気球（航空学）

航空学では、気球は動力のない気球で、浮力によって空中に浮かんでいるか、浮いている状態です。気球は、風に乗って自由に動く場合もあれば、固定された地点につながれている場合もあります。気球は、制御された方法で空中を自力で進むことができる動力付きの気球である飛行船とは異なります。

多くの気球には、人や機材（カメラや望遠鏡、飛行制御機構など）を運ぶための バスケット、ゴンドラ、またはカプセルが主気球の下に吊り下げられています。

エアロステーションは気球飛行や空気より軽い乗り物の製造、運用、航行を指す古い用語です。ティベリウス・カヴァッロの『エアロステーションの歴史と実践』は1785年に出版されました。^{[1]この主題については、}モンク・メイソンによるものを含め、他の書籍も出版されています。^{[2] [3] [ 4]}劇作家フレデリック・ピロンはエアロステーションを題材にした劇を書きました。^[6]

気球は概念的にはあらゆる飛行機械の中で最も単純なものです。気球は周囲の大気より軽いガスを充填した布製の外皮です。気球全体の密度は周囲より低いため、気球は上昇し、その下部に取り付けられたバスケットに乗客や積荷を乗せます。気球には推進システムはありませんが、好ましい風向を見つけるために気球を高度に上昇または下降させることで、ある程度の方向制御が可能です。

バルーンには主に 3 つの種類があります。

• 熱気球またはモンゴルフィエールは、気球内の空気を加熱することで浮力を得るもので、最も一般的なタイプとなっています。
• ガス気球またはシャルリエールは、周囲の大気よりも分子量の小さいガスで膨らませます。ほとんどのガス気球は、周囲の大気と同じガスの内部圧力で作動します。超圧気球は、日中の加熱によるガスの損失を制限または排除することを目的として、周囲の空気よりも高い圧力の浮上ガスで作動します。ガス気球には、次のようなガスが充填されます。
  • 水素– もともと広く使用されていましたが、ヒンデンブルク号の事故以来、その高い可燃性のために現在ではほとんど使用されていません。
  • 石炭ガス– 水素の約半分の揚力しかありませんが、^[7]水素よりも安価で入手しやすいため、19世紀から20世紀初頭にかけて広く使用されました。
  • ヘリウム– 現在ではすべての飛行船とほとんどの有人ガス気球に使用されています。
  • 他のガスとしてはアンモニアやメタンなどがあるが、これらは揚力が低いなどの安全上の欠陥があり、広く使用されることはなかった。^[8]
• ロジエール型は、加熱された浮上ガスと加熱されていない浮上ガスが別々のガス袋に入っています。このタイプの気球は、最近の世界一周飛行のような長距離記録飛行に使用されることもありますが、それ以外では使用されていません。

熱気球、またはモンゴルフィエール気球とガス気球は、どちらも今でも広く使用されています。モンゴルフィエール気球は、気球の外皮に高級素材を必要としないため比較的安価で、気球スポーツのアクティビティで人気があります。

乗客を運ぶ最初の気球は、浮力を得るために熱気球を使用し、1783年にフランスのアノネーでジョセフ・モンゴルフィエとエティエンヌ・モンゴルフィエ兄弟によって作られました。最初の旅客飛行は1783年9月19日で、羊、アヒル、鶏を乗せて行われました。

最初の有人係留気球飛行は、おそらく 1783 年 10 月 15 日に、より大型のモンゴルフィエ気球によって行われました。最初の自由気球飛行は、同じモンゴルフィエ気球によって 1783 年 11 月 21 日に行われました。

空気は熱せられると膨張するため、一定体積の空間に含まれる空気の量は少なくなります。これにより空気は軽くなり、その揚力がそれを包む風船の重量よりも大きい場合、風船は上方に持ち上げられます。熱気球は、空気を十分に熱く保つためにバーナー用の燃料がある間だけ浮上できます。

モンゴルフィエ夫妻の初期の熱気球は固体燃料の火鉢を使用していたが、これはその後すぐに登場した水素気球よりも実用的ではないことが判明し、熱気球はすぐに廃れていった。

