JAXA大气球研究報告2022年

　　JAXA（Japan Aerospace Exploration Agency）气球组每年2月都会发布前一年关于高空科学气球所做研究工作报告，具有很好的参考意义。这期继续来看看JAXA气球组在2022年都做了哪些研究工作吧。
　　宇宙航空研究開発機構研究開発報告
　　大気球研究報告
　　2022年2月
　　大气球专业委员会-委员长
　　菅原 敏
　　大气球实验在各个研究领域提供了强大的实验和观测平台。需要减小大气影响的天文、宇宙观测、希望在稀薄大气等特别环境下实施的工程实验、只有在平流层飞行才能得到的生物学实验和地球环境观测等，其研究领域非常广泛。不断提出新的实验，取得了许多科学成果，可以说大气球实验是今后必不可少的平台。
　　此次的大气球研究报告，关于去年被实施了的球膜盖上网的超压气球的性能试验和本年度被实施了的高精度位移测量装置的实证实验的两个研究，报告了这两个成果。这些都是以确立将来重要的技术为目标的实验，期待这些成果能进一步飞跃到下一个阶段。
　　继上一年度之后，克服了新型冠状病毒感染症带来的诸多困难，今年也实施了国内的大气球实验。本年度的气球实验在2021年5月17日至8月25日期间进行，预定了极薄钙钛矿太阳能电池的气球飞行、高精度位移测量装置的实证、平流层中的微生物捕获实验、火星探测用飞机的高高度飞行试验、气球VLBI实验5个实验。其中，顺利地实施了钙钛矿太阳能电池、高精度位移测量装置、微生物捕获3个实验。对于剩下的2个实验，由于气象条件不符合等理由，实验被推迟。虽然疫情的影响已经是第二年了，但在各种各样的困难中，在气象条件等允许的范围内尽可能地进行实验，可以说是多亏了很多相关人员的努力和合作。
　　其中，除了疫情之外，成为实验大障碍的异常气象，可以说是值得特别关注的状况。根据大气球实验组对发放场地上空的风的分析，可知在本期的实验期间，除了喷气气流的影响显著之外，平流层的东风维持充分强度的期间短。近年来，对于国内的大气球实验来说，持续着极其严峻的气象条件，如果说地球规模的气候变化和这些异常气象有关的话，就有必要仔细观察今后的状况。今后，在期待气象条件好转的同时，在实验上可能的范围内尽可能扩大放球机会的努力是必要的。另一方面，关于从2021年延期到2022年的澳大利亚实验，果然新型冠状病毒感染症的影响还没有结束，只好进一步延期1年。在关注今后的形势的同时，希望2023年能顺利实施澳大利亚实验。
　　论文1
　　球膜覆盖网的长时间飞行用超压气球NPB2-3的飞行性能试验（B20-03实验）
　　斎藤芳隆*1，山田和彦*1，秋田大輔*2，中篠恭一*3，松尾卓摩*4，山田昇*5，松嶋清穂*6
　　*1宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所
　　*2東京工業大学 環境・社会理工学院
　　*3東海大学 工学部
　　*4明治大学 理工学部
　　*5長岡技術科学大学 大学院 工学研究科
　　*6 松嶋技術士事務所
　　摘要：在体积为2000m3的球膜上覆盖网的超压气球的飞行试验作为B20-03实验进行。这是第一次在没有被气球牵引的情况下使球膜上覆盖着网的超压气球飞行。气球与通常一样，通过半动态放球法进行了放球，但气球在放球之后没有得到预期的上升速度，进而观察到速度的降低。在投下压载物保持5m/s以上的上升速度后，到达安全海域时，驱动破坏机构，使气球下降。该上升速度下降问题的调查从收集的数据和回收的气球的调查两方面进行。从搭载照相机的气球影像中判明发生了气体泄漏。另外，在滚筒释放之前，由测力传感器测定的滚筒施加的向上张力没有变化，放球之后的上升速度比预测的小，因此判明这是在滚筒释放之后发生的。通过对回收的气球的调查，发现存在数百个用刀具切下的直线且边缘伸长的特异的狭缝状的孔。研究了重现类似孔洞的条件，发现网线在10m/s强高速撞击时极有可能是由冲击破坏引起的。作为该对策，正在研究使用多层化球膜、以及在放球时将气球静立起的新的放球方法。
