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高高度気球（HAB）または成層圏気球は、通常、無人の気球で、一般的にヘリウムまたは水素が充填され、成層圏に放出され、海抜18～37 km（11～23マイル、59,000～121,000フィート）の高度に達します。2013年には、BS 13-08という気球が53.7 km（33.4マイル、176,000フィート）の記録的な高度に達しました。[ 1 ]
高高度気球で最も一般的なのは気象観測気球です。その他の用途としては、高層大気での実験プラットフォームとしての利用が挙げられます。現代の気球には、無線送信機、カメラ、GPS受信機などの衛星航法システムといった電子機器が搭載されているのが一般的です。趣味で気象観測気球を購入する人が多いのは、使いやすさ、価格の手頃さ、そして広く普及していることが理由です。
これらの気球は、「近宇宙」と呼ばれる領域に打ち上げられます。近宇宙とは、地球の大気圏のうち、圧力が加圧スーツなしでは人間が生存できないほど低下するアームストロング限界（海抜18～19km ）と、飛行を維持するために空気力学から宇宙力学に取って代わられる必要があるカーマン線（海抜100km [ 2 ] ）の間の領域と定義されます。
GPSや通信機器のコストが低いため、高高度気球飛行は人気の趣味となっており、UKHASなどの組織がペイロードの開発を支援している。[ 3 ] [ 4 ]
1783年、フランスで水素気球を用いた最初の公開実験が行われた。この実験には、フランスの物理学教授ジャック・シャルルと、著名な物理計測機器製作者であるロベール兄弟が関わっていた。
シャルルは、それまで少量しか生産されていなかった大量の水素を、鉄540kgと硫酸270kgを混合することで供給した。気球の充填には5日かかり、パリのシャン・ド・マルス公園から打ち上げられた。そこには30万人が集まり、その光景を見物した。気球は打ち上げられ、雲を突き抜けて上昇した。ガスの膨張により気球が破れ、45分後にパリから20km離れた地点に落下した。[ 5 ]
有人高高度気球は、1930年代から研究や飛行高度記録の追求に使用されており、オーギュスト・ピカールの16,201 m (16.2 km)までの飛行、ソ連のオソアヴィアヒム-1の22,000 m (22.0 km)、アメリカのエクスプローラーIIの22,066 m (22.1 km)の飛行などがある。[ 6 ]
注目すべき有人高高度気球飛行には、最高高度からのスカイダイビングで樹立された3つの記録が含まれる。
無人高高度気球は、研究用気球、教育目的、および趣味の用途に使用されます。一般的な用途としては、気象学、大気・気候研究、近宇宙からの画像データの収集、アマチュア無線、サブミリ波天文学などが挙げられます。
高高度気球は、電気通信[ 7 ]や宇宙旅行[ 6 ]での利用が検討されている。Zero 2 Infinity、Space Perspective、Zephalto、World View Enterprisesなどの民間企業は、科学研究、商業目的、宇宙旅行のために、有人および無人の高高度気球を開発している[ 8 ] [ 9 ] 。通信中継などの用途には、高高度プラットフォームステーションが提案されている。
多くの国では、ペイロードが一定の重量閾値（通常は数キログラム程度）を下回る場合、高高度気球の打ち上げに必要な官僚的なオーバーヘッドは最小限に抑えられます。[ 10 ] [ 11 ]これにより、これらの小型高高度気球の打ち上げプロセスは、多くの学生やアマチュアグループにとって利用しやすいものとなっています。これらの高高度気球は小型であるにもかかわらず、しばしば30,000メートル（98,000フィート）程度の高度まで（そしてそれを超えて）上昇し、科学的および教育的な目的で成層圏に容易にアクセスできるようになります。[ 12 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]これらのアマチュア気球飛行は、多くの場合、経路予測器を使用して運用されます。打ち上げ前に、予測される風ベクトルを含む天気予報を使用して、シミュレーションされた高高度気球を軌道に沿って数値的に伝播させ、実際の気球がどこを移動するかを予測します。[ 16 ]
米国では、高高度気球は連邦規則集第14編第101部によって規制されています。気球は、積載物の重量が4ポンドを超え、密度が1平方インチあたり3オンスを超える場合、積載物の重量が密度に関係なく6ポンドを超える場合、または積載物が50ポンド以上の力で切断する必要のあるロープで気球に接続されている場合にのみ規制の対象となります。これらの要件を満たす気球はすべて規制の対象となり、通常は地元の航空交通管制施設との調整、2つの緊急ペイロード切断システムと2つの緊急気球停止システムの実装が含まれます。[ 17 ]
