Aether project に関する報告書
名古屋大学宇宙開発チーム NAFT
平松泰周、赤理光、岩倉亮介、杉浦宏俊、登森勇介、手島悠介、渡邉賢吾
第4版

平成 27 年 5 月 10 日

1.プロジェクトの目的

平松泰周「Global Space Balloon Challenge」

名古屋大学宇宙開発チーム NAFT(以(以下 GSBC)は、毎年 4 月に行われるス

下 NAFT)とは、2012 年に設立された名ペースバルーンのコンテストである。

古屋大学準公認団体(2014 年 3 月現

写真、動画、機体デザインや科学実験

在)であり、スペースバルーンやモデなど様々な部門がある。コンテストにルロケットを用いて学生の力のみで参加するには、4 月 10 日から一ヶ月間宇宙に挑戦し、それらの結果を用いての間にバルーンを打ち上げ、そのレポ小中高生に宇宙の楽しさを発信するートを、5 月 18 日までに提出する必要ことを目的としている。

が有る。

本プロジェクトでは、NAFT が小中高生を対象に行っている宇宙教育活動
によりリアリティーを持たせることである。その手段として、今回はスペースバルーンを打ち上げ、３６０度パノラマ動画の撮影を行った。
図 2.GSBC(2014)の様子
3.プロジェクトの概要
本プロジェクトでは、2015 年 4 月に開催されるスペースバルーンの世界大会「Global Space Balloon Challenge」

図 1.NAFT の高校での講演活動（以下 GSBC）に参加し、2015 年 4 月
2. Global Space Balloon Challenge

11 日にアメリカのミシガン州デトロについてイトで、ミシガン大学の協力を得てバルーンの打ち上げを行った。

1

4.機体モジュールの概要

ルーンと機体の間には、連邦航空局か4.1

ら打ち上げの際に義務付けられてい機体モジュールるレーダーリフレクタを取り付けた。
表 1.機体情報

図 3.機体モジュール
機体モジュールは撮影機器を固定し観測デバイスや無線機を保護する格納容器である。機体モジュール外部

4.2 パラシュート設計には、丸棒(ABS材φ15[mm])両端に撮ペイロード 3.6[kg]の機体モジュー

影機器を２台ずつ固定し、それを立方ルを 7[m/s]で降下・着陸させる。また、体の箱(塩ビ材)の各面に固定した。そパラシュート開傘時の速度がのキューブ外部を球状の発泡スチロ

140[m/s]での開傘衝撃荷重に耐えらールで覆い、アルミガラスクロステーれるように設計する。以上の点から、プで補強を行った(図3)。このアルミパラシュートの設計・製作をした。まガラスクロステープは、連邦航空局かた、製作したパラシュートの機能を実ら義務付けられているレーダー反射証するための落下試験も行った（実験板の役割も果たしている。各カメラに資料に記載のため割愛）。パラシューは、低温実験(実験資料記載のため割トの形状は半球型とし、半級の底面の愛)の結果を踏まえた保温対策を施し直径は 0.35[m]として、12[枚]のパーた。上昇や落下中に、機体が受ける空ツに分け縫い合わせた。また、開傘後気抵抗が少ないように球状のスチロのパラシュートを安定させるため半ール球(φ300[mm])を使用した。撮影

球の中心部に排気孔を作った。排気孔

機器には、GoproHero3Brack(6台)とを大きくすると安定性は増すが抗力Qbic(4台)を活用し係数が下がり、さらに開傘しにくくな、２種の方法で360度パノラマ動画のるため、大きさは直径 10[cm]に留めて撮影が可能な機体構造を考案した。バ

設計を行った。ここでは、以下の式に2従ってパラシュートの大きさを求め

表 3．パラシュートの降下速度に対すた。

る大きさ
F=1/2ρv２CDSo(１)

F=mg(２)落 下 速 度

半径 r[m]

面積 [m2 ]v[m/s]

表 2.文字の定義

31.4276.397

41.070

3.598

文字 単位

定義

50.856

2.303

F[N]

開傘荷重

60.713

1.599

S02]

パラシュート開口面

70.6121.175

積80.5350.900[mv[m/s]

降下速度90.4760.711

V[m/s]

パラシュート開傘時

100.4280.576

速度mCD0ρ

[kg]

