチーフエンジニアの眼をとおして技術のあり方の疑問を解きます

ジェットエンジンンの設計技師(6)第5話 定量的なトレードオフ

2014年05月13日 08時00分58秒 | ジェットエンジンの設計技師
第5話 戦略的なトレードオフのための設計パラメータ

・設計の最初は「トレードオフ」の数字を決めること


 相反するパラメータの間で合理的なトレードオフを行う、折り合いをつけるということは、技術者にとって重要な能力の一つである。しかし、どうも日本のエンジニアの人たちは、「トレードオフ」即ち、相反することの間での妥協点を探り折り合いを付ける、といったことを好まないようである。

 しかし、私がジェットエンジンの国際共同開発に参加し、その基本設計作業に取り組んで最初に出会ったのは、エアラインのオペレーションコストから逆算して得られる様々な設計パラメータの「トレードオフ」ということであった。トレードオフの関係にあるものごとを整理し、それを定量化し、確定するということからスタートするというやり方、つまり戦略を決めるところからスタートをするというやり方は、日本の設計の教科書には書かれていなかった。

 ジェットエンジンの話に入る前に、この「トレードオフ」ということについて、少し考えてみたい。それに恰好な本があった。2010年出版の藤井清孝著「グローバル・イノベーション 日本を変える3つの革命」(朝日新聞出版)である。

 藤井清孝氏は、1957年生まれ、灘高等学校卒業、1981年東京大学法学部卒業。1981年、米コンサルティング会社のマッキンゼー・アンド・カンパニー入社。1986年ハーバード大学経営大学院(MBA)卒業。1986年ファースト・ボストン投資銀行ニューヨーク本社のM&Aグループに勤務。その後、電子回路設計の米ケイデンス・デザイン・システムズ社の日本法人社長、2000年ERP(Enterprise Resource Planning)ソフトウエアの独SAPジャパン社長、2006年ルイ・ヴィトン・ジャパンカンパニーCEO、LVJグループ代表取締役社長。そして2008年、現在の電気自動車の充電ネットワークを提供するベタープレイス社の代表取締役に就任という経歴の持ち主である。


 
読み始めると、この書が現代のグローバル&デジタルの世界における日本人の弱みと強みを様々な観点から的確に指摘していることに驚かされる。その第5章に出てくる言葉が、「トレードオフの概念が苦手な日本人」である。一部を引用する。

対立軸を持った選択肢とは、相手の意見との接点を見いだせないくらい、相容れない根本的な違い、トレードオフを内包した選択肢だ。 例えば政治の分野では、三十年前であれば、「自由主義」対「社会主義」であろう。現在では、「大きな政府」対「小さな政府」、「競争」対「格差是正」、「グローバル化」対「日本独自路線」のようなイメージである。(中略)

 日本はこのトレードオフになる骨太な論点を整理せず、整合性のとれた、総合的な政策のパッケージを提示する力が決定的に弱い。その結果、本質的にトレードオフになる論点を議論せず、いいとこ取りをした聞き心地の良い言葉を信じるような風潮をあおるのだ。(中略)

 日本人はトレードオフになる論点を深く理解し、その結果複数の選択肢を生み出す思考パターンは苦手だ。これは「正解指向」の教育に根ざしていると考える。

 厳しい、耳が痛い指摘である。何かを追求すると、何かが犠牲になってしまう。
「あちらを立てれば、こちらが立たず」ということで、当たり前のことなのだけど、ついつい忘れてしまう。

 2012年新年特別号「文藝春秋」の「日本はどこで間違えたか もう一つの日本は可能だったか」という記事は、30人の識者が、それぞれ戦後処理、経済政策、官僚主導など具体例を挙げ、持論を語っており、読み応えがあったが、そこで感じたことは、まさに前述の藤井清孝氏の指摘「本質的にトレードオフになる論点を議論せず、いいとこ取りをした聞き心地の良い言葉を信じるような風潮」が多くの場合に当てはまってしまうということだった。

 しかし、これは日本文化の根底にあり、美徳とも言えるようなことでもあり、一般社会では良いとされることが少なくない。これが日本社会から消えることはなかなか考えにくいのだが、世界を相手に競争をする場合には、これではやってはいけない。技術が優れている、品質が良い、サービスが良いなどといううたい文句だけでは間違いなく負けてしまう。 ジェットエンジンの新機種の設計に際しても、まずここが検討のポイントとなった。使用者にとっての運用コストが「設計のトレードオフ」との関連で定量的に明示され、その上で評価されつくされたものでなくては厳しい勝負に勝つことはできない。

 かつてジェットエンジンの新機種の設計を開始する時点で、市場開発と設計両部門が協力し、エアラインの直接運航費(DOC : Direct Operating Cost)に関するデータを基に以下のような表を作成した。


