大気球～宇宙への入口

宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所
大気球実験室 吉田 哲也

宇宙科学で用いる飛翔体
•

•

•

•

平成２６年１１月２８日

人工衛星– ＞ ２００ｋｍ– 電離圏~磁気圏観測ロケット– １００～１，０００ｋｍ– 中間圏上部~電離圏
大気球– ２０～５３ｋｍ （ ５３．７ｋｍ）– 成層圏～中間圏下部
航空機– ０～１２ｋｍ– 対流圏～成層圏下部

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2

気球システム構成•

気球– 材料： 主にポリエチレンフィルム（膜厚 ２．８ µｍ～２０ µｍ）– 体積： 大きなものは直径１００ｍ超– ガス： 主にヘリウムガス– 頭部に排気弁，尾部に排気口•

荷姿– 姿勢制御モーター– パラシュート
– ロープ (ナイロン，ケブラー)

•

搭載機器
– 観測器
– 無線装置，保安装置– バラスト平成２６年１１月２８日

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気球3

大気球の特徴（他の飛翔体との比較）
大気球

ロケット

衛星

飛翔時間

時間～月

秒～分

年

飛翔高度

３５～４０ｋｍ

１００～１０００ｋｍ

数１００ｋｍ～数万ｋｍ

形状

自由フェアリングフェアリング

重量

最大２トン

５０～１５０ｋｇ

数トン

振動・衝撃

放球２Ｇ，開傘１０Ｇ

環境温度

零下６０～８０度

残留大気圧

１/１００気圧提案から実現まで

１年

２～３年

数～１０年

回収

可能

可能な場合あり

不可能

経費

数千万円

数億円

数百億円

Ｑ＆ＳＡ

緩

やや厳

厳

搭載機器の制限平成２６年１１月２８日

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4世界の科学気球

60
50

•
•
•

日本（ＩＳＡＳ/ＪＡＸＡ），米国（ＮＡＳＡ/ＣＳＢＦ），
40
フランス（ＣＮＥＳ），インド（ＴＩＦＲ），
スウェーデン（ＳＳＣ），ブラジル（ＩＮＰＥ）
30
米国は大型気球に欧州は小型気球に特色。
20
1
10
100
1000
薄膜型の高高度気球は日本が先鞭
体積 (千立方メートル)Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｎ Ｓｐａｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ （ＣＯＳＰＡＲ）– Ｐａｎｅｌ ｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ Ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｂａｌｌｏｏｎｉｎｇ （ＰＳＢ）

平成２６年１１月２８日

高度 (km)•京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー

10000

5

宇宙の始まり“インフレーション”の証拠

平成２６年１１月２８日

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6

ＢＯＯＭＥＲａｎＧ気球実験•

宇宙マイクロ波背景輻射の非一様性の精密測定を目的としたアメリカの気球実験– １９９８年，２００３年に南極マクマード基地からの長時間気球実験• 人工衛星のような全天観測ではなく，ほんの一部の空の観測• 宇宙が「平坦」であることの証拠© Boomerang Collaboration•

小粒でもピリリと辛い気球実験！

平成２６年１１月２８日

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7

ＢＬＡＳＴ実験•

気球搭載型大型サブミリ波望遠鏡実験 （スウェーデン→カナダ，南極）

平成２６年１１月２８日

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8日本の大気球実験•

宇宙工学実験 《技術実証，“実験室”》
ｅｘ． 自由落下微小重力実験
大型膜構造体の展開試験
燃料電池やメモリ等の環境試験
再突入カプセルの開傘試験

大型薄膜展開試験• ソーラーセイル基礎実証•観測ロケット実験も実施•ＩＫＡＲＯＳ実験•

高層大気の観測 《地球物理学》
ｅｘ． オゾン層や温暖化ガスの継続観測
大気の構造と循環システムの研究
極限微生物の探査

20年に亘る CO2 濃度の経年変化 測定結果
• 大気の「その場」観測• 回収して装置再利用•

宇宙の観測 《天文学，宇宙物理学》
ｅｘ． Ｘ線・ガンマ線・赤外線による天体観測
太陽や惑星の観測
宇宙粒子線の観測
新しい測定器技術の検証

平成２６年１１月２８日

超伝導磁石を用いた宇宙線観測

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ＩＳＳのＡＳＴＲＯＭＡＧ計画（１９８８年に中止） が発端⇒気球で１０回の飛翔（宇宙での計画が気球で開花した例）
9日本の大気球実験
•
•
•
•
•

昭和２９年 日本で初めて大型ポリエチレン気球を放球
昭和４０年 東京大学宇宙航空研究所に気球部門発足
昭和４６年 茨城県大洋村，福島県原町を経て，岩手県大船渡市三陸町で実験を開始
平成１９年 三陸大気球観測所を閉所
４１３機の大気球を打上げ

平成２６年１１月２８日

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー10日本の大気球実験•••

平成９年度に科学技術庁航空宇宙技術研究所（当時）と大樹町の間で
大樹町多目的航空公園の利用に関する協定が締結
平成２０年度から，大気球実験を大樹町で開始
平成２０年５月２６日に，大樹町とＪＡＸＡ 間で連携協力協定を新たに締結– 連携協力拠点大樹航空宇宙実験場 （ＴＡＲＦ）– 年間最大５機程度の気球を放球