吊下荷重

機体の地面への着陸時の衝撃によ[m/s ] 抗力係数って内部機器が破損しないように安23[m/s ] 流体密度

全性を考慮し、降下速度を 7[m/s]にし2g[m/s ] 重力加速度た。よってパラシュートの半径をr[m]0.63[m]として設計を行った。また、v[m/s]

パラシュート半径

生地はパラシュート用に用いられて吊下質量は 3.60[kg]、抗力係数は 0.95、 いるリップストップナイロン、紐は破(抗力係数は「ハイブリットロケット断強度の高い釣り用のテククノーラの回収方法に関する研究」の表 1.2.1を用いた。この破断強度を 45[kg]とす

代表的なパラシュートの特性)、円周る。これを、開傘時の破断強度で割っ率を 3.14 として考える。上の２式かた値を紐の必要本数とし、これを以下らパラシュートの面積を示す式はの表に示す。開傘速度 140[m/s]を想定

2S０＝２mg/v ρCD (３)して、紐の本数のバランスを考慮しとなる。ここで降下速度が 3～10[m/s]12[本]と決定した。

においてのパラシュートの大きさを以下に示す。

3

表４．半径 0.35[m]のパラシュートの開傘時速度に対する負荷、紐の本数

図 4.パラシュート
パラシュートの制作に伴い、テープでの固定を考えたが、パラシュート傘体のリップストップナイロンがテープと接着できなかったため縫製した。
4.3 バルーン切り離し、パラシュート開傘バルーン部と機体モジュールにそれぞれパラシュートを取り付け、バルーンが上空で破裂した後は、別々に切り離され、落下する。

図 5.ミッションシーケンス
この切り離し機構について、前回のNAFT のスペースバルーンプロジェク
ト(2013 年 NAFT 前期プロジェクト4Medousa)と同様ニクロム線の使用を考えたが、低温実験を行った結果(実験資料記載のため割愛)、保温状態でのビニール紐切断に失敗した。このため、今回は安全性を重視し新たな機構を用いることにした（図５）。パラシ
ュートを納めた機体本体の中心部に、サーボモータに引っ掛ける。このとき、バルーンから吊下した機体の荷重が集中しないように紐に加わる力を分散させた。サーボモータが回転することで輪が外れ、バルーンを切り離すと同時にパラシュート開傘する仕組みになっている。(図 6)
図 7.バルーン切り離し・パラシュート開傘機構
バルーン到達予想高度の 25[km]付
近は、気温が—20[度]を下回る程極めて低く、機体内部や各カメラの保温を
図 6.切り離し機構略図行う必要がある。
事前にドライアイスを用いた低温実験(実験資料記載のため割愛)を行い、下記の保温方法によって低温下で、Gopro カメラ(Hero3+silver)の連続撮影時間が 1 時間 58 分を確認した。
これをもとに今回の打ち上げ実験では、保温機構として機体内部に取り付けた観測機器用のバッテリーにカイロを貼り付ける。また、球状の発泡ス
チロールの機体の外部を遮熱用アル5

ミガラスクロステープ(使用可能温ら1時間27分経過し高度30.4[km]に到度:-50[℃]〜250[℃])で覆うことに達したとき、バルーンの膨張が限界にした。また、外部に取り付けた各カメ達し破裂、同時にバルーンと機体が切ラには、背部に暖めたカイロを貼りつり離されパラシュートが開傘されたけ、同様に遮熱用テープで覆った。

(図8.機体内部に取り付けた
GoproHero3+silverで確認)。落下中に、

4.5 落下位置特定方法

パラシュート傘体と紐との縫い目の本打ち上げ実験では、落下位置情報部分が機体の荷重に耐え切れず、破れ取得のため、２種類の手段を用いる。

落下した。落下試験では、パラシュー

一つは、飛行中リアルタイムに位置情トの耐久試験を行う環境がなかった

報を取得できる無線機(MicroTrack)ため、パラシュートが解散荷重に耐えと、落下後に Web ページから位置情報ることしか調べることができず、十分を 閲 覧 す る こ と が で き るな実験を行うことができなかったこ

Pocketfinder を搭載した。とを深く反省したい。(図9)

