熱気球

概要

熱気球は、球皮（エンベロープ）と呼ばれる袋の中の空気を下部に取り付けたバーナー等で熱し、外気と比べて比重が軽くなることで生じる浮力で浮揚する。乗員は通常、球皮の下に取り付けられたゴンドラ（バスケット）に乗る。一部ハーネス等でパラグライダーのように吊った状態で飛行するものもある。
バーナーの火力の調整による上昇・下降のみが可能であり、水平方向の移動は基本的には「風まかせ」である。飛行船のような自前の推進力で水平方向の進行方向を選ぶことは基本的にはできない。だが、風の向きと強さは高度によって異なるため、進みたい方向の風を想定し（ある程度熟練したパイロットは、飛行区域における高度別の風向などは、季節・時間帯による定常風、および飛行前のブリーフィング等で提示された天候等から、把握している）それに乗るべく高度を調節することで、どの方角に進むかある程度選ぶこともできる。熱気球の上部（クラウンと呼ばれることが多い）には球皮内の空気を抜くための弁がある。弁には各種構造があるが、一般的なものではパラシュートと呼ばれる円形に縫製された布によって内圧で塞がれている。排気を行う場合は排気弁、通常リップラインと呼ばれる紐を引く事によってパラシュートを引き下げ、排気する。排気弁には本来大きく分けて2種類の名称がある。ダンプとリップである。ダンプは上空で飛行中使用することを目的とし、リップは最終排気を行うための物である。前述のパラシュート形式の弁の場合、この両方の機能を併せ持っているために操作索はリップラインと呼ばれる。
熱源となるバーナーの燃料はLPGを使用しており、飛行時間にもよるが、一度のフライトで一般家庭が使用する約1～2ヶ月分のLPGを消費する。その他にも特殊フライトをする機体では別の燃料を使用する事例もある。
熱気球の飛行は、その地域を管轄する空港との調整が必要である。航空路や、管制圏等を避けたエリアに対して飛行可能であるエリアや高度が決められる。飛行可能となるエリアはノータムとして申請し、一般の他の航空機に対しても公示される。一部の空港に近接した地域では、離陸前および着陸後に空港へ連絡する必要がある場合もある。

歴史

古くは諸葛亮が天灯という熱気球を発明していたという俗説がある。また有人飛行に限らなければポルトガル人バルトロメウ・デ・グスマンがモンゴルフィエ兄弟よりも早く（1709年に）、熱気球の実用模型を飛ばしていた（この実験は教会から異端として告発され、以降実験は中止されることとなった）が、これらはいずれも小型で、気球というより風船に近い存在であった。
熱気球による初の有人飛行を成功させたのはフランスのモンゴルフィエ兄弟(ジョセフ・ミシェル、ジャック・エティエンヌ)である。二人は煙突から立ち上る煙から、温めた気体を袋に詰め空を飛ぶというアイデアを着想したと言われる。最初は暖炉の煙を紙袋に詰めて実験し、自分たちの理論が正しいことを確かめると、より大きな袋（風船）を作成する。1783年6月5日に無人での飛行に成功。同年9月19日にはベルサイユ宮殿でルイ16世やマリー・アントワネットの前で動物を乗せたデモンストレーション飛行に成功、同年11月21日にピラトール・ド・ロジェとフランソワ・ダルランド侯爵の二人をのせた気球がブローニュの森から飛び立ち90 mの高さで25分間、約8.8 kmを飛行した。発明者たちの名を取ってフランス語などでは「モンゴルフィエール」が熱気球を意味する一般名詞となってもいる。
モンゴルフィエによる有人飛行の10日後にはジャック・シャルルによる水素を詰めたガス気球の有人飛行が成功する。
人類で初めて気球に乗った飛行者のロジェは、翌々年1785年6月15日に自らが考案した熱気球と水素気球を結合した新型気球でドーバー海峡を飛行試験中、水素に引火した爆発で同乗者のジュール・ロマンとともに墜落死し、人類初の気球による死者となった（この新型気球は20世紀に再実用化され、「ロジェ気球（ロジェール）」と呼ばれている）。
気球は一時期ブームとなったものの、風まかせであるため旅客・物資輸送等には適さず冒険家による長距離飛行記録など金持ちの趣味の域を超える物ではなかった。また、空中での火力維持と燃料供給の難しさから、熱気球よりもガス気球が主流となった。
その後、気球は飛行船や飛行機の発明により衰退するが、第二次世界大戦以後スカイスポーツとして復活した。
1959年アメリカでNASAなどとの共同作業でRAVEN社の技術者エドヨーストらによって近代的熱気球が作られ飛行が行われた。近代的熱気球とはナイロンなどの化学繊維を球皮（エンベロープ）とし、プロパンガスを燃料として飛行する物を指す。この飛行の成功から数年後、初のスポーツ用熱気球がRAVEN社によって市場に販売開始される。その後イギリス、フランスなどにも気球メーカーが出来る。ガス気球の世界で名が知られたピカールも一時期熱気球を製造していた。
日本で、日本人による最初の有人飛行を熱気球で行なったのは、京都大学、立命館大学を中心とする京都の学生達からなるイカロス昇天グループと北海道大学の探検部が協同して作成した熱気球である。この熱気球には初飛行時には名前がついておらず、取材に来たテレビ会社の記者が呼んだ“空坊主”という仮の名前が使われていた。初飛行は1969年に北海道の羊蹄山を望む真狩村において行われた。熱気球の分担内容はイカロス昇天グループが球皮とゴンドラを、北大探検部熱気球班がバーナーを、それぞれ独自に作成し一つの熱気球として完成させている。なおこの熱気球の球皮の形の決定には京大生の嶋本伸雄が電子計算機を用いて精密な形状の決定を行った。飛行時の仮名“空坊主”はのちにイカロス昇天グループによりイカロス5号と改められたので、現在はイカロス5号が正式名称とされている。なお初飛行も担当したイカロス昇天グループの梅棹エリオは、文化人類学者である梅棹忠夫の息子にあたる。これ以降も北大探検部アフリカ班、未知の会、慶大探検部、広大熱気球部など次々と熱気球活動を行う団体が設立され、スカイスポーツとしての熱気球が盛んになって行く。
日本の熱気球の活動はイカロス5号に触発され、大学探検部などによる自作した気球により飛行する活動から始まった。多くの大学にクラブが創立され気球を製作しフライトを行った。飛行するためには試行錯誤と長い製作時間を要した。
その後欧米の気球メーカー製の機体が輸入される様になり、一般化する。大学クラブの衰退もあり、現在では自作気球はほとんど作られず、ほとんどの熱気球がメーカー製である。
アメリカ同時多発テロ事件以降、航空機である気球製造に係わるメーカー側が掛ける生産物賠償責任保険と、ユーザーが掛ける賠償責任保険が数倍に高騰し、気球活動そのものがとても大きく影響を受けていて、気球メーカーの販売額はテロ以前の25%以下にまで落ち込み撤退するメーカーが出ている。

