JPH10329796A - 高高度往還・滞空動力気球及びその運行方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】地上から成層圏下層までほぼ変わらない上昇力
を与える余剰浮力と沈降力となる自重をもっとも有効に
使えるように、全浮力と沈降力を制御し、途中のジェッ
ト気流などによって遠くへ流されることがなく、高速で
上昇・降下することができ、また気球形状や球体剛性を
損なわずに上昇・下降を行うことができる気球の制御機
構を提供すること。 【解決手段】気球は上昇時は浮揚ガスの浮揚力によって
成層圏まで上昇し、成層圏における水平飛行時は浮揚ガ
スの一部分を除去して残存浮揚ガスの浮揚力と気球の重
量を平衡させて高さ位置を保ち、降下時には浮揚ガスの
除去と空気の取り入れを併用して降下力の調整をしつつ
着地点上空まで降下し、着地点上空で減速して着地す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高高度往還・滞空動
力気球及びその運行方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一年中穏やかな晴天で、風がもっとも弱
い地上約２０ｋｍの成層圏下層に昼夜に渡って数年間滞
空し、太陽光や、地上からのマイクロ波のパワー送電で
電気推進で水平飛行をすると共に、地球環境保全のため
の監視や、高感度低電力での無線中継を移動体通信や携
帯電話のためにできる無人気球が提案されている。この
種の高高度往還・滞空動力気球の地上から成層圏への上
昇・降下には、大別して、何らかの原動機のパワーを使
う方法と、浮力と自重の沈降力を使う方法とがある。

【０００３】

【解決しようとする課題】しかるに世界の空は航空路が
交錯しており、気球はこれらを避けて地上と成層圏との
間を上昇・降下せねばならず、かつ、この気球のミッシ
ョン高度と地上の間とはジェット気流等の高風速域があ
り、これらの風に流されずに目的の空域に達する必要が
ある。このようにこの種の気球は、限られた空域内で高
速で確実に往還できる機体の構成と機構及びそれを運行
する運行技術が必要である。また、従来の気球のエンベ
ロプの形は外気の圧力に従って大きくなったり小さくな
ったりして、気球の内外圧力差を一定値以下に保ち、軽
量でなければならない薄くて弱い球皮の破壊を防いでい
るが、高速で上昇・降下を行うと、従来の気球では球皮
が高速の空気流の風圧で振動させられ破壊に至ることが
あるので、機体に装備した太陽電池セルやマイクロ波受
電用アンテナの保護のため気球形状や球体剛性を損なわ
ずに上昇・降下を行う運行技術が必要である。

【０００４】前述のように、従来の高高度往還・滞空動
力気球の地上から成層圏への上昇・降下には、大別し
て、何らかの原動機のパワーを使う方法と、浮力と自重
の沈降力を使う方法とがあるが、このうち、原動機のパ
ワーによる方法では、原動機とその出力パワーの変換器
である推進機の性能が２０ｋｍ上空までの高度の大気状
態全域に渡って有効な出力を出せない。また気球形状や
球体剛性を損なわずに上昇・降下を行う運行技術も開発
されていない。

【０００５】また従来の浮力と自重の沈降力を使う自由
気球形式の気球は浮力が小さく低速度であり、成層圏ま
での空域を高速で移動するには速度が十分でなく、途中
でジェット気流の影響を受けやすく、かつ航空路の邪魔
になりやすい。また気球形状や球体剛性を損なわずに上
昇・降下を行う運行技術も開発されていない。

【０００６】この発明は上記のごとき事情に鑑みてなさ
れたものであって、地上から２０ｋｍ上空までほぼ変わ
らない上昇力を与える余剰浮力と沈降力となる自重をも
っとも有効に使えるように、全浮力と沈降力を制御し、
途中のジェット気流などによって遠くへ流されることが
なく、高速で上昇・降下することができ、また気球形状
や球体剛性を損なわずに上昇・降下を行うことができる
気球の制御機構を提供することを目的とするものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的に対応して、こ
の発明の高高度往還・滞空動力気球は、流線形部分を有
する外形状を有する気球エンベロプと、空気吸入口と前
記空気吸入口に取り付けられた空気吸入口弁と及び前記
空気吸入口に取り付けられた空気吸入ブロアとを前記気
球エンベロプの頭部に備え、かつ前記気球エンベロプ内
の気体を排出する排気口と前記排気口に取り付けられた
排気弁と推進装置及び尾翼を前記気球エンベロプの尾部
に備えていることを特徴としている。

