(57)【要約】【課題】  小型カメラ等の観測機器を上空に保持することが可能な、位置が安定化された繋留型小型気球を提供することを目的とする。【解決手段】  前方領域１５と後方領域１７と前方領域１５と後方領域１７を繋ぐ本体領域１６を有し、前方領域１５と本体領域１６の境界面の面積が後方領域１７と本体領域１６の境界面の面積より大きく、本体領域１６の断面の面積が、前方領域１５から後方領域１７にかけて漸減する形状を有する繋留型気球であって、繋留型気球の内部に位置し、本体領域１６の上部の球皮に固定された、紐部材１８を有し、紐部材１８は、弾性体で構成され、本体領域１６の上部の球皮を引っ張ることによって形状を保持する、繋留型気球。【選択図】  図１
2007001458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前方領域と、後方領域と、前記前方領域と前記後方領域を繋ぐ本体領域と、を有し、
前記前方領域と前記本体領域の境界面の面積が前記後方領域と前記本体領域の境界面の面積より大きく、
前記本体領域の断面の面積が、前記前方領域から前記後方領域にかけて漸減する形状を有する繋留型気球であって、
前記繋留型気球の内部に位置し、前記本体領域の上部の球皮に固定された、紐部材を有し、
前記紐部材は、弾性体で構成され、前記本体領域の上部の前記球皮を引っ張ることによって前記形状を保持する、繋留型気球。
【請求項２】
前記紐部材が、前記繋留型気球の前記本体領域の上部の球皮を引っ張ることによって、前記本体領域の上部にくぼみ部が形成される、請求項１に記載の繋留型気球。
【請求項３】
前記繋留型気球に吹く風の流速が速いときには、前記くぼみ部が小さくなり、前記繋留型気球に吹く風の流速が遅いときには、前記くぼみ部が大きくなる、請求項２に記載の繋留型気球。
【請求項４】
前記球皮は、前記紐部材よりも低い弾性体から構成される、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の繋留型気球。
【請求項５】
前記前方領域と前記後方領域の間の底部が水平になることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の繋留型気球。
【請求項６】
前記紐部材が、前記繋留型気球の前記前方領域から前記後方領域にかけた中心線上に固定される、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の繋留型気球。
【請求項７】
前記後方領域に、風の向きに対する向きを保持する尾翼部若しくは補助尾翼を設けた、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の繋留型気球。
【請求項８】
前記繋留型気球の底部又は前記繋留型気球を繋留するための繋留ロープに装着されたパイプをさらに有する、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の繋留型気球。
【請求項９】
前記繋留型気球を繋留するための繋留ロープの位置と、前記紐部材の固定された前記球皮上の位置が同じである、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の繋留型気球。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繋留型気球に関し、特に、風の影響を受けにくい高所画像取得用繋留型気球に関する。
【背景技術】
【０００２】
大地震や津波、土砂災害などが発生した際、現場の被害状況を迅速に把握することが重要である。従来、大地震などの災害時に上空からの被害状況の把握を目的としては、ヘリコプターの緊急出動が主体となってきた。しかしながら、ヘリコプターの使用には、以下のような問題点が存在していた。
【０００３】
一つ目は、避難・救援活動で最も重要とされる地震発生後３０分以内にヘリコプターの配備が完了することはまれであることである。二つ目は、ヘリコプターが上空でホバリングすることによる騒音が、救援を待つ人の声の伝達をさえぎり、救難活動が難航することである。
【０００４】
このような問題を解決するために、気球の使用が検討されてきたが、従来の高所撮影用気球では、横風の影響に打ち勝つだけの十分な浮力を得るのに、気球の大型化で対応してきた（例えば特許文献１）。
【０００５】
しかしながら、緊急の際に、カートなどで移動可能とするためには、人手で移動可能な少量のガスボンベで浮上が可能な小型の気球の開発が望まれていた。しかしながら、浮力はサイズの３乗に比例するのに対して、横風の与える力は、サイズの２乗に比例することから、小型気球では、横風の影響が無視し得なかった。
