エアロスタット

エアロスタット（古代ギリシャ語の ἀήρ ( aḗr )  「空気」とστατός ( statós )  「立っている」から派生したフランス語）または軽量航空機は、飛行を維持するために浮力を利用する航空機です。エアロスタットには、動力のない気球（自由飛行または係留）と動力のある飛行船が含まれます。

エアロスタット全体の相対密度は、周囲の大気の相対密度よりも低い（そのため 「空気より軽い」という名前が付けられている）。その主要構成部品は、軽量スキンで作られた1つ以上のガスカプセルで、その中には浮力ガス（熱い空気、または空気より密度の低いガス、通常は水素やヘリウム）が含まれており、大量の空気を押しのけて、エアロスタット自身の重量に打ち勝つのに十分な浮力を生成する。ペイロード（乗客と貨物）は、バスケット、ゴンドラ、キャビン、さまざまなハードポイントなどの付属部品で運ぶことができる。^{[1] [2]風に逆らって飛行する必要がある飛行船の場合、浮力ガスカプセルは、より剛性の高い外側のエンベロープまたは}エアフレームで保護されていることが多く、浮力を調整するために バロネットなどの他のガスバッグが使用される。

エアロスタットは、周囲の空気塊を前進させる必要のない静水圧浮力を利用しており、その結果、浮上して垂直離着陸を行う固有の能力が得られることから、このように呼ばれています。これは、主に空気力学的揚力を使用する空気より重いエアロダインの飛行とは対照的です。空気より重いエアロダインは、空中に留まるために翼面上に一定の気流が必要です。この用語は、自由飛行する飛行船と対照的に、静的に繋がれた気球を指す狭義の意味でも使用されています。 ^[3]この記事では、この用語を広義の意味で使用しています。

学生の間では、エアロスタットという用語は、主に空気静力学的浮力を利用して空中に浮かぶサーモスタットを指します。^{[4] [5]}

歴史的に、すべての気球は気球と呼ばれていました。水平飛行が可能な動力付き気球は、飛行気球または単に飛行船（操縦可能なという意味のフランス語dirigeableに由来）と呼ばれていました。これらの動力付き気球は後に飛行船と呼ばれるようになり、「気球」という用語は、動力のないタイプ、つまり係留型（地面に固定されている）か自由浮遊型を指すようになりました。^{[6] [7]}

最近では、米国会計検査院は、静的に係留された気球と自由飛行する飛行船を区別するために、「エアロスタット」という用語を別の意味で使用しています。^[8]

気球は推進手段を持たない無動力の気球であり、長いケーブルでつなぐか、風に流されて自由に漂う必要があります。

自由気球は風速で飛行しますが、風とともに飛行するため、乗客にとっては空気が穏やかで無風に感じられます。地上からの高度を変更するには、揚力を調整するか、バラスト重量を捨てる必要があります。自由飛行気球の注目すべき用途には、気象気球やスポーツ気球があります。

係留気球は、1本以上の係留索またはテザーによって固定されています。係留索をぴんと張るのに十分な揚力があり、高度はウインチで係留索を巻き上げたり引き出したりすることで制御されます。係留気球は風の影響を受けます。丸い気球は不安定で強風で揺れるため、凧型気球は非剛性飛行船に似た空気力学的形状で開発されました。凧型気球と非剛性飛行船はどちらも「飛行船」と呼ばれることがあります。^{[6] [7]}係留気球の注目すべき用途には観測気球や防空気球があり、非係留気球の注目すべき用途にはスパイ気球や火気球があります。

飛行船は、動力付きで自由に飛行し、操縦可能な気球です。飛行船は、硬式、半硬式、非硬式に分類され、非硬式は飛行船としてよく知られています。

硬式飛行船は、内部の浮上用ガス袋を囲む外殻または外皮を備えており、ガス袋が収縮しても外殻はその形状を維持します。20世紀の 偉大なツェッペリン飛行船は硬式タイプでした。

非硬式飛行船や飛行船は、ガスがなくなると風船のようにしぼみます。グッドイヤーの飛行船は、米国では今でもよく見かけます。

半硬式飛行船は、非硬式飛行船と同様に収縮可能なガス袋を備えていますが、空中で形状を維持するのに役立つ支持構造を備えています。最初の実用的な飛行船であるサントス・デュモン 6 号は半硬式飛行船でした。

飛行船の中には、その形状を利用したり、フィンや小さな翼を追加したりすることで、空中を移動する際に空気力学的に追加の揚力を得るものもあります。通常の巡航でこの揚力効果を利用するように設計されたタイプは、ハイブリッド飛行船と呼ばれます。

