JP5697782B1 - 係留気球 - Google Patents

Abstract

【課題】強風を受けたときでも気球の姿勢が不安定になるおそれが低い係留気球を提供する。【解決手段】係留気球１は、気球１０と、スクープ２０と、一端が気球１０の表面に接続され且つ少なくとも１つがスクープ２０に接続された単数又は複数の繋留索３０〜３３とを有する。スクープ２０は、一方の面から他方の面に空気を透過する第１膜部２１と、一方の面から他方の面に空気を透過する割合が第１膜部２１よりも小さい第２膜部２２とを有し且つ気球１０の表面に一部が接合される。【選択図】図１

Description

本発明は、係留気球に関する。

災害等で基地局の動作が停止した場合、動作を停止した基地局がカバーしていたエリアでは、携帯電話等の携帯端末の通信ができなくなる通信障害が発生する。通信障害が発生した場合に、動作を停止した基地局を早急に回復して通信障害を解消することが求められる。しかしながら、基地局が倒壊した場合等、基地局の機能を早急に復旧することが困難な場合がある。

一方、気球と、気球を係留するために気球に接続された係留索とを有す係留気球が知られている。係留気球は、風力発電装置等の大型構造物を建設するときの上空の風速調査、風速及び気温等の鉛直分布の調査、及び災害時の被害状況の確認のための映像撮影等に使用されることが知られている。しかしながら、係留気球は、強風を受けると適切な位置を維持できないおそれがある。

特許文献１には、強風を受けた場合でも適切な位置することができる係留気球が記載されている。特許文献１に記載される係留気球は、気球、及び気球に接続された係留索に加えて、気球が強風を受けた場合でも気球が適切な位置を保つように機能するスクープを有する。スクープは、気球が適切な位置を保つのに適切な空気抵抗を気球に付与するように多孔性材料で形成される。

米国特許第５０６５１６３号明細書

本願発明者は、災害等で動作を停止した基地局を早急に復旧することが困難な場合に、基地局の機能を代替する中継局を気球に搭載して、動作を停止した基地局がカバーしていたエリアの通信障害を早急に回復することを見出した。中継局を搭載した気球を約１００［ｍ］の高度まで上昇させて係留することにより、半径３［ｋｍ］以上のエリアをカバーする中継局を実現することができる。

しかしながら、係留されている気球が強風を受けると、気球の姿勢が乱れるという問題がある。例えば、気球が強い横風を受けると、気球に加わる回転モーメントにより一方向に回転する回転運動を開始して、気球を係留する係留索が絡まると共に、気球の姿勢が不安定になるおそれがある。

本発明は、強風を受けたときでも気球の姿勢が不安定になるおそれが低い係留気球を提供することを目的とする。

上記目的を実現するため、本発明に係る係留気球は、気球と、一方の面から他方の面に空気を透過する第１膜部と、一方の面から他方の面に空気を透過する割合が第１膜部よりも小さい第２膜部とを有し且つ気球の表面に一部が接合されたスクープと、一端が気球の表面に接続され且つ少なくとも１つがスクープに接続された単数又は複数の繋留索と、を有することを特徴とする。

本発明に係る係留気球では、スクープは、底角部分が切欠された二等辺三角形状に形成されることが好ましい。

また、本発明に係る係留気球では、第２膜部は、スクープの頂角を含むように配置されることが好ましい。

また、本発明に係る係留気球では、第１膜部の一方の面から他方の面に空気を透過する割合を示す透過率は、０．５以上０．９以下であることが好ましい。

また、本発明に係る係留気球では、第２膜部の一方の面から他方の面に空気を透過する割合を示す透過率は、０以上０．３以下であることが好ましい。

本発明によれば、強風を受けたときでも気球の姿勢が不安定になるおそれが低い係留気球が提供される。

空中に位置する実施形態に係る係留気球の斜視図である。 （ａ）は図１に示す気球の部分断面側面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す気球の底面図である。 図１に示すスクープの平面図である。 図１に示すスクープの作用効果を説明する図である。 図１に示す係留気球の正面図である。 図１に示すスクープの発生応力と他のスクープの発生応力との比較を示す図である。 （ａ）は第２実施形態に係るスクープを示す図であり、（ｂ）は第３実施形態に係るスクープを示す図である。