1950 年代には、ボンベ式ガスバーナーの利便性と低コストにより、スポーツやレジャーとして熱気球飛行が復活しました。

熱気球の高さまたは高度は、必要に応じてバーナーを上げたり下げたりすることで制御されます。一方、ガス気球では、気球が低くなりすぎた場合に落とせるように重りのバラストが運ばれることが多く、着陸するには、バルブから浮上ガスをいくらか排出する必要があります。

軽い水素ガスを浮力に使った有人気球はジャック・シャルル教授によって作られ、モンゴルフィエ飛行の1ヶ月も経たない1783年12月1日に飛行した。ガス気球は一定の容積に対してより大きな揚力を持つため、それほど大きくする必要がなく、また熱気球よりもずっと長く浮いていることができるため、その後200年間はガス気球が気球飛行の主流となった。19世紀には、気球に充填するのに製造された都市ガス（石炭ガス）を使用するのが一般的だった。これは純粋な水素ガスほど軽量ではなく、揚力は約半分であったが、はるかに安価で入手が容易であった。

軽量ガス気球は、はるかに高い高度に長時間到達できるため、科学的な用途で主流となっています。一般的にはヘリウムで満たされています。水素は揚力が大きいですが、酸素が豊富な大気中では爆発します。いくつかの例外を除き、科学的な気球ミッションは無人で行われます。

軽ガス気球には、ゼロ圧気球と超圧気球の 2 種類があります。ゼロ圧気球は、従来の軽ガス気球です。打ち上げ前に軽ガスで部分的に膨らませ、気球の内外のガス圧は同じです。ゼロ圧気球が上昇すると、気球内のガスが膨張してゼロ圧差を維持し、気球のエンベロープが膨らみます。

夜間、ゼロ圧気球内のガスは冷えて収縮し、気球は沈みます。ゼロ圧気球は、高度が上がりすぎて膨張したガスが気球の外側を破裂させる恐れがある場合にガスを放出するか、高度が下がりすぎたときにバラストを放出することによってのみ高度を維持できます。ガスとバラストが失われると、ゼロ圧気球の持続時間は数日に制限されます。

対照的に、超圧気球は、強靭で非弾性の気球内に軽いガスを充填し、外気より高い圧力で封印する。超圧気球はサイズを大きく変えることができないため、体積はほぼ一定に保たれる。超圧気球は大気中で一定密度の高度を維持し、ガス漏れにより徐々に降下するまで飛行を継続することができる。^[9]

超圧気球は、数日ではなく数か月の飛行持続性を備えています。実際、通常の運用では、地球ベースの超圧気球ミッションは、ガスの自然な漏れではなく、地上管制からの気球エンベロープを開くコマンドによって終了します。

高高度気球は、科学機器（気象観測気球など）を運ぶ高高度飛行船として、または地球の映像や写真を撮るために宇宙高度近くまで到達するために使用されます。これらの気球は100,000フィート（30.5 km）以上上空まで飛行することができ、設定された高度で破裂するように設計されており、パラシュートが展開してペイロードを安全に地球に運びます。^[10]

クラスターバルーニングでは、飛行のために多数の小さなガス入り気球を使用します。

初期の熱気球は燃料を大量に消費したため、長時間浮上することができず、また初期の水素気球は、飛行士がガスを抜いたりバラストを投下したりできる回数が限られていたため、望みどおりに高度を上げたり下げたりすることが困難でした。ピラトル・ド・ロジェは、イギリス海峡を横断するような長距離飛行では、飛行士は高度によって異なる風向きを利用する必要があることに気付きました。したがって、長時間浮上しながらも高度をうまく制御できることが不可欠でしょう。彼は、2つのガス袋を備えた複合気球、ロジェ気球を開発した。上側の気球には水素が入り、安定した揚力の大部分を供給した。下側の気球には熱気が入り、素早く加熱または冷却してさまざまな揚力を発生させ、高度をうまく制御できるようにした。

1785 年、ピラトル・ド・ロジェは海峡を横断する飛行を試みたが、飛行開始直後に水素ガス袋が発火し、ロジェはその後の事故で亡くなりました。この事故により、ロジェは「最初に飛行し、最初に死亡した人物」という称号を得ました。

1980 年代になって初めて、例えば不燃性のヘリウムを浮上ガスとして使用するなどしてロジェ型の安全な運用を可能にする技術が開発され、いくつかの設計が長距離飛行に成功しました。

