科学者たちは上空40キロに「気球」を飛ばして観測所として利用したいと考えている

制作：中国科学普及協会

著者: 高暁峰、黄万寧 (中国科学院航空宇宙情報イノベーション研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

近年、我が国の航空宇宙産業は力強い発展を遂げてきました。有人宇宙ステーションは軌道上建設ミッションを完了し、嫦娥プロジェクトは「周回、着陸、帰還」の3大任務を完了し、多くの天文観測衛星の打ち上げに成功し、目覚ましい科学的成果を達成した。天問1号は火星への着陸にも成功し、深宇宙探査の新たな章を開きました...ご存知でしたか?この一連の成果の裏には、「バルーン」も重要な役割を果たしていた。

誰もが風船で遊んだことがあると思いますが、その中でも特別な「風船」が1つあります。宇宙科学研究への扉が開かれました。その成果はノーベル物理学賞を2度受賞し、多くの宇宙天文衛星の打ち上げに大きく貢献しました。高高度科学気球です！

図1 高高度科学気球実験の結果は2度ノーベル物理学賞を受賞した

（画像出典：著者自作）

図2 高高度科学気球の模式図

（画像出典：著者自作）

宇宙科学を研究するのになぜ「気球」を使わなければならないのでしょうか?

この質問に答えるには、まず宇宙科学の研究方法から始めなければなりません。

1912年、オーストリアの物理学者ヘスは気球実験を通じて宇宙線の存在を発見しました。その瞬間から、宇宙からのさまざまな放射線を検出することが宇宙科学研究の重要な方法となりました。

図3 ヘスが宇宙線を発見

（画像出典：著者自作）

しかし、地球の濃い大気が赤外線、X線、ガンマ線など宇宙からのほとんどの放射線源を遮るため、地表で直接検出できる宇宙線は比較的まれです。地表から30km上空まで上昇できれば、大気の密度は海面のわずか1%と​​なり、多くの宇宙線や放射線源を直接観測することができます。科学者たちは、ここの環境はすでに宇宙の環境に非常に近いと考えています。

そのため、高度30～40kmまで飛行して観測できる科学機器を使用することが、科学者にとって唯一の選択肢となっている。

高高度科学気球は近宇宙で活動し、宇宙環境に近いものです。また、衛星よりも打ち上げコストが低く、準備サイクルが短く、打ち上げの柔軟性が高く、機器の回収が容易であるなどの利点もあります。これらは、大規模な宇宙科学プログラムの実施において、科学的アイデア、機器の原理、技術的方法を効果的かつ低コストで検証するためによく使用されます。そのため、高高度科学気球は、大規模な航空宇宙研究ミッションの背後に次々と登場しています。

高高度科学気球の使い方は？

図4 高高度科学気球を使った宇宙線の検出

（画像出典：著者自作）

図 4 に示すように、高高度科学気球はヘリウムを浮力ガスとして使用し、球体によって生成される正味浮力を利用して科学ペイロードを運び、高高度科学実験を実施します。典型的な高高度科学気球システムは、下の図に示すように、気球球、パラシュート、ペイロード ポッドの 3 つの部分で構成されています。

図5 高高度科学気球飛行システムの構成

（画像出典：著者自作）

一般的なラテックス風船との違いは、高高度科学気球が打ち上げ時およびホバリング中に破裂するのを防ぐために、気球の構造を変更する必要があることです。

高高度科学気球は、内部と外部の圧力差の違いによって、ゼロ圧高高度科学気球と超圧高高度科学気球に分けられます。ゼロ圧高高度科学気球は開放構造になっており、気球の内外の圧力差はほぼ0です。気球自体は大きな圧力に耐えられません。超高圧高高度科学気球は密閉構造を採用しており、特殊な構造設計により大きな圧力差に耐えることができます。

従来のゼロ圧高高度科学気球を例に挙げると、放出されたとき、浮力ガスは球体の空間を完全に満たさず、頭部に明らかな気泡が集まるだけで、高高度科学気球の下部は依然としてしわが寄った状態のままです。

