(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人力や内燃原動機を使わずに風力を使って空中の一定範囲に滞空するための空中浮揚装置であって、該空中浮揚装置は、 
機体本体と、 
航空機の翼形状構造体と、 
該翼形状構造体と気流との相対角度を制御する角度制御機と、 
該角度制御機の自動制御装置と、
ＧＰＳと、風向風力測定器及び風力方向舵と、を備え、
上記ＧＰＳによる機体高度や飛行距離、風向風力測定器及び風力方向舵のデータにより、上記自動制御装置が上記機体本体の下降及び上昇のタイミングを決定し、上記角度制御機により上記翼形状構造体の角度を自律的に制御し、上記翼形状構造体の揚力および抗力と重力からなる推進力によって上記機体本体を風上に向かって下降させ、さらに風下に向かって上昇させて、定まった上下二つの領域範囲を往復させることで空中での位置を常時所定の範囲に滞空維持させ、 
上記機体本体と上記航空機の翼形状構造体とが第１のロープにて係留されており、
上記航空機の翼形状構造体にはさらに上記凧型浮揚体が第２のロープにて係留されており、
上記機体本体を風上に向かって下降させる時は、上記凧型浮揚体の第２の
係留ロープを緩めて凧型浮揚体は風を吹流す状態として、上記航空機の
翼形状構造体及び上記機体本体とともに下降させ、
上記機体本体を風下に向かって上昇させる時には、上記凧型浮揚体の第２の係留ロープを引き締めて、上記凧型浮揚体が揚力および抗力と重力からなる推進力を得られるような角度に制御し、上記航空機の翼形状構造体及び上記機体本体とともに上昇させる、
ことを特徴とする空中浮揚装置。
【請求項２】
上記航空機の翼形状構造体は密閉容器構造で形成され、内部に水素又はヘリウムガスが封入されており、上記空中浮揚装置は上記水素又はヘリウムガスの補充用圧力容器を備え、上記風向風力測定器のデータにより上記自動制御装置が上記水素又はヘリウムガスの補充または排出の制御を行うことで無風時における空中での位置を常時所定の範囲に維持させることを特徴とする、請求項１に記載の空中浮揚装置。
【請求項３】
上記空中浮揚装置は太陽光発電システムを備え、該太陽光発電システムにより無風時に上記空中浮揚装置を推進させることで空中での位置を常時所定の範囲に維持させることを特徴とする、請求項１または２に記載の空中浮揚装置。
【請求項４】
上記凧型浮揚体をハンググライダーとした請求項１〜３のいずれか１項に記載の空中浮揚装置。
【請求項５】
上記凧型浮揚体をパラグライダーとした請求項１〜３のいずれか１項に記載の空中浮揚装置。
【請求項６】
人力や内燃原動機を使わずに風力を使って空中の一定範囲に滞空するための空中浮揚装置の空中浮揚方法であって、上記空中浮揚装置は、 
機体本体と、 
航空機の翼形状構造体と、 
該翼形状構造体と気流との相対角度を制御する角度制御機と、 
該角度制御機の自動制御装置と、
ＧＰＳと、風向風力測定器及び風力方向舵と、を備え、
上記ＧＰＳによる機体高度や飛行距離、風向風力測定器及び風力方向舵のデータにより、上記自動制御装置が上記機体本体の下降及び上昇のタイミングを決定し、上記角度制御機により上記翼形状構造体の角度を自律的に制御し、上記翼形状構造体の揚力および抗力と重力からなる推進力によって上記機体本体を風上に向かって下降させ、さらに風下に向かって上昇させて、定まった上下二つの領域範囲を往復させることで空中での位置を常時所定の範囲に滞空維持させることを特徴とし、
上記空中浮揚方法は上記空中浮揚装置を、
気球や航空機、ロケットからなる他の浮揚手段によって所定の高度に引き上げるステップと、
上記空中浮揚装置を上記他の浮揚手段から切り離し、
大気中に所定の空気流が存在する場合は、上記ＧＰＳによる機体高度や飛行距離、風向風力測定器及び風力方向舵のデータにより、上記自動制御装置が上記機体本体の下降及び上昇のタイミングを決定し、上記角度制御機により上記翼形状構造体または上記凧型浮揚体の角度を自律的に制御し、上記翼形状構造体または上記凧型浮揚体の推進力によって、空中での位置を常時所定の範囲に維持させ、
