風船が飛行機よりも高く、遠く、長く飛べる理由

2002 年 5 月、日本の北にある三陸バルーン センター (SBC) から打ち上げられた気球は、人類がこれまで樹立した絶対高さの記録を静かに破りました。

それは、1783 年に最初に成功した気球上昇によって達成された高さをすぐに超えて浮上しました。それは、10.8 km (35,433 フィート) に達した 1901 年の気球飛行をすり抜け、成層圏の発見につながりました。 ヘリコプター、プロペラ機、ジェット機など、あらゆる種類の航空機がこれまでに樹立した高さの記録をすべて超えて滑空しました。

この気球は、元グーグル幹部のアラン・ユースタス氏が2014年に気球で135,899フィート（41.4km）まで上昇し、その後カプセルから出てスカイダイビングして地球に到達した際に達成した記録破りの高さよりも高かった。

成層圏の上流を通って、大気の最も冷たい部分を含む中間圏へと上昇し続けました。 ここでは、気温が約 -143 度 (-225 度) まで低下する可能性があり、これは地球の表面でこれまでに記録されたどの気温よりも低いです。

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気球は最終的に地表から 53 km (173,900 フィート) の高さに到達しました。 ロケットで発射された物体または大砲で発射された物体だけがより高く舞い上がりました。 人間とその科学機器を宇宙の果てに最も近づけたのは、航空機ではなく気球です。

これらの一見単純な航空装置は、他の航空機ではできない場所に計器や機器を運び、そこに長時間留まることができます。

中国とみられる監視気球が米国上空約18キロ（6万フィート）を漂流して撃墜された数日後、BBCフューチャーは、なぜ気球が科学者、インターネット企業、気象予報士、科学者らの頼りになる選択肢なのかを考察した。潜在的には政府のスパイ機関。

風船はどこまで高くまでいけますか？

記録を樹立した2002年の気球や、今月米国との外交問題を引き起こした中国の気球など、高高度に到達する気球は、明らかに、ジョイライドに使用される熱気球とは異なる種類のものである。 これほど高くまで上昇し、一度そこに着いた後も起き続けることができる宇宙船を作るには何が必要なのでしょうか?

今月米国上空を通過した中国の気球が外交事件を引き起こしたが、中国はスパイ行為を否定した（クレジット：ロイター）

米国の高高度気球メーカー、エアロスターのラス・ヴァン・ダー・ワーフ氏は、誰よりも優れたアイデアを持っている。 同社の成層圏ソリューション担当副社長である Van Der Werff 氏は、旅客機の領域より数キロメートル上空で使用する気球を設計するチームを率いるエンジニアです。 レイブン・エアロスターは防衛部門と商業部門の両方で働いており、グーグルの緊急インターネットプロジェクト「ルーン」の気球をデザインした。 (Google の風船が作成者をどのように驚かせたかについて詳しくはこちらをご覧ください。)

過去 10 年間に、エアロスターは 3,000 機以上の気球を打ち上げ、その過程で気球の製造方法を改良してきました。 「私たちはプラスチックのさまざまな配合を行ってきました。そして、現在使用している独自のものがいくつかありますが、それらは10年前に使用していたものよりも大幅に優れています。もう1つは、そのプラスチックがどのように縫い合わされたり溶接されているかです。」一緒に行うことは、私たちが何度も繰り返し行った特別なプロセスです。」

これらの改良は、気球がより高く飛ぶのを助けるだけでなく、より長く空中に留まるのにも役立ちます。 「ちょっとしたアイデアを言っておきますが、現在当社が提供している商用製品であるサンダーヘッドでは、これまでに 1 個の気球で 150 日間を超える飛行を行ってきました。そして、ルーンの場合、最終的な記録は 320 日でした。したがって、これらは 30 年前には絶対に存在しなかった数字であり、材料と製造技術はその寿命に大きな違いをもたらしました。」 ルーンプロジェクトは2021年に中止されたが、ファン・デル・ワーフ氏は、彼の会社がまもなく暦年丸々空中に留まる気球を打ち上げることができるだろうと期待していると語った。

今週、中国の気球が太平洋と米国本土の数千マイルを飛行した後に撃墜されたことは、そのような気球がカバーできる距離が膨大であることを示している。 どれくらいの高さまで飛行できるかは、ペイロードを運ぶ気球がどれだけうまく作られているかによっても決まります。

ドローンや人工衛星の時代でも偵察気球がなぜ役立つのかについては、上のビデオをご覧ください。

Loon の気球艦隊は、遠隔地や災害の影響を受けた地域でのモバイル通信を可能にする通信技術を搭載しており、高さ 19 ～ 25 km (62,700 ～ 82,500 フィート) で動作するように設計されています。 これはほとんどの旅客機が飛行する高さの 2 倍であり、最も特殊な軍用機を除くほぼすべての軍用機よりもかなり高いです。

高高度気球は何を運ぶのですか?