以下の図面を参照して、本発明に係る係留気球について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明との均等物に及ぶ点に留意されたい。

実施形態に係る係留気球のスクープは、透過率が比較的高い第１膜部と、透過率が比較的低い第２膜部とを有する。スクープが、透過率が比較的低い第２膜部を有することにより、気球が受ける気流の風速が増加した場合でも、気流を受けることにより気球に発生するモーメントよりも大きなモーメントをスクープが発生できる。気球に発生するモーメントよりも大きなモーメントをスクープが発生できるので、係留気球は、強風下でも姿勢が不安定になるおそれはなく、風見安定を維持できる。

図１は、空中に位置する実施形態に係る係留気球の斜視図である。

係留気球１は、気球１０と、スクープ２０と、第１〜第３係留索３０〜３２と、主係留索３３と、中継局４０とを有する。

図２（ａ）は内部に気体が充填された気球１０の部分断面側面図であり、図２（ｂ）は内部に気体が充填された気球１０の底面図である。

気球１０は、外袋１１と、ヘリウム収納袋１２と、空気収納袋１３と、ペイロード用ドーム１４と、３つの係留索取付け部１５とを有する。気球１０は、ヘリウム収納袋１２及び空気収納袋１３と外袋１１との二重構造となっているので、外袋１１は、ガスバリア性を有する材料で形成される必要はない。外袋１１は、合成繊維等の堅固、軽量且つ風を通さない材料で形成される。ヘリウム収納袋１２は、ヘリウムを充填する袋であり、外袋１１と比較して強度及び耐久性が低く且つ軽量な材料により形成される。例えば、ヘリウム収納袋１２は、プラスチックフィルムを溶着することにより形成される。空気収納袋１３は、外袋１１と比較して強度及び耐久性が低く且つ軽量な材料により形成される。空気収納袋１３は、ヘリウム収納袋１２と同様に、プラスチックフィルムを溶着することにより形成される。ペイロード用ドーム１４は、有底の円筒状の部材であり、底部が空気収納袋１３に接するように配置される。ペイロード用ドーム１４は、発泡スチロール等の堅固且つ軽量な素材により形成される。ペイロード用ドーム１４の凹部には、中継局４０が配置される。

気球１０は、ヘリウム収納袋１２にヘリウムが充填され且つ空気収納袋１３に空気が充填されているとき、高さ方向に短軸を有する回転楕円体状の形状を有する。すなわち、内部に気体が充填されているとき、気球１０は、円形状の平面形状を有し且つ楕円状の正面形状を有する扁平形状となる。一例では、気球１０は、直径４．６［ｍ］の円状の平面形状を有し且つ、長径４．６［ｍ］、短径２．６６［ｍ］の楕円状の正面形状を有する。

３つの係留索取付け部１５は、正面から見たときに長径に沿うように気球１０の表面に配置される。３つの係留索取付け部１５のそれぞれは、第１〜第３係留索３０〜３２の何れか１つの一端に接続される。スクープ２０が接合される部分に近接する位置に配置される係留索取付け部１５には第１係留索３０の一端が接続され、他の２つの係留索取付け部１５には、第２係留索３１及び第３係留索３２の一端がそれぞれ接続される。

図３は、スクープ２０の平面図である。

スクープ２０は、姿勢安定膜とも称され、一方の面から他方の面に空気を透過する第１膜部２１と、第２膜部２２とを有する可とう性の膜材である。スクープ２０は、底辺２３、底辺２３の反対に位置する頂角２８で一端が接続された第１等辺２４及び第２等辺２５、及び底辺２３の両端から第１等辺２４及び第２等辺２５の他端にそれぞれ延伸する第１切欠辺２６及び第２切欠辺２７により囲まれた形状を有する。第１等辺２４及び第２等辺２５は互いに長さが等しく、第１切欠辺２６及び第２切欠辺２７は互いに長さが等しい。すなわち、スクープ２０は、底角部分が切欠された二等辺三角形状に形成される。スクープ２０の頂角２８には、スクープ２０と第１係留索３０とを接続する接続索２９が接続される。スクープ２０の頂角２８と第１係留索３０とが接続索２９を介して接続されることにより、係留気球１が空中に上げられたときに、ヨットの帆のようにスクープ２０が風を受けて、係留気球１は、スクープ２０が風下となるように風見安定する。