大気中に所定の空気流が存在しない場合は、上記風向風力測定器のデータにより上記自動制御装置が上記空中浮揚装置の密閉容器とした構造体に上記水素又はヘリウムガスを補充、排出する制御、及び／又は上記太陽光発電システムによる推進を行うことで空中での位置を常時所定の範囲に維持させるステップと、を備えることを特徴とする空中浮揚装置の空中浮揚方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は空中浮揚装置及びその空中航法に関する。 
【背景技術】
【０００２】
気象観測用の空中浮揚装置として従来例えばラジオゾンデが知られている。ラジオゾンデとは地上からおよそ高度３０ｋｍ上空までの気象データ（気温、湿度、気圧）を随時観測するために、主にゴム気球で飛ばされる無線機付き気象観測機器のことである。 
【０００３】
しかしながら、ラジオゾンデは空中の定位置を長時間維持することができない。通常、ラジオゾンデはゴム気球に取り付けられ、上昇しながら上空の気温、湿度、気圧を観測する方式だからである。 
【０００４】
気象観測の目的からすると定位置を維持できる装置が望まれるが、例えば航空機のガソリン内燃機関による推力で定位置を維持する方式では燃料の消耗があって長時間の定点維持はできない。また、太陽光によるモータ駆動によりプロペラを回転させて定点維持を行う方法では夜間での維持ができない。さらに、バッテリーへの充電による方法ではバッテリー重量の増加やバッテリー寿命によってコストの増加の問題や長時間運転への対応ができないといった問題がある。 
【０００５】
特許文献１には、揚力を生じさせるプロペラをモータにより回転させ、その回転反力を受けてプロペラと反対方向に回転する機体を所定の傾倒方向に傾かせる可動翼と、回転する機体２と同期させて周期的に動作する尾翼を備え、機体を任意の空中位置に移動させ、定点維持する気象観測装置が記載されている。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−０８３３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の装置には回転翼や可動翼、尾翼を制御するための複雑な機構が必要とされるだけでなく、回転動力を供給するモータ用の電力も必要であり、空中の定点で長期間の観測を行うための簡易かつ低コストの装置とは言えない。 
一方、航空機の翼形状をした物体に風を当てると揚力および抗力と重力からなる推進力が発生することが知られている。本発明は、これを利用して航空機の翼形状にした密閉容器に水素またはヘリウムガスを封入し浮揚力を得るとともに、太陽光発電システムによる推進力を備えてこの翼形状の密閉容器の水平角度を風向きないし風力によって自動的に制御することで、空中を上下に移動して空中の一定範囲に留まることができ、これによりエネルギー消耗を軽減しかつ低コストで長時間の空中定点気象観測を行なうことが可能で、電波の中継用の空中定点電波アンテナや、長時間の観測用の空中定点カメラを搭載することもできる空中浮揚装置を提供することを課題とする。 
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、機体本体と、航空機の翼形状構造体と、翼形状構造体と気流との相対角度を制御する角度制御機と、角度制御機の自動制御装置と、ＧＰＳと、風向風力測定器及び風力方向舵と、を備え、  ＧＰＳによる機体高度や飛行距離、風向風力測定器及び風力方向舵のデータにより、自動制御装置が上記機体本体の下降及び上昇のタイミングを決定し、角度制御機により翼形状構造体の角度を自律的に制御し、翼形状構造体の揚力および抗力と重力からなる推進力によって機体本体を風上に向かって下降させ、さらに風下に向かって上昇させて、定まった上下二つの領域範囲を往復させることで空中での位置を常時所定の範囲に滞空維持させ、機体本体と航空機の翼形状構造体とが第１のロープにて係留されており、航空機の翼形状構造体にはさらに凧型浮揚体が第２のロープにて係留されており、機体本体を風上に向かって下降させる時は、凧型浮揚体の第２の係留ロープを緩めて凧型浮揚体は風を吹流す状態として、航空機の翼形状構造体及び機体本体とともに下降させ、機体本体を風下に向かって上昇させる時には、凧型浮揚体の第２の係留ロープを引き締めて、凧型浮揚体が揚力および抗力と重力からなる推進力を得られるような角度に制御し、航空機の翼形状構造体及び機体本体とともに上昇させる、ことを特徴とする。