１０００ｍ滑走路(町有)
気象観測設備スライダー
放球装置

ハンドリングエリア
飛行管制棟
飛行実験棟

大気球指令管制棟
ＪＡＸＡ格納庫

平成２６年１１月２８日

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11

気球飛翔経路のイメージ

なぎの時間に放球

浮遊高度(３０～５０ｋｍ)のゆっくりとした戻り風により長時間の気球実験を実現 （５月と８月）

強い東向きのジェット気流（８～１３ｋｍ）により十勝沖に降下・回収 短時間に１００～３００ｋｍ程度太平洋沖合に送り出す

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1212

大樹航空宇宙実験場での大気球放球

平成２６年１１月２８日

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13スライダー放球装置•

ヘリウムガス注入中の突風による気球へのダメージ回避

平成２６年１１月２８日

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14

搭載機器・気球回収の様子

平成２６年１１月２８日

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15大気球実験
さまざまな宇宙科学実験への飛翔機会の提供

新しい宇宙科学をドライブする次世代気球開発

大学共同利用システムによる宇宙科学研究のための飛翔機会提供• 天文，宇宙線・宇宙物理・地球惑星• 工学実証• 微小重力実験

小型モデル飛翔試験

小型モデル地上試験

B500(500,000m3)

大気球実験

大型観測機器による高感度実験を実現する大型気球

BU60飛翔試験(世界最高高度達成)
BVT5飛翔試験• ユーザインターフェース新システム開発• 長時間遠距離追尾受信装置の更新

平成２６年１１月２８日

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BVT80飛翔試験(世界最高高度達成)

16さまざまな宇宙科学実験への飛翔機会の提供
さまざまな宇宙科学実験への飛翔機会の提供

新しい宇宙科学をドライブする次世代気球開発

大学共同利用システムによる宇宙科学研究のための飛翔機会提供• 天文，宇宙線・宇宙物理・地球惑星• 工学実証• 微小重力実験

小型モデル飛翔試験

小型モデル地上試験

B500(500,000m3)

大気球実験

大型観測機器による高感度実験を実現する大型気球

BU60飛翔試験(世界最高高度達成)
BVT5飛翔試験• ユーザインターフェース新システム開発• 長時間遠距離追尾受信装置の更新

平成２６年１１月２８日

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BVT800飛翔試験(世界最高高度達成)

17

ＴＡＲＦでの大気球放球実績
気球号機

放球日時

実験名称

Ｂ０８-０１

２００８.０８.２３

大気球実験システム実証試験①

Ｂ０８-０２

２００８.０９.０５

大気球実験システム実証試験②

Ｂ０９-０１

２００９.０５.２７

無重力実験システムの動作試験（４号機）

工学実証

Ｂ０９-０３

２００９.０６.０６

気球搭載望遠鏡による金星大気観測

地球惑星科学Ｂ０９-０２

２００９.０６.１８

硬Ⅹ線領域でのカニ星雲の偏光観測

天文学

Ｂ０９-０４

２００９.０８.２５

小型柔構造インフレータブル飛翔体の展開および飛行試験

工学実証

Ｂ０９-０８２００９.０８.２７

ｂＣＡＬＥＴ–２による高エネルギー電子・ガンマ線観測

宇宙線・宇宙物理Ｂ０９-０７

２００９.０９.１１

圧力気球飛翔性能試験

次世代気球開発

Ｂ１０-０２２０１０.０８.２２

成層圏大気のクライオサンプリング

地球惑星科学Ｂ１０-０３２０１０.０８.２７

俵型気球の飛翔試験

次世代気球開発

Ｂ１０-０１２０１０.０９.０１

気球を利用した超音速飛翔体の飛行実験（その１）

工学実証

ＢＳ１０-０６

２０１０.０９.０８

高高度薄膜気球飛翔性能試験 / 成層圏オゾン・大気重力波の観測

飛翔性能試験 / 地球惑星科学

ＢＳ１１-０２

２０１１.０６.０１

超小型タンデム気球システムの飛翔性能試験

工学実証

Ｂ１１-０２２０１１.０６.０８

エマルションハイブリッド望遠鏡による宇宙ガンマ線観測

天文学

Ｂ１１-０４２０１１.０８.３０

小型実験用再突入システム大気球落下実験

工学実証

ＢＳ１１-０６

２０１１.０９.１４

超薄膜高高度気球飛翔性能試験

次世代気球開発

Ｂ１２-０１２０１２.０６.０３

宇宙線反粒子検出器ＧＡＰＳのプロトタイプ性能評価

宇宙線・宇宙物理Ｂ１２-０２２０１２.０６.０９

小型タンデム気球システムの飛翔性能評価

工学実証

ＢＳ１３-０２/０３

２０１３.０５.１５

成層圏オゾン・大気重力波の観測

地球惑星科学ＢＳ１３-０４

２０１３.０５.２５

皮膜に網をかぶせたスーパープレッシャー気球の飛翔性能評価

工学実証

ＢＳ１３-０８

２０１３.０９.２０

超薄膜高高度気球飛翔性能試験

次世代気球開Ｂ１４-０１２０１４.０８.２２

大気球を利用した微小重力実験(燃焼実験)

