パイロットは雲の中でなぜ上下がわからなくなる？（空間識失調）

空間識失調

雲中では、パイロットが上下を見失うことがあり、空間識失調と呼びます。信じられない話に聞こえます。逆さなら分かるはずだと思うでしょう。1999年7月16日夜、小型単発機がコネチカット州沿岸を東へ飛び、マーサズ・ヴィニヤード島へ向かいました。

操縦者はジョン・F・ケネディ・ジュニア、乗客は2人でした。飛行経験は約310時間、うち夜間は約55時間でした。まだ計器だけで飛ぶ資格はありませんでした。その夜、嵐はありませんでした。

靄のかかった暗い夜でした。水上を飛んだ他のパイロットも、水平線はまったく見えなかったと話します。島まで約11キロメートルの海上で、飛行機は旋回を繰り返し始めました。やがて右旋回に入り、傾きが増して機首が下がりました。降下の終わりには毎分約千四百三十メートル、毎分四千七百フィート超で落下していました。

最後のレーダー記録は夜9時40分、海面から約340メートル、1,100フィートでした。3人全員が亡くなりました。無線機につないだ小型レコーダーは、記録なしで押しつぶされて見つかり、最後の数分に何を感じたかは正確に分かりません。なぜ操縦者は、飛行機の海への急降下を感じられなかったのでしょうか。

外の世界が消えたとき、パイロットはどれほど長く操縦できるでしょうか。1954年、研究者は20人のパイロットを偽の雲に入れ、操縦できる時間を測りました。結果は後で見ます。まず回転椅子に座るパイロットと、飛行を大きく変えた千九百二十九年の飛行から始めます。

回転椅子のパイロット

1926年、サンフランシスコのクリッシー・フィールドで、陸軍パイロット、ウィリアム・オッカーは回転椅子に座りました。実験は飛行外科医デビッド・マイヤーズ大尉が行いました。医師が平衡感覚を調べるバラニー・チェアでした。オッカーが目を閉じ、マイヤーズが回しました。

オッカーは椅子が回っているか、どちら向きかも分かりませんでした。次は別の方法です。飛行機の旋回を示す計器、旋回計を明かり付きの靴箱に入れました。椅子が回る間、オッカーは箱の中だけを見ました。

旋回の向きと速さが正確に分かりました。体は誤り、単純な計器は正しかった。オッカーは何年も陸軍に計器飛行の訓練を求めました。1932年、彼はカール・クレイン中尉と「Blind Flight in Theory and Practice」を書きました。

1943年、死去の翌年、軍は全パイロットにこの方法を採用しました。今も空軍は訓練生が地上で安全に錯覚を体験する回転訓練装置を使います。体がなぜ間違うか、耳を見ましょう。

耳の中のジャイロスコープ

地上では上下の感覚の大半を目から得ます。アメリカの航空規制当局FAAによると、向きの感覚は最大90パーセントが視覚から来ます。残りは皮膚への圧力、筋肉や関節、左右の耳の奥の小さな器官など体から来ます。それは前庭系、つまり内耳にある平衡感覚の仕組みです。

センサーは2種類です。1つ目は回転を検知します。液体で満たされ、互いに直角な小さな輪を3つ想像してください。これが三半規管です。

うなずき、首を振り、肩へ傾ける動きを1つずつ検知します。頭が回り始めると液体は遅れます。急に回したカップのコーヒーのようです。カップは回っても、コーヒーは一瞬残ります。遅れた液体が小さな毛を曲げ、回転を脳に伝えます。

巧妙ですが、弱点が2つあります。1つ目はゆっくりした動きです。旋回が十分に穏やかに始まると、液体はほとんど遅れず、毛もほとんど曲がりません。ロールが十分ゆっくり滑らかだと、パイロットは感じないことがあります。パイロット安全ガイドの目安は毎秒約2度です。