請求項２の発明は、さらに、航空機の翼形状構造体は密閉容器構造で形成され、内部に水素又はヘリウムガスが封入されており、空中浮揚装置は上記水素又はヘリウムガスの補充用圧力容器を備え、風向風力測定器のデータにより自動制御装置が水素又はヘリウムガスの補充または排出の制御を行うことで無風時における空中での位置を常時所定の範囲に維持させることを特徴とする。
請求項３の発明は、さらに空中浮揚装置が太陽光発電システムによる推進動力を備え、その太陽光発電システムにより無風状態もしくは無風状態に近い微風時に空中浮揚装置を推進させることで夜間には水素又はヘリウムガスの補充または排出の制御を行って風下に移動した分を、日中には太陽光発電システムの推進動力によって風上に向かって進み元の位置に戻すことで空中での位置を常時所定の範囲に滞空維持させることを特徴とする。
請求項４の発明は、さらに、凧型浮揚体をハンググライダーとしたことを特徴とする。
請求項５の発明は、凧型浮揚体をパラグライダーとしたとしたことを特徴とする。
請求項６の発明は、人力や内燃原動機を使わずに風力を使って空中の一定範囲に滞空するための空中浮揚装置の空中浮揚方法であって、空中浮揚装置は、機体本体と、航空機の翼形状構造体と、翼形状構造体と気流との相対角度を制御する角度制御機と、角度制御機の自動制御装置と、ＧＰＳと、風向風力測定器及び風力方向舵を備え、ＧＰＳによる機体高度や飛行距離、風向風力測定器及び風力方向舵のデータにより、自動制御装置が機体本体の下降及び上昇のタイミングを決定し、角度制御機により翼形状構造体の角度を自律的に制御し、翼形状構造体の揚力および抗力と重力からなる推進力によって機体本体を風上に向かって下降させ、さらに風下に向かって上昇させて、定まった上下二つの領域範囲を往復させることで空中での位置を常時所定の範囲に滞空維持させることを特徴とし、空中浮揚方法は上記空中浮揚装置を、気球や航空機、ロケットからなる他の浮揚手段によって所定の高度に引き上げるステップと、空中浮揚装置を他の浮揚手段から切り離し、大気中に所定の空気流が存在する場合は、ＧＰＳによる機体高度や飛行距離、風向風力測定器及び風力方向舵のデータにより、自動制御装置が機体本体の下降及び上昇のタイミングを決定し、角度制御機により翼形状構造体または凧型浮揚体の角度を自律的に制御し、翼形状構造体または凧型浮揚体の推進力によって、空中での位置を常時所定の範囲に維持させ、大気中に所定の空気流が存在しない場合は、風向風力測定器のデータにより自動制御装置が空中浮揚装置の密閉容器とした構造体に水素又はヘリウムガスを補充、排出する制御、及び／又は太陽光発電システムによる推進を行うことで空中での位置を常時所定の範囲に維持させるステップを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、空中浮揚装置の空中位置を長時間にわたって定点維持させることにより、２４時間３６５日の連続した定位置での気象観測や、電波の中継、定点カメラの画像、動画観測を、エネルギー消耗を抑制しかつ低コストにて実現することができる。 
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す模式図である。
【図２】翼形状構造体に加わる力のベクトルを断面上で示す模式図であり、空中浮揚装置が横風を受け、かつ下降している場合を示す。
【図３】翼形状構造体に加わる力のベクトルを断面上で示す模式図であり、空中浮揚装置が横風を受け、かつ上昇している場合を示す。