微小重力科学

平成２６年１１月２８日

分野

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー18

微小重力実験システムの開発
•

•
•
•

落下塔，ロケット実験，国際宇宙ステーションのギャップをつなぐ新しい微小重力環境の実現– 中程度の継続時間(～４０秒)– 良質の微小重力状態(１万分の１)– 大学の研究費で賄えるコスト(～千万円)
大気球を用いた自由落下型微小重力実験システムの開発
平成１８年，１９年(三陸大気球観測所)，２１年(大樹航空宇宙実験場)に実証試験を実施
文部科学省科学研究費補助金（学術創成研究）でのシステム開発
実験機

高度40km
微小重力実験開始
telemetry

放球commandtelemetry(command)

流体実験

燃焼実験

高度30km
微小重力実験終了

telemetry(command)Commanding to the capsuleis optional.

平成２６年１１月２８日

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海上回収

19

超音速飛翔体の飛行実験•

気球からの自由落下により，超音速状態での予冷ターボジェットエンジンの性能試験を実施• 将来のスペースプレーン構想

All moving tailMain wing

Lift-up (alt.~ 40 km) & drop

Acceleration (M~2)
Pullout
maneuver

Parachute activation(alt.>5 km, M<1)

平成２６年１１月２８日

Recovery system

LH2 or LN2 tank
GH2 tank

Cold gas-jet thruster

Engine start (P0 >10 kPa)
Combustion test (>30 s)
Engine stop (10s prior toparachute activation)

Vertical tailS-engine
Electronic devices

Splashdown
Recovery byhelicopter Length:4.6 m Total weight:650 kg Diameter:ø0.55 m
 Main wing span :2.0m
 Test engine weight :150 kg
京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー

Hypersonic Turbojet Engine(named: S-engine)20

超音速飛翔体の飛行実験••

気球サイズ: ３００，０００ ｍ３
総浮力: １，８４６ ｋｇ

ターボジェットエンジン

平成２６年１１月２８日

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21小型柔構造インフレータブル飛翔体

大気突入前に大面積のエアロシェ
ルを展開し，空力加熱を避ける

軌道上で回収物資にエアロシェルを装着

軌道上で展開を完了し，着陸形態になる．

２００４年 大気球実験
平成２６年１１月２８日

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２００９年 大気球実験
22

小型柔構造インフレータブル飛翔体

1Hz

２０１２年 観測ロケット実験

平成２６年１１月２８日

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23将来の惑星探査技術•

小型実験用再突入システム落下実験– μ–ＬＲＳ： Ｍｉｃｒｏ-Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｒｅｅｎｔｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ– 超小型衛星による，軌道上微小重力実験(試料回収)– 亜音速，遷音速領域でのアポロ型カプセルの空力安定性• 高度３７ｋｍからカプセルを投下 (マッハ ０．８～１．０９： ４６秒間)•

火星探査用飛行機の高高度飛行試験– 高度３５ｋｍ付近の地球大気 ≒ 火星大気

平成２６年１１月２８日

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー24

Ｂ１２-０２ピギーバッグ•••

ＮＨＫ特集番組 「宇宙の渚」
福岡工大 山澤 教授 ／ ＮＥＣ 森岡 氏
– 全方位ビデオ撮影
成層圏気球からのパノラマＨＤビデオ– １０台のカメラ（Ｇｏ Ｐｒｏ）をペイロードの角々に搭載

平成２６年１１月２８日

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25

パノラマＨＤビデオ

平成２６年１１月２８日

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26テレメトリ・コマンドシステムの更新•••

３実験を同時サポート
ＲＳ－２３２Ｃ ５６ ｋｂｐｓ ｄｏｗｎｌｉｎｋ / ３００ ｂｐｓ ｕｐｌｉｎｋ
搭載実験機器とは電気的に絶縁

平成２６年１１月２８日

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27

効率的な回収作業の実現••

全回収船舶にＧＰＳ／Ｉｒｉｄｉｕｍ位置通報装置を装備– ５分毎に，位置，進行方位，速度をイリジウム ショートバーストデータで報告– 回収目標(気球皮膜，搭載機器)の予測着水位置および時間をイリジウム携帯メールで通知– 不安定で不明瞭な音声通話による混乱を回避– 着水後，ほぼ１時間以内に海上回収を完了
気球ペイロードに搭載できるＧＰＳ／Ｉｒｉｄｉｕｍ位置通報装置の開発– 回収困難な気象条件（海霧，荒天など）– 海上航行安全確保のための橙色閃光灯も装備