第１膜部２１は、一方の面から他方の面に空気を透過するように編み込まれたポリエステルにより形成される。第１膜部２１は、底辺２３と、第１等辺２４及び第２等辺２５の頂角２８の近傍の部分を除く部分と、第１切欠辺２６及び第２切欠辺２７と、第２膜部２２と接する辺とにより囲まれた形状を有する。第１膜部２１は、底辺２３、第１切欠辺２６及び第２切欠辺２７のそれぞれの近傍で、気球１０に接合される。第１膜部２１の一方の面から他方の面に空気を透過する割合を透過率は０．５である。

本明細書では、膜材の一方の面から他方の面に空気を透過する割合を透過率ρと称する。透過率ρは、送風機から送風された風の風速〔ｍ／ｓ〕と、送風機から送風された風が膜材の一方の面から他方の面に透過した後に風速計で測定されたときの風速〔ｍ／ｓ〕との比から以下の式で示される。

なお、透過率ρを測定するとき、透過率ρが測定される膜材は、風を送風する送風機の送風口と、膜材を透過した後の風速を計測する風速計の検出部との間を結ぶ直線の中点に配置される。

第２膜部２２は、第１膜部２１と同様に形成されたポリエステルに、透過率が０であるナイロンにより形成されるナイロン膜を縫い付けることにより形成される。透過率が０であるナイロン膜が縫い付けられることにより、第２膜部２２の透過率は０になる。第２膜部２２は、二等辺三角形状に形成され、スクープ２０の頂角２８を含むように配置される。

図４は、スクープ２０の作用効果を説明する係留気球１の平面図である。図４において、矢印Ａは気球１０が受ける気流の水平成分であり、Ｉｒは矢印Ａで示される気流の水平成分により気球１０に発生する回転モーメントである。また、Ｆｓはスクープ２０に矢印Ａで示される気流の水平成分により発生する抗力であり、Ｒｓはスクープ２０の重心と抗力Ｆｓの作用点との間の距離であり、θはＦｓとＲｓとの間の角の角度である。ＦｓとＲｓとの間の角の角度θは、スクープ２０が風下に位置するように係留気球１が風見安定しているときに９０度となり、スクープ２０が風下から離れるに従って小さくなり、スクープ２０が気流の水平成分の方向と直交する位置になるとき０度になる。

矢印Ａで示される気流の水平成分がスクープ２０に作用することにより、回転モーメントＩｒを打ち消すようにスクープ２０により発生するモーメントＩｓは、
Ｉｓ ＝ Ｆｓ・Ｒｓ・ｃｏｓθ （１）
で示される。ｃｏｓθは、係留気球１が風見安定しているときに０になり、スクープ２０が風下から離れるに従って大きくなるので、係留気球１は、モーメントＩｓによって風見安定するようにフィードバック制御される。

係留気球１は、
Ｉｒ＜Ｉｓ （２）
の関係を満たしているとき、スクープ２０を風下側として風見安定する。しかしながら、例えば矢印Ａで示される気球１０が受ける気流の水平成分の大きさが５［ｍ／ｓ］を超えるなど大きくなると、受風面積がより大きい気球１０に発生する回転モーメントＩｒが、スクープ２０により発生するモーメントＩｓよりも大きくなる。すなわち、
Ｉｒ＞Ｉｓ （３）
となり、スクープ２０により発生するモーメントＩｓが気球１０に発生する回転モーメントＩｒを打ち消すことができなくなる。式（３）のようにスクープ２０により発生するモーメントＩｓが気球１０に発生する回転モーメントＩｒを打ち消すことができなくなると、係留気球１は、風見安定した状態から逸脱して回転運動を開始する。