【０００６】
他方、ホバリング時の翼の風切り音、エンジン音の問題を解決するために、電動の小型無人ヘリの使用も試みられているが、電源を小型の電池に依存するため、滞空時間が限定され、またカメラや通信機器の搭載荷重に大きな問題を残していた。
【０００７】
上空に浮上する気球等への給電は、低高度の電飾用では、地上からの有線による給電が試みられているが、高高度では、落雷による２次災害の危険や、不測の風による高圧線等の接触事故の可能性を含むもので、緊急時の使用には適していなかった。
【特許文献１】特開２０００−３２６８９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、小型カメラ等の観測機器を上空に保持することが可能な、横風の影響を受けにくい繋留型小型気球を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の態様に係る繋留型気球は、前方領域と後方領域と前記前方領域と前記後方領域を繋ぐ本体領域を有する繋留型気球であって、前記前方領域と前記本体領域の境界面の面積が前記後方領域と前記本体領域の境界面の面積より大きく、前記本体領域の断面の面積が、前記前方領域から前記後方領域にかけて漸減する形状を有し、弾性体で構成され、前記繋留型気球の内部に位置し、前記本体領域の上部の球皮に固定された、紐部材を有し、前記紐部材は、前記本体領域の上部の前記球皮を引っ張ることによって前記形状を保持する、ものである。本発明の繋留型気球においては、紐部材によって本体領域の上部を引っ張り、上記の形状を有する気球を形成することによって、風による浮力を得ることができ、風の影響を少なくすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る繋留型気球によれば、気球を地上に繋留するための繋留ロープの傾斜角の横風による変化角を小さくすることができ、また、横風の大小によって紐部材が伸縮することによってこの繋留型気球に吹く風の流れを滑らかにすることができるため、気球の位置を安定化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施の形態に係る繋留型気球においては、気球の上表面を紐部材で引っ張る中吊り機構を設けている。
【００１２】
この中吊り機構によって気球の形状を変化させ、気球の上面に沿って流れる風の流速と、気球の下面に沿って流れる風の流速との差を生じさせる。風の流速差によって、繋留型気球の上面と繋留型気球の下面での外圧の差を作り、繋留型気球に挿入されている気体と繋留型気球外部の気体との密度差による浮力以外の、風による浮力を得ることができる。
【００１３】
風による浮力によって、繋留型気球を地上に繋留するための繋留ロープの傾斜角の横風による変化を小さくすることが可能となり、繋留型気球の位置が安定になる。また、横風の大小によって、中吊り機構に用いられた紐部材が伸縮することによって、繋留型気球に吹く風の流れが滑らかになるため、繋留型気球の位置が安定になる。
【００１４】
さらに、この浮力によって横風による影響を小さくするためには、自重を軽くしなければならない。そこで、本実施の形態に係る気球においては、自重を軽くするために、球皮に軽量化された繊維、例えばポリエステル系繊維を用いている。
【００１５】
ここでいう気球とは、気密性の袋の中に、空気より軽い気体を入れて浮遊させる飛行装置のことであり、繋留型気球とは、地上から繋留ロープによって引っ張られることによって位置を特定する気球のことである。例えば、地上に置かれたウインチに繋留ロープを巻きつけておき、この繋留ロープに気球を繋ぐことによって、空中を浮上させている。
【００１６】
まず、所定方向から風が吹いている、本実施に係る繋留型気球の形状について記述する。図１に、本実施の形態に係る繋留型気球の断面図を示す。左上図は、この所定方向から見た断面図、右上図は、この所定方向に垂直な断面図、下図は、鉛直上方から見た断面図である。
【００１７】
気球が水平に浮上にしているときに最も上に位置する部分を最上部１１、風の方向に対して、はじめに風を受ける部分を先端部１２、先端部１２と反対側に位置する部分を後端部１３、最上部１１と反対側に位置し、この気球が水平に浮上にしているときに最も下に位置する部分を底部１４とする。
【００１８】