平成２６年１１月２８日

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー28

効率的な回収作業の実現•

ＧＰＳとイリジウム衛星電話（メール）を利用した情報伝達

気球皮膜
搭載機器部

N
放球 04:55

平成２６年１１月２８日

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29

次世代気球開発～より重いものをより高く，長時間
さまざまな宇宙科学実験への飛翔機会の提供

新しい宇宙科学をドライブする次世代気球開発

大学共同利用システムによる宇宙科学研究のための飛翔機会提供• 天文，宇宙線・宇宙物理・地球惑星• 工学実証• 微小重力実験

小型モデル飛翔試験

小型モデル地上試験

B500(500,000m3)

大気球実験

大型観測機器による高感度実験を実現する大型気球

BU60飛翔試験(世界最高高度達成)
BVT5飛翔試験• ユーザインターフェース新システム開発• 長時間遠距離追尾受信装置の更新

平成２６年１１月２８日

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BVT800飛翔試験(世界最高高度達成)

30

より重いペイロードを！
•

ゼロプレッシャー気球– 通常使われている成層圏気球はゼロプレッシャー気球– ダクトを通して気球の内外が繋がっている– 気球内外で圧力差がない• 自然型気球• 体積・全長一定• 浮力最大• 周方向はたるんでいる• 子午線方向にのみ応力

1/20
1/40
1/50
1/100
1/120

1/160
1/170
NSBF Webより•到達高度– P (hPa) = 850 W (kg) / V (m3) (高度３５ｋｍ以上)• W:
気球システムの全重量• V:
気球満膨張時体積•••

重いペイロード（数百ｋｇ～２㌧強）を高高度（３５ｋｍ～４０ｋｍ）に上げるには大きな気球が必要
大きな気球（満膨張時直径１００～１５０ｍ，２０ µｍ厚フィルム）を作ると，気球重量が重くなる
気球本体は軽く，体積は大きく （地上での最大応力を緩和するためのキャップ）

平成２６年１１月２８日

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1/176

31

日本における大型気球の開発経過
km

観測器重量～５００ｋｇ
B500

50

B500

B200
B100

40

２００３/９

B50
B30

30

超大型気球の製作が可能

B15
B5

20

1966
•

大型気球の国産化

1968

1970

1972

1980

1990

2000

数年前までは，実験毎にオーダーメイド– 安全・信頼性保証が重視されるように• 気球の標準化

平成２６年１１月２８日

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32

藤倉航装製標準気球

平成２６年１１月２８日

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33

Raven製大型気球

平成２６年１１月２８日

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー34

より高く！
•

下部中間圏の大気観測– 気象庁気象ロケット観測所（三陸町綾里）からのＭＴ‐１３５Ｐによる観測• １９７０年７月１５日から２００１年３月２１日まで，１，１１９機– 中間圏までの大気観測重量３ｋｇのペイロードを高度５５ｋｍで飛翔させる– 下部中間圏でのその場観測の実現(オゾン層観測，夜光雲現象の解明)•

厚いフィルムで気球を大型化していけば，気球重量が増加– 軽量の観測機器に対してバランスが悪い– フィルムを極限まで薄くして，気球本体を軽量化• 十分な強度を有し，低温特性に優れ，均一な薄膜ポリエチレンフィルム– ６µｍから開発開始（１９９０年代前半），２．８μｍ厚の開発まで完了• 薄膜ポリエチレンフィルムを用いた気球製作• フィルムを傷つけない放球法

平成２６年１１月２８日

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー35薄膜ポリエチレンフィルム•••

大きな気球を作れば，気球重量が重くなる
軽量のペイロードを打ち上げる場合には効率的でない
気球フィルムを薄くして，気球重量を軽減する– 均一な強度を持つ薄膜フィルムをどのようにつくるか•

薄膜ポリエチレンフィルム製作法– エチレンの重合• 高密度ポリエチレン– 規則正しい構造をしていて引っ張りに強く，不透明– 常圧で製造するため，触媒が必要– 分子量分布が揃っている触媒のほうが，薄膜フィルムを作り易い• メタロセン触媒の実用化 （１９９６年）• ５．６, ３．４, ３．０, ２．８ µｍフィルムが製作できる
チーグラー触媒ＰＥ
A

メタロセン触媒ＰＥ

低分子量高コモノマ成分

B
B

B
C

平成２６年１１月２８日

高分子量低コモノマ成分

B

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36薄膜高高度気球開発••

２００２年５月： ３．４μｍ厚ポリエチレンフィルムを用いた満膨張堆積６０，０００ ｍ３の気球– 高度５３．０ ｋｍに到達し，無人気球到達高度世界記録を更新• 米国１，５００，０００ ｍ３の気球による高度５１．８ ｋｍ （１９７２）
その後，２．８ µｍ厚ポリエチレンフィルムを用いた気球の開発を継続– 上昇途中での気球破壊– フィルムの機械的特性の検討– 気球頭部の損傷防止• 頭部フィルムの二重化• 放球方法の改善

平成２６年１１月２８日

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー37薄膜高高度気球開発の歴史
(km)
60
BT120
120,000m3

58
56
54
52
50
48
46

BU60
60,000m3

BVT8080,000m3
高度53.7 km

BT30
30,000m3
BT15
15,000m34442
40

5.6 µmBT55,000m3

1991 1993
平成２６年１１月２８日

2.8 µm
BU30
30,000m3
3.4 µm
3.0 µm

BT5 w/vent
5,000m3

BVT55,000m3
BV55,000m3

BU55,000m3
BU1
1,000m3

1995 1997 1999 2001 2003 2005
京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー

2013
38

超薄膜高高度気球飛翔性能試験

平成２６年１１月２８日

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー39超薄膜高高度気球飛翔性能試験••••

２０１３年９月２０日
午前５時２２分放球
２時間４２分後に高度５３．７㎞
１５分間水平浮遊
指令電波で破壊・終了

平成２６年１１月２８日

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー40超薄膜高高度気球飛翔性能試験

排気口

気球頭部の二重化

カラー
引裂き機構

薄膜気球用
スプーラー

平成２６年１１月２８日

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41薄膜高高度気球による科学観測•

大気重力波および成層圏オゾンの観測– ２００５年９月２８日打上げ– ＢＵ６０–２ （３．４ µｍフィルム）– 科学観測器:３．４ ｋｇ– 高度５１．８ ｋｍで気球破壊を指令

平成２６年１１月２８日

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42

高高度気球開発の今後の方向性•••

より高高度への挑戦?
– より薄膜のポリエチレンフィルム: ２．５ µｍ– より満膨張体積が大きな気球: ３００，０００ ｍ３ で 高度６０ ｋｍ
中間圏底部での大気観測等の促進– 高度５０ ｋｍにおける長時間その場観測– ペイロード重量１０ ｋｇ程度を目標
技術的課題– 重気球として運用可能な基本搭載機器の開発• 冗長な飛翔終了手段の確保• 航空保安ＡＴＣトランスポンダの装備– 気球強度の強化• 軽量ロードテープ

Kevlar warp

PE warpPE woof

NASLON (stainless steel fiber)

平成２６年１１月２８日

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43

より長時間！
•高統計，高感度観測のためには，長時間飛翔が不可欠– ゼロプレッシャー気球の飛翔時間の限界• 日没補償の必要•

日没補償– 日中は太陽からの熱で気球ガスが温められている– 日没後は太陽の照射がなくなる• ガス温度が低下する• 体積が減少して浮力を失い，降下する• 大気圧の増加で体積が減少する• 降下を続ける → Ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ– 日没後直ちに総重量の７～１０％のバラストを投下してペイロード重量を減少させ，高度を維持する– 日の出とともにガス温度は上昇し，ガスを排気する– 長時間飛翔しようとするとほとんどバラストを飛ばすことになる

平成２６年１１月２８日

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44バラストによる日没補償からの脱却•

日没と日の出が繰り返さない– 極地域の白夜環境での飛翔– 南極周回気球• 緯度によっては太陽高度の変動で気球が降下する

20

102

10

10

0
13

Residual pressure
14

15

16

19

20

21

22

1

Dec2

Dec

17

Dec16

1

De

c1
5

De

17
18
Date

De
c2
0

c1
8

103

De

Altitude (km)30

Residual Pressure (hPa)

Altitude

Dec19

40

c1
4

•

ガスを排気しない– スーパープレッシャー気球

平成２６年１１月２８日

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45

南極周回気球 （ＰＰＢ）•

日本・昭和基地 (回収なし)– ＰＰＢ–ＢＥＴＳ– Ｂ１００– ペイロード： ２００ｋｇ– バラスト： ２８０ｋｇ– １４日間

極地研Webより

平成２６年１１月２８日

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46

南極周回気球 (Antarctic LDB)•

米国・マクマード基地– BESS–Polar，ATICCREAM，Tiger，Tracer
ANITA– ペイロード: 1,950kg– バラスト: 150kg– 39 mcf, 2-caps– 最長42日間– 回収可能CREAMグループ Webより

平成２６年１１月２８日

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー47

北半球長時間飛翔気球••

スウェーデンからカナダへ– NASAが2004年から開始– 5～7日間– 日没あり– アクセスが南極に比べ容易
スウェーデンから地球一周– SSCが2013年に実現• PoGOLite– 2～3週間

NSBF Webより

平成２６年１１月２８日

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー48

スーパープレッシャー気球•••

昼夜で気球の体積変化がほとんどない (形状を維持)
夜間にガス温度が最も低下した場合でも底部で正の圧力差
昼間にガス温度が最も高くなった時の圧力差に耐えられる•

高度35 km (日本付近)– 昼夜のガス温度差は最大30℃程度– 昼夜の気球内外の圧力差は最大100 Pa程度
• 設計最大圧力差： 周囲の大気圧の20%– 圧力差としては極めて小さい• 実際，打ち上げ時の気球の上部には，
地上で100 Pa程度の圧力差が作用している

平成２６年１１月２８日

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スーパープレッシャー気球の形状•••

半径の大きな球形にしてしまうと非常に比強度の高いフィルムが必要– 比強度: 単位密度辺りの強度(長さの単位)
Lobed Pumpkin型気球– 気球の大きさと無関係に局所曲率半径を小さく– 「3次元ゴア形状によるカボチャ型圧力気球デザイン」
どのように一枚のゴアから膨らみのある立体形状を作り出すか– １枚のゴアから膨らみ（バルジ）のある立体形状を作る– 周方向局所曲率半径（バルジの半径）が制限値を超えない– ゴアの膨らみ（張り出し）に必要な余分のフィルムをゴアに付加
一回り大きいゴア– ゴアの縁を縮めて（しわ寄せ）
伸びないロードテープに固定する
ゴア の中心線– 立体形状はフィルムの伸びによらずにパンプキン気球のゴア（フィルムに負荷をかけずに）形成する
ロードロープ

