| 研究課題/領域番号 |
19K04256
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
莊司 泰弘 大阪大学, 工学研究科, 助教 (70582774)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 成層圏気球 / 姿勢運動 / 機械力学 |
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| 研究実績の概要 |
成層圏気球は宇宙観測や宇宙工学の予備実験等のため世界中で用いられる．気球フライトシステムの姿勢運動はミッションの成否に大きく影響するが，その運動特性は上昇，下降中に大きく，水平浮遊中は小さくなることが知られている程度で，減衰特性などを定量的に予想する方法は確立されていない．研究代表者は，これまでにフライトシステム各部の姿勢運動と変形を計測解析する手法を開発し，実証した．これを用いてフライトシステム各部の姿勢運動データを収集，解析し，様々なフライトシステムに対して統一的に適用できる姿勢運動減衰モデルの獲得を目指す．本研究により気球による科学観測技術の発展に貢献する． 本研究では，成層圏を飛翔する大型気球が上昇から水平状態へ移行する過渡状態におけるフライトシステム各部の姿勢運動特性を，フライトデータに基づいて定量的に明らかにすることを目的とする．そのために，まずフライトシステム各部の姿勢運動データの収集を行う．気球フライトシステムはミッションによって様々であるから，データもできる限り多くの事例を収集する．つぎに収集したデータを特に上昇から水平浮遊への移行時に着目して解析し，フライトごとの減衰特性や高度変化との相関を明らかにする．その後，気球のサイズや吊紐長さなどシステムの諸量と減衰特性の関係を調べ，フライト間相互の比較により，統一的な減衰モデルの獲得を目指す．
２０２０年度は，フライトデータの取得とデータ解析に取り組んだ．コロナ禍のため実験場現地で作業することはできなかったが，気球を運用する宇宙航空研究開発機構との連携が機能し，1件のデータを取得することができた．データ解析については，センサデータに大きな誤差が含まれこれまで有効に活用できなかった角速度計測結果を解析に組み込む方策の検討を進めた．コロナ禍のため対外発表は計画よりも少なく国内の研究会１件のみであった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
本研究では１フライトシステムにつき，気球頭頂部からゴンドラまでの6箇所にGPS姿勢ロガーを設置し，各部の姿勢運動を計測する．GPS姿勢ロガー間の相対姿勢運動をフライトシステムの変形とみなし，姿勢運動，システムの変形の時変化と気球の高度変化から減衰区間を定め，減衰特性を求める．複数のフライトデータを同じ手順で解析し，解析手法の妥当性検証とブラッシュアップを進める．２０２０年度は，（１）２０１９年度までに収集したフライトデータを解析するにあたって，これまで活用できていなかった角速度の情報を解析に組み込むための方策を検討する，（２）現在保有するＧＰＳ姿勢ロガーを用いて，フライトデータの追加収集を行う，（３）ＧＰＳ姿勢ロガーを追加製造し，より多くのフライト機会を得てデータ収集効率を高める，の３点を進めることを計画した．
（１）について，角速度情報はセンサの温度変化の影響を強く受け，環境にほぼ暴露状態で動作する本研究のロガーでは，有効に活用できていなかった．これを温度変化の影響をモデル化してカルマンフィルタに組み込むことによって，姿勢運動の精度を向上できないか検討を進めている．現在検証途中であり今後も検討を継続する．（２）について，１フライトのデータを取得することができた．本年の研究対象となる大型気球のフライトはこの１件のみであった．（３）についても作業を進めており，これまでの経験を踏まえたファームウェアの修正等を進めた．コロナ禍の混乱等もあり，目標台数の製造には至らなかった．全体として計画よりもやや遅れているが，今後の研究期間内に回復できると見込んでいる．
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| 今後の研究の推進方策 |
２０２１年度は，前年度に引き続きフライトデータの収集とフライトシステム各部の姿勢運動解析を行う．また，解析手法の改良を完成させた上で，気球のフライト相互の減衰特性の検討と，共通の減衰メカニズムの研究を行う．２０２０年度の結果と２０２１年以降のＪＡＸＡによる気球実験計画を受け，２０２１年度の課題を次のように定める．（１）気球フライトシステムの姿勢運動を減衰させる要因を複数のフライトデータに基づいて推定する．（２）国内気球実験におけるデータを収集する．（３）より品質のよいデータを得られるよう，また実験機会を増やすことができるよう，ＧＰＳ姿勢ロガーを４実験以上に対応できる体制に拡充する．
（１）については，２０２０年度に行ったデータ解析を発展させ，姿勢運動を減衰させる力のモデル化とその減衰係数を複数検討する．その際に，角速度情報を組み込むことにより精度向上を試みる．次に２０２０年に解析したデータ以外のフライトデータに対しても手法を適用し，複数のモデルと解析値より尤もらしい減衰力モデルを推定する．（２）については，すでに２０２１年ＪＡＸＡ気球実験にピギーバックとして採択されており，実験準備を進めている．４フライト程度が予定されており，気象条件が許せば２～３フライトのデータを取得できると期待している．（３）については，検討をすでに進めており，２０２１年度前半に完了を目指す．さらに状況が許せば，２０２１年気球実験に適用し，品質のよいデータ取得を早める．２０２２年度にＪＡＸＡは，国内で行うよりも大型の気球を用いる国外実験を計画しており，国内では実施が困難なより大型の気球におけるフライトデータを獲得できる機会となる．これに参加するための準備を行う．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
コロナ禍によって，年度当初に物品費として計上した計測装置（ＧＰＳ姿勢ロガー）の製造が計画通りに進まなかったこと，ならびに学会発表が軒並みオンラインになったことで出張がなくなったことが主な原因である．【現在までの進捗状況】の（３）として述べたＧＰＳ姿勢ロガーの追加製造を進めるに当たって，これまでの計測経験を踏まえ時間分解能を高めより高周波数帯の運動を観測できる改善方法を検討した．電子回路設計と製造を年度前半に行う予定でいたが，コロナ禍による大学での作業に大きな制約がかかったこともあり，十分な設計検証ができず，年度内の製造を断念し２０２１年度の製造に計画変更した．また，実験参加と研究発表で出張旅費が前年度並みと計画したが，国内の移動制限などにより実験には現地入りできず作業はＪＡＸＡ側に実施してもらったこと，研究発表はオンラインになったことで，旅費の使用額が激減した．
製造が遅れたロガーは，２０２１，２２年度に実験に供する機会があると見込んでおり，研究の遂行に大きな支障は生じない．旅費については，学会発表が減った分を雑誌などでの発表に転換することで，有効に使用する
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