その少し下なら、15秒で翼が20度から30度傾いても、パイロットは感じません。暗闇に座った人は、毎秒1度未満の短い動きに気づくこともあります。しかし、見逃される動きの遅さは、どれだけ長く続くかで変わります。操縦室は静かな実験室ではありません。2つ目の弱点は、時間です。

一定の速度で約10秒から20秒回り続けると、液体が輪に追いつきます。毛はまっすぐに戻り、回転している感覚は消えていきます。回っていても、体は止まったと伝えます。そして本当に止まると、液体が反対側へ揺れ、逆向きに回っているように感じます。

もう1種類のセンサーは、耳石器と呼ばれます。感覚毛は、周囲のゼリーより重い小さな結晶の層の下にあります。頭を傾けると重力が結晶を引き、毛が曲がります。耳石器は下の向きを教えます。

ただし重力と加速を区別できません。前へ加速すると、頭を後ろへ傾けたように結晶が後ろへ滑ります。米空軍のマニュアルは、耳石器だけで本当の下を知るのはほぼ不可能だとしています。地上では目が混ざった信号を整理します。

雲の中や夜の暗い海上では、目に手がかりがありません。

傾きの錯覚と墓場の螺旋

雲中の操縦室でこの弱点を見ましょう。片翼が内耳で感じないほどゆっくり下がります。何も感じません。耳石器も気づかない理由があります。

滑らかな釣り合い旋回では、旋回の力と重力が合わさり、座席へまっすぐ向かうただ一つの力になります。体の「下」は飛行機の床を指し続けます。バンクを直さなければ揚力が減り、機首が下がります。加速し、高度を失います。

高度計が下がると、たいてい操縦桿を引き機首を上げます。バンク中に引くと旋回がきつくなります。降下は急になり速くなります。これをグレイブヤード・スパイラル、墓場のらせんと呼びます。

速くきつい降下旋回で、翼が揚力を生むのでスピンではありません。FAAパンフレットでは、グレイブヤード・スパイラルの方がグレイブヤード・スピンより一般的です。らせん中、降下は感じても旋回を感じず、直線の急降下に思えることがあります。気づき、翼を水平に戻したとします。

三半規管の液体が揺れ、機体が反対側へバンクしたと感じます。パイロットは元のバンクへ戻そうと、体と機体を傾けます。これがリーンズ、傾きの錯覚で、FAAは飛行中に最も多い錯覚とします。FAA安全通達は大規模なパイロット調査を引用しています。45パーセントは翼を水平にした後、反対側へ戻るようバンクしがちと答えました。

39パーセントは実際は旋回中でも直線水平に感じたと答えました。加速時に起きるもう1つの錯覚があります。急に前へ押されると耳石結晶が後ろへ滑り、機首が上がったと感じます。体性重力錯覚です。

機首が上がったと感じるパイロットは、離陸中や着陸やり直しで地面へ機首を下げることがあります。ここで欠けるのは、ぐるぐる回るめまいです。空間識失調はしばしば回転性めまいではありません。体はたいていパニックにならず、間違った答えを静かに伝えます。

178秒

偽の雲に入った20人のパイロットに戻ります。1954年、イリノイ大学のチームは計器訓練を受けていないパイロットに、雲から生還する方法を教えようとしました。まず助けなしでどれだけ持つか測りました。研究費は米国の航空機所有者・パイロット協会（AOPA）の財団が負担しました。19歳から60歳の20人のボランティアでした。19人は自家用操縦士免許を持ち、1人は訓練生で、計器飛行経験は誰にもありませんでした。

教官同乗で、一般的な4人乗りビーチクラフト・ボナンザを飛びました。窓を琥珀色のプラスチックで覆い、青いゴーグルで、計器盤だけ見えるようにしました。研究者は空の絵を示す人工水平儀も覆いました。頼れるものがほぼない雲中飛行でした。20人中19人がグレイブヤード・スパイラルに入りました。