立体的なゴア

膨らみの曲率半径

平成２６年１１月２８日

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー50

日本でのスーパープレッシャー気球開発••

1998年頃からナイロン・ウレタンフィルムでのR&D– フィルムが重く，製作工程が複雑
2001年からHEPTAX BH25を用いたR&D– 2004年6月PB15–1飛翔試験• 高度28.9 km
最大差圧36 Paで破壊– 大型圧力気球への第１歩を踏み出すことができた– しかし地上試験の1/20程度の圧力で破壊– 地上試験を繰り返す

平成２６年１１月２８日

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スーパープレッシャー気球地上耐圧試験••

60,000 m3の体積を持つスーパープレッシャー気球の1/3モデル
地上試験– 800 Paまで加圧• 必要耐圧の4倍– ガスを抜いて畳む•

2006年に飛翔試験– B15–87， B15–88• 725 Pa 破壊• 1,230 Pa 破壊•

モデル気球での開発を完了– 実証機の開発

平成２６年１１月２８日

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52スーパープレッシャー気球飛翔性能試験•••

2007年 300,000 m3圧力気球飛翔性能試験 (ブラジル)– 上昇中14.7 kmで気球破壊• 放球時にカラーまたはスプーラーでフィルムにダメージ
気球頭部をポリエチレンフィルムで保護– 2009年に地上試験を実施し，本体フィルムへのダメージ回避を確認
2009年 60,000 m3圧力気球飛翔性能試験 (大樹町)– 放球に成功し，高度33 kmまで上昇– しかし，完全展開せず– 数値計算でも形状不安定性が再現(東海大学 中條先生との共同研究)

S-cleft

平成２６年１１月２８日

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー53俵型スーパープレッシャー気球開発•

S-cleft問題を回避する一つのアプローチ– 無現長円柱にはS-cleftは発生し得ない– 数値計算でも俵型の特徴を確認– 5,000 m3俵型圧力気球の飛翔性能試験 (2010)• 加圧過程で気球尾部に破壊が発生• 気球頭部のほうが圧力差が大きいはず• 水平方向のロープがフィルムを手繰り上げた?

平成２６年１１月２８日

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54俵型スーパープレッシャー気球開発•

気球尾部に余長を増やして地上試験•

85,000 m3俵型圧力気球の飛翔性能試験を計画中– 2009年に実施した60,000 m3のカボチャ型圧力気球と同ゴア数，同ゴア幅– 日本で試験をしやすい圧力気球• 海上回収可能な「ポリエチレンフィルム製」

平成２６年１１月２８日

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー55米国でのスーパープレッシャー気球開発•••

NASA/Wallops Flight Facility (WFF)– Balloon Program Office (BPO)– Ultra Long Duration Balloon (ULDB) Project• オーストラリアで打ち上げで，最長100日間
2005年9月 0.17 Mm3のテスト– 1,360 kg, 30 km
その後– 0.34 Mm3• 30 → 33.5 km– 0.51 Mm3• 1,360 → 2,720 kg

平成２６年１１月２８日

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スーパープレッシャーによる科学観測•

COSPAR科学大会PSBでの国NASAのスーパープレッシャー気球に関する報告– NASA/WFF/BPOを中心としたSP気球開発• 搭載重量5,500ポンドで高度33.5 kmを飛翔する18.8 MCFのSP気球の運用を開始• 今年12月から来年2月の期間に，南極マクマード基地からCOSI実験をSP気球で実施– 飛翔経路を高層風に任せて気球が南極大陸上空から出て
低緯度方向にドリフトするのを許容して超長時間飛翔を目指す• 2015年にはニュージーランド南島から放球し，南半球での超長時間飛翔を計画

平成２６年１１月２８日

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57スーパープレッシャー気球による科学観測•– これまでNASAはSP気球による超長時間飛翔について，
オーストラリア，アフリカ，南米などでの回収を前提とした計画を提示– 今回の発表では，回収を必須としない飛翔計画• SP気球を人口密集地域の上空を飛翔させないという安全対策• 長時間観測のデータをオンボードの記録媒体に保存し，記録媒体を回収してデータを取得するスキームを前提にできない• TDRSSまたはイリジウムOpenPortといった衛星通信によってデータを取得– 大型で多チャンネル測定器による最先端観測において，十分なデータ帯域を確保できるか?
– 将来SP気球による実験を想定する場合にはオンボードでのインテリジェントなデータ処理が不可欠
圧倒的な高度(=残留大気)安定性– 宇宙の低系統誤差・高精度観測