【図４】横風を受けて上昇下降する空中浮揚装置の翼形状構造体の角度を示す模式図であり、（ａ）は下降時の状態を示し、（ｂ）は上昇時の状態を示す。
【図５】横風を受けて上昇下降する空中浮揚装置の航路を地上から観察した模式図であり、推進力を受けての風下への上昇、および自由落下と推進力を受けての風上への下降を示す。
【図６】本発明の第３の実施形態を示す模式図であり、凧型平面浮揚体を使用した実施例である。（ａ）は下降時の状態、（ｂ）は上昇時の状態を示す。
【図７】本発明の第３の実施形態を示す模式図であり、パラグライダーを使用した実施例である。（ａ）は下降時の状態、（ｂ）は上昇時の状態を示す。
【図８】本発明の第４の実施形態を示す模式図であり、凧型平面浮揚体を使用した実施例である。（ａ）は下降時の状態、（ｂ）は上昇時の状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の第１の実施形態について図を用いて説明する。まず、本実施形態の構成について説明する。なお、空中浮揚装置１に搭載される観測用の機器等は図示していない。 
図１に示すように、空中浮揚装置１は、機体本体２と、航空機の翼形状構造体３と、翼形状構造体３の角度を制御する角度制御機４と、角度制御機４の自動制御装置８と、ＧＰＳ９と、風向風力測定器５及び風力方向舵６とを備えている。
本実施形態では、翼形状構造体３が水平方向に対称配置で２個配設されている。
【００１２】
翼形状構造体３は機体本体２に角度調節可能に取り付けられる。翼形状構造体３は角度制御機４に接続され自動制御装置８からの指令により機械的、自律的に翼角度が制御され、地上からの無線指示等は不要である。
【００１３】
風向風力測定器５と翼形状構造体３との間に機械的な連動機構を設け、翼形状構造体３の角度制御をいくつかのパターンに限定した簡単な制御方法を用いてもよい。機体本体２には上記各装置が重心位置を考慮してバトミントンのシャトルコックのように基本的な空中姿勢を保つように配置される。 
【００１４】
次に、図１〜４を用いて本実施形態の空中浮揚装置を使用した空中航法について説明する。 
まず、空中浮揚装置１を気球や航空機、ロケット等によって適度な大気高度での観測位置に放出させる。
【００１５】
次に、上述した方法で基本的に一定の高度に浮揚させた空中浮揚装置１を長時間風向きや風速の変化に対して一定位置に保持させる本発明の空中航法について説明する。 
気圧や気温、風向きによって空中浮揚装置１の上下方向の位置バランスは必ず崩れる。すなわち、空中浮揚装置１は下降あるいは上昇の運動を行い、その際、相対的に大気から上向きあるいは下向きに風を受けることになる。この場合、まず風力方向舵６により空中浮揚装置１を垂直軸回りに水平方向に回転させて翼形状構造体３を図２，３のように横風を翼形状の正面から受けるようにする。その後の翼形状構造体３の角度調整と空中浮揚装置１の運動について以下に説明する。 
【００１６】
図２は、空中浮揚装置１が下降運動をして相対的に上向きの風を受け、なおかつ大気の状態による通常の横風を受けて全体として斜め上向きの風を受けている際に、航空機の翼形状構造体３が受ける力を示したものである。  
【００１７】
図２に示す相対空気流として斜め上向きの風を受けると、風上に翼形状の先端側が向くように斜め下向きに角度調整された翼形状構造体３には、風と平行方向の抗力Ｄと、これと垂直で翼の上部へ向かう揚力Ｌが生じる。翼形状構造体３の翼形状としては、抗力Ｄが小さく揚力Ｌが大きくなる形状を選ぶ。   
【００１８】
翼形状構造体３にはこの他に、図２に示す重力Ｗが働いており、この力が鉛直下向きの力Ｗとなっている。抗力Ｄと重力Ｗの合力を力Ａとすれば、力Ａと揚力Ｌとの合力が翼形状構造体３に働くすべての力の合力となる。このベクトル和Ａ＋Ｌを翼形状構造体３の推進力Ｔと呼ぶ。この場合推進力Ｔは下向き且つ風上に向かうことがわかる。 
【００１９】
図３は、空中浮揚装置１が上昇運動をして相対的に下向きの風を受け、なおかつ大気の状態による通常の横風を受けて全体として斜め下向きの風を受けている際に、航空機の翼形状構造体３が受ける力を示したものである。
