(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流線形部分を有する外形状を有する気球エンベロプと、前記気球エンベロプに切り離し可能に搭載された搭載物と前記搭載物を吊り下げ可能なかつ気球エンベロプを接地または接水させずに係留させることができる長さのロープを備え、空気吸入口と前記空気吸入口に取り付けられた空気吸入口弁と及び前記空気吸入口に取り付けられた空気吸入ブロアとを前記気球エンベロプの頭部に備え、かつ前記気球エンベロプ内の浮揚ガスを排出する排気口と前記排気口に取り付けられた排気弁と推進装置及び尾翼を前記気球エンベロプに備え、機軸が水平と前記気球エンベロプの頭部を上にした若しくは下にした垂直の姿勢をとることができることを特徴とする高高度往還・滞空動力気球
【請求項２】
流線形部分を有する外形状を有する気球エンベロプと、前記気球エンベロプに切り離し可能に搭載された搭載物と前記搭載物を吊り下げ可能なかつ気球エンベロプを接地または接水させずに係留させることができる長さのロープを備え、空気吸入口と前記空気吸入口に取り付けられた空気吸入口弁と及び前記空気吸入口に取り付けられた空気吸入ブロアとを前記気球エンベロプの頭部に備え、かつ前記気球エンベロプ内の浮揚ガスを排出する排気口と前記排気口に取り付けられた排気弁と推進装置及び尾翼を前記気球エンベロプに備え、機軸が水平と前記気球エンベロプの頭部を上にした若しくは下にした垂直の姿勢をとることができる高高度往還・滞空動力気球の運行方法であって、上昇時は浮揚ガスの浮揚力によって成層圏まで上昇し、成層圏における水平飛行時は浮揚ガスの一部分を除去して残存浮揚ガスの浮揚力と気球の重量を平衡させて高さ位置を保ち、降下時には浮揚ガスの除去と空気の取り入れ口を併用して下降力の調整をしつつ着地点または着水点上空まで降下し、着地点または着水点上空で減速して着地または着水することを特徴とする高高度往還・滞空動力気球の運行方法
【請求項３】
前記浮揚ガスの一部分の除去は前記気球エンベロプ内の浮揚ガスの余剰部分の放出または補助気球の切り離しによって行うことを特徴とする請求項２に記載の高高度往還・滞空動力気球の運行方法
【請求項４】
前記減速は前記気球の機軸を水平にして空気抵抗を増加させ、またはフレアアウトによる動的揚力を利用して行うことを特徴とする請求項２記載の高高度往還・滞空動力気球の運行方法
【請求項５】
流線形部分を有する外形状を有する気球エンベロプと、前記気球エンベロプから切り離し可能に搭載された搭載物と前記搭載物を吊り下げ可能なかつ気球エンベロプを接地または接水させずに係留させることができる長さのロープを備え、空気吸入口と前記空気吸入口に取り付けられた空気吸入口弁と及び前記空気吸入口に取り付けられた空気吸入ブロアとを前記気球エンベロプの頭部に備え、かつ前記気球エンベロプ内の浮揚ガスを排出する排気口と前記排気口に取り付けられた排気弁と推進装置及び尾翼を前記気球エンベロプに備え、機軸が水平と前記気球エンベロプの頭部を上にした若しくは下にした垂直の姿勢をとることができる高高度往還・滞空動力気球の運行方法であって、上昇時は浮揚ガスの浮揚力によって成層圏まで上昇し、成層圏における水平飛行時は浮揚ガスの一部分を除去して残存浮揚ガスの浮揚力と気球の重量を平衡させて高さ位置を保ち、下降時には浮力を全備重量の０．１〜０．４倍だけ減じて着地点または着水点上空まで下降し、着地点または着水点上空で機軸をほぼ水平に姿勢制御をして沈降速度を１／３に減速し、かつ搭載物をロープで吊り下げ、先に地表または水上に到達させて全備重量の０．１〜０．２倍になる上昇用の利用浮力を回復して前記ロープを係留ケーブルとして前記気球を低空係留をすることを特徴とする高高度往還・滞空動力気球の運行方法
【請求項６】
前記ロープの長さは前記気球が地表または水上に接触せず前記減速が可能でありかつ前記低空係留中は風で前記気球が地上または水上に接触しない長さとすることを特徴とする請求項５記載の高高度往還・滞空動力気球の運行方法
