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明細書 :耐圧性気球およびその製造方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B1)
特許番号 特許第2967196号 (P2967196)
登録日 平成11年8月20日(1999.8.20)
発行日 平成11年10月25日(1999.10.25)
発明の名称または考案の名称 耐圧性気球およびその製造方法
国際特許分類 B64B  1/58      
FI B64B 1/58
請求項の数または発明の数 9
全頁数 10
出願番号 特願平10-195633 (P1998-195633)
出願日 平成10年7月10日(1998.7.10)
審査請求日 平成10年7月10日(1998.7.10)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】391012693
【氏名又は名称】宇宙科学研究所長
発明者または考案者 【氏名】矢島 信之
【氏名】井筒 直樹
個別代理人の代理人 、【弁理士】、【氏名又は名称】鈴江 武彦 (外5名)
審査官 【審査官】冨江 耕太郎
参考文献・文献 特表 平2-502901(JP,A)
米国特許4529153(US,A)
米国特許2960282(US,A)
米国特許2767941(US,A)
調査した分野 B64B 1/40 - 1/58
要約 【課題】耐圧性が高く、また構造が簡単で製造が容易なガス袋を備えた気球を提供する。
【解決手段】ガス袋11を形成するゴア13の幅および長さを自然型のガス袋のゴアの形状の幅および長さより大きくし、またロードテープ14は自然型のゴアの側縁部の周長と等しくし、上記のゴア13の縁部を短縮した状態でロードテープ14に接合し、この幅および長さの余剰分でゴアを膨出させ、その曲率半径を小さくして耐圧性を向上させる。
特許請求の範囲 【請求項1】
気密性の被膜材料から形成された紡錘形の複数のゴアをその両側縁部を互いに接合するとともに、これらゴアの両側縁部の接合部に沿って張力に耐えるロードテープを取り付けたガス袋を備え、このガス袋が最大容積まで膨張した後も上昇浮力分のガスを排出せずに内部のガスの圧力を維持する耐圧性の気球であって、
上記の各ゴアの形状寸法は、上記のガス袋の被膜材料に縦方向の張力のみ発生し周方向には張力が発生しないと規定される自然型の形状に対して、その幅および長さが大きく形成されており、
また上記のロードテープの長さは、上記のゴアの自然型の形状の両側縁部の長さに対応した長さに設定されており、
上記の各ゴアは、それらの両側縁部が上記のロードテープの長さに対応した長さに均一に皺が形成されて短縮された状態で上記のロードテープに接合されており、
上記のガス袋内にガスが充填された場合に上記の各ゴアの被膜材料は上記のロードテープの間で外側に膨出することを特徴とする耐圧性気球。

【請求項2】
前記のガス袋の最大半径の位置に対応した各ゴアの位置Y0の被膜材料の外側への膨出の曲率半径Rarc,0 とした場合に、各ゴアの任意の位置における被膜材料の外側への膨出の曲率半径Rarc は、
Rarc ≦Rarc,0
としたことを特徴とする請求項1の耐圧性気球。

【請求項3】
前記のガス袋の内部のガスの密度と外気の密度との差をdρ、ガス袋の底部のバイアス圧力をP0 とし、前記のガス袋の最大半径の位置に対応した各ゴアの位置Y0の被膜材料の外側への膨出の曲率半径Rarc,0 とし、また各ゴアの縦方向の位置をYとした場合に、これらゴアの任意の位置における被膜材料の曲率半径Rarc を、
Rarc =Rarc,0 ・(P0 +dρ・g・Y0 )/(P0 +dρ・g・Y)
としたことを特徴とする請求項1の耐圧性気球。

【請求項4】
前記の各ゴアの中心線の長さLmeriは、これらゴアの任意の微小部分の被膜材料の外側への膨出の曲率半径をRm 、この微小部分の曲率半径の傾き角をθm とし、またこの微小部分が外側に膨出した膨出高さをLexp とし、またこの膨出によるゴアの中心線の長さの微小増加分dLmeriとした場合に、この微小増加分dLmeriをガス袋の底部から頂部まで積分した長さ、
Lmeri=∫(Lexp +Rm )・dθm
としたことを特徴とする請求項1の耐圧性気球。