【００２０】
図３に示す相対空気流として斜め下向きの風を受けると、風上に翼形状の先端側が向くように斜め上向きに角度調整された翼形状構造体３には、風と平行方向の抗力Ｄと、風と垂直で翼の上部へ向かう揚力Ｌが生じる。翼形状構造体３にはこの他に、重力Ｗが働いており、鉛直下向きの力Ｗとなっている。抗力Ｄと重力Ｗの合力を力Ａとすれば、力Ａと揚力Ｌとの合力が翼形状構造体３に働くすべての力の合力となる。このベクトル和Ａ＋Ｌを翼形状構造体３の推進力Ｔと呼ぶ。この場合推進力Ｔは上向き且つ風下に向かうことがわかる。 
【００２１】
図２の状態から図３の状態へと翼形状構造体３の翼の角度を切り替えると、空中浮揚装置１の機体本体２と翼形状構造体３の位置関係は空中浮揚装置１の下降時は図４（ａ）、空中浮揚装置１の上昇時は図４（ｂ）に示すように変化する。
図１および図４（ａ）では航空機の翼形状構造体３を、ヨットの帆のように 機体本体２に対して垂直に近い角度で立てた状態で使うものであって、このときの揚力Ｌ（図２参照）は 主に機体本体２を風上に進めるためのものである。これに対し、図４（ｂ）では機体本体に対して航空機の翼形状構造体３は、航空機の主翼のように 水平に近い角度にして使用する。このときの揚力Ｌ（図３参照）は主に機体本体２の上昇のために使われる。
図４（ｂ）で機体は空気流相対角度による揚力によって風下に向かって上昇するが、風下への移動のため、次第に揚力は失われて重力と釣り合う。この時、抗力のみになった時点で機体は上昇から、空気流相対速度を得るために、図１および図４（ａ）に変化する。
【００２２】
図４（ａ）の状態にて自由落下による速度の増加によって、空気流相対速度を得た後、風上に向かう滑空により、風上に向かって移動する状態から図４（ｂ）の揚力増加による上昇での風下への移動する状態へ、さらにまた図４（ａ）の状態へと航空機の翼形状構造体３の角度を繰り返し切り替えることにより、空中浮揚装置１は図５に示すように、地上において横から見て斜め方向に上下動を繰り返すことになり、空中の一定範囲に留まることができる。
翼の角度の切り替えはＧＰＳの機体高度、飛行距離情報により行われる。
なお、ＧＰＳの受信動力エネルギーや翼の角度の切り替えは太陽光発電パネルおよび太陽光発電パネルからの蓄電や風力エネルギーにより行われる。
【００２３】
ここで、空中浮揚装置１が本実施形態とは異なり、単葉すなわち１つの航空機の翼形状構造体３のみで構成される場合、あるいは翼形状構造体３を１列のみ縦に配置した構成の場合は、翼断面形状が翼の位置により異なるため、図４の斜め方向の上下動に加えて、真上から見ても風上に向かってヨットのようにジグザグに移動することとなる。本実施形態の場合は、左右に位置対称に翼形状構造体３を配設した複葉の配置であるため左右の翼形状の密閉容器３による推進力が左右方向でバランスされ、合成された推進力は真直ぐに風上に向かい、上記真上から見た場合のジグザグ移動はなくなり、図５に示す斜め方向の上下動のみとなる。 
【００２４】
次に、第２の実施形態について説明する。
本実施形態の航空機の翼形状構造体３の外形は航空機翼の形状をなしており、内部に水素ガスまたはヘリウムガスを封入する機密構造体である。水素またはヘリウムガスの補充用圧力容器７は各翼形状構造体３と不図示のフレキシブル配管でつながっており、圧力弁１０により、翼形状構造体３へのガス封入量を調整して翼形状構造体３の浮力を調整する。
【００２５】
本実施形態の空中浮揚装置１は第１の実施形態と異なり、空中浮揚装置１の浮揚する空間に所定の空気流が存在しない場合でも一定の高度を保つことができる。すなわち無風の場合や所定の風速未満の風しか吹いていない場合、風向風力測定器５のデータにより自動制御装置８が翼形状構造体３に水素又はヘリウムガスを補充または排出する制御を行うことにより、空中位置を常時所定の範囲に維持させることが可能である。具体的には、浮力を増大させる際は補充用圧力容器７から水素またはヘリウムガスを密閉容器３に補充し、浮力を減少させる際は密閉容器３から水素またはヘリウムガスを大気放出して空中浮揚装置１の全体重量と密閉容器３に封入する水素またはヘリウムガスによる浮力をバランスさせ、空中浮揚装置１の上下方向の移動を極力抑えるべく調節する。さらに、本実施形態の空中浮揚装置１に太陽光発電システム（不図示）を搭載し、所定の風速以下の微風時においても、夜間風下に移動した距離を、日中には太陽光発電システムによりモータ（不図示）の回転による推進力で風上に向かって進み元の位置に戻し、機体の空中での位置を常時所定の範囲に維持させることもできる。