スクープ２０は、一方の面から他方の面に空気を透過する第１膜部２１と、空気を透過する割合が第１膜部２１の一方の面から他方の面に空気を透過する割合よりも小さい第２膜部２２とを有する。第２膜部２２は、一方の面から他方の面に空気を透過する割合が第１膜部２１よりも小さいので、第２膜部２２により生じる単位面積当たりの抗力Ｆｓ₂は、第１膜部２１により生じる単位面積当たりの抗力Ｆｓ₁よりも大きくなる。すなわち、スクープ２０の単位面積当たりの抗力は、第２膜部２２を配置することにより、第１膜部２１のみで形成される場合に比較して大きくすることができるので、スクープ２０に発生する抗力Ｆｓはより大きくなる。スクープ２０に発生する抗力Ｆｓが大きくなると、式（１）で示されるスクープ２０により発生するモーメントＩｓもまた大きくなる。

図５は、係留気球１の正面図である。図５には、気球１０及びスクープ２０が示され、第１〜第３係留索３０〜３２、主係留索３３及び中継局４０は省略される。図５において、ａは気球１０を正面から見たときの短径を示し、ｂは気球１０を正面から見たときの長径を示す。図５において、矢印Ａはスクープ２０の気球１０に遮れることなく目視可能な部分を示し、矢印Ｂはスクープ２０の気球１０に遮れて目視不可能な部分を示す。

上述のように、スクープ２０は、式（２）に示す条件を満たしているとき、スクープ２０を風下側として風見安定するので、図５は、風見安定している係留気球１を風上方向から見た図である。係留気球１が風見安定しているとき、スクープ２０の矢印Ａで示される部分は、風見安定に寄与する。一方、スクープ２０の矢印Ｂで示される部分は、気球１０の背面に近接しているため風見安定への寄与は小さい。なお、図１に示すように気球１０が受ける気流の水平成分の大きさが大きくなり、スクープ２０が配置される風下端に対して気球１０の風上端が上方に位置しヘッドアップした状態になると、スクープ２０の風見安定に寄与する部分は増加する。スクープ２０は、矢印Ａで示される部分の高さが気球１０の短径の０．５倍となり且つ幅が気球１０の短径の０．７倍となるように配置される。また、第２膜部２２は、高さが短径の０．２５倍となり且つ底辺が気球１０の短径の０．３倍となるように配置される。

係留気球１では、第１膜部２１より透過率が低く発生する抗力が大きい第２膜部２２を、底角部分が切欠された二等辺三角形状のスクープ２０の頂角を含むように配置することにより、効果的にスクープ２０に発生するモーメントＩｓを増加させている。すなわち、第２膜部２２が配置されるスクープ２０の頂角近傍は、気球１０との接合部であるスクープ２０の底辺の反対に位置するので、係留気球１の姿勢にかかわらず気流の水平成分により確実に抗力を発生できる。また、第２膜部２２が配置されるスクープ２０の頂角近傍は、重心との間の距離がスクープ２０の等辺の近傍と比較して長いので、第２膜部２２により発生するモーメントはより大きくなる。

図６は、スクープ２０の発生応力と、第１膜部２１と同様に形成された膜材で形成され且つスクープ２０と同様な形状を有するスクープ（以下、比較用スクープと称する）の発生応力との比較を示す図である。図６において、横軸は図５に示す気球の正面から気球が受ける気流の水平成分の風速［ｍ／ｓ］を示し、縦軸はスクープに発生する応力Ｆｓ［Ｎ］を示す。図６において、実線はスクープ２０の発生応力を示し、破線は比較用スクープの発生応力を示す。

第２膜部２２が配置されるスクープ２０の発生応力は、比較用スクープの発生応力に対して、約１．２倍になっている。スクープ２０の発生応力Ｆｓが１．２倍になることにより、式（１）で示されるスクープ２０により発生するモーメントＩｓもまた比較用スクープにより発生するモーメントの１．２倍になる。

