| 研究課題/領域番号 |
19K04256
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| 研究機関 | 金沢大学 |
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研究代表者 |
莊司 泰弘 金沢大学, 先端宇宙理工学研究センター, 准教授 (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．
２０２１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．前年度に引き続き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．コロナ禍ではあったものの，対外発表は国内の研究会１件，国際学会１件を行った．
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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．２０２１年度は，（１）これ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．フィルタの設計を進め，数値シミュレーション上で角速度の温度バイアス量を推定することができた．引き続き磁場の計測オフセット量の推定方法の検討を進めている．（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フライトキャンセルの影響があり，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．コロナ禍の混乱に加えて，世界的な半導体不足の影響があり，製造には至らなかった．特にセンサＬＳＩの入手に困難があったものの，販売会社の見込みでは２０２２年度初旬に一定量の入荷が見込まれ，製造を進めることができる見込みである．
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| 今後の研究の推進方策 |
２０２２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．２０２１年度の結果と２０２２年以降のＪＡＸＡによる気球実験計画を受け，２０２２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，２０２１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．特に温度ドリフトの影響を低減するためのフィルタ設計と，フィルタが姿勢データに与える周波数カットの影響を評価する．次に２０２１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２０２２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．２フライト程度が予定されており，少なくとも１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，２０２１年度に進めた設計に基づいてロガーを製造し，環境試験を進め，フライト実験に供する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
コロナ禍の影響を織り込み，旅費を抑制し研究を効率的に進める物品購入に振り分けたものの，半導体不足の影響でＧＰＳ姿勢ロガーの製造が計画通りに進まなかったことが主な原因である．製造が遅れたロガーは，部品の入手性に基づいた選定見直しと多少の状況改善が２０２２年度初旬に見込まれることから，２０２２年度後半に実験に供することを目標に当初計画の目標を達成できるよう進める．
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