　　关键词：科学观测用气球、超压气球、膜结构物
　　我们发现了通过将由高张力纤维制成的菱形网覆盖在薄膜制的气球球膜上来提高耐压性能的方法，并成功地进行了验证。如果使用该方法，则通过使用细目的网，对薄膜的要求强度降低，因此可以使薄膜变薄而减少重量，使气球轻量化。使用该方法的长时间飞行气球的开发从2010年开始，从小型气球的地面试验开始，依次大型化，2019年通过体积6400m3的气球的地面膨胀试验确认740Pa的耐压性能。迄今为止，在悬挂在零压力气球上的串联气球结构中实施了三次飞行试验（BS11-02[8]、B12-02[9]、BS13-04[10]），但未实施单独飞行的实证试验。因此，我们对ISAS/JAXA提供的平流层气球飞行机会的公开招募从2014年度开始提出了飞行试验，并一直被采纳（B14-03、B16-04、B17-03、B18-06、B19-03），但没有获得飞行机会。这是因为，从飞行安全的观点出发，施加了仅在可回收区域内能够进行气球的飞行的极其严格的条件，因此该条件所满足的气象条件不具备。
　　为了在有限的可回收区域内实施实验，缩短飞行时间是有效的，为此需要降低达到满膨胀的高度。在地面向气球注入的氦气量由全系统重量和用于提供上升速度的自由浮力决定，通过增加搭载重量，许多气体被注入气球，因此满膨胀高度下降。另外，在地上注入相同的气体量的情况下，体积小的气球在低的高度迎来满膨胀。因此，代替当初准备的体积为5000m3或体积为7000m3的气球，准备体积为2000m3和体积小的气球，通过将搭载重量加重为500kg，使满膨胀高度降低到11km，能够在狭窄的飞行区域进行实验。但是，用该方法无法进行水平漂浮时的特性评价，为此目的的实验另行实施。这个方针变更奏效，2020年7月，作为B20-03实验实施了体积2000m3的超压气球的飞行试验。本文报道了这个实验结果。
　　实施了飞行试验的气球是体积为2000m3的NPB2型气球的3号机NPB2-3，是与在地面实施了膨胀、破坏试验的NPB2-2气球同型的气球。气球的规格如表1所示。这是第一次让球膜上覆盖网的方式的气球单独飞行。
　　表1:网状气球设计参数
　　图1: 吊舱在放球台上
　　图2:放球前从下面仰望的吊舱
　　图3:配线、泡沫塑料安装前的吊篮
　　图4:吊篮内的设备配置。吊舱的大小是1米× 70 cm
　　图5:B20-03实验飞行系统集成
　　图6:NPB2-3气球放球时的影像（从上到下依次为滚筒释放时、2秒后、4秒后）
　　图7:B17-02实验的放球时的影像（从上到下依次为滚筒释放时、2秒后、4秒后）
　　图8:B20-03实验的高度曲线。黑色：吊篮（GPS）、红色：气球（根据测距）。纵虚线表示放球时刻
　　图9:B20-03实验吊篮上升速度。纵虚线表示放球时刻，虚线表示压舱用尽的时刻
　　图10:破坏机构驱动前的气球状态
　　图11:破坏机构驱动后的气球状态
　　图12:放球前（大气压1008hPa）的气球
　　图13:气球破坏前（大气压265hPa）的气球
　　图14:NPB2-3气球半径随时间变化
　　图15:用辐射计测量的辐射量。黑线：可见+红外、红色：红外
　　图16:向下摄像机的影像（4点8分）
　　图17:向下摄像机的影像（4点26分）