 
この表を使って基本設計の方針や大きな設計変更などについては検討し、判断を下した。
 先の表の項目でエアラインが最も興味を示すのは、燃料消費率(TSFC=Thrust Specific Fuel Consumption)である。


http://en.wikipedia.org/wiki/Components_of_jet_engines

 圧縮機やタービンの効率を上げれば燃料消費率は下げられるが、そうすると圧縮機やタービンの段数を増やさなければならないなどでエンジン重量が増加してしまう。そして、それだけ搭載許容重量・乗客数が減少してしまう。またエンジン重量を抑えるために特殊材料を多用すれば、エンジン原価が上がり、それはエアラインの直接運航費(DOC)を引き上げてしまうことにつながる。

 そうした関係を定量的に示したのが先の表で、これによって燃料消費率を1%引き下げるためにXXXポンドまでの重量増は許されるが、それ以上の重量増は直接運航費(DOC)を引き上げしまい、本末転倒となる。軽量化のため特殊材料を用いると、今度は製造コストが上がってしまう。燃料消費率を1%引き下げのためにX.XX×104ドルまでのコスト増は許されるが、それ以上のコスト増となると、直接運航費(DOC)を引き上げてしまい、意味がなくなる。こういったことが分かる。

 実際には、重量増加とコスト増加を組み合わせによって燃料消費率向上を実現させている。そして、それをどのような組み合わせにするのかの設計変更の方針が決められる。このようにエアラインの直接運航費(DOC)の観点から「設計のトレードオフ」が行われるのである。


・エンジン燃料消費率の影響


 実際のエアラインの直接運航費(DOC : Direct Operating Cost)の構成の一例を示すと、下図のとおりであり、これを見れば、エアラインが機種選定において最も重視している直接運航費において、いかにエンジン関係経費が大きな比重を占めているかが分かるだろう。エンジン設計技術者としては、設計の目安としてエンジン関係経費がどれほどの大きさになるかを認識しておくことが不可欠である。




 上図のエンジン燃料の構成比が15%というのは、原油価格が廉価だった当時のもので、実際に設計を開始した時は、原油価格が上昇し、約25%になっていた。実際に使用された表も、この状況に基づいた数字が入っているものであって、それに基づいて「設計のトレードオフ」の作業は行われた。

 ここでは実際に使用された数字を出して説明することはできないので、以下、相対値を使って、この重要なエンジン燃料消費率について説明する。

エアラインの直接運航費(DOC)に占めるエンジン燃料の比率が約25%であるとすると、燃料消費率を4%引き下げることが出来れば、直接運航費(DOC)は1%下がる、良くなるということになる。同様にして直接運航費(DOC)を1%引き下げるのに求められる、燃料消費率以外のエンジン設計担当者が用いる主要パラメータの変化を求めたところ、以下のようになった。

エンジン燃料消費率      約 4%
エンジン重量         約 17%
エンジン価格         約 7%
エンジン整備コスト      約 18%

 エンジン重量を約17%減少させることができれば、直接運航費(DOC)は1%下がる。エンジン価格を約7%下げることができれば、直接運航費(DOC)は1%下がる。エンジン整備コストを約18%下げることができれば、直接運航費(DOC)は1%下がる。つまりエアラインの支出は1%減少し、それ以上にエアラインの利益率は改善されることにつながる、という次第であった。

 もっとも影響が大きい、つまり%値が小さいのはエンジンの設計パラメータの燃料消費率であったので、それをさらにエンジンの5要素に分解し、それぞれの効率を1%上げた時の燃料消費率の下がりぐあいを見たところ、以下のようになった。

ファン            0.6%
低圧圧縮機          0.2%
高圧圧縮機          0.7%
高圧タービン         0.8%
低圧タービン         1.0%

 ファンの効率が1%上がると、燃料消費率は0.6%下がる。低圧圧縮機の効率を1%上げると、燃料消費率は0.2%下がる。高圧圧縮機の効率を1%上げると、燃料消費率は0.7%下がる。高圧タービンの効率を1%上げると、燃料消費率は0.8%下がる。そして低圧タービンの効率を1%上げると、燃料消費率も1%下がる。それぞれの要素の効率向上が世界中で地道に研究が続けられているが、低圧タービンの効率向上が燃料消費率の改善に最も影響が大きいことが分かった。

 いずれにしてもエンジンではエアラインの直接運航費(DOC)が小さくて済むこと、これが基本であった。私が体験したプロジェクトでは、開発初期段階では、競合機種との比較において高度技術が適用されノイズや排ガスなどの環境指標が優れていることが強調されたのだが、受注はふるわず、その結果、開発設計の途中で、営業サイドから直接運航費(DOC)の低減を計るようにとの設計変更を強く求められることとなった。