【請求項5】
気密性の被膜材料から形成された紡錘形の複数のゴアをその両側縁部を互いに接合するとともに、これらゴアの両側縁部の接合部に沿って張力に耐えるロードテープを取り付けたガス袋を備え、このガス袋が最大容積まで膨張した後も上昇浮力分のガスを排出せずに内部のガスの圧力を維持する耐圧性の気球を製造する方法であって、
上記の各ゴアをその自然型の形状に対して、その幅および長さが大きな形状の複数のゴアを裁断する工程と、
ゴアの自然型の形状の両側縁部の長さに対応した長さにロードテープを切断する工程と、
上記の各ゴアの両側縁部を互いに接合するとともに、これらゴアの両側縁部を上記のロードテープの長さに対応した長さに均一に皺を形成して短縮せた状態で上記のロードテープに接合する工程、とを具備したことを特徴とする耐圧性気球の製造方法。

【請求項6】
前記のゴアの両側縁部およびロードテープの接合工程は、
前記のゴアの両側縁部を互いに接合するとともに、この接合部に沿って前記のロードテープが挿入可能な袋状部を形成する工程と、
上記の袋状部内にロードテープを挿入する工程と、
上記の袋状部を挿入したロードテープの長さと等しい長さに均一に皺を形成して短縮させる工程と、
上記の袋状部とロードテープとを接合する工程、とを備えたことを特徴とする請求項5の耐圧性気球の製造方法。

【請求項7】
前記のゴアの両側縁部およびロードテープの接合工程は、前記のゴアの両側縁部を所定量ずつ短縮させて均一に皺を形成しつつロードテープと接合することを特徴とする請求項5の耐圧性気球の製造方法。

【請求項8】
前記のゴアの両側縁部を上記のロードテープの長さに対応した長さに均一に皺を形成して短縮せた状態で上記のロードテープに接合する工程は、このゴアの両側縁部とロードテープとを間欠的に接合し、前記のゴアの両側縁部に形成される皺をこれら間欠的な接合部分の間に形成させることを特徴とする請求項5の耐圧性気球の製造方法。

【請求項9】
前記のゴアの両側縁部を上記のロードテープの長さに対応した長さに均一に皺を形成して短縮せた状態で上記のロードテープに接合する工程は、このゴアの両側縁部とロードテープとを連続的に接合し、前記のゴアの両側縁部に形成される皺をこの連続的な接合部分に封入することを特徴とする請求項5の耐圧性気球の製造方法。
発明の詳細な説明 【発明の詳細な説明】

【1】

【発明の属する技術分野】本発明は、成層圏観測用の気球等、高空用の気球に関する。さらに特定すれば、本発明は内圧に耐えるガス袋を備え、より高い高度をより長時間飛翔することができる耐圧気球を提供するものである。

【10】
上記のガス袋1は、概略的に球形をなしており、図10に示すようなガス袋を縦にN等分した紡錘形の被膜片、すなわちゴア3を多数接合して構成されている。これらのゴア3は、軽量で高強度の織布、またはプラスチックフイルム等の被膜材料で形成され、互いにその両側縁部を縫合または接着され、ガス袋1を構成している。また、これらのゴア3の縫合または接着線に沿って、高張力に耐えるロードテープ4が縫い込まれ、または接着される。これらのロードテープ4は、これらゴア3相互の接合強度を高める他、観測機器2等の荷重を分散して各ゴア3に伝達し、またこのガス袋1の形状を所定の形状に維持する。

【11】
このガス袋1の形状は、通常は自然型と称される形状が用いられる。この自然型の形状は、内部のガスの浮力、被膜材料の各部に作用する重力、その他が釣り合った状態で被膜材料の縦方向(子午線の方向)にのみ張力が発生し、これと直交する周方向には張力が発生しないように規定された形状のことである。すなわち、被膜材料の任意の部分の縦方向の張力をTm 、被膜材料に作用する圧力をP、この被膜材料の部分の曲率半径をRm 、微小部分に被膜材料に作用する重力の被膜接線方向の分力をdWm とすると、
Tm =P・Rm +dWm …(1)
となる。