無線範囲のテストは、これらの趣味の大きな要素であることが多い。アマチュア無線は、パケット無線を使用して1200ボーで通信することが多く、自動パケット報告システムと呼ばれるシステムを使用して地上局に情報を送信する。マイクロトラッカーまたはピコトラッカーと呼ばれる小型のパッケージも作られ、小型気球の下で運用される。これらの小型トラッカーは、モールス信号、フェルトヘル、RTTYを使用して位置情報やその他のデータを送信している。[ 18 ]
記録に残る最初のアマチュア無線高高度気球打ち上げは、1967年5月28日にフィンランドのイルマリ計画で行われ、1964年にはドイツでも行われた。[ 19 ]
アマチュア無線高高度気球飛行（ARHAB）とは、アナログおよびデジタルアマチュア無線を気象観測気球に応用したもので、この趣味にラルフ・ウォリオ（アマチュア無線コールサインW0RPK）が命名した名称です。「貧乏人の宇宙計画」とも呼ばれるARHABは、アマチュア無線家が宇宙船の模型を設計し、宇宙空間のような環境に打ち上げることを可能にします。ビル・ブラウン（アマチュア無線コールサインWB8ELK）は、1987年8月15日にアマチュア無線送信機を搭載した気球を初めて打ち上げたことで、現代のARHAB運動の先駆けとなった人物とされています。
ARHAB飛行は、気球、回収用パラシュート、および1つ以上のパッケージからなるペイロードで構成されます。ペイロードには通常、着陸地点での回収まで飛行を追跡できるアマチュア無線送信機が含まれています。ほとんどの飛行では、 GPS受信機から位置情報を取得し、それをデジタル無線送信に変換するAPRS（Automatic Packet Reporting System）トラッカーが使用されます。その他の飛行では、アナログビーコンを使用し、無線方向探知技術を使用して追跡されます。長時間の飛行では、多くの場合、高周波の特注送信機と、RTTY（Radioteletype ）、 Hellschreiber、モールス符号、PSK31などの低速データプロトコルを使用して、少ないバッテリー電力で長距離にわたってデータを送信する必要があります。ARHAB飛行でアマチュア無線送信機を使用するにはアマチュア無線免許が必要ですが、アマチュア無線以外の送信機は免許なしで使用できます。
追跡装置に加えて、ペイロードにはセンサー、データロガー、カメラ、アマチュアテレビ（ATV）送信機、その他の科学機器などが含まれる場合があります。ARHABの一部の飛行では、 BalloonSatと呼ばれる簡略化されたペイロードパッケージが搭載されます。
典型的な ARHAB 飛行では、標準的なラテックス製の気象観測気球を使用し、飛行時間は約 2〜3 時間で、高度は25〜35 km (16〜22マイル)に達します。無圧気球、過圧気球、バルブ付きラテックス気球の実験により、飛行時間は 24 時間以上に延長されています。2008 年 3 月に、スピリット オブ ノックスビル気球プログラムによる無圧飛行は40 時間以上続き、打ち上げ地点から5,400 km (3,400マイル)以上離れたアイルランド沖に着水しました。2011 年 12 月 11 日、カリフォルニア近宇宙プロジェクトの飛行番号 CNSP-11 (コールサイン K6RPT-11) は、カリフォルニア州サンノゼから6,236マイル (10,036 km)を飛行し、地中海に着水するという記録的な飛行を行いました。飛行時間は 57 時間 2 分でした。これは、米国初の大陸横断飛行と、初の大西洋横断アマチュア無線高高度気球飛行の成功例となった。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]それ以降、超高圧プラスチックフィルム気球を使用して地球を一周する飛行が数多く行われている。[ 24 ] [ 25 ]
米国では毎年、グレートプレーンズ・スーパーローンチ（GPSL）でARHABグループの大規模な集会が開催されます。
アマチュア無線による気球実験(BEAR) は、アルバータ州シャーウッドパークとエドモントンのアマチュア無線オペレーターと実験者のグループによる、カナダを拠点とする一連の高高度気球実験です。実験は 2000 年に開始され、2012 年に BEAR-9 で継続され、36.010 km (22.376マイル)に達しました。[ 26 ] [ 27 ]気球は、ヘリウムまたは水素が充填されたラテックスでできています。すべての BEAR ペイロードには、 GPS受信機、APRSエンコーダー、および無線送信モジュールで構成される追跡システムが搭載されています。その他の実験ペイロードモジュールには、アマチュア無線クロスバンドリピーターとデジタルカメラがあり、これらはすべて気球の下に吊り下げられた断熱フォームボックス内に収められています。