図6 放出段階における高高度科学気球

（画像出典：著者自作）

このとき、システム全体の浮力が重力よりも大きくなり、高高度科学気球は自然に上昇します。高度が上がるにつれて、外部の大気圧が減少し、球体内のガスが膨張し始めます。高度が高くなるほど、大気の密度は低くなり、球体が空気を押しのけることで生じる浮力は小さくなります。浮力が重力と等しくなるバランスポイントに達すると、上昇が止まり、水平に飛び始めます。このとき、体積が最大限に膨張し、涙滴型になります。科学機器は通常、水平飛行段階で作動します。

図7 水平飛行段階における高高度科学気球の状態

（画像出典：著者自作）

ゼロ圧高高度科学気球は排気管を備えて設計されています。日中に長時間飛行し、太陽の光にさらされると、気球内のヘリウムの温度が上昇し、体積が膨張します。このとき、余分なヘリウムは排気管を通じて大気中に排出され、システム全体では浮力と重力のバランスが維持されます。

図8 水平飛行中のゼロ圧気球排気管

（画像出典：著者自作）

超高圧高高度科学気球には排気管がありません。特殊なカボチャ形の球状構造設計により、浮遊ガスの温度上昇による圧力上昇に耐えることができます。この設計の利点は、昼夜を問わず浮力ガスが失われることがなく、飛行時間を大幅に延ばせることです。昼夜を問わず体積がほとんど変わらないため、飛行高度も非常に安定しています。

図9: 超高圧高高度科学気球の外観

（画像出典：著者自作）

図10 超圧高高度科学気球とゼロ圧高高度科学気球の昼夜飛行高度の比較

（画像出典：参考文献6）

科学的なペイロードの要件に応じて、高高度科学気球の水平飛行段階の作業期間は、数時間から数十日間に及ぶことがあります。科学ペイロードがテストミッションを完了すると、水平飛行を終了できます。計測管制センターはパラシュートと気球をつなぐケーブルを切断するよう命令を出した。球状部分は重量減少により急激に上昇し、ヘリウムの激しい膨張により球状部分が破裂しました。そのため、高高度科学気球の球状部分は使い捨てとなり、リサイクルはできません。

図11 球体は切断後に破損する

（画像出典：著者自作）

パラシュートは素早く展開し、ペイロードポッドを下に載せてゆっくりと地面に落下しました。科学チームはペイロードポッドを回収した後、その後の飛行試験に引き続き参加できるように機器にさらなる反復的な改良を加えました。

図12 ペイロードポッドは回収可能

（画像出典：著者自作）

図13 高高度科学気球飛行全体のミッションプロファイル

（画像出典：著者自作）

独自の高高度科学気球技術

国内の高高度科学気球産業は、中国科学院高エネルギー物理研究所（以下、IHEP）から始まりました。 1977年6月、高エネルギー物理学研究所は宇宙線計画会議を開催した。会議では、李致北教授が「宇宙線天文学入門」について報告しました。会議では、「今後8年以内にできるだけ早く高高度科学気球技術を習得し、宇宙線天体観測を実施し、その後衛星打ち上げを目指す」という開発構想が提案された。

1977 年から 1984 年は、我が国の高高度科学気球産業の発展の第一段階でした。先輩科学者たちのたゆまぬ努力により、1983年に我が国初の高高度科学気球「HAPI-0」が河北省湘河県で打ち上げられ、ガンマ線を観測し、良好な宇宙観測データを取得しました。これは、我が国が独自の高高度科学気球システムを確立し、ゼロからの技術的飛躍を達成したことを意味します。

1985年から1990年は、我が国における高高度科学気球開発の第二段階でした。このステージの最大の特徴は「開発と応用の同時進行」です。数多くの科学実験が段階的に行われ、科学的応用のニーズを満たすだけでなく、高高度科学気球プラットフォーム技術も発展しています。

1986年、我が国は日本と協力して高高度科学気球による海洋横断飛行実験を実施しました。 5,000立方メートルの高高度科学気球が日本の鹿児島から離陸し、約18時間かけて浙江省桐廬県万里村に無事着陸した。上海天文台は高高度科学気球のキャビンを無傷で回収した。 1986年から1989年にかけて、日中共同の高高度科学気球飛行実験が計7回成功しました。