構造と装備

熱気球は、大きく分類して「球皮」（熱気を蓄えるための袋）と呼ばれる部分と、乗員が搭乗し、燃料を搭載し熱源となるバーナーなどが搭載された「下回り」と呼ばれる部分によって構成される。球皮部分と下回りは、ステンレスワイヤーやケブラー系のケーブルで接続される。下回りは、ゴンドラ、バーナー、シリンダー（LPGタンク）、バーナーを支えるための構造、計器などから構成される。

球皮（エンベロープ）

熱気球において最も巨大な部分。飛行しない時は全ての空気が抜かれ、ゴンドラに収まるくらいにコンパクトになる。飛行時はインフレーターと呼ばれる強力な送風機で冷気を球皮内に入れ、ある程度膨らんだところでバーナーを使用し、熱気を入れる。インフレーターでの送気からバーナーによる熱気送出までは、球皮下部の左右をクルーが開口するように保持している。特にバーナーによる熱気送出時には、開口部を保持しているクルーが熱気で火傷等しないよう、細心の注意が求められる。材質は主にポリウレタン気密コーティングされたナイロンやポリエステルで出来ており、荷重を受ける部分はナイロンやポリエステルのテープにより補強されている。これらは主にポリエステル等の糸で縫製されている。耐熱性を要する場所はノメックス等の糸で縫製される。
また、バーナーの近く（開口部周辺）は耐熱性を高めるためにアラミド繊維のノメックスやコーネックス、ノボロイド繊維のカイノールなどで耐熱性を高めた物もある。飛行するごとに気密コーティングや素材の強度が劣化していく。素材により異なるが通算約200～600時間、飛行することができる。

バーナー

球皮内に熱気を入れるための器具。近代的熱気球のバーナーはバーナーに備えた熱交換コイルで液体プロパンを加熱し、一気に蒸気に変えて爆発的に燃焼させ高い出力を得られるような構造を採用している。家庭用コンロのように気化されたガスを直接使用するものではない。燃焼時には大きな音と共に大きな炎が放出される。基本的にバーナーには2系統のシステムを持っており、1系統が上空で故障しても安全に飛行できるように設計されている。
バーナーの出力は、近代的熱気球が出てきてから徐々に増加する傾向であったが20世紀終わりには十分な出力が得られるようになりその技術変革は気化ガスを使用していたパイロットバルブを液体からの物に変更することや、低ノイズのシステムを模索し、更に人間工学的操作性の追求へと至っている。
初期には燃焼によって大きな爆発的騒音が発せられるバーナーが多かったが、地上の動物や人への騒音問題で徐々に低騒音化されるようになった。現在では空気との混合方法を改良した様々なノズルがメーカーから販売されており、以前に比べ低騒音の物になっている。これらが普及するまではバックアップシステムでもあった液体を直接放出し着火するシステムを低騒音化を行うために使用されることもあった。
初期のヨーロッパ系システムはガス気球からの発想でバーナーとゴンドラとの間をワイヤーのみで接続していた。そのため、バーナーが着陸時の衝撃により落下する危険性があり、搭乗者にヘルメットの着用が求められていた。しかし現在では、ナイロン樹脂やポリカーボネート製のポールによってバーナーが支えられているため、バーナー部分が搭乗者の上に落ちてくることはなくなりヘルメットを着用するかどうかは任意となっている。アメリカ系のシステムではバスケットとバーナーはアップライトと呼ばれるアルミや籐などで作られた上部構造で支えられる物が近代熱気球初期から使用されている。