バルーンサットは、軽量の実験装置を近宇宙に運ぶために設計されたシンプルなパッケージです。[ 28 ]高校や大学の一部のコースでは、工学原理の入門として人気があります。バルーンサットは、ARHAB の飛行で二次ペイロードとして運ばれます。バルーンサットがシンプルな理由の 1 つは、追跡装置を含める必要がないことです。二次ペイロードとして、すでに追跡カプセルによって運ばれています。
スペースグラントは2000年8月にバルーンサットプログラムを開始しました。これは、宇宙研究に興味のある科学や工学系の新入生に、基本的な工学技術、チームワークスキル、宇宙科学と地球科学の基礎を実践的に紹介するための方法として作られました。バルーンサットプログラムは、コロラド大学ボルダー校でスペースグラントが教えるコースの一部です。[ 29 ]
バルーンサットの設計は、多くの場合、重量と体積の制約を受けます。これは優れたエンジニアリング手法を促し、挑戦的な課題を生み出し、ARHAB飛行に多数のバルーンサットを搭載することを可能にします。機体材料は通常、軽量で加工しやすく、適度な断熱性を備えた発泡スチロールまたはフォームコアです。
ほとんどのバルーンサットには、タイマー回路で動作するセンサー、データロガー、小型カメラが搭載されている。よく使われるセンサーには、気温、相対湿度、傾斜角、加速度などがある。バルーンサット内部で行われる実験には、飼育された昆虫や食品などが含まれる。
打ち上げ前に、ほとんどのバルーンサットは試験を受ける必要があります。これらの試験は、バルーンサットが適切に機能し、科学的な結果を返すことを保証するために設計されています。試験には、低温浸漬試験、落下試験、機能試験、重量測定が含まれます。低温浸漬試験は、バルーンサットがミッション中に経験する極度の低温をシミュレートします。打ち上げと着陸は衝撃が大きいため、落下試験では、バルーンサットが急激な落下後も破損せず、機能し続けることが求められます。機能試験は、バルーンサットのクルーが打ち上げ場所でバルーンサットを準備できることを確認します。
科学活動を行う以外にも、学校、インフルエンサー、その他の個人が、高高度気球を使って成層圏にさまざまな斬新なペイロードを打ち上げてきました。これには、テディベア[ 30 ] 、レゴのフィギュア[ 31 ] [ 32 ]、ハンバーガー[ 32 ]、ピザ[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] 、コーニッシュパスティ[ 36 ] 、ガーリックブレッド[ 37 ]、ベーコン、ビール缶[ 32 ]などが含まれます。日本の電子機器メーカーである東芝は、高高度気球に繋がれたアームチェアとカメラを使って、宇宙に近い場所で広告を撮影しようと試みました[ 32 ] 。
静止気球衛星（GBS）は、地球表面上の固定地点で成層圏中層（海抜60,000～70,000フィート（18～21km ） ）に浮かび、大気衛星として機能するように提案されている高高度気球です。これらの高度では、空気密度は海面の約1/15～1/20です[ 38 ]。これらの高度での平均風速は、地表よりも低くなります[ 38 ] [ 39 ] 。推進システムにより、気球は位置に移動して維持することができます。GBSはソーラーパネルで電力を供給されます。
GBSは広範囲にわたってブロードバンドインターネットアクセスを提供するために使用できる。レーザーブロードバンドはGBSをネットワークに接続し、地球の曲率による広い見通し線と遮蔽物のないフレネルゾーンにより、広範囲をカバーすることができる。[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]
ワールドビュー・エンタープライズはアリゾナ州ツーソンに気球宇宙港を建設し運営している。宇宙港はアリゾナ州ピマ郡が所有している。[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]
風速が最も低いのは成層圏下部、高度約20km付近です。高度20kmにおける空気密度は、海面における空気密度の約20分の1です。
成層圏の平均風速は高度約20kmで最小となる。値は季節や場所によって異なる。出典：米国国立気象局（NWS）