自由飛行の代替として、気球を係留して同じ場所で確実に離陸および着陸できるようにすることがあります。初期の気球飛行の一部は安全のために係留されていましたが、それ以降、気球は軍事観測や空中攻撃、気象や商業用途など、さまざまな目的で係留されるようになりました。

風船の自然な球形は、強風下では不安定になります。風の強い状況で使用する係留気球は、空気力学的形状と係留ロープへのホルター接続によって安定化されることがよくあります。これらはカイト気球と呼ばれます。

凧型気球は、揚力の一部を空気力学的に得る 凧型気球とは異なります。

無人熱気球は中国の歴史にも登場する。三国時代（220-280年）の蜀漢の諸葛亮は、空中灯を軍の合図に使用した。これらの灯籠は孔明灯（Kǒngmíng dēng孔明灯）として知られている。^{[11] [12]}モンゴル軍は中国人から孔明灯について学び、モンゴルのポーランド侵攻の際のレグニツァの戦いで使用した。 ^[13] 1709年、ブラジル系ポルトガル人の聖職者バルトロメウ・デ・グスマンは、リスボンの部屋の中で熱気球を浮かび上がらせた。 1709年8月8日、リスボンでグスマンは熱気球を紙で作り、ジョアン5世とポルトガル宮廷の目の前で約4メートル持ち上げることに成功した^{[14] [15] [16] [17 ][18 ] [19]。彼はまた、}パスサローラ（大きな鳥）と名付けた気球を作り、リスボンのサンジョルジェ城から約1キロ離れた場所に着陸しようとしたと主張した。しかし、この偉業の主張は不確かであり、 FAIが使用した情報源にこの飛行の記録があるにもかかわらず、正確な距離と飛行条件は確認されていない。^[20]

ヘンリー・キャベンディッシュの1766年の水素に関する研究に続いて、ジョセフ・ブラックは水素を充填した気球が空中に浮上できるのではないかと提案した。

記録に残る最初の有人飛行は、1783年11月21日にモンゴルフィエ兄弟が製作した熱気球で行われた。^[20]飛行はパリから始まり、約500フィートの高さに到達した。パイロットのジャン＝フランソワ・ピラトル・ド・ロジエとフランソワ・ローラン・ダルランドは、25分で約5.5マイル（8.9km）を飛行した。

1783 年 12 月 1 日、ジャック・シャルル教授とロバート兄弟は、やはりパリから初のガス気球飛行を行いました。水素を充填した気球は、高度約 2,000 フィート (600 メートル) まで飛行し、2 時間以上空中に留まり、距離 27 マイル (43 キロメートル) を飛行して、ネル・ラ・ヴァレという小さな町に着陸しました。

イタリア初の気球飛行は、 1784年2月25日、パオロ・アンドレアーニ伯爵と他の2人の乗客が、ゲルリ兄弟3人が設計・製作した気球に乗って行った。数日後の1784年3月13日、ブルゲーリオで公開デモンストレーションが行われ、気球は高度1,537メートル（5,043フィート）、距離8キロメートル（5.0マイル）を飛行した。^{[21] 3月28日、アンドレアーニは}スカラ座でスタンディングオベーションを受け、後に神聖ローマ皇帝ヨーゼフ2世から勲章を授与された。

1784年6月23日、ド・ロジエはジョセフ・プルーストとともに、王妃にちなんで「ラ・マリー・アントワネット」と名付けられたモンゴルフィエの最初の気球の改良版でさらなる飛行に参加した。彼らはフランス国王とスウェーデン国王グスタフ3世の前で離陸した。気球は雲の上、高度約3,000メートルを北上し、45分で52kmを飛行したが、寒さと乱気流のため、シャンティイの森近くのコイエとオリ・ラ・ヴィルの間のリュザルシュを過ぎて降下を余儀なくされた。

英国における最初の気球飛行は、1784年8月25日にスコットランドのエディンバラでジェームズ・タイラーが熱気球で行ったものである。

最初の航空機事故は 1785 年 5 月に発生しました。アイルランドのオファリー州タラモアの町が、気球の墜落により火災が発生し、約 100 軒の家屋が全焼するという大きな被害を受けました。この町は、世界初の航空事故が発生した町となりました。今日に至るまで、町の紋章には、灰の中から蘇る 不死鳥が描かれています。