【０００８】またこの発明の高高度往還・滞空動力気球
の運行方法は、上昇時は浮揚ガスの浮揚力によって成層
圏まで上昇し、成層圏における水平飛行時は浮揚ガスの
一部分を除去して残存浮揚ガスの浮揚力と気球の重量を
平衡させて高さ位置を保ち、降下時には浮揚ガスの除去
と空気の取り入れを併用して降下力の調整をしつつ着地
点または着水点上空まで降下し、着地点または着水点上
空で減速して着地または着水することを特徴としてい
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の詳細を一実施の
形態を示す図面について説明する。図１において、１は
高高度往還・滞空動力気球である。高高度往還・滞空動
力気球１は流線形の外形状を有する気球エンベロプ２を
有する。

【００１０】この気球エンベロプ２はガス嚢３を内臓し
ていて、そのガス嚢３内にヘリウム等の浮揚ガスを収容
する。気球エンベロプ２は機軸方向の頭部に空気吸入口
４と空気吸入口４を開閉する空気吸入口弁５と及び前記
空気吸入口５を通して気球エンベロプ２内に空気を取り
入れる空気吸入ブロア６とを配設している。また気球エ
ンベロプの頭部外表面に水平と垂直の合計４枚の制御翼
９が取り付けられている。

【００１１】次に気球エンベロプ２は機軸方向の尾部に
ガス嚢３内の浮揚ガスを排出する排気口７と排気口７を
開閉する排気弁８を備えている。気球エンベロプの尾部
には推進装置１１と尾翼１２が取り付けられている。推
進装置１１は原動機１３、減速器１４及びプロペラ１５
とを有する。原動機１３への電源としては太陽電池１
６、二次電池１７を用いる。尾翼１２、減速器１４はそ
れぞれ気球エンベロプ２の外表面に貼設された尾翼座帯
１８、推進機運用座帯２１を利用して気球エンベロプ２
に取り付けられる。

【００１２】気球エンベロプの下部には加圧ブロア２２
及び排気用調圧弁２３が設けられている。これらの加圧
ブロア２２及び排気用調圧弁２３は地上或いは２０ｋｍ
上空の高度を飛行中にガス嚢３内に外部空気を供給しか
つ調圧するためのものである。

【００１３】このように構成された高高度往還・滞空動
力気球１の諸元の一例は次の通りである。気体全長２５
ｍ，最大径７ｍ、容積６５０ｍ³ 、表面積４３６ｍ² 、
機体速度２０ｍ／ｓである。

【００１４】次にこのように構成された高高度往還・滞
空動力気球１の運行方法を図４について説明する。

【００１５】まず始めに高高度往還・滞空動力気球１は
係留索３１によって地上に係留される。この時、気球エ
ンベロプ２は頭部を上にしていて補助気球３２が連結さ
れていてかつ運用索３３が連結している。この時、気球
エンベロプは加圧ブロア２２を通して空気が供給され、
加圧され、かつ排気用調圧弁２３から排気も行われて圧
力の調整が行われている（図４ａ、地上係留過程）。

【００１６】次に係留索３１、運用索３３を人力若しく
は自動装置で切り離す（図４ｂ、切離し過程）。

【００１７】次に切り離された高高度往還・滞空動力気
球１は補助気球３２に浮力補助されて上昇する。気圧の
減少に応じて排気用調圧弁２３から排気を行い気球の内
外圧を平衡させる。こうして高高度往還・滞空動力気球
１及び補助気球３２は地上約２０ｋｍの成層圏下層に達
する（図４ｃ、上昇過程） 次に成層圏下層のミッション高度に達した高高度往還・
滞空動力気球１は滞空飛行をする準備をする。そこでま
ず、補助気球３２を切り離す。切り離しの動力としては
電熱若しくは火工品を使用する（図４ｄ、補助気球切離
し過程）。切り離された補助気球から徐々に浮揚ガスを
排出しかつ補助気球内に空気を導入すれば補助気球の浮
揚力は減少して落下し、この間、高高度往還・滞空動力
気球１は徐々に水平飛行姿勢に変化する（図４ｅ、補助
気球落下過程）。