20人目は機首を急角度で引き上げ、失速寸前でした。最速の操縦不能は20秒後でした。最長は480秒、8分でした。平均は178秒、3分弱でした。

後に飛行訓練で「生きていられるのは百七十八秒」と繰り返された数字です。ただし20人の平均で、ばらつきは大きいものでした。最近の記事には2003年とするものもありますが、研究は1954年です。次に、あまり引用されない部分です。

研究者は同じパイロットに、単純な脱出手順を約4時間教えました。操縦輪から手を離し、減速して飛行機に任せます。ラダーと小さな旋回針だけでゆるく百八十度旋回し、雲に入った側から出ます。最終試験では各自3回、計60回脱出しました。1回の失敗は、出力設定を忘れて高度をゆっくり失ったものです。

変わったのは信頼する対象でした。前は体感、後は計器盤の針を頼り手を離して飛びました。訓練しても、体感から計器への切り替えはすぐには起きません。FAA通達では、地上を見失った資格ある計器飛行パイロットも、計器で完全に操縦を取り戻すまで最長35秒かかることがあります。

研究者が覆った人工水平儀は最重要の計器です。体は信頼できないのに、なぜこれは信頼できるのでしょうか。

ジャイロ計器: 回転するコマが姿勢を保つ仕組み

答えはおもちゃから始まります。独楽を回すと先端で立ちます。回る車輪は倒れにくい。教科書は空間剛性と呼び、回るジャイロスコープは周囲に関係なく同じ方向を指し続けます。

1852年、フランスの物理学者レオン・フーコーは、ギリシャ語の「円」「見る」からジャイロスコープと名付けました。彼は地球がその下で回ることを示しました。回る車輪はもう1つ奇妙なこともします。回る車輪を押しても、その方向には倒れません。

横へ回り、押す力が4分の1回転遅れて届いたように動きます。プリセッション、歳差運動です。高速回転する車輪を、航空機が自由に回れる枠に取り付けます。飛行機がバンクしても車輪は水平を保ち、計器ケースが周りを回ります。

車輪に水平線の絵を連動させると、姿勢指示器、人工水平儀になります。実際の水平線と同じ高さの線を背景に、小さな飛行機記号を表示します。雲へ持ち込める水平線です。多くの小型機では、エンジン駆動真空ポンプが計器に空気を通し、気流が車輪を回します。

耳の液体と違い、車輪は20秒後も弱まりません。完璧ではなく、急加速や長い旋回後は約1分、数度ずれますが、内耳のように弱まりません。だがまず誰かがこの回転車輪を飛行機に載せねばなりません。

手を放す: 最初の自動操縦

1900年代初頭、米発明家エルマー・スペリーは軍艦用ジャイロコンパスを作りました。息子ローレンスは飛行機にジャイロを載せたがりました。千九百十四年六月十八日、フランスで機会を得ました。パリ近郊セーヌ川で航空安全競技会が開かれました。

21歳のローレンス・スペリーはジャイロ安定装置付きカーチス飛行艇を操縦しました。審査員の前を飛び、操縦装置から手を離しました。整備士エミール・カシャンは機外に出て翼上を歩きました。機体が傾くと、安定装置が自動で水平に戻しました。

スペリーは賞金五万フランを得ました。1918年までにスペリー社はパイロット用旋回計を試験中でした。ローレンス・スペリーは計器飛行が普及する前に亡くなりました。1923年12月、霧の英仏海峡上空で乗機が墜落し、31歳で亡くなりました。

墜落原因は不明です。

1929年9月24日: 最初の盲目飛行

1920年代、霧中のパイロットは操縦を失いがちでした。地上を見失ったパイロットは何度もらせん急降下して墜落しました。オッカーと同僚カール・クレーン中尉は、目隠ししたハトを機外へ投げさえしました。目隠しの鳥は方向を失い、雲中のパイロット同様でした。

1926年、実業家ダニエル・グッゲンハイムは飛行安全のため250万ドル基金を設けました。目的の1つは霧中安全飛行でした。ニューヨーク近郊ミッチェル・フィールドにフル・フライト・ラボラトリーを設けました。テストパイロットは陸軍将校ジミー・ドゥーリトルでした。