ハイブリッド型は、静的浮力と動的気流の両方を利用して揚力を生み出します。ハイブリッド飛行船のように推進力を使用するか、ヘリカイトやカイトゥーンのように凧のように風に結びつけることで、動的な動きを作り出すことができます。

Allsopp Helikiteは、ヘリウム気球と凧を組み合わせて、空気力学的に優れた単一の係留航空機を形成し、風とヘリウムの両方を揚力として利用します。Helikit は半硬式です。Helikit は、現在入手可能なエアロスタットの中で最も安定性、エネルギー効率、コスト効率に優れていると考えられています。^[9]これにより、Helikit は従来のエアロスタットに比べてさまざまな利点があります。従来のエアロスタットは、強風に対抗するために比較的低揚力のヘリウムガスを使用する必要があり、これは、対処するために大量のガスを必要とするため、非常に大きく、扱いにくく、高価であることを意味します。Helikit は風の揚力を利用するため、強風でも動作するために必要なサイズは従来のエアロスタットのほんの一部ですみます。Helikit は、同じサイズの従来のエアロスタットよりも何倍も高い高度を飛行します。Helikit は小型で構造の継ぎ目が少ないため、従来のエアロスタットと比較してガス漏れの問題が最小限に抑えられ、ヘリウムの使用量も大幅に削減されます。

ヘリカイトはバルーンを必要としないため、従来のエアロスタットよりも構造が簡単で、空中に浮かべるために一定の電力を必要としません。ヘリカイトは非常に安定しているため、カメラや科学機器用の優れた空中プラットフォームです。小型のヘリカイトはどんな天候でも飛行できるため、信頼性が高く、扱いやすく、大型で高価なウインチを必要としないため、人気があります。ヘリカイトは、完全に膨らませた状態で車に収まるほど小さくできますが、重い積載物を高高度に飛ばす必要がある場合は大きくすることもできます。ヘリカイトは、最も人気のあるエアロスタット設計の1つであり、科学コミュニティ、軍隊、写真家、地理学者、警察、緊急対応者によって広く使用されています。ヘリカイトは、携帯電話のカバー範囲外の地域で4Gおよび5G基地局を持ち上げるために通信会社によって使用されています。

ヘリカイトのサイズは、純ヘリウム揚力 30g の1 メートル (ガス容積 0.13 m ^{3 ) から、117 kg を持ち上げることができる 14 メートル (ガス容積 250 m 3} ) まであります。小型ヘリカイトは高度 1,000 フィートまで、中型ヘリカイトは高度 3,000 フィートまで、大型ヘリカイトは高度 7,000 フィートまで飛行できます。

ピアセッキ ヘリコプターは、 4 機の旧式ヘリコプターと余剰海軍飛行船のローター システムを使用して、1 機のヘリコプターでは運べない重量の荷物を持ち上げられる能力を持つピアセッキ PA-97ヘリス​​タットを開発しました。この航空機はテスト飛行中に死亡事故を起こしました。2008 年に、ボーイングとスカイフック インターナショナルがこのコンセプトを復活させ、スカイフック JHL-40の設計案を発表しました。

浮力を得るためには、浮力ガスは周囲の空気よりも密度が小さくなければなりません。熱気球は底が開いていて熱い空気が入りますが、ガス気球は閉じていて（冷たい）浮力ガスが逃げるのを防ぎます。一般的な浮力ガスには、水素、石炭ガス、ヘリウムなどがあります。

空気は熱せられると膨張します。これにより密度が下がり、揚力が生じます。中国では古代から小型の熱気球やランタンが飛ばされてきました。モンゴルフィエ兄弟が作った最初の近代的な有人飛行船は熱気球でした。しかし、初期の気球のほとんどはガス気球でした。熱気球のスポーツへの関心は20世紀後半に再び高まり、熱気球飛行船もいくつか飛ばされました。

水素はすべてのガスの中で最も軽く、モンゴルフィエ兄弟のすぐ後に有人水素気球が飛ばされました。燃料を燃やす必要がないため、ガス気球は熱気球よりもはるかに長く空中に留まることができます。水素はすぐに気球、そして後には飛行船の最も一般的な浮上ガスになりました。しかし、水素自体は可燃性であり、1930年代にヒンデンブルク号の事故を含むいくつかの大きな事故が発生した後、使用されなくなりました。