また、先端部１２から、風の方向に対して垂直で最上部１１を含む面までの領域を前方領域１５とする。また、後端部１３から、底部１４の後端側の端を含む、風の方向に対して垂直な面までの領域を後方領域１７とし、前方領域１５と後方領域１７以外の部分を本体領域１６とする。
【００１９】
図１の右上図に示すように、風を受ける方向に垂直な方向から見た断面図は、先端部１２から後端部１３にかけて見ていくと、まず、先端部１２から、前方領域１５と本体領域１６の境界面にかけて、上面は徐々に上昇し下面は徐々に下降して、上面と下面との間隔が増加していく。
【００２０】
そして、前方領域１５と本体領域１６との境界面において、上面と下面との間隔が最大となる。このとき、前方領域１５は、先端部１２から前方領域１５と本体領域１６との境界面にかけて、断面積が滑らかに増加していく曲面体となる。
【００２１】
本体領域１６においては、前方領域１５と本体領域１６との境界面から気球の上面は、最上部１１から滑らかな曲線を描いて、徐々に下降していく。このとき、前方領域１５から後方領域１７にかけて断面形状の断面積は漸減し、本体領域１６と後方領域１７との境界面で断面積が最小になる。
【００２２】
渦は、気球の位置を不安定にするため、気球の位置の安定化のためには、渦の発生を抑止しなければならない。本実施の形態に係る繋留型気球においては、気球の上面が滑らかな曲線を描いて下降することによって、気球の上面に沿って流れる風が渦を作ることを防ぐことができる。
【００２３】
また、本体領域１６の上面には、くぼみ部分１９が作成されているとよい。このくぼみ部分１９とは、前方領域１５の上面と後方領域１７の上面とを結んだ直線よりも凹型にくぼんだ形状になっている部分のことである。このようにすることによって、気球の上面に沿って流れる風の流速を速くすることが可能となる。このことによって、気球の上面と下面の外圧差を大きくすることができ、より大きな、風による浮力を得ることができる。
【００２４】
さらに、図１の右上図において、本体領域１６の下部にあたる底部１４は、略水平直線になっているとよい。つまり、気球が浮上している状態で、気球の底部１４が水平になっているとよい。これは、気球の下面に沿って流れる風が、この気球の影響を受けずに滑らかに流れていくようにするためである。
【００２５】
そして、本体領域１６と後方領域１７との境界面から後端部１３にかけて、上面は徐々に下降し、下面は徐々に上昇して、上面と下面との間隔が減少している。そして、本体領域１６と後方領域１７との境界面において、上面と下面との間隔が最小となる。このとき、後方領域１７は断面積が滑らかに減少していく曲面体となる。
【００２６】
次に、風を受ける方向から見た断面図においては、図１の左上図に示すように、略楕円形をしている。また、図１の左上図においては、図１の右上図のＡ−Ａ'部分での断面図を点線にて示している。本体領域１６において、紐部材によって気球の表面を引っ張る機構である中吊り機構がつけられているため、点線のような形状になる。中吊り機構１８の詳細は後述する。また、風を受ける方向から見た断面図においては、左右対称の形状をしている。
【００２７】
上から見た断面図においては、図１の下図に示すように、前方領域１５において、前方領域１５と本体領域１６との境界面に向かって幅が増加していく。本体領域１６においては、前方領域１５と本体領域１６との境界面から、後端部１３にかけては、幅が徐々に減少している。この上から見た断面図においては、左右対称の形状をしている。
【００２８】
以上のような形状を持つ気球を作成するために、本実施の形態に係る気球においては、本体領域１６に中吊り機構１８が設けられている。中吊り機構１８とは、上述のような形状を有する気球を作成するために、図１の右上図において点線で示されたように、球皮よりも弾性が高い物質で構成された紐部材を上部の球皮と下部の球皮に固着し、引っ張る機構である。この紐部材の例としては、気球の球皮にポリエステル系繊維が用いられたとき場合の生ゴムの紐部材などがある。
【００２９】
この紐部材は、風を受ける方向に平行で、水平な面に平行な断面の中心線上に固定されるとよい。このようにすることによって、気球の風を受ける方向に垂直な断面を左右対称にすることができ、風が吹くことによる影響を気球の上面と下面のみにすることができる。
【００３０】
これは、風によって受ける力が、風を受ける方向に垂直な断面の左右で違うと、気球が回転してしまうためであり、風を受ける方向に平行で、水平な面に平行な断面の中心線上に紐部材を固着することによって、気球の回転を抑止することができる。
【００３１】