　　图18:在回收的NPB2-3气球膜上发现的伤痕。十字伤的长度为5cm左右
　　图19:划伤（划伤）
　　图20:透明宽度的细应变伤（带筋伤）
　　图21:宽拉伸伤（宽拉伸伤）
　　图22:手指捏伤（捏伤）
　　图23:撕裂伤（割伤）
　　表2:颜色附近球膜的伤痕分布
　　图24:气球头部、尾部＂割伤＂的周长方向分布
　　图25: 1~20处＂割伤＂在子午线方向的分布
　　图26:＂割伤＂长度的分布
　　图27:十字部的放大图
　　图28:伤口周围的边缘
　　图29:未断裂的伤（之1）
　　图30:未断裂的伤（之2）
　　图31:断裂部截面方向
　　图32:断裂截面厚度
　　图33:剪刀划伤（正常使用）
　　图34:剪刀划伤（不连续）
　　图35:刀具划伤
　　图36:剃刀划伤
　　图37: 小石头割伤
　　图38:用刀具划伤后，拉伤
　　图39:φ0.4的线接触切断时的伤痕
　　图40:网与膜接触试验安装照片
　　图41:网与膜接触试验设置说明图
　　图42: 接触试验的速度记录
　　图43: 接触试验中的破损薄膜
　　图44:回收的气球头部
　　（这个摆放姿势莫名熟悉，看来头部和尾部都是这样检查的）
　　图45~50：气球头部撕裂路径及球幅序号
　　图51:开有加压状态孔的聚乙烯袋
　　图52:孔数与压差的关系
　　图53:开圆孔时孔数与压差的关系
　　图54:狭缝状孔
　　图55:开狭缝状孔时孔的数量与压差的关系
　　图56:孔数与差压的关系（圆孔和狭缝孔将孔数移动1.5和1）
　　总结和今后的对策
　　在体积为2000m3的球膜上覆盖网的超压气球的飞行试验作为B20-03实验进行。这是第一次单独球膜上覆盖网的超压气球飞行，是以地面试验中确认的各开发要素的综合试验的意义和飞行时的特性评价为目的的实验。由于气球在放球后没有得到预期的上升速度，而且速度也出现了下降，因此在投下压载物维持5m/s以上的上升速度后，在到达安全海域时，驱动破坏机构，使气球下降。在球膜上覆盖网的超压气球中，通过吊篮重量撕开薄膜的方式破坏气球尚属首次，已证明其正常工作。从得到的气球的影像中发生了气体泄漏，但在滚筒解放之前由于施加于由电池测定的滚筒装置的向上张力没有变化，放球后的上升速度比预测的小，因此判明这是在滚筒装置释放后不久发生的。通过对回收的气球的调查，发现在气球球膜上存在数百个用刀具切割的直线且边缘延伸的特异的狭缝状的孔。研究了再现该孔的条件，发现网线以10m/s强的高速碰撞时可能是由冲击破坏引起的。
　　作为这个对策，正在进行两种讨论。一种是使球膜多层，在放球时和膨胀时错开，使伤痕不重叠。通过使球膜为多层来提高气密性，对于在聚乙烯球膜的内侧放入橡胶气球的情况进行了验证，但在大型气球的情况下不能利用该方式。与放球时的盖的保护同样，使聚乙烯球膜多层化是有效的。该方法的缺点是气球的重量变重和施工费事，而且不能完全防止球膜的破损。
　　另一种方案是，在放球方法上下功夫，装气后，将气球静立在抛球台车上。例如，可以考虑在套圈部分保持气球的浮力，通过绞盘将与套圈结合的控制索抽出的方法，但在大型气球中，由于其长度达到100m，因此在大型气球中可能难以实施。
　　今后，在反复研究、实施对策的基础上，计划再次实施体积为2000m3的球膜上覆盖网的超压气球的飞行试验。
　　论文2
　　高精度位移测量装置在大气球环境下的功能验证（2021年度飞行实验）
　　石村康生*1，河野太郎*2，鳥阪綾子*3，宮下朋之*1，土居明広*4，山崎真穂*1，安田優也*1，田中宏明*5，小木曽望*6，中尾達郎*7，田村誠*8，水村好貴*8，福家英之*9，小幡奏天*10，山本晃也*1
　　*1早稲田大学
　　*2 研究開発部門
