高高度気球

高高度気球またはストラトスタットは、通常は無人の気球で、ヘリウムまたは水素が充填され、成層圏に放出され、一般的に海抜18〜37 km（11〜23マイル、59,000〜121,000フィート）の高度に到達します。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）の記録的な高度に到達しました。 ^[1]

最も一般的な高高度気球は気象観測気球です。その他の用途としては、上層大気での実験用プラットフォームとしての使用などがあります。現代の気球には通常、無線送信機、カメラ、GPS受信機などの衛星ナビゲーションシステムなどの電子機器が搭載されています。気象観測気球は、使いやすさ、低価格、および広く商品化されているため、愛好家が頻繁に購入します。

これらの気球は、地球の大気圏のうち、圧力が下がり加圧服なしでは人間が生存できないアームストロング限界（海抜18～19 km（11～12マイル））と、飛行を維持するために航空力学から天体力学を引き継がなければならないカルマン線（海抜100 km（62マイル）^[2]）の間の領域と定義される「近宇宙」に打ち上げられます。

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ある趣味であり、UKHASなどの組織がペイロードの開発を支援しています。^[3]^[4]

高度約 29.5 km (18.3 マイル、97,000 フィート) で破裂したラテックス気象気球

歴史

最初の水素気球

1783年、フランスで水素を充填した気球を使った最初の公開実験が、フランスの物理学教授ジャック・シャルルと、物理学機器の著名な製作者であるロベール兄弟によって行われました。

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（1,190ポンド）と硫酸270kg（600ポンド）を混ぜて供給した。気球は5日間かけて膨らませ、 30万人がこの光景を見るために集まったパリのシャン・ド・マルス公園から打ち上げられた。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は破れ、45分後にパリから20km（12マイル）離れた地点に落下した。^[5]

有人高高度気球

有人高高度気球は1930年代から研究や飛行高度記録の探索に使用されており、オーギュスト・ピカールの16,201メートル（16.2 km）の飛行、ソ連のオソアビアキム1号の22,000メートル（22.0 km）の飛行、アメリカのエクスプローラー2号の22,066メートル（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、最高高度スカイダイビングの 3 つの記録が含まれます。

最初の記録は1960年にジョセフ・キッティンガーがエクセルシオール計画で標高31,300メートル（31.3キロメートル）に記録した。
続いて2012年にレッドブル・ストラトスで38,969メートル（39.0キロ）に到達したフェリックス・バウムガルトナーが続いた。
最近では、 2014年にアラン・ユースタスが41,419メートル（41.4キロメートル）に到達しました。

用途

無人高高度気球は、研究用気球、教育目的、趣味用として使用されます。一般的な用途には、気象学、大気および気候の研究、近宇宙からの画像収集、アマチュア無線アプリケーション、サブミリ波天文学などがあります。

高高度気球は、通信^[7]や宇宙観光^[6]での使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、宇宙観光のために、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。

アマチュア高高度気球飛行

多くの国では、高高度気球の打ち上げに必要な官僚的な諸経費は、積載量が通常数キログラム程度の一定の重量閾値を下回る場合、最小限に抑えられます。^[10]^[11]これにより、これらの小型 HAB 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 HAB はサイズが小さいにもかかわらず、高度 30,000 メートル (98,000 フィート) 程度まで上昇することが多く、科学および教育目的で成層圏に容易にアクセスできます。^[12]^[3]^[4]^[13]^[14]^[15]これらのアマチュア気球飛行では、経路予測装置を使用して操作が通知されることがよくあります。打ち上げ前に、予測された風の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 HAB 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]

アマチュア無線高高度気球飛行

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、地上局に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、 1200ボーで通信するためにパケット無線で使用されることが多い。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構築され、小型気球の下で実行される。これらの小型トラッカーは、モールス信号、フィールドヘル、RTTYを使用して、位置やその他のデータを送信している。^[17]