第１〜第３係留索３０〜３２のそれぞれは、係留気球１が空中にあるときに受ける気流による張力で切断されない材料で形成される。第１係留索３０の一端はスクープ２０が接合される部分に近接する位置に配置される係留索取付け部１５に接続され、第２係留索３１及び第３係留索３２のそれぞれの一端は他の２つの係留索取付け部１５に接続される。第１〜第３係留索３０〜３２のそれぞれの他端は、結節点３４において、主係留索３３の一端と接続される。一例では、結節点３４における第１〜第３係留索３０〜３２のそれぞれの他端と主係留索３３の一端とは、接続金具を介して接続される。第１係留索３０は、スクープ２０の頂角と接続索２９を介して接続される。一例では、第１係留索３０と接続索２９とは、接続金具を介して接続される。

主係留索３３は、第１〜第３係留索３０〜３２と同様に、係留気球１が空中にあるときに受ける気流による張力で切断されない材料で形成される。主係留索３３の他端は、不図示のウインチに接続される。主係留索３３の他端に接続されるウインチから主係留索３３が巻き出されるとき、係留気球１は巻出量に応じて空中に上昇し、ウインチから主係留索３３が巻き取られるとき、係留気球１は巻戻量に応じて空中から下降する。

中継局４０は、不図示の中継用アンテナ及び対移動局用アンテナを有し、移動体通信網に接続される基地局と、基地局がカバーしていたエリア内に位置する携帯端末との間の通信網を形成する。

係留気球１は、底角部分が切欠された二等辺三角形状を有し且つ透過率が比較的低い第２膜部２２が頂角を含むように配置されるスクープ２０を有するので、強風を受けた場合でも姿勢が乱れるおそれが低い。一例では、係留気球１は、水平方向の風速が２０［ｍ／ｓ］の強風においても回転することなく、安定した姿勢が維持される。

しかしながら、スクープの形状及びスクープ内部の透過率が比較的低い部分の配置等は、スクープ２０のものに限定されない。

図７（ａ）は第２実施形態に係るスクープを示す図であり、図７（ｂ）は第３実施形態に係るスクープを示す図である。

スクープ５０は、底角部分が切欠された二等辺三角形状の形状でなく、両端部分が切欠された円弧状の形状であることがスクープ２０と相違する。スクープ５０は、透過率が比較的高い第１膜部５１と、透過率が比較的低い第２膜部５２とを有する。第２膜部５２は、円弧状のスクープ５０の弧５４の頂上５８を含むように配置される。第１膜部５１は、第２膜部５２が配置されるスクープ５０の頂上５８と反対側の直線部５５及び直線部の両端から円弧部の両端にそれぞれ延伸する第１切欠辺５６及び第２切欠辺５７のそれぞれの近傍で気球１０に接合される。

スクープ６０は、透過率が比較的低い第２膜部が頂角を含むように配置されないことがスクープ２０と相違する。スクープ６０は、透過率が比較的高い第１膜部６１と、透過率が比較的低い第２膜部６２とを有する。第２膜部６２は、底辺６３と頂角６８との間のより頂角６８に近い位置に配置される。第２膜部６２は、頂角６８と底辺６３とを結ぶ垂線となるスクープ６０の中心線を軸として線対称になるように配置される。すなわち、第２膜部６２は、第１等辺６４との間の距離と第２等辺６５との間の距離とが等しくなるように配置される。第１膜部６１は、底辺６３、第１切欠辺６６及び第２切欠辺６７のそれぞれの近傍で、気球１０に接合される。

係留気球１０では、第１膜部２１の透過率は０．５であり、第２膜部２２の透過率は０であったが、スクープは透過率が比較的高い第１膜部と透過率が比較的低い第２膜部とを有していればよい。

透過率が比較的高い第１膜部の透過率は０．５以上０．９以下であることが好ましい。第１膜部の透過率が０．５よりも小さくなると、スクープが気流を受けることにより生じるモーメントが気球１０に生じる気流を受けることにより生じるモーメントよりも小さくなり、気球１０が風見安定できなくなり好ましくない。第１膜部の透過率が０．９よりも大きくなると、スクープが気流を受けるときにスクープの風下側に発生するカルマン渦が大きくなり、気球１０の姿勢が安定しなくなり好ましくない。

透過率が比較的低い第２膜部の透過率は０以上０．３以下であることが好ましい。第２膜部の透過率が０により近くなると、スクープが気流を受けることにより生じる応力が大きくなり、スクープが発生するモーメントが大きくなり好ましい。