 すなわちエンジン燃料消費率の引き下げだけではない。エンジン重量の低減、エンジン整備コストの低減である。とくにエンジン整備コストは競合機種と比較して明らかに高すぎるとの指摘があり、重要部品の寿命の改善や整備性の改善に努力が払われることとなった。

 またエンジン燃料消費率の引き下げには、低圧タービンの性能向上が最も有効であることが分かったので、その性能向上に最大の努力が払われた。

 低圧タービンは過去の開発経験から、新規設計の場合には必ず最後まで緊急の設計変更が要求されるものである。エンジン・コアの空気流量、低圧圧縮機と高圧圧縮機の仕事配分比率の変更など、全ての要素の設計変更のとばっちりを必ず受け、最後のつじつま合わせをする要素だからである。

 一般的には、高圧圧縮機の開発力がエンジン開発プロジェクトの雌雄を決すると考えられているようだが、高圧圧縮機は一旦決定をされれば、変更されることは稀であり、しかも、他のプロジェクト(単独要素研究として多様な条件下での試験)などで十分に性能が確認されたものが適用されるのが常である。極端な場合に他機種のスケール変更や外部調達によっての対応もあり得るので、エンジン開発プロジェクトで、高圧圧縮機の開発力が致命的な影響を及ぼすとは考えにくい。それよりは、むしろ低圧タービンの設計・開発力と、その設計変更のすばやい適用力こそがエンジン開発における最重要課題と私は考える。


・エンジン燃料価格の影響

 過去のオイルショックの経験などから、石油価格が高騰しても一過性のものになるだろうとの認識が広まったことなどもあって、新型エンジンの開発意欲は下火になっているように見える。しかし、燃料価格が上昇すれば、いくら機種の違いによって影響は異なるとか、燃料油価格変動調整金(フューエル・サーチャージ)などで対応すれば済むといっても、現実は、すでにそれだけでは済まされない状況になっているように思う。

 次のB747の直接運航費(DOC)の表を見れば分かるだろう。これまで使用してきた直接運航費(DOC)とは定義は異なっているのだが、それでも、ともかく2004年から2008年には燃料費の占める比率が全体の40%から70%へと急上昇しており、いつまでも、このままでは済まされないという状況は分かるだろう。

B747の直接運航費の推移



・基本設計段階のコストエンジニアリング

 エンジンの基本設計の第一の命題は、そのエンジンが搭載される航空機が競合機種の運航時の性能にいかに勝つようにするかである。航空機によって、複数の種類のエンジンが採用されるケースと、1種類のエンジンしか搭載されないケースとがあるが、いずれにしても機体の選定に際して、搭載されるエンジンの優劣が大きく影響することに変わりはない。

 そこで基本設計段階でのコストエンジニアリングが重要な鍵を握ることになる。そのためにまず行わなければならないことは、これまで説明してきた「設計のトレードオフ」の数字を具体的に決めることである。ここでは搭載される航空機のLife Cycle Costが最小になるようにすることが重要となる。このためには、膨大な過去の経験と世界中のエアラインの計画値と実績値などが必要になる。これを間違えると商談に勝つことが難しくなる。

 そして次には「デリバティブ」(derivative)への対応の仕方を示すことである。この「デリバティブ」とは、先物・スワップ・オプションなどの「金融派生商品」のことではない。「改修エンジン」のことである。エアラインは導入した航空機と半世紀にあまり付き合うことになるものである。その間、燃料を多く搭載する長距離型、乗客数を増やす長胴型など様々な機体の変更が行われる。そして、その度にエンジンに対しても改修要求が出てくる。それにどう対応するか。それがエンジンの「デリバティブ」への対応力となる。出来る限り「小改修」で対応できるようにしなければならない。

 さらに売価から決まってくる「目標原価」(Should Cost)をどのように配分するである。「目標原価」(Should Cost)とは、目標価格を設けて設計を進める「DTC」(デザイン・ツー・コスト:Design to Cost)の考え方から生まれた「原価」(コスト)である。マーケッテイングから要求される売価から製造原価を逆算し、さらにそれを設計単位別に振り分け、各設計担当者は、この「原価」(コスト)以下で製造できるように設計を行わなければならない。
 これは共同開発において、各社が最も神経を使うところであり、担当範囲が決まりつつある中でのネゴの力関係で決まってしまう。従って、交渉のための種々のデータの信頼性が重要であり、それによって交渉の場で相手を説得できるものでなければならない。

 随分と専門的な話になってしまったが、エンジンの設計においては、感覚や定性的な判断ではなく、定量的な「トレードオフ」が出来なければならないということ、そのことの重要性を分かっていただければ幸いです。