【12】
ここで、縦方向yの位置の被膜材料に作用する圧力Pは、ガス袋内のガスの密度と外気の密度との差dρにより発生する圧力とガス袋の底部のバイアス圧力をP0 との和となり、重力加速度をgとすれば、
P=P0 +dρ・g・y …(2)
である。

【13】
また、ガス袋の形状を関数y=f(x)で表せば、被膜材料の縦方向の曲率半径Rm は、
Rm =(1+y´2)3/2/y´´ …(3)
である。したがって、これを上記の(1)式に入れて、yの微分方程式とし、張力Tm にdWm 成分を組み入れながらガス袋の下部から積分することにより、このガス袋の自然型を求めることができる。

【14】
本明細書においては、上記の(1)ないし(3)ような関係から定まり、前述のように、内部のガスの浮力、被膜材料の各部に作用する重力、その他が釣り合った状態で被膜材料の縦方向(子午線の方向)にのみ張力が発生し、これと直交する周方向には張力が発生しないように規定された形状を自然型と称するものとする。

【15】
なお、上記の各ゴア3を構成する被膜材料に伸縮性が全く無いと仮定した場合には、このガス袋1の横断面の形状は、図9に示すように各ゴア3の断面形状が2点鎖線3aに示すように直線状となり、多角形の形状となる。しかし、実際には、これらゴア3を構成するフイルムには伸縮性があるので、内部のガス圧により図9に実線で示すように円形の断面形状となる。また、これらゴア3がさらに引き伸ばされる場合には、各ゴア3は図9の破線3bに示すように外側に略円弧状に膨出し、各ロードテープ4にはこれらを外側に膨出させるような荷重が作用するが、この荷重はロードテープ4の張力により支承される。

【16】
ところで、このようなガス袋1に内圧が作用した場合には、被膜材料に発生する引張応力は、この被膜材料の外側への膨出の曲率半径に比例する。したがって、上記の図9に示すゴア3の膨出3bをより大きく、すなわちこれらのゴア3の曲率半径をより小さくすることにより、内圧に対するガス袋の耐圧性が高くなり、上述したようなスーパープレッシャー気球を製造する場合には有利である。

【17】
しかし、従来の気球では、上記のゴア3の膨出は、これらゴアを構成する被膜材料の伸びに依存していたが、その伸びには限界があるため、これらゴア3の膨出量を大きく、すなわち曲率半径を十分に小さくすることはできなかった。

【18】
このゴア3の膨出を大きくする方法としては、たとえば図11に示すように、このゴア3の斜線で示す部分3cを切除してその縁部を縫合または接着することにより、立体的な形状のゴア3を形成し、これらを前記のように縫合または接着してガス袋を形成するものがある。

【19】
しかしながら、このようなものは、各ゴア3に多数の縫合線や接着線が形成され、その強度が低下するとともに重量も増加し、また漏洩等の発生する可能性が増大して信頼性が低下する。また、このようなものは、製造工程が著しく増加し、製造コストの上昇を招くという不具合がある。

【2】

【従来の技術】従来から、高空を飛翔する気球として、たとえば高度30~40Kmの成層圏を飛翔する科学観測用大気球がある。このような高空用の気球は、上昇とともにガス袋が膨脹し、最大高度に達してこのガス袋が最大容積となると、ガス袋の下部に形成されている排気口等から総重量の10%程度の自由浮力分のガスが排出され、一定の高度を維持して飛翔する。

【20】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上の事情に基づいてなされたもので、ゴアの被膜材料の曲率半径を小さくすることによってガス袋の耐圧性を高め、かつ構造が簡単で製造が容易であるとともに、信頼性も高い気球およびこれを製造する方法を提供するものである。