所定の風速以上の風が吹いている場合は第１の実施形態と同様の翼形状構造体３の角度制御を行うことで空中位置を常時所定の範囲に維持させる。
【００２６】
次に、第３の実施形態について説明する。
本実施形態では、図６に示すように機体本体２と航空機の翼形状構造体３とが第１のロープ１４にて係留されており、航空機の翼形状構造体３にはさらに凧型平面浮揚体１１が第２のロープ１５にて係留されており、機体本体２を風上に向かって下降させる時は、図６（ａ）に示すように凧型平面浮揚体１１の第２の係留ロープ１５を緩めて凧型浮揚体１１は風を吹流す状態として、航空機の翼形状構造体３及び機体本体２とともに自由落下により空気流相対速度を得た後、風上に向かって滑空下降させる。
機体本体２を風下に向かって上昇させる時は、図６（ｂ）に示すように凧型平面浮揚体１１の第２の係留ロープ１５を引き締めて、凧型平面浮揚体１１が風を受け止め最大揚力が得られるような角度に制御し、同時に翼形状構造体３も翼の気流相対角度を最大揚力が得られるような角度に切り替えて機体本体２とともに上昇させる。
【００２７】
上記のように、自由落下からさらに機体本体２を風上に向かって滑空下降させる時は、凧型平面浮揚体１１の角度を第２の係留ロープ１５を調整して凧型平面浮揚体１１における抗力及び揚力を小さく抑えた角度に調整された航空機の翼形状構造体３により風上に向かって下降させる。
【００２８】
また、機体本体２を風下に向かって上昇させる時は、凧型平面浮揚体１１の角度を第２の係留ロープ１５を引き締めて、凧型平面浮揚体１１が風を受け止め、凧型平面浮揚体１１における抗力及び揚力が増大するような角度に制御し、航空機の翼形状構造体３及び機体本体２とともに風下に向かって上昇させる。
本実施形態において、航空機の翼形状構造体３をあらかじめ所定の角度で固定して配設し、凧型平面浮揚体１１の気流相対角度の制御のみを行うことにより機体本体２の空中位置を常時所定の範囲に滞空維持させることもできる。
【００２９】
また、凧型平面浮揚体１１の代わりにハンググライダー１２やパラグライダー１３（図７参照）を使用しても、上記と同様の航法により空中浮揚装置１を空中で常時所定の範囲に維持させることができる。パラグライダー１３の場合、自由落下および風上に向かって滑空下降させる時はパラグライダー１３において抗力及び揚力を極力減少させるように第２の係留ロープ１５を調整する。
【００３０】
次に、第４の実施形態について説明する。
本実施形態では、空中浮揚装置１は、機体本体２と、凧型平面浮揚体１１と、凧型浮揚体１１と気流との相対角度を制御する角度制御機４と、角度制御機４の自動制御装置８と、ＧＰＳ９と、風向風力測定器５及び風力方向舵６を備え、ＧＰＳ９による機体高度や飛行距離、風向風力測定器５及び風力方向舵６のデータにより、機体本体２の下降及び上昇のタイミングを決定し、角度制御機４により凧型平面浮揚体１１の角度を制御し、凧型平面浮揚体１１の揚力および抗力と重力からなる推進力によって機体本体２を風上に向かって下降させ、さらに風下に向かって上昇させて、定まった上下二つの領域範囲を往復させることで空中での位置を常時所定の範囲に滞空維持させる。
【００３１】
本実施形態の空中浮揚装置１は、上述の第１〜第３の実施形態と異なり、航空機の翼形状構造体３を備えておらず、図８に示すように機体本体２に直接凧型平面浮揚体１１が第３の係留ロープ１６により係留されている。