1991年から現在までの期間は、我が国における高高度科学気球開発の黄金期です。ゼロ圧高高度科学気球の技術は基本的に成熟している。さまざまな荷重と飛行高度の要件に応じて、小型から大型までの一連のモデルが形成されています。同時に、超高圧高高度科学気球の技術も急速に発展しています。

統計によると、わが国はこれまでに200回以上の高高度科学気球探査や技術実験を実施しており、研究分野は天文学、宇宙物理学、宇宙化学、大気物理学、微小重力、宇宙生物学、リモートセンシングに及んでいます。

中国の高高度科学気球は、宇宙科学探査に対する強い需要から生まれたと言える。高高度科学気球の開発の過程で、多くの宇宙科学機器や衛星の確立にも大きく貢献しました。

空に問いかける「悟空」の物語

中国科学院の宇宙科学における戦略的先導科学技術プロジェクトの支援を受けている「悟空」衛星（暗黒物質粒子検出衛星）は、わが国初の天文衛星です。 「悟空」は初めて宇宙から電子宇宙線の最高エネルギー領域を直接観測し、世界で最も正確な電子宇宙線の検出結果を得ることに成功しました。その最初の一連の結果は、2020年末にネイチャー誌に掲載された。ネイチャー・チャイナの科学ディレクター、イン・ゲジ氏は、「『悟空』の検出結果は、宇宙に対する私たちの見方を変えるかもしれない」と述べた。

「悟空」の打ち上げには、高高度科学気球の貢献も寄与した。

1990年代には、NASAが主導する先進薄イオンカロリメータ（ATIC）を搭載した高高度科学気球プロジェクトにより、南極で高高度宇宙線観測を行う計画が立てられました。

1997年、中国科学院紫金山天文台の張進（現・中国科学院院士）と彼のチームは、アメリカの科学者に対し、「ATIC」プロジェクトに原始高エネルギー電子の観測を追加することを提案した。チャン・ジンはアメリカの科学者たちを説得するためにアメリカに飛び、彼らの前で自分のアイデアをプログラムに書き込んで、検証のためのパラメータを計算した。

最終的に、チャン・ジンの努力のおかげで、アメリカ人は南極の高高度科学気球のテストデータを分析のために彼に引き渡すことに同意した。その後7年間で、張進は南極観測に3回参加し、3000万個を超える宇宙粒子の中から、通常のエネルギースペクトルを超える高エネルギー電子210個を発見することに成功した。チャン・ジンは、それらは宇宙の暗黒物質の消滅から生じる可能性があると信じていました。

2008年に、その結​​果はネイチャー誌に掲載されました。 ATIC高高度科学気球の実験検証により、2011年末に暗黒物質粒子検出衛星プロジェクトが中国科学院の宇宙科学パイロットプロジェクトに正式に組み入れられました。 2015年12月17日、「悟空」は無事に打ち上げられました。

図14 先進薄粒子熱量計（ATIC）高高度科学気球実験

（写真提供：ストラトキャット）

図15「悟空」

（写真提供：新華網）

洞察力は気球を先頭に空を調査する

2017年6月15日、我が国が独自に開発したHXMT（硬X線変調望遠鏡）衛星「インサイト」が無事に打ち上げられ、2018年1月30日に正式に運用が開始されました。「インサイト」衛星プロジェクトは、ブラックホールや中性子星などのコンパクト天体の最先端の問題を研究するための大規模な独立した革新的な宇宙科学プロジェクトです。これは、宇宙科学の分野における我が国の国際的地位の向上にとって大きな意義があります。

インサイトの成功は、主に高高度科学気球によるものです。 1990年代初頭、高能物理研究所の李致北院士と呉梅研究員は、非線形数学的手法を適用して元の測定方程式を直接反転し、画像化を実現する直接復調画像化法を提案しました。この方法では、より安価な機器を使用して、より高解像度の画像を生成できます。

1993年、この「安価で高品質」な画像技術に基づいた非位置敏感型硬X線検出器が、HAPI-4（高高度プラットフォーム機器）高高度科学気球実験を通じてブラックホール候補のCygnus X-1の走査観測に使用され、米国の同等の装置よりもはるかに優れた結果を達成しました。