【21】

【課題を解決するための手段】請求項1に記載された本発明の気球は、各ゴアの形状寸法は、上記のガス袋の被膜材料に縦方向の張力のみ発生し周方向には張力が発生しないと規定された自然型の形状に対して、その幅および長さが大きく形成されており、また上記のロードテープの長さは、上記のゴアの自然型の形状の両側縁部の長さに対応した長さに設定されており、上記の各ゴアは、それらの両側縁部が上記のロードテープの長さに対応した長さに均一に皺が形成されて短縮された状態で上記のロードテープに接合されており、上記のガス袋内にガスが充填された場合に上記の各ゴアの被膜材料は上記のロードテープの間で外側に膨出することを特徴とするものである。

【22】
したがって、これらのゴアはその幅および長さが自然型の形状より大きく設定されているが、ロードテープは自然型の形状の両側縁部の周長と等しいため、上記のようにこの余剰分だけ各ゴアがガス袋の周方向および縦方向に膨出する。よって、これら各ゴアの部分の曲率半径が小さくなり、内圧に対する耐圧性がより向上する。また、これらゴアは接合線のない単一の被膜片から構成されているので、構造が簡単で接合箇所の増加はなく、重量や工程の増加、強度の低下や漏洩の可能性の増加等を招くこともない。

【23】
また、請求項2に記載の本発明の気球は、前記のガス袋の最大半径の位置に対応した各ゴアの位置Y0 の被膜材料の外側への膨出の曲率半径Rarc,0 とした場合に、各ゴアの任意の位置における被膜材料の外側への膨出の曲率半径Rarc は
Rarc ≦Rarc,0
としたことを特徴とするものである。

【24】
前記のように、各ゴアの被膜材料を外側に膨出させた場合に、上記の最大半径に対応した位置の被膜材料の外側への膨出の曲率半径Rarc,0 が最も大きくなり、この部分の耐圧強度が最も低くなる。したがって、被膜材料の引張強度その他の条件から、この曲率半径Rarc,0 を設定し、各ゴアの任意の位置の被膜材料の外側への膨出半径Rarc をこのRarc,0 と等しいかそれ以下とすることにより、任意の位置の被膜材料の耐圧強度は少なくとも上記の最大半径に対応した部分の耐圧強度より小さくなることはない。

【25】
したがって、設計が容易となるとともに、耐圧強度の信頼性が向上する。また、実際のゴアの設計に関しては、上記の条件のみを満足させれば耐圧強度の点では問題がなくなるので、ゴアの形状の自由度が増し、製作上、またはその他の要求に対して設計の自由度も向上する。

【26】
また、請求項3に記載の気球は、前記のガス袋の内部のガスの密度と外気の密度との差をdρ、ガス袋の底部のバイアス圧力をP0 とし、前記のガス袋の最大半径の位置に対応した各ゴアの位置Y0 の被膜材料の外側への膨出の曲率半径Rarc,0 とし、また各ゴアの縦方向の位置をYとした場合に、これらゴアの任意の位置における被膜材料の外側への膨出の曲率半径Rarc を、
Rarc =Rarc,0 ・(P0 +dρ・g・Y0 )/(P0 +dρ・g・Y)
としたことを特徴とするものである。

【27】
したがって、これらゴアの被膜材料の各部に発生する張力が等しくなり、各部に不均一な張力が発生することによる強度の低下を確実に防止でき、また使用する被膜材料も最小となり、最も軽量で合理的な構造となる。

【28】
また、請求項4に記載の気球は、前記の各ゴアの中心線の長さLmeriは、これらゴアの任意の微小部分の被膜材料の外側への膨出の曲率半径をRm 、この微小部分の曲率半径の傾き角をθmとし、またこの微小部分が外側に膨出した膨出高さをLexpとし、またこの膨出によるゴアの中心線の長さの微小増加分dLmeriとした場合に、この微小増加分dLmeriをガス袋の底部から頂部まで積分した長さ、
Lmeri=∫(Lexp +Rm )・dθm
としたことを特徴とするものである。

【29】
したがって、各ゴアの被膜材料が外側に膨出することによりこのゴアの中心部の長さが縦方向に延長される分だけ、このゴアの長さが予め延長されており、各ゴアの被膜材料の各部に発生する縦方向および周方向のすべての方向の張力が等しくなり、より強度が増すとともに、ガス袋の形状が極めて安定した最適の形状となる。