ジャン＝ピエール・ブランシャールは、オーストリア領ネーデルラント、ドイツ、オランダ、ポーランドなどの国々で初の気球飛行の記録を樹立するためにヨーロッパを旅行した後、1793年1月9日にアメリカで初の有人気球飛行を成し遂げた。彼が使用した水素を充填した気球は、ペンシルベニア州フィラデルフィアの刑務所の庭から離陸した。飛行高度は5,800フィート（1,770メートル）に達し、ニュージャージー州グロスター郡に着陸した。離陸を見守ったゲストの中にはジョージ・ワシントン大統領もいた。ジャン＝ピエールと結婚したソフィー・ブランシャールは、自分で気球を操縦した最初の女性であり、気球飛行を職業とした最初の女性でもあった。^[22]

1804年9月29日、アブラハム・ホップマンはオランダで気球飛行に成功した最初のオランダ人となった。^[23]

ガス気球は1790年代から1960年代まで最も一般的なタイプとなった。1795年にフランス軍が使用した観測気球 「アントレピッド」はヨーロッパで保存されている最古の航空機であり、ウィーンの軍事史博物館に展示されている。ジュール・ヴェルヌは1852年に水素気球に乗って取り残されたという短編ノンフィクションを執筆した。^[24]

オーストラリアで記録されている最も古い成功した気球飛行は、1858年のウィリアム・ディーンによるものである。彼の気球はガスを充填し、2人を乗せて30km飛行した。^[25] 1870年1月5日、T・ゲイルはシドニーのドメインから上昇した。彼の気球は長さ17メートル、周囲31メートルで、ネットの上に座って上昇し、グリーブに着陸するまでに約1マイルを飛行した。^[26]

アンリ・ジファールも1878年にパリのチュイルリー庭園で乗客用の係留気球を開発しました。近代初の係留気球は1994年にフランスのシャンティイ城でAerophile SAによって作られました。

気球飛行はレジャー活動として発展した。チャールズ・グリーンが、当時都市で使われ始めた石炭ガスが、特別に製造する必要があった水素の半分の揚力しか出せないことを発見したことで、気球飛行は大きく発展した。1836年、グリーンはイギリスのロンドンからドイツのヴァイルベルクまで、ほぼ500マイルの長距離飛行を行った。^[27]

気球が初めて軍事的に使用されたのは、 1794 年のフルリュスの戦いで、フランス空軍が敵の動きを監視するためにL'Entreprenant を使用しました。1794 年 4 月 2 日、フランス軍に航空部隊が結成されましたが、戦場で水素を製造することに関連する物流上の問題 (オーブンを建設し、白熱した鉄に水を注ぐ必要があった) のため、この部隊は 1799 年に解散されました。

軍隊における気球の最初の大規模な使用は、 1861 年に設立されたアメリカ南北戦争中の北軍気球部隊によって行われました。

パラグアイ戦争（1864年 - 1870年）の間、ブラジル軍は観測気球を使用した。

気球は1885年、ベチュアナランド遠征とスーダン遠征の際、偵察と観測の目的で英国 王立工兵隊によって使用された。英国での実験は1863年にはすでに行われていたが、気球学校は1888年までケント州メドウェイのチャタムに設立されなかった。ボーア戦争（1899-1902）の間、観測気球が使用された。11,500立方フィート（330 m ³）の気球が22日間膨らんだままにされ、英国軍とともにトランスバール地方に165マイル行進した。^[28]

水素を充填した気球は、第一次世界大戦(1914 ～ 1918 年) 中に敵軍の動きを探知し、砲撃を誘導するために広く使用されました。観測員は地上の士官に電話で報告し、士官はそれを必要とする人々に情報を伝えました。気球は敵の航空機の標的になることがよくありました。敵の気球を攻撃する任務を与えられた飛行機には、水素を点火するための 焼夷弾が装備されていることがよくありました。

飛行士バッジは、第一次世界大戦中にアメリカ陸軍によって制定されたもので、資格のある気球パイロットである軍人を示すものです。観測気球は第一次世界大戦後も長く使用され、ロシア・フィンランド戦争、 1939～40年の冬戦争、 1941～45年の継続戦争で使用されました。