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8 コメント

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播磨の隠居 (ネー20ファン)
2021-04-07 13:53:20
ダイセルリサーチセンターの久保田邦親博士(工学)のCCSCモデル、すごいですね。トランプエレメントが有用合金元素だと示した功績は今のサステナブル社会にぴったりだ。
このかた前職は日立金属にいて伝説のエンジニア小柴定雄の文献を読みまくったらしい。技術の系譜というものは脈々と生きついているということだ。
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マルテンサイト千年 (グローバル・サムライ)
2024-07-12 03:02:36
ちょっと数理的な話になるけれど久保田邦親博士の大学での講義資料、「材料物理数学再武装」もなかなか面白かったよ。ようは経済学でいうアダムスミスの国富論の需要と供給曲線の交点のところで関数を接合するという関数接合論から発展させてAIを説いている。関数を接合すると何が便利だって?それは微分してゼロとすることでバランス点が求まることになるからだ。こういった、トレードオフ関係の問題を社会の各所で人間は抱えているんだがそれを一気に数理的に処理しようとする企みこそがAIだと言っているような気もする話だった。
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鉄の道 (島根県安来の住人)
2024-07-28 11:26:11
日立金属は日立グループより離脱してプロテリアルという商名にかわったようですね。
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Unknown (その場考学半老人)
2024-09-06 13:24:30
>島根県安来の住人 さんへ
>鉄の道... への返信
日立金属さんには、エンジン設計で何度もお世話になりました。「鍛造品の中で、一番難しいのをください」「ジェットエンジンは常に赤字なので、それしかやれません」でした。ご迷惑をおかけしました。
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鉄の道グローバルサムライ (グリーンスチール)
2024-09-08 23:53:20
最近はChatGPTや生成AI等で人工知能の普及がアルゴリズム革命の衝撃といってブームとなっていますよね。ニュートンやアインシュタイン物理学のような理論駆動型を打ち壊して、データ駆動型の世界を切り開いているという。当然ながらこのアルゴリズム人間の思考を模擬するのだがら、当然哲学にも影響を与えるし、中国の文化大革命のようなイデオロギーにも影響を及ぼす。さらにはこの人工知能にはブラックボックス問題という数学的に分解してもなぜそうなったのか分からないという問題が存在している。そんな中、単純な問題であれば分解できるとした「材料物理数学再武装」というものが以前より脚光を浴びてきた。これは非線形関数の造形方法とはどういうことかという問題を大局的にとらえ、たとえば経済学で主張されている国富論の神の見えざる手というものが2つの関数の結合を行う行為で、関数接合論と呼ばれ、それの高次的状態がニューラルネットワークをはじめとするAI研究の最前線につながっているとするものだ。この関数接合論は経営学ではKPI競合モデルとも呼ばれ、様々な分野へその思想が波及してきている。この新たな科学哲学の胎動は「哲学」だけあってあらゆるものの根本を揺さぶり始めている。こういうのは従来の科学技術の一神教的観点でなく日本らしさとも呼べるような多神教的発想と考えられる。
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マルテンサイト変態千年 (鉄鋼材料エンジニア)
2024-11-16 01:47:56
日経クロステックの記事に今年のノーベル賞は「「AIの父」ヒントン氏にノーベル賞、深層学習(ディープラーニング)の基礎を築いた業績をまとめ読み」と題して紹介されていましたが、物理学賞、化学賞ともにAIがらみあったんですね。しかしながらブラックボックス問題の解明には至っていないようです。
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潤滑機素設計の基礎はAIの基礎 (クロスポイント)
2024-11-24 18:02:32
「材料物理数学再武装」なつかしいですね。トライボロジーにおけるペトロフ則とクーロン則を関数接合論でつなげてストライベック曲線を作成する場合、関数の交点近傍でなくても繋げることができる関数としてAI技術の基礎となるシグモイド関数が出てくるあたりがとても印象的でした。なおストライベック曲線(シュトリベック線図・Stribeck curve)は、ドイツ人研究者のRichard Stribeck(リヒャルド・シュトリベック)が20世紀はじめに、すべり軸受の摩擦特性や、転がり軸受の静的負荷能力の実験から、導き出した軸受定数G(ゾンマーフェルト数;無次元数の一種)に対する摩擦係数の挙動を示す特性曲線です。
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AI革命の旗手リスペクト (AIインストラクター)
2024-12-18 06:47:01
AI半導体大手のNVIDIAのCEOも「AIと日本の優れた製造業、ロボット技術を合わせれば、日本は新しい産業革命を起こせる」と述べ、日本が持つ可能性に対して強い期待感を表明している。このようなAI技術は地球環境問題だけでなく人口減少に伴う労働力不足の解決策ともなろう。今後ロボットは高度な多軸、多関節化がおこることが予想されるため日本人の経営者も指導力を発揮すべきでは。
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