ドゥーリトルはコックピットを布で覆い100回以上練習しました。新計器を頼り、重要なのは3つでした。1つ目はポール・コールズマン製新型高度計で、当時の標準品より格段に精密でした。2つ目はローレンスの弟エルマー・スペリー・ジュニア製人工水平儀です。

3つ目はコースを知らせる無線標識で、振動する金属リード計器で読みました。千九百二十九年九月二十四日、ドゥーリトルはコンソリデーテッド・エヌワイツー複葉機でコックピットを覆って離陸しました。約15分飛び、旋回し着陸へ戻りました。外を一度も見ませんでした。

安全確認役ベン・ケルシー中尉は前席で皆に見えるよう両手を上げました。ドゥーリトルは後に、知る限り、定めたコースを飛び計器だけで離着陸した最初の飛行機だと書きました。やがて雲中飛行の規則は、体でなく計器を信じることになりました。でも計器を持つことと信じることは別です。

体の感覚が判断に勝つとき

FAA安全パンフレットによると、空間識失調は一般航空、航空会社や軍以外の飛行の事故の5から10パーセントに関係します。約90パーセントが死亡事故です。2025年、FAA研究者は2003年から2021年の死亡事故報告367件を分析しました。より広い390件の空間識失調事故の94パーセントは死亡事故でした。

事故は飛行500時間未満のパイロットと強く関連していました。空間識失調はまれでも、起きればたいてい致命的です。2000年8月23日、ガルフ・エアのエアバスA320が夜、海上のバーレーンへ着陸進入中でした。乗員は滑走路近くを低くきつく旋回後、着陸を諦め再進入のため上昇しました。

1分足らずで機体は浅瀬に突っ込み、143人全員が死亡しました。調査では乗員が空間識失調の一種を経験した可能性が高いとされました。機長は機首が上がったと誤って感じた可能性があります。先ほどの錯覚で、加速中に外が見えないと起きます。

2004年1月、フラッシュ航空のボーイング七三七型が夜、エジプトのシャルム・エル・シェイクから紅海上空へ離陸しました。離陸約2分半後、海に墜落し、148人全員死亡しました。エジプトの調査官は、推定原因の決定的証拠を見つけられなかったと述べました。米調査官は異議を唱え、証拠に合う説明は空間識失調だけとしました。フランス事故調査局BEAも疲労とともに空間識失調を指摘しました。

2020年1月26日、シコルスキーS-76がロサンゼルス西方カラバサス付近の雲に入りました。搭乗者はバスケットボール選手コービー・ブライアントと娘ジアナ、ほか7人です。経験豊富なパイロットは、航空管制に4,000フィート、約1,200メートルへ上昇中と伝えました。実際は約720メートル、2,370フィートまで上がった直後、左旋回で降下中でした。

約20秒後、丘に衝突し9人全員が死亡しました。米国家運輸安全委員会NTSBは、雲へ目視飛行を続けた判断が空間識失調と操縦不能を招いたと結論づけました。NTSBの調査結果発表時、委員長ロバート・サムウォルトは述べました。「残念ながら、ほかの点で経験豊かなパイロットの不適切な判断に、同じ問題が影響するのを私たちは今も見続けています」バーレーンとカラバサス両事故で機体故障の兆候は見つかりませんでした。

身体のほうが説得力がありました。

計器そのものが故障するとき

パイロットはいつも計器を信じるべきでしょうか。いいえ、計器も故障するので、盲信は禁物です。小型機では、真空ポンプ故障でジャイロが減速しずれることがあります。警告灯があっても気づく必要があります。AOPA事故データを使うFAA報告書は、真空系故障事故は年約3件、空間識失調事故の約11パーセントで、約90パーセントが死亡事故とします。