第二次世界大戦中、日本は米国とカナダに対して何千もの水素「火炎風船」を打ち上げた。アウトワード作戦では、イギリスは風船を使ってナチスドイツに焼夷弾を運んだ。2018年には、焼夷風船と凧がガザからイスラエルに向けて打ち上げられ、イスラエルの約12,000ドゥナム（3,000エーカー）が焼かれた。^[29]

大型ヘリウム風船は、韓国政府や北朝鮮の自由を訴える民間活動家によって使用されている。風船は国境を越えて数百キロを漂い、外の世界からのニュース、違法なラジオ、外貨、個人衛生用品の贈り物を運ぶ。北朝鮮の軍当局者はこれを「心理戦」と呼び、風船の放出が続けば韓国を攻撃すると脅した。^{[30] [31]}

エド・ヨストは1950 年代後半に熱気球を再設計し、リップストップ ナイロン生地と高出力プロパンバーナーを使用して現代の熱気球を作り上げました。このような熱気球の初飛行は1960 年 10 月 22 日にネブラスカ州ブルーニングで行われ、飛行時間は 25 分、飛行距離は3 マイル (5 km)でした。ヨストの熱気球の改良設計は、現代のスポーツ気球運動のきっかけとなりました。今日、熱気球はガス気球よりもはるかに一般的です。

1970年代後半、イギリスの熱気球飛行家ジュリアン・ノットは、ペルーのナスカ文化で1500年から2000年前に利用されていたと思われる技術を使用して熱気球を製作し、飛行できることを実証しました。 ^[32]また2003年にも、^{[33]ノットはナスカ人が}ナスカの地上絵を設計するためのツールとして熱気球を使用した可能性があると推測しています。^{[32]ノットは、}太陽光発電が重要な熱源となるハイブリッドエネルギーの使用も開拓し、1981年にイギリス海峡を横断しました。^[34]

2012年、レッドブル・ストラトス気球はフェリックス・バウムガルトナーを高度128,100フィートまで運び、成層圏からの自由落下ジャンプを成功させた。

係留ガス気球は、1999年からパリ、2000年からベルリン、2005年からパリのディズニーランド、2005年からサンディエゴ野生動物公園、2009年からオーランドのウォルトディズニーワールド、2006年にシンガポールのDHLバルーンで遊園地の乗り物として設置されています。現代の係留ガス気球は、Aerophile SAS社によって製造されています。

スポーツ飛行で使用される熱気球は、図に示すチャブ消火器のように、企業や製品を宣伝するための特別なデザインで作られることがあります。

宇宙の風船は、その形状を維持するために内部のガス圧のみを使用します。

エコー衛星は、1960 年に地球軌道に打ち上げられた気球衛星で、無線通信の受動中継に使用されました。PAGEOSは、世界中の衛星三角測量のために 1966 年に打ち上げられ、地球表面のさまざまな位置をより正確に計算できるようになりました。

1984年、ソ連の宇宙探査機ベガ1号とベガ2号は、科学実験用の気球を2つ金星の大気圏に打ち上げ、2日間にわたって地球に信号を送信した。

1910年10月19日、ゴードン・ベネット国際気球レースでセントルイスから48時間かけて1887.6キロメートル（1,173マイル）を旅し、アラン・ホーリーとオーガスタス・ポストはカナダのケベック州の荒野に着陸し、20年以上にわたって保持された距離記録を樹立した。2人が森から脱出するのに1週間かかり、その間に捜索隊が動員され、2人は死亡したと思われていた。^[35]

1913年12月13日から17日まで、ヒューゴ・カウレンは87時間飛行した。彼の記録は1976年まで続いた。^{[36] [検証に失敗した]}

1931年5月27日、オーギュスト・ピカールとポール・キプファーは気球で成層圏に到達した最初の人物となった。 ^{[37] [検証失敗]}

1933 年 8 月 31 日、アレクサンダー・ダールは開いた水素ガス気球で地球の曲率の写真を初めて撮影しました。

ヘリウムガスを充填したエクスプローラー II気球は、アメリカ陸軍航空隊の士官、オービル A. アンダーソン大尉、ウィリアム E. ケプナー少佐、アルバート W. スティーブンス大尉が操縦し、1935 年 11 月 11 日に高度 22,066 メートル (72,395 フィート) という新記録を達成しました。これは、1934 年 7 月に同じ乗組員が前身の航空機であるエクスプローラーで、当時の高度記録であったソ連の気球オソアビアキム 1が樹立した高度 22,000 メートル (72,178 フィート) にわずか 190 メートル (624 フィート) 足りなかったところでキャノピーが破裂し、致命的な墜落事故を起こした後のことでした。