飛行経路予測としては、ミシガン大学が使用しているシミュレーションソ
フトに加えを用いた。
5 打ち上げ実験
5.1 機体の打ち上げと落下後の回収
バルーンの放球は 2014 年 4 月 11 日、午前 11:15 に行われた。飛行中は、機図8.開傘時のパラシュート体に搭載した無線機(M-track)を、バルーンにミシガン大学が制作した無線機を取り付け、位置情報をインターネット上で確認することでリアルタイムの追跡を行った。また、無線機が正常に動作しない場合に備え、機体に別の無線機(Pocketfinder)を搭載し同時に追跡を行った。
放球後、機体は西方からの風に乗り南東方向へと移動を続け、放球開始か

図9.回収時のパラシュート接合部
6

機体は2014年4月11日、午後14:40にミシガン州のGillette Lake近くの牧場で発見された。このとき、機体に取り付けた無線機(M-track)は正常に動作せず(原因は不明)位置情報の電波受信を行うことができず、無線機(Pocetfinder)で落下位置を特定し、無事機体を発見することができた。地面に落下した時の衝撃荷重でカメラを固定した棒が折れ、Gopro[4台]とQbic[2台]が飛散していることを確認

図 11.飛行経路(バルーン)した。(図10)

図 12.飛行経路(機体モジュール)・ 赤マーク:放球ポイント
図10.発見時の機体

・ 青マーク:最高到達高度
・ 黄マーク:落下ポイント

その後、落下地点の近くでカメラの捜索を行ったが、飛散したGoproカメラ

5.2 撮影した動画の内２台を発見することができず、回各カメラには、眼鏡用いる曇り止め収に失敗した。なお、破裂時に切り離を塗り、レンズの凍結防止を行った。

したバルーンの回収は当日中にでき

GoproHero3Brack で 撮 影 し た 動 画 はなかったが、4月15日にミシガン大学

Qbic に比べ、画面全体が白くぼやけての学生が回収に成功している。バルー

いた。これは、レンズとケースの間ンの飛行経路を図11.12に示す。
7

に空気が密閉されたまま、上空の冷(Hero3+silver)では 1 時間 58 秒の動えた空気の中へ上がっていく過程画撮影に成功し、パラシュートが開傘で、内側に結露が生じたことが原因する瞬間を撮影することができた。対としてあげられる。曇り止めを塗るして、外部に取り付けた Gopro カメラ

ことで軽減できるものの、完全に防(Hero3Brack)は、40 分弱で映像が途絶止できるわけでないことがわかった。 えてしまった。また、どのカメラを比また、Qbic では鮮明な宇宙の風景がべても、ほぼ同じ割合でバッテリー効撮影できたが、画面上に太陽が写ると、 率が減少していることから機体内外その周囲に丸い斑点のような模様がの保温機構には問題はなかったと考できてしまった。撮影時間について、えられる。

機体内部に取り付けた Gopro カメラ

8表 5.各カメラ撮影時間
項目

撮影時間[h.m.s]

撮影時間(地上)[h.m.s]

場所

GoPro(1)0.31.28

1.20.00

外Gopro(2)0.37.45

1.20.00

外Gopro(3)0.38.57

1.20.00

外Gopro(4)再生不可

1.20.00

外Gopro(hero3+silver)

1.00.58

3.00.00

内

Qbic(1)0.30.09

1.45.00

外Qbic(2)0.29.40

1.45.00

外Qbic(3)0.30.26

1.45.00

外Qbic(4)0.29.071.45.00

外9

図 15.打ち上げ開始から２０分後(Qbic)

図 13. 打ち上げ開始から２０分後(GoproHero3Brack)

図 16.打ち上げ開始から２０分後()
5.3 Arduino による気象観測とそのデータ
科学的観測の手法として、映像の撮影以外にも、GPS やジャイロ、温度センセ等の観測センサーを取り付け、Arduino を活用しデータの取得を行った。次回の打ち上げでは、バルーンの図 14. 同時刻、太陽が写ったとき切り離しを加速度センサーと連動し(GoproHero3Brack)て動作するような仕組みの開発も念・Qbic カメラ頭に入れている。
・気圧センサー
気圧センサで取得したデータから機体の飛行中の高度・速度を算出した。
算出した最高到達高度は 28.4[km]であるが、これは無線機(M-track)の到達高度 30.6[km]と比較すると若干の誤差が見られた。