石炭ガスはメタンと他のガスの混合物で、通常、浮上力は水素の約半分です。19世紀後半から20世紀初頭にかけて、市営ガス工場が普及し、安価な浮上ガスの供給源となりました。^[10]一部の工場では、浮上力を向上させるために、水素の割合を増やして一酸化炭素を減らした気球競技用の特別な混合物を生産することができました。

ヘリウムは、不燃性かつ無毒な唯一の浮上ガスであり、その浮上力は水素とほぼ同等 (約 92%) です。ヘリウムは 20 世紀初頭まで大量に発見されず、長年にわたり米国のみが飛行船に使用できるほどの量を保有していました。現在では、ほぼすべてのガス気球と飛行船でヘリウムが使用されています。

現時点では実用的ではありませんが、空気で膨らませるのではなく、周囲の空気に対して真空状態にある、空気より軽い堅固な構造物を構築できる可能性があります。これにより、物体は熱や特別な浮上ガスなしで地面から浮くことができますが、空気より軽い堅固な真空チャンバーを構築する構造上の課題はかなり大きいです。それでも、ガスの重量を構造重量と交換し、ガスの浮上特性と真空、場合によっては熱を組み合わせて揚力を高めることで、より一般的なエアロスタットの性能を向上させることは可能かもしれません。

エアロスタットの浮力制御は、浮力の原理と、エアロスタットのエンベロープ内のガスの操作に依存しています。エアロスタットは、ヘリウムや水素などの空気より軽いガスを使用します。これらのガスは周囲の空気より密度が低いため、揚力が得られます。生成される浮力の量は、ガスの体積、密度、および外部の大気の密度によって異なります。これらの変数を制御することで、エアロスタットを上昇、下降、または安定した高度に維持することができます。基本的なメカニズムは、エアロスタットのエンベロープ内のガスの体積と圧力を調整することであり、多くの場合、バルブとコンパートメントのシステムを介して行われます。

上昇するために、エアロスタットはバラストを放出します。バラストは通常​​、土嚢やその他の重りで構成され、全体の重量を減らし、エアロスタットが押しのける空気よりも軽くします。または、ガスの温度を調整するか (熱気球の場合)、エンベロープ内のガスの容積を拡張します。ガスの容積が増加すると、エアロスタットの密度が低くなり、上昇します。これは、加熱するか (熱気球の場合)、または異なる区画または外部の大気間のガスの流れを管理するバルブを調整することによって制御されます。飛行船などのヘリウムベースのエアロスタットは、エンベロープ内のヘリウムの完全性と容積を維持して安定した揚力を実現します。

降下するとき、エアロスタットは浮力を減らす必要があります。これは、ガスの一部を排出するか、追加のバラストを搭載することで行うことができます。ガスを排出すると、エンベロープの容積が減り、エアロスタットの密度が周囲の空気よりも高くなり、降下します。ただし、特にヘリウムの場合は、限られた資源であり、飛行中に簡単に補充できないため、排出は慎重に行う必要があります。または、エアロスタットは、エンベロープ内の小さな区画にガスを圧縮できる可逆システムを使用して、ガスを永久に失うことなく揚力を減らすことができます。これらの区画を管理したり、ガスの流れを調整したりすることで、エアロスタットの浮力を正確に制御できます。

高度を維持するために、エアロスタットはガスによって生成される揚力とエアロスタットの重量が等しくなるようにバランスを取ります。このバランスは、バラストまたはガスの量を少し調整することで実現されます。高度なシステムでは、自動バルブとセンサーを使用して大気圧、ガス量、温度を監視し、手動で操作しなくてもエアロスタットが安定した状態を保つようにします。この一定の調整により、エアロスタットは一定高度で長時間ホバリングできるため、監視、通信中継、科学的観察など、大気中で一定の位置を維持することが重要な用途に便利です。

• エアロダイン – 空気からの支援を受けて飛行できる乗り物または機械
• 空気静力学 – 運動していない気体の研究
• 空中風力タービン#エアロスタット型 – 発電用の高高度飛行タービン
• 浮力 – 液体に浸された物体の重さに対抗する上向きの力
• クラウドナイン – 空中居住地の提案
• 浮力ガス – 気球や飛行船に浮力を与えるために使用されるガス
• 平方立方法則 – サイズが大きくなるにつれて表面積と体積の関係が変化する

• https://docs.wixstatic.com/ugd/805773_eba4ea45e5824133ad520da3a14b5b15.pdf

無料辞書『ウィクショナリー』で「エアロスタット」を調べてください。

• DJのツェッペリンページ
• 「5 つの主なタイプの軽量航空機の図解」ポピュラー メカニクス、1930 年 6 月
• 気球飛行の原理 – 動画 – YouTube