1976 年、エド・ヨストは気球による大西洋単独横断に挑戦し、飛行距離と飛行時間で 13 の航空世界記録を樹立しました(3.938 km、107 分 37 秒)。

1978年、ベン・アブルッツォと彼のチームは熱気球で初めて太平洋を横断した。

有人気球飛行の現在の絶対高度記録は、1961年5月4日にマルコム・ロスとビクター・プラザーがメキシコ湾のUSSアンティータムの甲板から打ち上げたストラト・ラボV気球で記録した34,668メートル（113,739フィート）である。^[a]

有人気球のこれまでの記録高度は、2012年10月14日日曜日にニューメキシコ州ロズウェルから打ち上げられたレッドブル・ストラトス気球に乗ってフェリックス・バウムガートナーが記録した38,960.5メートル（127,823フィート）であった。 ^[a]

有人気球の現在の記録高度は、 2014年10月24日にStratEx Space Diveプロジェクトの一環としてアラン・ユースタスによって記録された41,419.0メートル（135,889.108フィート）である。^[a]

1999 年 3 月 1 日、ベルトラン・ピカール氏とブライアン・ジョーンズ氏は、スイスのシャトー・デーからブライトリング・オービター 3 号に乗って、初の無着陸気球世界一周飛行に出発しました。彼らは19 日 21 時間 55 分、40,814 km (25,361 マイル) の飛行を経て エジプトに着陸しました。

無人気球の高度記録は中間圏で53.0キロメートル（173,882フィート）で、容積60,000立方メートルで到達した。この気球は2002年5月25日にJAXAによって岩手県から打ち上げられた。^[39]これは大気圏内の乗り物によって達成された最高高度である。これより高く飛んだのはロケット、ロケット機、弾道発射体のみである。

2015年、レオニード・ティウクチャエフとトロイ・ブラッドリーの2人のパイロットが10,​​711kmの旅を経てメキシコのバハ・カリフォルニアに無事到着した。ロシアとアメリカ合衆国出身の2人は日本を出発し、ヘリウム気球で太平洋上を飛行した。160時間後、「ツー・イーグルス」と名付けられた気球はメキシコに到着し、これはストレートガス気球としては新記録の距離と飛行時間となった。^[40]

ウィキメディア・コモンズには、気球航空機に関連するメディアがあります。

• タデウス・ロウ教授の歴史と遺産- アメリカ北軍の気球乗り、彼の曾孫による
• 『Falling Upwards: How We Took to the Air ^[usurped]』、リチャード・ホームズの気球飛行の歴史、スカーレット・バロン、オクソニアン・レビュー、2013年6月のレビュー
• スポーツ気球の初期の時代
• 熱気球シミュレーター - インターネットベースのシミュレーターで熱気球のダイナミクスを学びます。
• ルクソールの日の出気球 2006
• Stratocat 科学研究、軍事分野、航空宇宙活動における成層圏気球の使用に関する歴史的再編プロジェクト。
• エジプト、ルクソールの熱気球 | HODHOD 熱気球 エジプト、ルクソールへの乗車 - HodHodSoliman 気球 - エジプト、ルクソールの熱気球 熱気球、ルクソールの熱気球、王家の谷、Hodhod soliman 気球。
• 王立工兵隊博物館 王立工兵隊航空博物館
• 王立工兵博物館 2007年1月18日アーカイブウェイバックマシン初期のイギリス軍の気球飛行（1863年）
• ホドホドソリマンバルーン^[1]
• ゴールドビーターのスキンで作られたバルーン生地、Chollet, L. 航空技術部門。1922 年 12 月。2009 年 9 月 2 日にWayback Machineにアーカイブされました。
• 気球飛行の原理 – ビデオ