10

図 17.気圧データ

図 20.気温観測データ
到達高度である 30[km]地点の高度は、取得したデータでは、非常に緩やかな温度変化を示し機体内部の最低温度は-14.0[℃]であった。これは、機体内部外部・内部に施した保温機構の働きによるものと考えられる。
6000[s]後、温度は急激に低下してい

図 18.気圧データからの算出高度

るのは、パラシュート開傘後に機体内部に空気が流れ込み急速に冷却された可能性が高い。今回の打ち上げでは、機体外部にも温度センサーを取り付け外部の温度との差を比較する予定だったが、温度センサー不良により、内部の温度のみ観測を行った。次回の図 19.速度データ

打ち上げでは機体外部にも取り付け・温度センサーて外気との差を計測・比較することで、放球から直前から、落下までの温度保温機構の性能向上につなげていき変化を以下の図に示す。

たい。
また、機体外部の気温について、厳密な算出は難しいため、高高度における気温は各大気層によって分類を行った。ここで、以下の式を使って到達高度での温度を算出した

11

した GPS センサーから、飛行経路の記T(Z)= T0+a(Z- Z0)(4)

録を試みたが失敗に終わった。これは、

表 6.大気層の分類と温度傾斜

機体モジュール外部に取り付けられ温度傾斜た無線機(M-track のアンテナ部分の[℃]み)では GPS データの記録に成功した-6.5

ことや、放球前と回収後のミシガン大

対流圏界面 11~200

付近では取得できていたことを考慮

対流圏下部 20~32+1.0

すると、機体モジュール表面に貼り付対流圏上部 32~47+2.8

けられたアルミガラスクロステープ

大気層
対流圏

高度[km]
0~11

により、衛星から発信された電波が遮表 7.記号の定義断され受信に失敗したと考えられる。

文字

単位

文字の定義

逆に、このテープを用いることで機体

T0

[℃]

地表での温度モジュールの存在を航空機のレーダ

Z0[km]

初期高度ー上に表示させる機構として有効でZ[km]高度あることが示された。今後のスペースa[℃/km]

温度傾斜バルーンで、レーダー反射機としての役割を期待できる。

ここで、初期温度は実験地における高度と温度を用いた。その結果を図に示・加速度センサーとジャイロセンサーす。

データ取得のみを目的として、加速度・ジャイロセンサーによるデータの取得も行った。次回の打ち上げで機体制御装置を制作するためである。ジャイロセンサーのデータは原因不明な挙動が多かったが、加速度はバルーン破裂直後、急激な変化が見られた。撮影した映像から、飛行中常に機体に不図 21.機体外部の気温規則な揺れや回転が生じていたことと考えられる。これは、今後のバルー・GPS センサーン切り離しやパラシュート開放の機無線機での飛行経路のデータを取得構プログラムとして用いることが期することに成功した。Arduino に接続待できるだろう。

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一般公開する予定である。2015 年夏の次期スペースバルーンプロジェクト
では、NEST、フィリット、クロスデバ
イスをはじめとする企業協賛を募り、360 度パノラマ動画の撮影を行う。今後撮影していく映像を、名大祭や科学館のワークショップの場面で,更なる図 22.X 軸方向ジャイロデータ

宇宙を体感する場としてリアティーを持つ宇宙教育を展開し、子どもたちの宇宙への興味・関心がより深まっていく事を期待したい。
7.参考文献[1]2013 年度 NAFT 代表、冨田悠貴

図 23.Y 軸方向ジャイロデータ(2013) 「スペースバルーンの運動シミュレーション及び実機製作に関する研究開発」[2]北海道工業大学工学部、山下慎太郎(2001) 「ハイブリットロケットの回収方法に関する研究」

図 24.Z 軸方向ジャイロデータ
6.おわりにはじめに、今回のスペースバルーン打ち上げで資金・撮影機材を提供していただいた NEST、フィリット、クロスデバイスの３社の皆様に、心からお礼を申し上げます。撮影した動画データは各３社に提供し、フィリットにパノラマ動画の編集・制作を依頼していく。
編集したパノラマ動画はウェブ上で13