記録に残る最初のアマチュア無線による高高度気球の打ち上げは、1967年5月28日にフィンランドのイルマリ計画によって行われ、1964年にはドイツでも行われた。^[18]

ARHABプログラム

ARHAB 飛行中に 26 km (16 マイル) 上空から撮影された地球の地平線の画像。

アマチュア無線高高度気球飛行( ARHAB ) は、アナログおよびデジタルのアマチュア無線を気象観測気球に応用したもので、ラルフ・ワリオ (アマチュア無線コールサイン W0RPK) がこの趣味に提案した名前です。「貧乏人の宇宙計画」と呼ばれることが多い ARHAB では、アマチュアが宇宙船の実用モデルを設計し、宇宙のような環境に打ち上げることができます。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、現代の ARHAB 運動の先駆けとなったと考えられています。^{[引用が必要]}

ARHAB 飛行は、気球、回収用パラシュート、および 1 つ以上の荷物からなるペイロードから構成されます。ペイロードには通常、回収のための着陸までの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、全地球測位システム(GPS) 受信機から位置を取得し、それをデジタル無線送信に変換する自動パケット報告システム(APRS) トラッカーを使用します。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、高周波のカスタムビルド送信機と、無線テレタイプ(RTTY)、ヘルシュライバー、モールス信号、PSK31などの低速データプロトコルを使用して、バッテリー電力をほとんど使用せずに長距離に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、アマチュア以外の無線送信機は免許なしで使用できます。^[^要出典^]

追跡装置に加えて、他のペイロードコンポーネントには、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、その他の科学機器が含まれる場合があります。一部の ARHAB フライトでは、BalloonSat と呼ばれる簡易ペイロードパッケージが搭載されます。^{[引用が必要]}

典型的なARHAB飛行では、標準的なラテックス気象観測気球を使用し、飛行時間は約2～3時間で、高度25～35 km（16～22マイル）に到達します。ゼロ圧気球、スーパープレッシャー気球、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ました。 2008年3月のスピリットオブノックスビル気球プログラムによるゼロ圧飛行は40時間以上続き、発射地点から5,400 km（3,400マイル）以上離れたアイルランド沖に着陸しました。2011年12月11日、カリフォルニア近宇宙プロジェクトのフライト番号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地中海への着水まで6,236マイル（10,036 km）を飛行する記録破りの飛行を開始しました。飛行時間は57時間2分でした。これはアメリカ初の大陸横断、また初の大西洋横断アマチュア無線高高度気球となった。^[19]^[20]^[21]^[22]それ以来、超高圧プラスチックフィルム気球を使った地球一周飛行が数多く行われている。^[23]^[24]

毎年、米国では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まりが開催されます。^{[引用が必要]}

BEARプログラム

アマチュア無線による気球実験（BEAR）は、カナダの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家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ある。実験は2000年に始まり、2012年にはBEAR-9で継続され、36.010 km（22.376 mi）に到達した。^[25]^[26]気球はヘリウムまたは水素で満たされたラテックスでできている。すべてのBEARペイロードは、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を搭載している。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や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に収納されている。

バルーンサット

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。^[27]高校や大学の授業では、工学原理の入門としてよく使われています。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、追跡装置を搭載する必要がないことです。二次ペイロードとして、バルーンサットはすでに追跡カプセルで運ばれています。

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、宇宙研究に興味を持つ新しい理工系の学生に、基本的な工学技術、チームワークスキル、宇宙と地球科学の基礎を紹介する実践的な方法として作成されました。バルーンサットプログラムは、スペースグラントがコロラド大学ボルダー校で教えるコースの一部です。^[28]

多くの場合、バルーンサットの設計には重量と体積の制約があります。これにより、優れたエンジニアリング手法が促進され、課題が生まれ、ARHAB飛行に多くのバルーンサットを組み込むことが可能になります。機体の素材は通常、軽量で機械加工が容易で、適度に優れた断熱性があるため、発泡スチロールまたはフォームコアです。