1978年1月1日、エア・インディアのボーイング七四七型が夜、ボンベイ（現ムンバイ）から海上へ離陸しました。調査官は右旋回中の姿勢指示器故障を原因としました。暗い海に水平線はなく、機体は左へロールして90度を超えました。調査官は、乗員が別の計器で立て直さなかったとしました。

離陸数分以内に沖約3キロの海へ衝突し、213人全員が死亡しました。1999年12月22日、韓国航空のボーイング七四七型貨物機が夜、ロンドン・スタンステッド空港を離陸しました。前便で機長の姿勢指示器はロール表示が信頼できないと報告されました。故障は報告されましたが、スタンステッドで別の箇所を修理し故障は残りました。

離陸後、機体が傾いても機長の姿勢指示器は翼を水平と示しました。機長と副操縦士の計器不一致で、警告音が3回鳴りました。航空機関士が「Bank, bank」と呼んでも、両パイロットは答えませんでした。それでも機長は左へロールし、約90度のバンクになりました。

翼がほぼ垂直、機首約40度下の機体は地面に衝突しました。離陸1分未満でグレート・ハリングベリー村外れの野原に衝突し、乗員3人と会社技術者1人の4人全員が死亡しました。英調査官はパイロットが警告に適切に対応しなかったとしました。副操縦士も姿勢を監視しなかったか、機長に知らせませんでした。

教訓は「計器を信じる」だけではありません。計器を比べます。内耳同様、1つは間違うことがあります。だから大型機には複数の姿勢指示器と予備の人工水平儀があります。同じく2つのセンサーが互いを確認する仕組みがポケットの機器にもあります。

ポケットの中のジャイロスコープ

スマートフォンにジャイロスコープはありますが、中で回るものはありません。シリコンに刻んだ微小構造が前後に振動します。回転すると振動部分が横へ少し押されます。これがコリオリ効果、回転が生む横向きの力です。横の力を測れば、回転速度が分かります。

回転速度を時間で足せば、角度が得られます。微小な誤差も足され、角度は徐々にずれます。スマートフォンは重力を感じる加速度計も使い、下の方向を確認してずれを補正します。比較的静止している間はそうです。回転用と下向き用のセンサー、内耳と同じ組み合わせです。

加速度計も耳石器同様、重力と加速を区別できません。現代の操縦室では、これに近いAHRS、姿勢方位基準装置を使います。機体の傾きと向きを追います。車輪なしで機体姿勢をパイロットの主画面に送ります。宇宙飛行士は内耳の問題を逆向きに経験します。

軌道上では、耳石器は一定の重力の引きを感じません。スペースシャトル乗員の約65から70パーセントが最初の3日間に宇宙酔いを経験しました。理由の1つは、脳が耳石器信号の意味を学び直す必要があるためと考えられます。地上の乗り物酔い、車内や仮想現実ヘッドセットでの酔いも、特に目と内耳の感覚不一致で説明されることが多いです。

鳥はどうでしょうか。熱帯の大型海鳥グンカンドリは積雲内をよく滑翔し、ときに約4,000メートルまで上がります。ある分析は、雲中の旋回上昇は自然に安定し、大きな修正を要さないと示唆します。しかし1920年代、目隠ししたハトは方向感覚を失いました。

計器を信じる

なぜパイロットは雲中で上下を失うのでしょうか。身体の平衡システムは、目を開けた地上生活向けだからです。ゆっくりした旋回を見逃し、一定旋回を忘れ、重力と加速を区別できません。地上では目が弱点を補いますが、雲中では何も補いません。

雲中飛行の歴史は、より良いジャイロスコープを作り、それを信じる歴史です。1954年、20人のパイロットは平均3分未満で操縦を失いました。約4時間の訓練後、同じパイロットは60回中59回、安全に脱出しました。変わったのは、身体と計器が食い違うときに何を信じるか選んだことです。

1999年、暗い海上のあの機体では計器はおそらく正常でした。雲中で難しいのは見ることではなく、計器盤を信じることです。