平成２６年１１月２８日

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国外気球実験••– 日本国内では実施困難な気球実験のキーワード– 長時間• ブーメラン飛翔 / リレー気球による見通し圏外の飛翔運用• 長時間飛翔後の広い海域で回収体制を構築することが困難• 強い東向きのジェット気流を前提とするブーメラン飛翔を実現し難い• 現状日本国内での大気球実験では2～3時間の浮遊時間– 陸上回収• 最先端の科学成果の創出には大型で複雑な観測機器を繰り返し飛翔• 海上回収では多くの制約と余計な労力– 南天
NASAやSSCなどの海外宇宙機関の気球飛翔機会を利用
日印，日豪，日中，日伯などの国際協力の枠組みで国外気球実験を実施

平成２６年１１月２８日

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日伯共同気球実験•

ブラジルINPEとの協力– サンパウロ州カショエイラパウリスタから放球するブラジルでの気球実験• INPE気球グループによる現地での気球運用への強い協力• ウルグアイ国境まで飛翔，20時間以上の長時間飛翔を実現• 乾燥した平地での回収を期待• 物価が安く実施コストが比較的抑制• 天文観測において多くの興味深い観測対象がある南天をカバー– ブラジルの急速な経済発展に伴い，サンパウロ上空への飛翔制限など気球飛翔にさまざまな制約– 地上を含む気象状況が気球実験に適した状況ではなくなってきている• 平成20年度，22年度の日伯共同気球実験– 天候不順のために観測機器の調整が順調に進まない– 激しい雷雨で搭載機器や地上設備にさまざまな不具合が発生– 結果として気球飛翔を見送り

平成２６年１１月２８日

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー60

日伯共同気球実験••

2005年から6年計画
ブラジルINPEの気球部門との国際共同実験•

硬X線撮像望遠鏡 (SUMIT)
ペイロード重量 1,270 kg– 2006年11月19日放球– 鏡筒長 8 m
– B500により高度38 km

平成２６年１１月２８日

カショエラパウリ
スタサンパウロ

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リオデジャネイロ

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日伯共同気球実験•

遠赤外線干渉計 (FITE) ペイロード重量 1,500 kg– B300により高度34 km

名古屋大学芝井研 FITE Webより

平成２６年１１月２８日

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62オーストラリア気球実験•••

今後の国外気球実験実施場所候補をオーストラリアとして
平成23年度から実施可能性の検討および実施に向けた準備
ニューサウスウェールズ大学(UNSW)が管理する気球放球基地(BLS)@アリススプリングス空港
BLSの設備– UNSWが設置したハンガー– NASAが設置したハンガー– クレーン設備なども含めて作業環境は整備– ネットワーク環境は悪い

平成２６年１１月２８日

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気球飛翔運用••••

BLS @ アリススプリングスから気球を放球（未明または日没後）
東に1,200 km，西に1,500 km，南北にそれぞれ700 kmの広大な飛翔範囲– 飛翔高度によるが，5月前後，11月前後には20時間以上の長時間飛翔– 高層風が非常に弱くなるターナラウンドの時期では，3日以上の飛翔を実現
広大な飛翔範囲で通信を確保するためにダウンレンジ局の設置– ロングリーチ（1000 km東）
– ニューマン（1,300 km西）
見通し圏外となるエリアを飛翔する場合に備えて衛星通信による気球追尾，飛翔制御も装備– Iridium/GPSシステム• 気球測位，気球制御のみ• ユーザインターフェースなし

平成２６年１１月２８日

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FY27オーストラリア気球実験計画
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事前調査
– 平成25年，26年，現地視察– 放球点での気象連続観測を実施
国際調整– オーストラリアで気球実験を実施するために必要な実施取決め(MOU)– BLSに設置されているNASAの施設の利用するための書簡取決め(LOA)
今後オーストラリア実験を継続して実施するためのプリカーサ– エマルション望遠鏡による宇宙ガンマ線撮像観測GRAINE
オーストラリア5月期の高層風– GRAINE高度(37 km)では西風– ニューマン方向への飛翔を想定しない• ニューマンのダウンレンジ局は設置しない
GRAINEの観測対象(ガンマ線天体)– 現地時間午後2時から午後8時に観測– 未明に放球し，午後8時以降ロングリーチ周辺に降下– 夜間降下も許容

平成２６年１１月２８日

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65実験実施に向けた準備状況•

使用するすべての機材を日本から持ち込み– 放球装置： 開発完了
– ヘリウムガス供給装置： 開発完了，平成26年度国内実験で実証運用– 移動地上局3式： 完成
6月にネットワークで接続して豪州仕様のゴム気球の追尾受信試験•

実験実施体制– 現地気球運用• これまで大気球実験に携わってきたメンバーを中心に現地実験参加– 宇宙科学研究所から13～14名の実験班員を派遣– 気球，ガスの技術者を加え，国内実験と同等の陣容
未知な事項が多い回収作業– NASAの豪州実験，カナダ実験などで回収作業にも従事してきた経験者のサポート
来年4月の現地準備開始に向けて，準備進行中••

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赤道域成層圏大気直接採取による温室効果気体観測実験•••