図16 当時の国際的専門家は硬X線望遠鏡の成果を高く評価した

（画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所バルーングループ）

図17 HAPI-4球面望遠鏡ポッドと観測結果

（画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所バルーングループ）

もちろん、1 つの実験だけでは説得力がありません。高エネルギー物理学研究所天文学グループは、1992年、1993年、1998年、1999年、2001年に計5回の球形硬X線変調望遠鏡の飛行試験を実施した。2001年の高高度科学気球の容積は40万立方メートル、積載量は650キログラム、飛行高度は38.9キロメートル、飛行時間は6時間40分であった。硬X線変調望遠鏡高高度科学気球実験は、「インサイト」衛星の確立と打ち上げ成功のための強固な基盤を築きました。

太陽電池の「影のヒーロー」

太陽電池エネルギーシステムは宇宙飛行の最も基本的な保証です。宇宙用の太陽電池エネルギーシステムを設計する場合、標準的な太陽光下での太陽電池の正確な性能パラメータを取得する必要があります。特に、月や火星を探査する深宇宙探査機の場合、搭載するエネルギーシステムの重量は非常に限られています。太陽電池を多く搭載しすぎると、重量オーバーにつながりやすく、積載重量に影響を与え、積載重量を占有してしまいます。搭載する太陽電池が少なすぎると、飛行ミッションを達成できなくなります。

太陽電池の性能を正確に計算するには、標準光下での太陽電池の正確な性能パラメータに依存します。地上で模擬光を使用してセルを校正する現在の方法では、太陽電池のパラメータを正確に測定できないため、地球の大気圏外またはそれに近い環境で太陽電池を校正して測定する必要があります。

高高度科学気球は、その独特の動作方法により、太陽電池の校正作業を非常にうまく実行できます。大気の99.5%は35km以下にあります。この高度の上限には塵も水蒸気も大きなオゾン帯もないので、ここでの太陽光は基本的に宇宙からの太陽光です。高高度科学気球は、テスト対象のバッテリーを 35 km 以上の大気環境に運ぶことができ、その校正された光源の状態は理想的な AM0 (空気質量 0) 状態に非常に近くなります。

2018年8月8日、中国科学院宇宙情報イノベーション研究所は、高高度科学気球を使用して宇宙太陽電池の高高度較正試験を実施することに成功しました。中国で初めて、太陽電池の開放電圧、短絡電流、最大電力点電圧などのパラメータの詳細な測定を完了し、我が国の宇宙用新型太陽電池の開発を促進し、容易にしました。また、我が国の深宇宙探査ミッションや宇宙ステーションミッションなどの主要な航空宇宙ミッションのエネルギーシステムにも大きく貢献しました。

図18 中国科学院高高度科学気球の近宇宙における太陽電池の較正

（画像出典：参考文献[4]）

結論

現代の高高度科学気球は70年以上の歴史を持っています。これは現在最も成熟した近宇宙飛行プラットフォームであり、宇宙科学へと進む多くの新技術の基礎となっています。また、飛行時間の延長（超圧高高度科学気球）、指向精度の向上（惑星科学観測）、飛行方向の制御（持続的周期的高度調整技術）など、多方面での開発も進められています。

気球は宇宙科学の発展のニーズを満たすために使用され、さらなる革新をもたらしてきた古代の技術です。将来、私たちの科学者たちはこれを活用して、さらなる奇跡を起こすだろうと信じています。

参考文献

[1] Liao Jun、Yuan Junjie、Jiang Yi 他高高度ゼロ圧気球上昇過程の運動特性に関する研究[J]。スペースリターンとリモートセンシング、2019年、40(1):9。

[2] テンセント高高度気球から神舟4号まで:宇宙細胞電気融合装置の開発のレビュー

[3] 人民日報オンライン悟空の起源は「ヒッチハイク」プロジェクトです。

[4] Xu Guoning、Tang Yu、Li Zhaojie、他。太陽電池高高度気球校正のための鍵技術の研究[J]。 Acta Energiae Solaris Sinica、2021(010):042。

[5] 黄万寧、張暁君、李志斌、王生、黄敏、蔡栄。近宇宙科学技術の現状と応用展望[J]。科学技術評論、2019年、37(21):46-62。

[6] 朱栄塵、王勝。超高圧気球の研究開発状況[C]//第24回全国宇宙探査学術交流会議講演要旨集。中国宇宙科学協会、2011年。