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、高高度往還・滞空動力気球及びその運行方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一年中穏やかな晴天で、風がもっとも弱い地上約２０ｋｍの成層圏下層に昼夜に渡って数年間滞空し、太陽光や、地上からのマイクロ波のパワー送電で電気推進で水平飛行をすると共に、地球環境保全のための監視や、高感度低電力での無線中継を移動体通信や携帯電話のためにできる無人気球が提案されている。この種の高高度往還・滞空動力気球の地上から成層圏への上昇・降下には、大別して、何らかの原動機のパワーを使う方法と、浮力と自重の沈降力を使う方法とがある。
【０００３】
【解決しようとする課題】
しかるに世界の空は航空路が交錯しており、気球はこれらを避けて地上と成層圏との間を上昇・降下せねばならず、かつ、この気球のミッション高度と地上の間とはジェット気流等の高風速域があり、これらの風に流されずに目的の空域に達する必要がある。このようにこの種の気球は、限られた空域内で高速で確実に往還できる機体の構成と機構及びそれを運行する運行技術が必要である。また、従来の気球のエンベロプの形は外気の圧力に従って大きくなったり小さくなったりして、気球の内外圧力差を一定値以下に保ち、軽量でなければならない薄くて弱い球皮の破壊を防いでいるが、高速で上昇・降下を行うと、従来の気球では球皮が高速の空気流の風圧で振動させられ破壊に至ることがあるので、機体に装備した太陽電池セルやマイクロ波受電用アンテナの保護のため気球形状や球体剛性を損なわずに上昇・降下を行う運行技術が必要である。
【０００４】
前述のように、従来の高高度往還・滞空動力気球の地上から成層圏への上昇・降下には、大別して、何らかの原動機のパワーを使う方法と、浮力と自重の沈降力を使う方法とがあるが、このうち、原動機のパワーによる方法では、原動機とその出力パワーの変換器である推進機の性能が２０ｋｍ上空までの高度の大気状態全域に渡って有効な出力を出せない。また気球形状や球体剛性を損なわずに上昇・降下を行う運行技術も開発されていない。
【０００５】
また従来の浮力と自重の沈降力を使う自由気球形式の気球は浮力が小さく低速度であり、成層圏までの空域を高速で移動するには速度が十分でなく、途中でジェット気流の影響を受けやすく、かつ航空路の邪魔になりやすい。また気球形状や球体剛性を損なわずに上昇・降下を行う運行技術も開発されていない。
【０００６】
この発明は上記のごとき事情に鑑みてなされたものであって、地上から２０ｋｍ上空までほぼ変わらない上昇力を与える余剰浮力と沈降力となる自重をもっとも有効に使えるように、全浮力と沈降力を制御し、途中のジェット気流などによって遠くへ流されることがなく、高速で上昇・降下することができ、また気球形状や球体剛性を損なわずに上昇・降下を行うことができる気球の制御機構を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的に対応して、この発明の高高度往還・滞空動力気球は、流線形部分を有する外形状を有する気球エンベロプと、前記気球エンベロプに切り離し可能に搭載された搭載物と前記搭載物を吊り下げ可能なかつ気球エンベロプを接地または接水させずに係留させることができる長さのロープを備え、空気吸入口と前記空気吸入口に取り付けられた空気吸入口弁と及び前記空気吸入口に取り付けられた空気吸入ブロアとを前記気球エンベロプの頭部に備え、かつ前記気球エンベロプ内の浮揚ガスを排出する排気口と前記排気口に取り付けられた排気弁と推進装置及び尾翼を前記気球エンベロプに備え、機軸が水平と前記気球エンベロプの頭部を上にした若しくは下にした垂直の姿勢をとることができることを特徴としている。
【０００８】