また、係留気球１０では、透過率が０である第２膜部２２は、高さが短径の０．２５倍となり且つ底辺が気球１０の短径の０．３倍となるように配置されるが、スクープの頂角を含むように配置される第２膜部の面積は、第２膜部の透過率に応じて変更してもよい。

係留気球１では、透過率が比較的低い第２膜部２２は、第１膜部２１と同様に形成されたポリエステルに、ナイロンにより形成されるナイロン膜を縫い付けることにより形成されるが、透過率が比較的低い第２膜部は他の方法で形成されてもよい。例えば、透過率が比較的低い第２膜部は、ナイロン以外の材料により形成される膜を張り付けることにより形成されてもよい。また、透過率が比較的高い第１膜部よりも密にポリエステルを編み込むことにより、透過率が比較的低い第２膜部を形成してもよい。透過率が比較的高い第１膜部を粗に編み込み、透過率が比較的低い第２膜部を密に編み込む場合、第１膜部及び第２膜部の内部は均一に編み込んでもよく不均一に編み込んでもよい。また、スクープの底辺から頂点に向かって徐々に密になるように編み込むことによって、透過率が異なる部分を形成してもよい。底辺から頂点に向かって徐々に密になるように編み込んでスクープが形成される場合、スクープの面状の任意の場所の単位面積当たりの透過率を比較することによって、透過率が比較的高い第１膜部と透過率が比較的低い第２膜部とを決定できる。

係留気球１では、気球１０は、内部に気体が充填されているときに高さ方向に短軸を有する回転楕円体状の形状を有するが、気球の形状は、高さ方向に短軸を有する回転楕円体状の形状に限定されない。例えば、気球は、幅方向に短軸を有する回転楕円体状の形状でもよく、球形状でもよく、ドーナッツ状でもよく、他の適当な形状でもよい。

係留気球１では、第１〜第３係留索３０〜３２と、主係留索３３とによって、気球１０が不図示のウインチに係留されているが、第１〜第３係留索３０〜３２を有さずに、主係留索３３のみによって、気球１０がウインチに係留されてもよい。この場合、スクープ２０は、接続索２９を介して主係留索３３に接続される。また、第１〜第３係留索３０〜３２の代わりに２本、又は４本以上の係留索を配置してもよい。この場合、スクープ２０は、接続索２９を介して２本、又は４本以上の係留索の何れかに接続される。第１〜第３係留索３０〜３２の代わりに４本以上の係留索を配置する場合、スクープ２０は、４本以上の係留索の何れか２本以上と接続されてもよい。スクープ２０が４本以上の係留索の何れか２本以上と接続される場合、スクープの形状は、方形にしてもよい。また、主係留索３３を有さずに、第１〜第３係留索３０〜３２によって、気球１０がウインチに係留されてもよい。

１ 係留気球
１０ 気球
２０、５０、６０ スクープ
３０〜３４ 係留索

Claims (5)

1. 気球と、
   一方の面から他方の面に空気を透過する第１膜部と、一方の面から他方の面に空気を透過する割合が前記第１膜部よりも小さい第２膜部とを有し且つ前記気球の表面に一部が接合されたスクープと、
   一端が前記気球の表面に接続され且つ少なくとも１つが前記スクープに接続された単数又は複数の繋留索と、を有し、
   前記第１膜部は気球の表面に接合された接合部を含み、前記第２膜部は前記繋留索に接続された接続部を含むように配置される、ことを特徴とする係留気球。
2. 前記スクープは、底角部分が切欠された二等辺三角形状に形成される、請求項１に記載の係留気球。
3. 前記第２膜部は、前記スクープの頂角を含むように配置される、請求項２に記載の係留気球。
4. 前記第１膜部の一方の面から他方の面に空気を透過する割合を示す透過率は、０．５以上０．９以下である、請求項１〜３の何れか一項に記載の係留気球。
5. 前記第２膜部の一方の面から他方の面に空気を透過する割合を示す透過率は、０以上０．３以下である、請求項１〜４の何れか一項に記載の係留気球。

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