成層圏気球の姿勢運動の研究

成層圏気球はヘリウムガスの浮力で空に浮かびます．小さな物はゴム風船を使い，重さ3 kgまでのペイロード（荷物）を運ぶことができます．世界中で毎日飛ばされている気象用ラジオゾンデも成層圏気球の一種です．大きな物ではペイロード重量が1トンを超えるものも珍しくありません．気球の飛ぶ高度はヘリウムガスの体積と気球とペイロードの総重量のバランスで決まります．1トン以上のペイロードを高度30 kmに運搬する気球は，満膨張時に直径100 mに達することがあります．草野球のグラウンドとほぼ同じくらいの大きさです．

成層圏は非常に空気が薄いため，さらに上空は宇宙のように昼でも暗く見えます．また，雲のはるか上でもあるため，常に快晴です．天体観測に非常に都合が良いため，1960年代から気球で望遠鏡を成層圏に運んで天体観測が行われてきました．気球はガスが失われない限り成層圏にとどまり続けることができるので，長いフライトでは1週間～1ヶ月連続して観測を行うこともできます．また，高度30 km付近の気圧は地上の約 1/100 で火星の地上付近の気圧に近いことから，火星の空を飛ばす飛行機の実験にも用いられています．

科学観測や実験を行うための大型成層圏気球は，各国の宇宙機関が運用しています．日本では宇宙航空研究開発機構（JAXA）宇宙科学研究所，アメリカではNASA，ヨーロッパではCNES，SSC．他にもインドやブラジル，中国などが毎年実験を行っています．成層圏気球は，ロケットと比べて振動や衝撃がきわめて小さく，デリケートな精密観測機器に優しい乗り物です．また，実験や観測が終わったあとは，ペイロードをパラシュートで地上，または海上に降下させ回収します．観測データを無線で地上に送る必要がないため，無線では送るだけで何日もかかるような大量のデータを得ることができ，さらに回収した観測機器に問題がなければ再使用することもできます．

成層圏気球は，ヘリウムガスの浮力で空間に浮かんでいます．さらに，観測機器が設置されるペイロード部（ゴンドラ）は気球本体から長く細い吊り紐で吊られています．そのため，１トンを超える重量のゴンドラでさえも小さな力で簡単に向きが変わってしまいます．

例えば，望遠鏡で天体を観測するときに望遠鏡が置かれている床が動いてしまったら，望遠鏡は目標の天体を向かず観測することができません．そのためゴンドラには，ゴンドラの向きを変えようとする力がはたらいたときに，それを打ち消して望遠鏡を目的の方向に向けるための「姿勢制御装置」が備えられます．望遠鏡以外にも，長時間飛翔する気球ゴンドラの電源のため太陽電池を搭載し太陽方向に向け続ける，あるいは機器内部の温度上昇を抑えるために放熱機器を太陽と反対側に向けるなど，ゴンドラの姿勢制御の目的はさまざまです．

ここで問題になるのが，どのような性能の姿勢制御装置を用意したらよいのか，です．ゴンドラに加えられる力の大きさや速さがわかっていれば，それよりも十分強くて速い制御装置をゴンドラに搭載することで，ゴンドラや観測装置を目標方向に向け続けることができます．しかし現状では，ゴンドラにどのような性質の力が働くのか，十分な理解が得られていません．ゴンドラに搭載した制御装置の性能が加えられる力に対して不十分なら，ミッション目的を十分に達成することが困難になります．わからないからと言ってやみくもに大きな姿勢制御装置を搭載すると，ミッションのための機器へ割ける重量，スペース，電力などにしわ寄せがいきます．飛翔中のゴンドラにどのような力が働くのか，事実をもとに検討する必要があります．