またこの発明の高高度往還・滞空動力気球の運行方法は流線形部分を有する外形状を有する気球エンベロプと、前記気球エンベロプに切り離し可能に搭載された搭載物と前記搭載物を吊り下げ可能なかつ気球エンベロプを接地または接水させずに係留させることができる長さのロープを備え、空気吸入口と前記空気吸入口に取り付けられた空気吸入口弁と及び前記空気吸入口に取り付けられた空気吸入ブロアとを前記気球エンベロプの頭部に備え、かつ前記気球エンベロプ内の浮揚ガスを排出する排気口と前記排気口に取り付けられた排気弁と推進装置及び尾翼を前記気球エンベロプに備え、機軸が水平と前記気球エンベロプの頭部を上にした若しくは下にした垂直の姿勢をとることができる高高度往還・滞空動力気球の運行方法であって、上昇時は浮揚ガスの浮揚力によって成層圏まで上昇し、成層圏における水平飛行時は浮揚ガスの一部分を除去して残存浮揚ガスの浮揚力と気球の重量を平衡させて高さ位置を保ち、降下時には浮揚ガスの除去と空気の取り入れ口を併用して下降力の調整をしつつ着地点または着水点上空まで降下し、着地点または着水点上空で減速して着地または着水することを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の詳細を一実施の形態を示す図面について説明する。
図１において、１は高高度往還・滞空動力気球である。高高度往還・滞空動力気球１は流線形の外形状を有する気球エンベロプ２を有する。
【００１０】
この気球エンベロプ２はガス嚢３を内臓していて、そのガス嚢３内にヘリウム等の浮揚ガスを収容する。気球エンベロプ２は機軸方向の頭部に空気吸入口４と空気吸入口４を開閉する空気吸入口弁５と及び前記空気吸入口５を通して気球エンベロプ２内に空気を取り入れる空気吸入ブロア６とを配設している。また気球エンベロプの頭部外表面に水平と垂直の合計４枚の制御翼９が取り付けられている。
【００１１】
次に気球エンベロプ２は機軸方向の尾部にガス嚢３内の浮揚ガスを排出する排気口７と排気口７を開閉する排気弁８を備えている。気球エンベロプの尾部には推進装置１１と尾翼１２が取り付けられている。推進装置１１は原動機１３、減速器１４及びプロペラ１５とを有する。原動機１３への電源としては太陽電池１６、二次電池１７を用いる。尾翼１２、減速器１４はそれぞれ気球エンベロプ２の外表面に貼設された尾翼座帯１８、推進機運用座帯２１を利用して気球エンベロプ２に取り付けられる。
【００１２】
気球エンベロプの下部には加圧ブロア２２及び排気用調圧弁２３が設けられている。これらの加圧ブロア２２及び排気用調圧弁２３は地上或いは２０ｋｍ上空の高度を飛行中にガス嚢３内に外部空気を供給しかつ調圧するためのものである。
【００１３】
このように構成された高高度往還・滞空動力気球１の諸元の一例は次の通りである。気体全長２５ｍ，最大径７ｍ、容積６５０ｍ3 、表面積４３６ｍ2 、機体速度２０ｍ／ｓである。
【００１４】
次にこのように構成された高高度往還・滞空動力気球１の運行方法を図４について説明する。
【００１５】
まず始めに高高度往還・滞空動力気球１は係留索３１によって地上に係留される。この時、気球エンベロプ２は頭部を上にしていて補助気球３２が連結されていてかつ運用索３３が連結している。この時、気球エンベロプは加圧ブロア２２を通して空気が供給され、加圧され、かつ排気用調圧弁２３から排気も行われて圧力の調整が行われている（図４ａ、地上係留過程）。
【００１６】
次に係留索３１、運用索３３を人力若しくは自動装置で切り離す（図４ｂ、切離し過程）。
【００１７】
次に切り離された高高度往還・滞空動力気球１は補助気球３２に浮力補助されて上昇する。気圧の減少に応じて排気用調圧弁２３から排気を行い気球の内外圧を平衡させる。こうして高高度往還・滞空動力気球１及び補助気球３２は地上約２０ｋｍの成層圏下層に達する（図４ｃ、上昇過程）
次に成層圏下層のミッション高度に達した高高度往還・滞空動力気球１は滞空飛行をする準備をする。そこでまず、補助気球３２を切り離す。切り離しの動力としては電熱若しくは火工品を使用する（図４ｄ、補助気球切離し過程）。
切り離された補助気球から徐々に浮揚ガスを排出しかつ補助気球内に空気を導入すれば補助気球の浮揚力は減少して落下し、この間、高高度往還・滞空動力気球１は徐々に水平飛行姿勢に変化する（図４ｅ、補助気球落下過程）。
【００１８】
次に必要に応じて水平飛行し所定の滞空位置に移動する（図４ｆ、水平飛行過程）。