クライオサンプリング法（大気を冷媒により固化して持ち帰る方法）による成層圏大気観測– 三陸大気球観測所 / 大樹航空宇宙実験場 / 昭和基地 / スウェーデン・キルナ
対流圏から成層圏への温室効果ガスの輸送プロセスの解明– 赤道付近での大気採取実験が不可欠
平成２４年に海洋研究開発機構が運航する学術研究船「白鳳丸」から東北大学の実験グルー
プが気球実験を実施– 宇宙科学研究所が気球開発，放球方法の開発，放球訓練を実施

平成２６年１１月２８日

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大気球実験を実施するには•••大学共同利用システムに基づく飛翔機会の提供– 宇宙科学研究所が公募，宇宙研内外ほぼ同数の委員会で審査，採択
大学等の研究者が実験計画を立案，企画，準備，実施– 大気球実験室が適切なサポート– 実験インフラ開発，飛翔体運用
オリジナリティ，成果は大学等の研究者に帰属，成果を大気球研究委員会で評価
宇宙科学研究所
所長
大気球研究委員会（宇宙研内外ほぼ同数の委員で構成）

大気球実験室
②公募
③申請

⑤サポート

⑥飛翔運用

④採択
⑧評価

大気球実験
①計画立案

⑤準備

宇宙科学コミュニティ（天文，宇宙物理・宇宙線，地球惑星科学，
宇宙工学，微小重力科学）
平成２６年１１月２８日

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68超小型の気球実験計画
以前，京都大学でセミナーでお話したころ– 日本でも大型の気球を飛翔させられるようになってきた。
– スーパープレッシャー気球もめどが立ちそう– 「大型の観測機器による長時間観測」という，バラ色の夢
しかし，• 日本周辺でのジェット気流が極めて不安定– グローバルな気候変動の影響か？
– 北海道大樹町での飛翔機会の確保が困難• 実験装置が大型化し，大型の気球による飛翔を要求する実験が増加••– 不安定なジェット気流という状況下で大型気球皮膜の回収が可能な飛翔経路を実現しなければならない– ますます飛翔機会が減少
気象条件が俄かに改善するとは思えない状況下で，大気球実験のあり方を再考する余地はないだろうか？
– B5: 吊下げ重量100 kgで高度27 km– B15:吊下げ重量100 kgで高度31 km– 小型気球の短時間飛翔であれば海上回収も用意• これまで見送らざるを得なかった飛翔機会が復活• 回収コストも大幅に削減し，飛翔機会も増やせる

平成２６年１１月２８日

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー69

高度 35～40km，短時間

大気球実験実施機会の減少＝ 回収可能な気象頻度の減少

高度 30～35km，3時間程度

小型気球
十勝沖に降下・回収

浮遊高度(30~50km)のゆっくりとした戻り風により長時間の気球実験を実現 (5月と8月)

強い東向きのジェット気流(8~13km)により短時間に100~300km程度太平洋沖合に送り出す

ジェット気流の不安定化(高度12km付近のジェット気流)

2010

2014

ジェット気球が蛇行し，南北方向への偏差が拡大
平成２６年１１月２８日

ジェット気球が東向きの時には風速が弱い

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー70

8月22日実施のB14-01実験

h=38.6km

8月22日午前3時

d=90km

大樹町だから実験機会が少ないのか?
•••

数少ないチャンスを捕まえることができた

ジェット気流の不安定さはローカルな問題ではない。
十勝東岸は回収可能な海域が小さい。
しかし，例えば三陸であっても広大な回収海域を実現できなければ実験機会は見いだせない。
三陸でのB14-01実験実施可能性
回収作業が遠方

陸上飛翔時間が長い

回収作業が遠方平成26年5～6月の三陸上空12km付近の風向風速

平成２６年１１月２８日

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71大規模な大気球実験に取り組む枠組み•

宇宙科学研究所小規模プロジェクト– カテゴリ３Ｃで「熱帯対流圏界層における力学・化学過程の解明」を実施• インドネシアにおいてクライオサンプリング気球実験– 海外飛翔機会を利用した大気球実験も想定

平成２６年１１月２８日

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大気球実験の将来•

小型飛翔体実験の存在意義– 機動性，柔軟性を活かした最先端科学観測や工学実証実験（知見の拡大，頂点の引き上げ）– 飛翔体による研究の入口として周辺分野の取込みや若手育成（分野の拡大，底辺の拡充）– 次世代飛翔システム開発による新しい宇宙実験機会の創出（機会の拡大，多様性の確保）•

宇宙科学･宇宙利用の高度化に伴う小型飛翔体需要の増加– 高度技術を人工衛星などに搭載する前の実証試験の必要性• まず低コストで機動力のある小型飛翔体で足元を固める– 多額のコストを必要とする大型宇宙計画の増加による飛翔機会の減少• 最先端の宇宙科学・宇宙利用を創意工夫で小型飛翔体実験で実現– プロジェクトの大型化による人材育成機会の減少• 短期間で全体を見渡せる規模のプロジェクトを利用した
将来の宇宙科学・宇宙開発を担う人材（若手職員，大学院生）育成

平成２６年１１月２８日

京都大学宇宙総合学ユニット宇宙学セミナー

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