[論文レビュー] Airships: A New Horizon for Science

Sarah H. Miller, Robert Fesen+34 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2014

Aerospace Engineering and Energy Systems参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、宇宙物理学、地球科学、大気研究分野における長期間にわたる科学観測のための、長期間運用可能で費用対効果に優れたプラットフォームとして、高高度（同温層）および低高度の飛行船を提案する。ステーションキープ機能と長期間飛行を活用することで、人工衛星、高高度気球、航空機と補完的となる持続的で柔軟な科学ミッションを実現し、上層大気および近宇宙環境への継続的で手頃な科学的アクセスの新たな道を開く。

ABSTRACT

The "Airships: A New Horizon for Science" study at the Keck Institute for Space Studies investigated the potential of a variety of airships currently operable or under development to serve as observatories and science instrumentation platforms for a range of space, atmospheric, and Earth science. The participants represent a diverse cross-section of the aerospace sector, NASA, and academia. Over the last two decades, there has been wide interest in developing a high altitude, stratospheric lighter-than-air (LTA) airship that could maneuver and remain in a desired geographic position (i.e., "station-keeping") for weeks, months or even years. Our study found considerable scientific value in both low altitude (< 40 kft) and high altitude (> 60 kft) airships across a wide spectrum of space, atmospheric, and Earth science programs. Over the course of the study period, we identified stratospheric tethered aerostats as a viable alternative to airships where station-keeping was valued over maneuverability. By opening up the sky and Earth's stratospheric horizon in affordable ways with long-term flexibility, airships allow us to push technology and science forward in a project-rich environment that complements existing space observatories as well as aircraft and high-altitude balloon missions.

研究の動機と目的

• 既存および新興の飛行船技術が、宇宙・地球・大気科学分野における安定的で長期間運用可能なプラットフォームとしての科学的潜在能力を評価すること。
• 人工衛星、気球、高高度機器と比較して、飛行船が優位性を発揮するか、あるいは補完的役割を果たす可能性がある主な科学的応用分野を特定すること。
• ステーションキープと継続的観測を実現するための、アンタッチド同温層飛行船およびタングルドアンヘイスト（固定式飛行船）の実現可能性を評価すること。
• 学術界、航空宇宙産業、およびNACA（NASA）の間で横断的連携を構築し、飛行船ベースの科学ミッションを前進させること。
• 同温層および低層大気における長期にわたる科学キャンペーンの代替手段として、飛行船をプロジェクト豊富で柔軟性に富んだ選択肢として位置づけること。

提案手法

• 宇宙科学研究所のケック研究所で、現在および新興の飛行船技術を包括的に評価する研究を実施した。
• 低高度（40 kft未満）および高高度（60 kftを超える）の高度帯における飛行船の性能特性を評価した。
• 同温層における長期間にわたるステーションキープと機動性を実現するアンタッチド飛行船の能力を分析した。
• 移動性を優先しないが、継続的なステーションキープが求められる状況では、タングルドアンヘイストが実用的代替手段であると評価した。
• 科学機器（例：望遠鏡、大気センサー）を飛行船プラットフォームに統合する可能性を評価した。
• ジェット推進研究所（JPL）、カリフォルニア工科大学（Caltech）、UCI、ノースロップ・グレーマン、および産業パートナーの専門家と協働し、ミッションコンセプトと科学的帰結をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの科学分野が、同温層に60 kft以上で飛行する長期間運用可能な飛行船プラットフォームから恩恵を受けることができるか？
• RQ2 コスト、耐久性、科学的柔軟性という観点から、飛行船は人工衛星、高高度気球、航空機と比べてどのように差をつけることができるか？
• RQ3 継続的なステーションキープと機器設置を実現するにあたり、飛行船が直面する技術的および運用上の制限要因は何か？
• RQ4 どのような科学的ミッションにおいて、タングルドアンヘイストがアンタッチド飛行船よりも優れた代替手段となるか？
• RQ5 飛行船プラットフォームは、宇宙物理学、地球観測、大気科学分野において、どのように新たな継続的観測キャンペーンを可能にするか？

主な発見

• 60 kftを超える高度で運用される同温層飛行船は、大気干渉が最小限に抑えられる安定したプラットフォームを提供し、宇宙物理学的観測に適している。
• 40 kft未満の低高度飛行船は、気象、汚染、気候変動の監視を含む、地球および大気科学分野において貴重なプラットフォームを提供する。
• 固定位置での継続的ステーションキープが求められる状況では、タングルドアンヘイストがアンタッチド飛行船の実用的代替手段として特定された。
• 飛行船は、上層大気および近宇宙環境への持続的で柔軟かつ費用対効果に優れたアクセスを可能にし、低地球軌道ミッションと高高度気球キャンペーンの間で重要な空白を埋める。
• 本研究では、宇宙論、惑星科学、太陽物理学を含む複数分野にわたり、さまざまな科学機器を飛行船プラットフォームに統合可能であることが示された。
• 協働研究の結論として、飛行船はプロジェクト豊富で技術的補完性に富んだプラットフォームであり、宇宙および地球観測プログラムの科学的ポートフォリオを強化するものであると結論づけた。