また、上記の気球が風の方向に対して一定の方向を向かせるために、後方領域１７に尾翼部２０若しくは補助尾翼２１を設けると良い。これは、尾翼部２０を設けなくても図１の右上図の断面方向に風の方向が変化したときには、風の方向に先端部１２が向くようになっているが、この動作をより早く行うために、後方領域１７に、図１の右上図の断面方向に平行な平面を有する尾翼部２０若しくは補助尾翼２１を設けているとよい。
【００３２】
また、中吊り機構１８に用いられる紐部材は、気球を地上から繋留するための紐部材を設けた外側の球皮の近傍の内側の球皮に固定されるとよい。このようにすることによって、中吊り機構１８に用いられる紐部材によって、球皮の底部１４が引っ張られるのと略同じ力で引っ張ることによって、底部１４を水平に保つようにするためである。
【００３３】
図２に、本実施の形態に係る繋留型気球における風の流速の大小による形状の変化を示す。図２には、繋留するための繋留ロープ２３と繋留ロープ２３への複数の枝ロープ２４も示している。この中吊り機構１８に用いられた紐部材は、風の流速が低いときに短くなり、本体領域１６に位置する球皮のくぼみ部分１９の大きさが大きくなり、流速差による浮力を大きく保つことができる。また、底部１４の下に軽重量のパイプ２２が装着されるとよい。このパイプ２２が装着されることにより繋留ロープ２３への複数の枝ロープ２４が設置されることで底部１４の平面は維持され、変形は気球上部のくぼみ部分１９のみに限定される。パイプ２２は、例えばポリカーボネートで作成されている。パイプ２２は、底部１４に装着されてもよいし、繋留ロープ２３に装着されてもよい。
【００３４】
これに対して、風の流速が高いときは、中吊り機構１８に用いられた紐部材は伸びることになる。これは、気球外部の気圧が風によって低下するため、内圧が外圧よりも高くなるため、気球が膨張するからである。
【００３５】
このときの気球の膨張によって、本体領域１６に位置する球皮のくぼみ部分１９は、中吊り機構１８に用いられた紐部材が伸びるため小さくなる。そのため、過大な流速差による気流の離脱、失速による位置の不安定性を未然に防ぐことができる。
【００３６】
また、中吊り機構１８は、上述のように、気球の破断等を防ぐ安全弁としても動作するため、気温・気圧の変動に伴う内部ガスの容積変化に対して柔軟に対応することができる。このことは、気球の内圧を調整する機構、例えばバロネットブロアが必要なくなるため、気球の内圧を調整する機構の重量を計算に入れる必要がなくなる。
【００３７】
そのため、小型気球軽量化の際に障害となる気球の内圧を調整する機構が不要となり、鉛直上向きの力を実質的に増加させることができる。よって、横風に対する影響を減少させることができる。
【００３８】
さらに、繋留型気球の球皮は、紐部材よりも低い弾性体から構成されるとよい。これは、繋留型気球の形状の制御を紐部材で行うことによって、上述のような風の大小による気球の形状の変化を有することができる。
【００３９】
上記の形状にすることによる効果を以下に説明する。図３に気球に風が吹いたときの風の通り方を示す。図３（ａ）には、本実施の形態に係る気球を、図３（ｂ）には、従来の回転楕円形の気球を示す。
【００４０】
本実施の形態に係る気球においては、本体領域１６の上面において、くぼみ部分１９に沿って風が流れていく。また、本体領域１６の下面においては、略同一平面になっているため、風は水平方向に流れていく。
【００４１】
このことにより、本体領域１６において、気球上面に沿って流れる風の速度と気球下面に沿って流れる風の速度に違いが発生する。気球上面に沿って流れる風の速度は、気球下面に沿って流れる風の速度よりも速度が大きくなる。このことは、ベルヌーイの定理より、気球上面の外圧が気球下面の外圧よりも低くなることになる。この気圧差が、風による浮力Ｆｂを生じさせる。
【００４２】
図３においては、気球にかかる力も記述している。本実施の形態に係る気球においては、バルーン内部の気体と外部の気体の密度によって生じる浮力Ｆｈと、気球自体の重さＦｇと、横風による力Ｆｗと、風による浮力Ｆｂがかかっている。
【００４３】
比較材料として、従来の気球に用いられている回転楕円形の気球を図３（ｂ）に示している。回転楕円形の気球の場合、上面と下面に流れる風の流速は等しいため、上面と下面の気圧差は生じない。そのため、風による浮力Ｆｂは生じない。
【００４４】
よって、回転楕円形の気球にかかる力は、バルーン内部の気体と外部の気体の密度によって生じる浮力Ｆｈと、気球自体の重さＦｇと、横風による力Ｆｗになる。つまり、本実施の形態に係る気球と従来用いられていた回転楕円形の気球との相違点は、風による浮力Ｆｂがあるかないかである。