【００１９】
次に滞空を終了して降下する場合には、推進装置を停止させ、気球エンベロプの外側に取り付けられている重量搭載物である二次電池等を切り離してケ−ブルで気球エンベロプの頭部に吊り下げ、気球の重心を頭部の前方に移動させる。二次電池等の切り離しの動力としては火工品を使用する。これと同時に次に気球エンベロプ２の尾部の排気弁８を開いて排気口７を通してガス嚢３内の浮揚ガスを排出しつつ、頭部の空気吸入口弁５を開き空気吸入ブロア６を作動させて空気吸入口４を通して空気を気球エンベロプ内に取り入れると、高高度往還・滞空動力気球１の浮揚力が徐々に減少して頭部を下向きに傾け降下態勢になる（図４ｇ、降下開始過程）。
【００２０】
引き続いて気球エンベロプ２の尾部の排気弁８を開いて排気口７を通してガス嚢３内の浮揚ガスを排出しつつ、頭部の空気吸入口弁５を開き空気吸入ブロア６を作動させて空気吸入口４を通して空気を気球エンベロプ内に取り入れることによって高高度往還・滞空動力気球１の浮揚力を調整して降下速度を調整すると共に、内外の圧力差を平衡させて気球エンベロプの形状を保ち球皮の破裂を防ぎ空気抵抗を最小にする（図４ｈ、下降過程）。
【００２１】
最後に着地点または着水点上空まで降下したら地表または水面との激突を避ける為、着地点または着水点上空で気球の機軸を水平にして空気抵抗を増加させ、またはフレアアウトによる動的揚力を利用して減速し、かつ、重量搭載物である二次電池などを係留物として吊り下げ（図４ｉ、フレアアウト過程）、着陸または着水させ、地上もしは水上に係留して（図４ｊ、係留過程）、支援車や支援船の回収に備える。
【００２２】
【実施例】
ジェット気流や強い風に流される度合いを最小にするためには、できるだけ短い時間で成層圏への上昇および地上への降下をおこなわなければならない。
【００２３】
（１．上昇過程）：上昇については、浮揚ガスであるへリウムを気球の全備重量のほぼ１０倍の浮力となるまで注入して、理論的にはほぼ１０Ｇの初期加速度で上昇できる。なぜなら、風のもっとも弱い地上２０ｋｍのミッション高度の成層圏の空気密度は地上の１／１０位なので、この高度にとどまるには気球の全体積の約１／１０のへリウムの浮力が気球の全備重量と釣りあえばよい。従って、気球の全体積にへリウムを満たすと、地上では気球の全備重量の１０倍の浮力を持つことになる。この状態で上昇を開始し、ミッション高度に到達するまでに、気球の内外圧差を一定に保つようヘリウムを排気していくと、全長約１５０ｍ、タテ、ヨコ比一対四の、全体積が２０万立米位の回転楕円体型の気球は約５分の時間で高度２０ｋｍの上空に達する。これはこの気球の抗力係数を０．１とし、抗力と浮力の釣り合う条件から求めれる上昇速度を時間積分した距離が２０ｋｍになることから得られる。
【００２４】
上昇速度はさらに高めることもできる。これは、大きな体積を持つ軽量の気球を補助気球として主気球を牽引させることによって、より大きな利用浮力を得る方法である。この補助気球はミッション高度で切り離せば良い。このようにして上昇時間を最小にするには、気球の空気抵抗をできるだけ小さくすることと、全備重量に比して上昇のための過大な浮力に耐えられるように気球の強度を高めること、そして上昇過程での高速の空気流が球体に当たって、球皮を振動させて破壊しないように、気球の内外圧差を一定に保つことである。
【００２５】
（２.降下過程）：上昇過程に反して、降下過程で降下力に使える最大の力は気球の全自重のみである。その力は、ミッション高度から降下に入るときに、出来るだけ早く気球内のヘリウムを空気に置換することで得られる。しかしながら、この１Ｇ沈下は、全長１５０ｍ、全体積２０万立米の気球の場合、地表近辺で毎秒２０ｍを上回る速度になる。この地表へ激突する速度は、降下時の姿勢を変化させることで約１/３に減速することができる。すなわち、高空での降下時は最大速度を得るために、空気抵抗の最も小さくなるように回転楕円体状の球体の長軸方向に沈下した後に、地表近辺で尾翼等を使い球体を９０°回転させ機軸を水平にし、沈降方向に対して最大面積となるように姿勢制御することである。