【００１８】次に必要に応じて水平飛行し所定の滞空位
置に移動する（図４ｆ、水平飛行過程）。

【００１９】次に滞空を終了して降下する場合には、推
進装置を停止させ、気球エンベロプの外側に取り付けら
れている重量搭載物である二次電池等を切り離してケ−
ブルで気球エンベロプの頭部に吊り下げ、気球の重心を
頭部の前方に移動させる。二次電池等の切り離しの動力
としては火工品を使用する。これと同時に次に気球エン
ベロプ２の尾部の排気弁８を開いて排気口７を通してガ
ス嚢３内の浮揚ガスを排出しつつ、頭部の空気吸入口弁
５を開き空気吸入ブロア６を作動させて空気吸入口４を
通して空気を気球エンベロプ内に取り入れると、高高度
往還・滞空動力気球１の浮揚力が徐々に減少して頭部を
下向きに傾け降下態勢になる（図４ｇ、降下開始過
程）。

【００２０】引き続いて気球エンベロプ２の尾部の排気
弁８を開いて排気口７を通してガス嚢３内の浮揚ガスを
排出しつつ、頭部の空気吸入口弁５を開き空気吸入ブロ
ア６を作動させて空気吸入口４を通して空気を気球エン
ベロプ内に取り入れることによって高高度往還・滞空動
力気球１の浮揚力を調整して降下速度を調整すると共
に、内外の圧力差を平衡させて気球エンベロプの形状を
保ち球皮の破裂を防ぎ空気抵抗を最小にする（図４ｈ、
下降過程）。

【００２１】最後に着地点または着水点上空まで降下し
たら地表または水面との激突を避ける為、着地点または
着水点上空で気球の機軸を水平にして空気抵抗を増加さ
せ、またはフレアアウトによる動的揚力を利用して減速
し、かつ、重量搭載物である二次電池などを係留物とし
て吊り下げ（図４ｉ、フレアアウト過程）、着陸または
着水させ、地上もしは水上に係留して（図４ｊ、係留過
程）、支援車や支援船の回収に備える。

【００２２】

【実施例】ジェット気流や強い風に流される度合いを最
小にするためには、できるだけ短い時間で成層圏への上
昇および地上への降下をおこなわなければならない。

【００２３】（１．上昇過程）：上昇については、浮揚
ガスであるへリウムを気球の全備重量のほぼ１０倍の浮
力となるまで注入して、理論的にはほぼ１０Ｇの初期加
速度で上昇できる。なぜなら、風のもっとも弱い地上２
０ｋｍのミッション高度の成層圏の空気密度は地上の１
／１０位なので、この高度にとどまるには気球の全体積
の約１／１０のへリウムの浮力が気球の全備重量と釣り
あえばよい。従って、気球の全体積にへリウムを満たす
と、地上では気球の全備重量の１０倍の浮力を持つこと
になる。この状態で上昇を開始し、ミッション高度に到
達するまでに、気球の内外圧差を一定に保つようヘリウ
ムを排気していくと、全長約１５０ｍ、タテ、ヨコ比一
対四の、全体積が２０万立米位の回転楕円体型の気球は
約５分の時間で高度２０ｋｍの上空に達する。これはこ
の気球の抗力係数を０．１とし、抗力と浮力の釣り合う
条件から求めれる上昇速度を時間積分した距離が２０ｋ
ｍになることから得られる。

【００２４】上昇速度はさらに高めることもできる。こ
れは、大きな体積を持つ軽量の気球を補助気球として主
気球を牽引させることによって、より大きな利用浮力を
得る方法である。この補助気球はミッション高度で切り
離せば良い。このようにして上昇時間を最小にするに
は、気球の空気抵抗をできるだけ小さくすることと、全
備重量に比して上昇のための過大な浮力に耐えられるよ
うに気球の強度を高めること、そして上昇過程での高速
の空気流が球体に当たって、球皮を振動させて破壊しな
いように、気球の内外圧差を一定に保つことである。