バルーンサットの多くは、タイマー回路で動作するセンサー、データロガー、小型カメラを搭載しています。一般的なセンサーには、気温、相対湿度、傾斜、加速度などがあります。バルーンサットに搭載された実験には、捕獲された昆虫や食品などが含まれています。

打ち上げ前に、ほとんどの BalloonSat はテストを受ける必要があります。これらのテストは、BalloonSat が適切に機能し、科学的成果を返すことを確認するために設計されています。テストには、コールドソーク、落下テスト、機能テスト、および計量が含まれます。コールドソークテストでは、BalloonSat がミッション中に経験する極寒の温度をシミュレートします。打ち上げと着陸は衝撃を与える可能性があるため、落下テストでは、BalloonSat が突然の落下後も壊れずに機能し続けることが求められます。機能テストでは、BalloonSat クルーが打ち上げ現場で BalloonSat を準備できるかどうかを確認します。

多様なペイロード

科学的な活動を行うほかに、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目新しいペイロードを打ち上げてきました。これらには、テディベア、^[29] LEGOフィギュア、^[30]^[31]ハンバーガー、^[31]ピザ、^[32]^[33]^[34] コーニッシュパスティ、^[35] ガーリックブレッド、^[36]ベーコン、缶ビールなどが含まれています。^[31]日本の電機メーカーである東芝は、高高度気球にアームチェアとカメラをつなぎ、近宇宙で広告を撮影しようとしました。^[31]

静止気球衛星

静止気球衛星（GBS ）は、地球表面上の定点である中成層圏（海抜60,000～70,000フィート（18～21km））に浮かぶ高高度気球として提案されており、大気圏衛星として機能する。この高度では、空気の密度は海面の約1/15～1/20 ^[37]である。これらの高度での平均風速は地表よりも低い。^[37]^[38]推進システムにより、気球は移動してその位置を維持することができる。GBSは太陽電池パネルで電力を供給される。

GBSは、広範囲に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ます。レーザーブロードバンドはGBSをネットワークに接続し、地球の曲率と妨げられないフレネルゾーンを越えた広い視線により、広い範囲をカバーできます。^[39]^[40]^[41]

アリゾナ宇宙気球港

ワールド・ビュー・エンタープライズはアリゾナ州ピマ郡に気球宇宙港（高高度気球港）を建設し運営している。^[42]

参照

参考文献

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外部リンク

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[38] Boccia, Luigi; Pace, Pasquale; Amendola, Giandomenico; Di Massa, Giuseppe (2008 年 7 月)。「高高度プラットフォームに適用される GNSS ベースの姿勢決定システム用の低マルチパスアンテナ」。GPSソリューション。12 (3): 163–171。Bibcode : 2008GPSS...12..163B。doi :10.1007/s10291-007-0075-7。ISSN 1080-5370 。成層圏の平均風速は高度約 20 km で最小になります。値は季節や場所によって異なります。出典: National Weather Service (NWS)

[ieeexplore-39] ^ Izet-Unsalan, Kunsel ; Unsalan, Deniz (2011). 「衛星に代わる低コストの手段 - 係留式超高高度気球」。第5 回国際宇宙技術最新進歩会議議事録 - RAST2011。IEEE。pp . 13–16。doi :10.1109/ RAST.2011.5966806。ISBN 978-1-4244-9617-4. S2CID 26712889。

[books-google-40] Zee, Chong-Hung (1989-04-30). 物理学と天文学における気球の利用. Springer. ISBN 9789027726360. 2014年3月24日閲覧。

[noaasis-41] 「NOAAの静止気象衛星と極軌道気象衛星」noaasis.noaa.gov。2018年8月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年3月24日閲覧。

[42] エミリー・カランドレリ（2016年1月19日）。「アリゾナ州、宇宙気球飛行のための宇宙港建設に投票」