また、図８では省略しているが、機体本体２には角度制御機４以下の実施形態１と同様の装置が搭載されており、角度制御機４により凧型平面浮揚体１１の角度を制御し、第１〜第３の実施形態と同様の航法で空中浮揚装置１の空中での位置を常時所定の範囲に維持させる。
【００３２】
具体的には、機体本体２を風上に向かって滑空下降させる時は、図８（ａ）に示すように、第３の係留ロープ１６を調整して凧型平面浮揚体１１の角度を、揚Ｌ力、抗力Ｄ、重力Ｗの合成力である推進力Ｔが風上に向かって滑空下降させる方向となるようにする。
【００３３】
また、機体本体２を風下に向かって上昇させる時は、図８（ｂ）に示すように、第３の係留ロープ１６を調整して凧型平面浮揚体１１の角度を、揚力Ｌ、抗力Ｄ、重力Ｗの合成力である推進力Ｔが風下に向かって上昇させる方向となるようにする。
また、本実施形態においても凧型平面浮揚体１１の代わりにハンググライダー１２やパラグライダー１３（図７参照）を使用して上記と同様の航法により空中浮揚装置１を空中で常時所定の範囲に維持させることができる。
【００３４】
以上述べたような構成と機能により本実施形態の空中浮揚装置は、風向き風速の変化や気温気圧の変化に対しても、空中における一定の位置、高度を維持することを可能とし、連続した定位置での気象観測や、電波の中継、定点カメラでの画像、動画観測を、エネルギー消耗を抑制しかつ低コストにて実現する。 
【００３５】
以下に、改めて本発明の空中浮揚装置を、従来の飛行船等の浮揚装置と詳しく比較してその効果を確認する。
飛行船での定点滞空試験によれば、気象の影響の少ない成層圏（高度２０ｋｍ〜２５ｋｍ）で機体を浮揚させる。しかし気象の影響の少ない領域は飛行船にとって、浮力も少ないことを意味していて、その分船体を大きくしなければならない。従って成層圏で滞空させる船の大きさは、宇宙航空研究開発機構の報告によれば、全長２００ｍ級の巨大な飛行船が必要になる。それだけ巨大な船体になると、船体重量もヘリウムガスなしで数トンに及ぶ。
【００３６】
また巨大船体を支えるフレーム材や膜材の材料費も多額であるし、成層圏に打ち上げるまでの気象条件が、年間を通しても何日もないことが知られている。飛行船の機首を常に風上に向けるだけでも高度な制御機構が必要であることは容易に推測できる。船体の打ち上げが天候次第となれば、コストがかかる上に日程計画が立てられないことでビジネスとして到底受け入れることのできない条件となる。
【００３７】
従来の技術ではラジオゾンデにて気象観測する浮揚機体があるが、定点維持ができない。また、航空機のガソリン内燃機関による推力では燃料の消耗があって長時間の定点維持ができない。さらに、太陽光によるモータ駆動による定点維持では夜間での維持ができず、バッテリーへの充電による方法ではバッテリー重量の増加やバッテリー寿命によってコストの増加や長期間の運転ができない。
また、飛行船型では気象の影響の少ない成層圏での使用となるが、同時にそこは浮力もないために巨大な飛行船となって、コストがかかるし、成層圏までの打ち上げも困難である。
【００３８】
これらの問題に対し、本発明の空中浮揚装置は、浮揚の原理として以下に着目したものである。
すなわち、航空機の翼形状では、空気との相対的な風速の二乗に比例した揚力が得られる。風がある場合には、翼を風上に向けて風向きとの相対的な「迎え角」を調整すれば、揚力や抗力はその「迎え角」によって制御が可能であり、揚力と重力のバランスした合成方向に機体を進めることができ、それは従来から「滑空」と呼ばれている。この時、機体の下降による位置エネルギーの放出によって風上へ向かう推進力としている。
推進力としての合成力の大きさは抗力と同等で、方向は反対の風上である。風上に一定距離進んだ後、今度は最大揚力によって上昇するように翼の「迎え角」を変えて調整し、その増加させた揚力で上昇する。揚力から重力分を差し引いた残りが上昇力となって、機体は上昇する。上昇推進力は抗力との合成方向で方向は風下である。風上と風下に向かった距離が同じになるよう上昇下降を反復させることで、定範囲を維持させた空中滞空となる。これが上述した本発明の第１の実施形態で用いている方法である。