これらの気球は、その使命に応じて、科学測定機器から通信機器、あるいはスパイ活動が目的の場合は、下の地面を観察するためのセンサーやカメラに至るまで、あらゆるものを運びます。 機器を設計するのは難しい環境だと Van Der Werff 氏は言います。 「気球の電子機器の設計は、宇宙船の電子機器の設計によく似ています。わずか 90,000 フィート (27.2 km) の大気の密度は、ここでは約 1% です。

「あそこはとても寒くて、マイナス80℃（-112°F）まで下がるでしょう」と彼は言います。 「しかし、面白くて興味深いのは、成層圏用のエレクトロニクスを設計するとき、実際には成層圏には空気がないため、実際には成層圏を暖かく保つことよりも冷たく保つことに苦労するということです。 「ヒートシンクにファンを吹き付けて熱を逃がします。その課題の裏返しとして、すべてのものが起動して地上で実行されることになります。そのため、その環境で動作させてから、[90,000 フィートの] 別の環境に移行する必要があります」 』という挑戦です。

エアロスターは近年、3,000 機を超える高高度気球を打ち上げています (クレジット: エアロスター)

地表から 20km 以上上空でこれらの電気機器を動かし続けるのも簡単ではありません。 「今日のほとんどの航空は依然として化石燃料によって動力を供給されています」とヴァン・デル・ワーフ氏は言う。 「ジェット燃料を燃焼させると、大量の電力が発生します。航空機用に設計されたほとんどの電子センサーや通信機器は、大量の電力を消費します。なぜなら、電力はほとんどの航空機にとって大きな制約ではないからです。」

バルーンで運ばれる器具には別の解決策が必要です。

「私たちは日中に太陽光発電からすべてのエネルギーを取り入れ、バッテリーを充電し、夜はバッテリーを使って漂流します」とヴァン・デル・ワーフ氏は言う。 「そして、気球を上下に動かすときは、最大 800 W まで引き上げることができる電動コンプレッサーを使用します。キットや通信キットのセンサーのエネルギー使用に関しては、実際の設計上の制約があります。」

このような風船をどうやって制御するのでしょうか？

このような高さで気球の進路を変えるのも困難です。 ファン・デル・ヴェルフ氏は、成層圏の独特の特性を利用できる最善の方法は、気球を上下に動かすことだと述べている。 「成層圏と呼ばれるのは、そこには大気の性質が異なるさまざまな層があるからです。これらすべての気球を飛行させてわかったことは、さまざまな高度では実際に風速と風向にかなりの多様性があるということです。これらのさまざまな層があり、風はさまざまな方向に吹いています。」

その多くは数十年前まで知られていなかったが、科学者や技術者は成層圏の風のパターンを予測するためにアルゴリズムを使用している。

これは、気球は航空機のように固定点の周りをレーストラック パターンで飛行することによって「徘徊」することはできませんが、これらの層間の異なる風のパターンを利用できることを意味します。

スティーブ ランドールの気球の中には、500 マイル (800 km) もの距離を飛行したものもあります (クレジット: Steve Randall)

「成層圏のさまざまな層における風の多様性を正確にモデル化して予測できれば、高度を変更して、ある地域上で持続することができます」と Van Der Werff 氏は言います。 「そして、測定し、観察し、伝達しようとしているものに十分近づいている限り、たとえその目標点の周りを半ば目的もなくさまよっていたとしても、私は有用な効果を提供しているのです。」

コスト

気球はロケットで打ち上げられる人工衛星よりもはるかに安価であるため、商業的に利用できるだけでなく、熱心なアマチュア愛好家の間でも利用可能です。

スティーブ・ランドールもその一人だ。 過去 15 年間にわたり、彼はイングランド東部の自宅近くから 200 機以上の気球を飛ばし、高高度気球会社ランダム エンジニアリングの経営を手伝っています。 かつて自家製ロケットを製造したこともある退職技術者は、その魅力の一部は、一般の人々が宇宙に触れることができる最も近いところにあることだと語る。

「典型的なゴム風船のようなものは、おそらく約 100,000 フィート (30.48 km) まで到達します」と彼は言います。 「私の最高飛行距離は 45 km (147,638 フィート) でした。これを見れば、達成可能な距離がわかります。」 2002年に日本軍が証明したように、より高い飛行も可能だが、それにはより大きな代償が伴う。

「典型的なラテックス風船のフライは上昇するだけで、大気はますます薄くなり、圧力が低下するため、風船は大きくなります」とランドール氏は言う。 「そして、それは爆発するこの点に達するまで、ひたすら上昇し、上昇し続けます。その後、パラシュートで地面に降下します。」

空中で移動できる距離が魅力的です。 気球は、ドローンや航空機とは異なり、燃料やバッテリーの電力によって制限されません。 これは、非常に単純な気球であっても、適切な風の条件下では長距離を移動できることを意味します。

「夏の間なら、おそらく 10 マイル (16 km) くらいは行くかもしれません」とランドールは言います。 「冬には500マイル（800キロ）になるかもしれません。私は個人的に気球をイギリス国外に着陸させたことがあります。」

高高度気球飛行が最近のようにニュースの見出しになることはめったにありませんが、世界中の気象観測所から毎日少なくとも 1,800 機の気象観測気球が打ち上げられています。 多くは発見者に適切な施設に戻すよう求めるメモを残しており、中には報酬を提供するものもある。

「私自身ペイロードを失ったことは一度もありません。打ち上げたペイロードはすべて戻ってきました」とランドール氏は言います。 「気球飛行は、おそらく 50 マイル (80 km) 離れたところまで上昇し、降下し、どこかの農家の畑からそれを回収することになります。時々、気球が木に着地するので、棒を取り出して引っ張らなければなりません。下。"

彼が打ち上げた 200 個以上の風船のうち、木の上に落ちすぎたために回収できなかったのは 1 個だけでした。「ご存知の通り、取り返すために 50 フィート (15 メートル) の木に登るのはちょっと大変でした。」 – しかし、少なくとも彼はそれがどこに行き着いたのかを知っていました。

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