[論文レビュー] Measurements of gondola motion on a stratospheric balloon flight

Margarita Safonova, K. Nirmal+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2016

Aerospace Engineering and Energy Systems被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、4.5時間にわたる飛行中に、ストラトスフィアリック・バルーンのゴンドラの3軸運動をインertial measurement unit (IMU) を用いて測定した。その結果、浮揚高度（31.2 km）に達すると、ペイロードの運動が顕著に安定化することが判明した。方位角方向のRMS角速度は0.5865°/s、仰角方向は0.0104°/s、チルト方向は0.01°/sであった。このデータは、今後のバルーン宇宙望遠鏡ミッションにおける安定指向システムの設計に不可欠なベースラインの干渉特性を提供する。

ABSTRACT

Balloon experiments are an economically feasible method of conducting observations in astronomy that are not possible from the ground. The astronomical payload may include a telescope, a detector, and a pointing/stabilization system. Determining the attitude of the payload is of primary importance in such applications, to accurately point the detector/telescope to the desired direction. This is especially important in generally unstable lightweight balloon flights. However, the conditions at float altitudes, which can be reached by zero pressure balloons, could be more stable, enabling accurate pointings. We have used the Inertial Measurement Unit (IMU), placed on a stratospheric zero pressure balloon, to observe 3-axis motion of a balloon payload over a fight time of 4.5 hours, from launch to the float altitude of 31.2 km. The balloon was launched under nominal atmospheric conditions on May 8th 2016, from a Tata Institute of Fundamental Research Balloon Facility, Hyderabad.

研究の動機と目的

• ストラトスフィアリック・バルーン飛行中の自然なゴンドラ運動を特徴づけることで、天文観測用の安定指向システムの設計を支援すること。
• 軽量ペイロードが上昇段階および浮揚段階で経験する、特に方位角、ピッチ、ロール方向の干渉を定量化すること。
• 通常の大気条件下で、浮揚高度（31.2 km）におけるペイロードの安定性を評価すること。
• 今後の高高度バルーンミッションにおける閉ループ指向システムの開発に向けた、角運動および加速度の実測データを提供すること。

提案手法

• ゴンドラに3軸加速度計、ジャイロスコープ、磁気センサーを備えたx-IMUセンサーを設置し、飛行全期間にわたり運動および環境データを記録した。
• 内部に搭載された4 GBのSDカードおよび1000 mAhのリチウムポリマー電池を用いて、12時間以上にわたる連続記録を実現した。
• 飛行データは、TIFR-バルーン施設のGPSおよびテレメトリと同期させ、ゴンドラ運動と風向き、高度の相関を分析した。
• IMUデータから角速度および加速度を抽出し、上昇段階および浮揚段階について時間領域で分析した。
• 気象学的慣習に従い、10秒ごとのGPS位置データを用いて風向きを算出した。
• 運動の統計的分析を実施し、RMS角速度およびX、Y、Z軸方向の平均加速度成分を算出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストラトスフィアリック・バルーン飛行の上昇段階および浮揚段階において、ゴンドラ運動のロール、ピッチ、ヨー方向の大きさと時間的挙動は何か？
• RQ2 浮揚高度における風向きの変化は、ゴンドラの方位角運動とどのように相関するか？
• RQ3 浮揚高度（31.2 km）に達した場合、低高度に比べてペイロード運動はどの程度安定化するか？
• RQ4 浮揚段階におけるゴンドラが経験する平均加速度成分（X、Y、Z）は何か？
• RQ5 ゴンドラ内部の熱環境は、外部のストラトスフィアリック環境と比べてどのように異なるか？

主な発見

• ペイロードは、発射後約2時間後の08:35 ISTに最大浮揚高度31.2 kmに到達した。
• 浮揚中のゴンドラのRMS角速度は、方位角方向が0.5865°/s、仰角方向が0.0104°/s、チルト方向が0.01°/sであり、浮揚で顕著な安定化が確認された。
• Z軸（垂直方向）の平均加速度は1.026gであり、浮揚時における垂直方向のニュートン力がほぼゼロであることに一致した。
• X軸の平均加速度は0.176g、Y軸は0.0036gであり、浮揚時における横方向力が極めて小さいことが示された。
• 内部ペイロード温度の平均は34.35°Cであったが、浮揚時の外部温度は-32°Cであり、効果的な熱断熱が確認された。
• 上昇段階では風向きの変化が著しく速かったが、浮揚段階に達すると安定化し、ゴンドラの方位角運動の低減と相関した。