なお、「ソアリング」と呼ばれる従来の空中滞空航法があるが、本発明と比べると、装置の移動方向と風上、風下との関係が逆となっており、そのために上昇気流を利用しなければ空中での滞空ができない点で本発明とは異なるものである。
【００３９】
上記揚力の発生は航空機の翼形状構造体だけではなく、凧（カイト）型でも揚力は生じる。凧（カイト）は相対的空気流から必ず下流方向に抗力を受ける。物体の形状と流れに対する向きにより流れが非対称であれば、流速の差等でベルヌーイの定理により流れと垂直な方向に圧力差があると、その方向に揚力が生じる。凧（カイト）型と同じく、ハンググライダーやパラグライダーでも、同様の原理で空中滞空が可能である。上述した第４の実施形態では翼形状構造体を用いずに、これら凧（カイト）型またはハンググライダーやパラグライダーのみを用いている。
【００４０】
機体本体と風速によってあらかじめ滑空条件に翼の迎え角を設定した航空機の翼形状構造体と、そこからロープにて係留された該凧型浮揚体との三者一体化した構成によっても定点滞空が可能である。この場合は翼の回転は不要である。機体本体を風上に向かって滑空下降させる時は該凧状浮揚体の係留ロープを緩めて凧型浮揚体は風を吹流す状態として、航空機の翼形状構造体が滑空する状態と一体となって滑空させる。機体本体を風下に向かって上昇させる時には、航空機の翼形状構造体から該凧状浮揚体へのロープを引き締めて、該凧状浮揚体が風速によって最大の揚力を得られるよう、風を受け止められる角度に制御して、風速によってあらかじめ滑空固定角度に設定されたままの翼形状構造体と、機体本体とともに上昇させ、風上と風下に向かった距離が同じになるよう上昇下降を反復させて定点空中滞空させる。該凧状浮揚体はハンググライダーでもパラグライダーでも同様の原理で空中滞空が可能である。これは上述した第３の実施形態の実施例の一つとして述べた方法である。
【００４１】
本発明の空中浮揚装置は、従来の飛行船と異なり風力によって滞空するエネルギーを得るから、例えばジェット気流と呼ばれるある領域で常時存在する偏西風などがあるほど安定する。当該浮揚機体の揚力と抗力、重力によって得られる推進力によって、空中での定位置を長期間にわたって滞空させる。飛行船に比べてはるかに小型軽量低コストの機体が製造可能である。２４時間、３６５日、連続した定点での気象観測や定点カメラでの画像、動画観測がエネルギー消耗を軽減し、かつ低ランニングコストでの長期間滞空が可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１  空中浮揚装置 
２  機体本体 
３  航空機の翼形状構造体
４  角度制御機 
５  風向風力測定器 
６  風力方向舵 
７  補充用圧力容器 
８  自動制御装置 
９  ＧＰＳ
１０  圧力弁 
１１  凧型平面浮揚体
１２  ハンググライダー
１３  パラグライダー
１４  第１の係留ロープ
１５  第２の係留ロープ
１６  第３の係留ロープ
【要約】 
【課題】エネルギー消耗を軽減しかつ低コストで長時間の定点観測を可能とする空中浮揚装置を提供する。 
【解決手段】空中浮揚装置１は機体本体２と、航空機の翼形状構造体３と、航空機の翼形状構造体３の角度を制御する角度制御機４と、角度制御機４の自動制御装置８と、ＧＰＳ９と、風向風力測定器５及び風力方向舵６と、を備え、ＧＰＳ９による機体高度や飛行距離、風向風力測定器５及び風力方向舵６のデータにより、自動制御装置８が機体本体１の下降及び上昇のタイミングを決定し、角度制御機４により航空機の翼形状構造体３の角度を自律的に制御し、航空機の翼形状構造体３の揚力および抗力と重力からなる推進力によって機体本体２を下降及び上昇させ、定まった上下二つの領域範囲を往復させることで空中での位置を常時所定の範囲に維持させる。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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