【００２５】（２．降下過程）：上昇過程に反して、降
下過程で降下力に使える最大の力は気球の全自重のみで
ある。その力は、ミッション高度から降下に入るとき
に、出来るだけ早く気球内のヘリウムを空気に置換する
ことで得られる。しかしながら、この１Ｇ沈下は、全長
１５０ｍ、全体積２０万立米の気球の場合、地表近辺で
毎秒２０ｍを上回る速度になる。この地表へ激突する速
度は、降下時の姿勢を変化させることで約１／３に減速
することができる。すなわち、高空での降下時は最大速
度を得るために、空気抵抗のもっとも小さくなるように
回転楕円体状の球体の長軸方向に沈下した後に、地表近
辺で尾翼等を使い球体を９０゜回転させ機軸を水平に
し、沈降方向に対して最大面積となるように姿勢制御す
ることである。これによって、抗力係数と代表面積の積
の値が約１０倍となる。沈下速度はこの逆数の平方根な
ので約１／３に減速される。前述の全長１５０ｍの気球
の場合では、１Ｇで沈下を開始し、そのまま地表に到達
するとすると、約１５分位で降下を終了することにな
る。しかしながら、低速度に減速したといっても、地表
にかなりの重量の気球が衝突することは、気球自体の損
傷を招くことになるので、出来れば地表に接触する前に
気球の沈降を停止させ、低空に浮揚したままにすること
が望まれる。実際は、１Ｇ沈下の開始時は過大な空気量
を吸い込まないと気球の形状と剛性は維持できない。こ
のため１Ｇ沈下の代わりに例えば０．２Ｇ沈下を行い、
地表近くになり、０．３Ｇ相当の重量の搭載物を十分長
いケーブルで吊り、地表に先に到違させることによって
０．１Ｇ相当の浮力を得て、気球を低空に浮遊させる。
同時に地表に到達した搭載物をアンカーとして、気球を
空中係留し、風によってある程度の揚力を発生させるよ
うに、この係留ケーブルと気球体との結節点の位置関係
を決めて、気球が地表面に接触しないようにする。気球
の降下は日本の場合は海上で行うことになる。成層圏滞
空飛行船となる高々度気球は推進用の動力系を持ってお
り、このうち、エネルギーの貯蔵器となる電池がかなり
重い搭載物であり、他の推進機やモータなどと比べて、
取り外しが容易な重量物である。この電池を地表到達時
にアンカーとして使用する。もう一方はミッション用の
搭載物である。一般に気球が大型になればなるほど、空
気抵抗にさらされる面積が全備重量や利用浮力の大きさ
の割には相対的に小さくなるので、空気抵抗の効果が上
昇のための浮力や沈降力に比して小さくなり、上昇や降
下速度は増す。さらに、気球の大型化による浮力の増加
の度合いも大きいので、例えば夜間推進用の電池が搭載
できるようになり、昼間のみのミッションだけでなく夜
間の飛行と長期間滞空が可能になるが、この場合はアン
カー用の電池の割合が増すことになるので、その分ヘリ
ウム・ガスを多く放出でき降下速度も大きく取れること
になる。アンカー用ケーブルの長さは気球が減速してか
ら再び上昇に転じる間に地表に接触しないように十分な
長さを持つようにする。成層圏長時間滞空機の機体の重
量構成比の一例を表１に示す。

【００２６】以上、運行の要点は特に、降下過程で浮
力を全備重量の０．１〜０．４倍だけ減じて降下し、
地表に近くなったら機軸を水平に姿勢制御をして、沈降
速度を１／３に減速する。同時に、地上近辺で搭載物
を長いロープで吊り下げ、先に地表に到達させ、全備重
量の０．１〜０．２倍になる上昇用の利用浮力を回復し
て低空係留をする。係留ケーブルの長さは地表に接触
せず減速が十分できる長さであると同時に、係留中は風
で地上に接触しない長さであること、である。。以上の
説明から明らかな通りのこの発明の高高度往還・滞空動
力気球技術によれば、ジェット気流等の風で流されない
ように高速で上昇・下降をすることを実現する。この気
球は上昇・降下に伴うへリウムなどの浮揚ガスの膨張・
収縮を上昇・降下の速度に応じて気球内外の空気の出入
りを制御して、気球の形状を不変に保つ機構を有し、空
気抵抗を最小に押さえ、気球の変形による球皮の破壊を
防止する。こうして通常の航空機では上昇して到達する
ことのできない成層圏下層の２０ｋｍの高度へ、一定空
域内で高速で随時昇り降りできる気球の性能を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】気球の側面説明図