【００４５】
以上により、本実施の形態に係る繋留型気球においては、鉛直上向きの力が従来の回転楕円形の繋留型気球よりも大きくなっている。このことは、横風の流速が変化したときに、従来の回転楕円形の気球に比べて鉛直上方の力が大きいため、横風による気球を地上に繋留するための繋留ロープの傾斜角の変化を小さくすることができる、このことは、本実施の形態に係る繋留型気球が横風の影響が受けにくい気球であると同時に、気球の位置の安定化をはかることのできる気球であるといえる。
【００４６】
これらの繋留型気球は、気球状に載置したカメラ等によって観測を行うとき、地上から紐部材で引っ張っている。図４において、質量・風の抵抗が無視できる十分に細い糸によって、地上Ｇ点に繋留されている本発明に係る繋留型気球の位置Ｐ１及び、従来型の回転楕円体気球の位置Ｐ２を示している。
【００４７】
上記に示したように、本実施の形態に係る気球において、この気球にかかる力は、バルーン内部の気体と外部の気体の密度によって生じる浮力Ｆｈと、気球自体の重さＦｇと、横風による力Ｆｗと、風による浮力Ｆｂであるから、これらの合力と繋留ロープの張力Ｔ１が釣合った状態になればよい。
【００４８】
これに対して、従来の気球に用いられている回転楕円形の気球において、この気球にかかる力は、バルーン内部の気体と外部の気体の密度によって生じる浮力Ｆｈと、気球自体の重さＦｇと、横風による力Ｆｗであるから、これらの合力と繋留ロープの張力Ｔ２が釣合った状態になっている。
【００４９】
この上記の釣合を保つためには、鉛直からの角度が、本実施の形態にかかる気球においてはθ１、従来に用いられている回転楕円形の気球においては、θ２の傾斜角をもたせなければならない。この傾斜角θ１とθ２は、横風の大小によって決定される。
【００５０】
また、傾斜角θ１とθ２の違いは、風による浮力Ｆｂがあるかないかの違いによって生じる。本実施の形態に係る気球が風による浮力Ｆｂを持つために、鉛直方向上向きの力が大きくなるために、傾斜角θ１は傾斜角θ２よりも小さくなる。
【００５１】
また、図３においては、横風が大きくなったときの地上Ｇ点に繋留されている本発明に係る繋留型気球の位置Ｐ３及び、従来型の回転楕円体気球の位置Ｐ４も示している。本実施の形態に係る気球においては、鉛直方向上向きの力が大きいために、横風による力Ｆｗが大きくなったとしても、横風による傾斜角θ１の変化量Δθ１は傾斜角θ２の変化量Δθ２よりも少なくなる。
【００５２】
この効果は、ガスの密度差による浮力が横風の力に対して相対的に小さい小型気球の場合、より一層顕著に表れる。極限として、気体密度差による浮力を持たない凧では、Ｆｈ＝０となるため、風による浮力Ｆｂと、横風による力Ｆｗ、凧の自重Ｆｇのベクトル和が、繋留ロープの張力と釣合うことになるが、浮力を得られない形状では凧は高度を維持できないことは明白である。
【００５３】
以上のことから、図１に示すような形状を持つ気球を、中吊り機構１８で作成することによって、風の大小にあまり影響を受けにくい小型カメラ等の観測機器を上空に保持することが可能な、風の影響を受けにくい繋留型小型気球を作成することが可能となる。
【００５４】
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。また、上記の説明においては、本体領域１６にくぼみ部１９が存在するものについて説明したが、くぼみ部１９が存在しなくても、中吊り機構１８の効果に変化はない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施の形態に係る繋留型気球の断面図
【図２】本実施の形態に係る繋留型気球における風の流速の大小による形状の変化
【図３】気球に風が吹いたときの気球に対する風の通り方
【図４】質量・風の抵抗が無視できる十分に細い糸によって、地上に繋留されている従来型の回転楕円体気球の位置及び、本発明に係る繋留型気球の位置
【符号の説明】
【００５６】
１１  最上部  １２  先端部  １３  後端部  １４  底部  １５  前方領域
１６  本体領域  １７  後方領域  １８  機構  １９  くぼみ部分  ２０  尾翼部
２１  補助尾翼  ２２  パイプ  ２３  繋留ロープ  ２４  枝ロープ
【図１】
2007001458.tif 000003
【図２】
2007001458.tif 000004
【図３】
2007001458.tif 000005
【図４】
2007001458.tif 000006