[論文レビュー] An Overview of High-Altitude Balloon Experiments at the Indian Institute of Astrophysics

Margarita Safonova, Akshata Nayak+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2015

Aerospace Engineering and Energy Systems被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、インド・アストロフィジックス研究所（IIA）が実施した高高度気球（HAB）プログラムを提示する。このプログラムでは、20～30kmの層間高度から、ハリウッドやオーロラのような広がりのある天体的対象物の紫外線観測を目的として、低コストで軽量な科学ペイロードを開発した。3Dプリンティングで製作した構造部品、自社開発の2軸安定化システム、およびカスタム紫外線分光計を用いて、2013年から2014年にかけて9回の自由飛行気球ミッションを実施。ハードウェアおよび回収の課題が伴ったが、安定した指向制御と大気放出に関する貴重なデータ収集に成功した。

ABSTRACT

We have initiated the High-Altitude Ballooning programme at Indian Institute of Astrophysics, Bangalore, in the year 2011 with the primary purpose of developing and flying low-cost scientific payloads on a balloon-borne platform. The main aim is the observations of extended nearby objects (e.g. comets) and of diffuse sources (e.g. zodiacal light or airglow) with wide field of view (FOV) UV instruments from near space (20 to 30 km). A brief summary and the results of the tethered flights carried out at IIA CREST campus are given in Ref.~1. Here we present an overview of the nine free-flying balloon experiments conducted from March 2013 to November 2014. We describe the launch procedures, payloads, methods of tracking and recovery. Since we fall in the light balloon category --- payload weight is limited to less than 6 kg --- we use the 3-D printer to fabricate lightweight boxes and structures for our experiments. We discuss the flight and scientific data obtained from different launches and the development of the in-house lightweight sensors and controllers, as well as a fully-fledged 2-axis pointing and stabilization system, for the flights.

研究の動機と目的

• 低コストの気球プラットフォームを用いて、大学がアクセス可能な高高度科学実験を可能にする。
• 20～30kmの高度で、広視野の紫外線機器を用いて、オーロラや黄道光のような拡散紫外線源を研究する。
• 気球および将来的な宇宙ミッションのための、軽量で自社開発の科学機器（2軸安定化、紫外線分光計、データロガーなど）を開発する。
• 微生物の生存状況やダストサンプル採取を含む、層圏での宇宙生物学的実験の実現可能性を調査する。
• 3Dプリンティングと市販部品を活用してペイロードの質量とコストを削減しながら、科学的性能を維持する。

提案手法

• PLAフィラメントを用いた3Dプリンティングにより、ペイロードボックスや2軸安定化プラットフォームを含む軽量構造部品を製作した。
• 重量と電力制約を厳密に守る条件下で、姿勢センサを備えた2軸指向および安定化システムを設計・実装した。
• 200–400 nmの波長範囲でオーロラや大気線の紫外線スペクトル測定に使用した、Mayapro 2000分光計（Ocean Optics）を採用した。
• SolidWorksで設計した3Dプリント筐体と低コスト電子部品を用いて、商業製品と比較してコストを削減した自社開発データロガーを開発した。
• リアルタイム追跡と飛行後回収のため、GPSトラッカーとVHFラジオ送信機を統合した。
• 指向精度を向上させるために、画像増幅型CMOSベースの紫外線検出器と低コストスターデバイスの開発を進めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストで大学が開発した科学ペイロードは、軽量で3Dプリントされた部品を用いて、高高度で安定した指向制御と信頼性の高いデータ収集を達成できるか？
• RQ2 2軸安定化、紫外線分光計、データロガーなどの自社開発機器は、重量と電力制約の下で商業製品と同等またはそれ以上の性能を発揮できるか？
• RQ3 混雑した空域環境下で、自由飛行気球ミッション後のペイロードの予測と回収に、GPSおよびラジオ追跡システムはどの程度効果的か？
• RQ4 コンactで低コストなペイロードを用いて、近宇宙プラットフォームからオーロラや大気放出の紫外線分光観測を実施する可行性は何か？
• RQ5 低コストで3Dプリントされたプラットフォームは、将来的に層圏サンプル採取や微生物生存研究を含む宇宙生物学的実験を支援できるか？

主な発見

• 初期の回収および電子部品の問題に直面したが、2013年3月から2014年11月にかけてIIA CRESTキャンパスから9回の自由飛行気球ミッションを成功させた。
• 3Dプリントされた2軸安定化プラットフォームにより、光学ファイバーの入射口の安定指向が実現され、広がりのある対象物の連続紫外線観測が可能になった。
• 3Dプリント筐体と低コスト部品を用いて製作した自社開発データロガーは、商業製品（例：MSR145、約90,000ルピー）と比較して大幅にコスト削減が達成された。
• 気球の飛行予測は一般的に正確であり、ペイロードは常に予測された着陸地点付近で回収された。
• オーロラ線（例：OH 308 nm）および大気放出の安定した紫外線分光データ収集に成功し、プラットフォームの科学的有用性が裏付けられた。
• 画像増幅型CMOSベースの紫外線検出器と低コストスターセンサのプロトタイプ開発が進行中であり、感度と分解能（0.5–0.6 nm）、統合時間（現在のシステムより8倍以上）の向上が期待される。