【図２】気球の正面説明図

【図３】気球の背面説明図

【図４】気球の運行過程を示す説明図

【符号の説明】

１ 高高度往還・滞空動力気球 ２ 気球エンベロプ ３ ガス嚢 ４ 空気吸入口 ５ 空気吸入口弁 ６ 空気吸入ブロア ７ 排気口 ８ 排気弁 ９ 制御翼 １１ 推進装置 １２ 尾翼 １３ 原動機 １４ 減速機 １５ プロペラ １６ 太陽電池 １７ 二次電池 １８ 尾翼座帯 ２１ 推進機運用座帯 ２２ 加圧ブロア ２３ 排気用調圧弁

フロントページの続き (72)発明者 恩田 昌彦 茨城県つくば市並木１丁目２番地 工業技 術院機械技術研究所内 (72)発明者 寺木 潤一 茨城県つくば市御幸が丘３番地 ダイキン 工業株式会社研究所内 (72)発明者 水越 和夫 東京都豊島区東池袋３丁目１番１号 新エ ネルギー・産業技術総合開発機構内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流線形部分を有する外形状を有する気球エ
   ンベロプと、空気吸入口と前記空気吸入口に取り付けら
   れた空気吸入口弁と及び前記空気吸入口に取り付けられ
   た空気吸入ブロアとを前記気球エンベロプの頭部に備
   え、かつ前記気球エンベロプ内の浮揚ガスを排出する排
   気口と前記排気口に取り付けられた排気弁と推進装置及
   び尾翼を前記気球エンベロプに備えていることを特徴と
   する高高度往還・滞空動力気球
2. 【請求項２】上昇時は浮揚ガスの浮揚力によって成層圏
   まで上昇し、成層圏における水平飛行時は浮揚ガスの一
   部分を除去して残存浮揚ガスの浮揚力と気球の重量を平
   衡させて高さ位置を保ち、降下時には浮揚ガスの除去と
   空気の取り入れを併用して下降力の調整をしつつ着地点
   または着水点上空まで降下し、着地点または着水点上空
   で減速して着地または着水することを特徴とする高高度
   往還・滞空動力気球の運行方法
3. 【請求項３】前記浮揚ガスの一部分の除去は前記気球エ
   ンベロプ内の浮揚ガスの余剰部分の放出または補助気球
   の切り離しによって行うことを特徴とする請求項２記載
   の高高度往還・滞空動力気球の運行方法
4. 【請求項４】前記減速は前記気球の機軸を水平にして空
   気抵抗を増加させ、またはフレアアウトによる動的揚力
   を利用して行うことを特徴とする請求項２記載の高高度
   往還・滞空動力気球の運行方法
5. 【請求項５】上昇時は浮揚ガスの浮揚力によって成層圏
   まで上昇し、成層圏における水平飛行時は浮揚ガスの一
   部分を除去して残存浮揚ガスの浮揚力と気球の重量を平
   衡させて高さ位置を保ち、下降時には浮力を全備重量の
   ０．１〜０．４倍だけ減じて着地点または着水点上空ま
   で下降し、着地点または着水点上空で機軸をほぼ水平に
   姿勢制御をして沈降速度を１／３に減速し、かつ搭載物
   をロープで吊り下げ、先に地表または水上に到達させて
   全備重量の０．１〜０．２倍になる上昇用の利用浮力を
   回復して前記ロープを係留ケーブルとして前記気球を低
   空係留をすることを特徴とする高高度往還・滞空動力気
   球の運行方法
6. 【請求項６】前記ロープの長さは前記気球が地表または
   水上に接触せず前記減速が可能でありかっ前記低空係留
   中は風で前記気球が地上または水上に接触しない長さと
   することを特徴とする請求項５記載の高高度往還・滞空
   動力気球の運行方法