シリンダー（タンク）

一般家庭で使用されるLPGボンベとほぼ同等のものであり、燃料容器、形状からシリンダーと気球界では呼ばれることが多い。一般的な熱気球用のシリンダーには気体供給用と液体供給用のバルブ2つと、残量計がついている。日本国内で使用される熱気球では容量20kgのアルミ製ものが多く使用されている。欧米では強度や耐熱性でより安全性の高いステンレスが主流となっており、容量は30kgのものが一般的である。実験的にカーボンや、チタンの燃料容器が作られたこともあるが普及はしていない。
熱気球に使用される燃料は液化石油ガスの中でプロパンが主に使われる。市場にはプロパンとブタンが流通しているが、常温での蒸気圧が高いプロパンが使用しやすいためである。国によってはブタン混合燃料も使われるが、その場合窒素ガスなどで加圧して使用される。

ゴンドラ（バスケット）

人が乗り、燃料を搭載する部分である。ゴンドラ（バスケット）とバーナーはステンレス製のワイヤーによって接続されたり、アルミやステンレスのフレームにより接続される。通常ゴンドラが籐を編んで作られているのでバスケットと呼ばれる事も多い。補強のためにワイヤー、アルミパイプなどが編み込まれている。底部は籐で編み込む構造の物とマリングレードのプライウッドなどを使用する物がある。構造の主体に籐素材を使用するのは、フレキシブルな構造なので着陸時の衝撃を吸収できるためである。バスケットの上部ヘリなどは乗員に優しいようにパットや皮素材などで保護されている場合が多い。
そのサイズは平面で1m四方程度から2mX3mぐらいの大きな物など、搭乗人員にあわせて様々なサイズがあるが、一般的な3人ぐらい搭乗するものは1mX1.2mぐらいのサイズのものが多い。四角い物が多いが、三角形のバスケットを製造するメーカーもある。
一人乗りの小さな機体ではハーネスで乗員や機材を吊っただけの物もある。
また、特殊な飛行で高々度または長距離に及ぶ場合、FRP製などのカプセルがゴンドラとして使われる場合もある。

計器

熱気球に通常搭載される飛行計器は高度計、昇降計、温度計が組み込まれたものである。高度計は現在の高度を示すための器具。昇降計は気球が上昇しているか下降しているかを示し、その速度を表示する。温度計は気球の上部に付けられたセンサーの温度をケーブルもしくはトランスミッターで計器に伝えて表示される。
構造的には旧来のアナログ方式の物はアネロイド気圧計と同等で、主として長針、短針とで表示される型式の物がつかわれる。最近では感圧センサーとコンピューターを組み込んだデジタル構造で温度計トランスミッターを搭載した物が主流である。フライトの記録をデジタルで記憶させられる物など高機能化が進んでいる。またGPSと連動してフライト記録を残せるバログラフ的な機能を持った器機も存在している。

携帯型GPS

最近では、携帯型GPSが搭載されることが多くなっている。風に乗って飛行するため、正確な対地速度、飛行方向等を表示させられるGPSは高度計などに続く重要な計器となっている。特に、熱気球競技においては必需品となっており、競技で飛行する場合、飛行航跡を大会側が管理するためにロガーとしての搭載が強制となっている場合もある。さらに、GPSとパソコンを接続することによって、飛行航跡、高度、時間等のログを管理することができるソフトウェアも活用されている。

インフレーター

気球をふくらませる作業を行うとき最初に冷風を送り込むガソリンエンジンで稼働する送風機。エンジンは5hp～8hp程度の物が一般的、プロペラは24インチ～27インチ程度の物が多い。プロペラの素材は木材やアルミのキャストの物などがある。

資格

日本国内で熱気球を操縦するためには、日本気球連盟が発行する熱気球操縦士技能証が求められている。しかし日本の航空法ではハンググライダーやパラグライダーと同様に、熱気球も航空機として分類されていないので国家資格は存在せず、法律上は日本において気球を飛行させるには免許制ではない。
欧米では熱気球は通常航空機のカテゴリーに分類されている。各国の国が発行するライセンスが必要になる。なお、パイロット以外の搭乗者には特に資格は必要ない。

日本選手権

1984年から年に一度、日本気球連盟が決めた選手権が開催されている。この選手権により毎年日本チャンピオンが決定される。開催地は2016年の第33回を含め24回が佐賀で開催され、その他、上士幌（北海道）が4回、佐久（長野）が3回、鈴鹿（三重）が2回となっている。開催場所は前年に日本気球連盟によって決められている。

航空法

日本国内では航空法に基づき、気球を飛行・浮遊させる空域によっては、飛行・浮遊させる事が禁止される場合、または飛行・浮遊させる場合に事前に国土交通大臣への届出が必要な場合がある。