　　*3 東京都立大学
　　*4 宇宙科学研究所宇宙物理学研究科
　　*5 防衛大学校
　　*6 大阪府立大学
　　*7 研究開発部門第一研究ユニット
　　*8 宇宙科学研究所大気球実験グループ
　　*9 宇宙科学研究所学際科学研究系
　　*10 東京工業大学
　　为了实现将来的大型高精度结构，作者正在研究开发高精度位移测量装置，特别是X射线望远镜的支撑结构等一维细长结构两端的相对位置的测量，由PSD（Position Sensitive Device）组成。激光光源和反反射镜安装在测量相对位置的基准和目标上。正在开发中的位移测量装置在实际使用之前，用于大型天文卫星的地面测试，证实了其有用性。为了在宇宙和平流层的天文观测中实际使用，需要确认在各个环境中的适合性。因此，假设在大气球实验中使用天文观测机器，大气球实验：进行了DREAM（Demonstration Experiment of Alignment Monitor）。最高高度为29公里，飞行时间为2小时54分。由于气球吊篮的尺寸限制，激光光源和反光镜之间的距离为1m，在平流层的气球实验环境下，证实了该位移测量装置正常工作，由位移测量装置测量的位移之差为0.4μmRMS。
　　图1位移测量装置的测量原理——（a）平移位移的测量
　　图1位移测量装置的测量原理——（b）旋转位移的测量
　　表1位移测量装置机器一览
　　图2高精度位移测量装置搭载方式
　　图3反射器固定夹具
　　表2本实验中使用的各常数
　　图4荷姿（气球及吊篮）的外观图像
　　表3开发计划
　　图5系统框图
　　图6设备配置图
　　图7DREAM飞行时的外观
　　表4 质量表
　　表5 DREAM的预评估项目
　　表6 参数表
　　表7框架强度评价总结
　　图8变形及应力（Y方向3G）——最大Comb Stress（最大133MPa）
　　图8变形及应力（Y方向3G）——Min Comb Stress（最小‐135MPa）
　　表8 构件力
　　図9 部材力（Z 方向-5G）—剪力1（821N）
　　図9 部材力（Z 方向-5G）—剪切力2（1643N）
　　図9 部材力（Z 方向-5G）—轴向力（2374N）
　　図10 部材力（Y方向3G）—剪力1（1167N）
　　図10 部材力（Y方向3-5G）—剪切力2（1955N）
　　図10 部材力（Y方向3G）—轴向力（1188N）
　　图11DREAM飞行时的高度和气压记录
　　图12DREAM飞行轨迹——平面图
　　图12DREAM飞行轨迹——3维飞行轨迹（圆圈是每高度10公里的指标）
　　图13飞行时温度记录
　　图14飞行时PSD位移数据
　　图15飞行时用PSD测量的Y位移（蓝色）和来自温度的推定值（红色）
　　图16飞行时用PSD测量的Y位移（蓝色）和来自温度的推定值（红色）的FFT结果——振幅
　　图16飞行时用PSD测量的Y位移（蓝色）和来自温度的推定值（红色）的FFT结果——相位
　　图17放球时用PSD测量的位移
　　总结
　　在这项研究中，我们设想了在气球实验中使用天文观测仪器，并尝试了高精度位移测量装置在平流层环境中的功能演示。2021年7月9日的大气球实验：DREAM（DemonstRation Experiment of Alignment Monitor），在实验中，为了在高空对测量对象（反光反射器）施加规定的位移，产生了人工的周期性热膨胀μmRMS，FFT的振幅误差为2%μm@-45度，3hPa），PSD分辨率1.5μ与m相比也是非常小的差异，因此即使在大气球实验环境下，从尺度因子的环境依赖性的观点来看，这种位移测量装置也可以以足够的精度进行测量。