これによって、抗力係数と代表面積の積の値が約１０倍となる。沈下速度はこれの逆数の平方根なので約１/３に減速される。前述の全長１５０ｍの気球の場合では、１Ｇで沈下を開始し、そのまま地表に到達するとすると、約１５分位で降下を終了することになる。しかしながら、低速度に減速したといっても、地表にかなりの重量の気球が衝突することは、気球自体の損傷を招くことになるので、出来れば地表に接触する前に気球の沈降を停止させ、低空に浮揚したままにすることが望まれる。実際は、１Ｇ沈下の代わりに例えば０．２Ｇ沈下を行い、地表近くになり、０．３Ｇ相当の重量の搭載物を十分長いケーブルで吊り、地表に先に到達させることによって０．１Ｇ相当の浮力を得て、気球を低空に浮遊させる。同時に地表に到達した搭載物をアンカーとして、気球を空中係留し、風によってある程度の揚力を発生させるように、この係留ケーブルと気球体との結節点の位置関係を決めて、気球が地表面に接触しないようにする。気球の降下は日本の場合は海上で行うことになる。成層圏滞空飛行船となる高々度気球は推進用の動力系を持っており、このうち、エネルギーの貯蔵器となる電池がかなり重い搭載物であり、他の推進機やモータなどと比べて、取り外しが容易な重量物である。この電池を地表到達時にアンカーとして使用する。もう一方はミッション用の搭載物である。一般に気球が大型になればなるほど、空気抵抗にさらされる面積が全備重量や利用浮力の大きさの割りには相対的に小さくなるので、空気抵抗の効果が上昇のための浮力や沈降力に比して小さくなり、上昇や降下速度は増す。さらに、気球の大型化による浮力の増加の度合いも大きいので、例えば夜間推進用の電池が搭載できるようになり、昼間のみのミッションだけだなく夜間の飛行と長時間滞空が可能になるが、この場合はアンカー用の電池の割合が増すことになるので、その分ヘリウム・ガスを多く放出でき降下速度も大きく取れることになる。アンカー用ケーブルの長さは気球が減速してから再び上昇に転じる間に地表に接触しないように十分な長さを持つようにする。
【００２６】
以上、運行の要点は特に、▲１▼降下過程で浮力を全備重量の０．１〜０．４倍だけ減じて降下し、▲２▼地表に近くなったら機軸を水平に姿勢制御をして、沈降速度を１／３に減速する。同時に、▲３▼地上近辺で搭載物を長いロープで吊り下げ、先に地表に到達させ、全備重量の０．１〜０．２倍になる上昇用の利用浮力を回復して低空係留をする。▲４▼係留ケーブルの長さは地表に接触せず減速が十分できる長さであると同時に、係留中は風で地上に接触しない長さであること、である。。以上の説明から明らかな通りのこの発明の高高度往還・滞空動力気球技術によれば、ジェット気流等の風で流されないように高速で上昇・下降をすることを実現する。この気球は上昇・降下に伴うへリウムなどの浮揚ガスの膨張・収縮を上昇・降下の速度に応じて気球内外の空気の出入りを制御して、気球の形状を不変に保つ機構を有し、空気抵抗を最小に押さえ、気球の変形による球皮の破壊を防止する。こうして通常の航空機では上昇して到達することのできない成層圏下層の２０ｋｍの高度へ、一定空域内で高速で随時昇り降りできる気球の性能を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】気球の側面説明図
【図２】気球の正面説明図
【図３】気球の背面説明図
【図４】気球の運行過程を示す説明図
【符号の説明】
１  高高度往還・滞空動力気球
２  気球エンベロプ
３  ガス嚢
４  空気吸入口
５  空気吸入口弁
６  空気吸入ブロア
７  排気口
８  排気弁
９  制御翼
１１  推進装置
１２  尾翼
１３  原動機
１４  減速機
１５  プロペラ
１６  太陽電池
１７  二次電池
１８  尾翼座帯
２１  推進機運用座帯
２２  加圧ブロア
２３  排気用調圧弁
【図１】
0004019165.tif 000002
【図２】
0004019165.tif 000003
【図３】
0004019165.tif 000004
【図４】
0004019165.tif 000005