【3】
しかし、日没とともにガス袋内のガスの温度が低下するので、ガスの浮力が全浮力の7~10%減少し、気球の高度が低下する。したがって、日没後に高度を一定に維持するには、バラストを投下してこの浮力の減少分を補償する必要がある。このため、たとえば数日間の長時間の飛翔を行う気球の場合には、上記のような高度維持のために多量のバラストを搭載しておく必要がある。

【30】
また、請求項5に記載の方法は、上記の各ゴアをその自然型の形状に対して、その幅および長さが大きな形状の複数のゴアを裁断する工程と、ゴアの自然型の形状の両側縁部の長さに対応した長さにロードテープを切断する工程と、上記の各ゴアの両側縁部を互いに接合するとともに、これらゴアの両側縁部を上記のロードテープの長さに対応した長さに均一な皺を形成して短縮せた状態で上記のロードテープに接合する工程、とを具備したものである。したがって、前記のようなゴアの部分の膨出した耐圧性の気球を簡単に製造することができる。

【31】
また、請求項6に記載の方法は、前記のゴアの両側縁部およびロードテープの接合工程は、前記のゴアの両側縁部を互いに接合するとともに、この接合部に沿って前記のロードテープが挿入可能な袋状部を形成する工程と、上記の袋状部内にロードテープを挿入する工程と、上記の袋状部を挿入したロードテープの長さと等しい長さに均一に短縮させる工程と、上記の袋状部とロードテープとを接合する工程、とを備えたものである。

【32】
したがって、ゴアの両側縁部を短縮させない状態で接合した後にロードテープを袋状部に挿入し、この後に袋状部を均一に短縮させてロードテープと接合すれば良く、接合作業が簡単である。

【33】
また、請求項7に記載の方法は、前記のゴアの両側縁部およびロードテープの接合工程は、前記のゴアの両側縁部を所定量ずつ短縮させつつロードテープと接合するものである。したがって、このゴアの両側縁部とロードテープとの接合作業が1工程ですみ、能率が高い。

【34】
また、請求項8に記載の方法は、前記のゴアの両側縁部を上記のロードテープの長さに対応した長さに均一に皺を形成して短縮せた状態で上記のロードテープに接合する工程は、このゴアの両側縁部とロードテープとを間欠的に接合し、前記のゴアの両側縁部に形成される皺をこれら間欠的な接合部分の間に形成させるものである。したがって、このロードテープとゴアの両側縁部との間に無理な荷重が作用せず、強度が高くなるとともに、製造も能率的となる。

【35】
また、請求項9に記載の方法は、前記のゴアの両側縁部を上記のロードテープの長さに対応した長さに均一に皺を形成して短縮せた状態で上記のロードテープに接合する工程は、このゴアの両側縁部とロードテープとを連続的に接合し、前記のゴアの両側縁部に形成される皺をこの連続的な接合部分に封入するものである。

【36】
よって、このゴアの両側縁部の余剰分が微細な皺となって接合部分に分散されて封入されるので、ロードテープとゴアの両側縁部との間に作用する荷重が接合部分に均一に分散され、強度を増すことができ、また作業も簡単となる。

【37】

【発明の実施の形態】以下、図1ないし図8を参照して本発明の気球およびその製造方法を説明する。図1ないし図4には、本発明の耐圧気球の一実施形態を示し、このものはたとえば成層圏を飛翔する科学観測用の大形の気球である。

【38】
図中の11はガス袋であり、このガス袋11の内部にはたとえばヘリウム等が充填され、浮力を発生する。また、このガス袋11には、観測機器12等のペイロードが搭載される。なお、実際の気球では、ガスの排出やバラストの投下等を行う各種の制御機器が搭載されるが、図中では省略する。

【39】
上記のガス袋11は、概略的に球形をなしており、図3に示すように、ガス袋を縦にN等分した紡錘形のゴア13を多数接合して構成されている。これらのゴア13は、軽量で高強度の織布、またはプラスチックフイルム等の被膜材料で形成され、互いにその両側縁部を縫合または接着等により接合され、ガス袋11を構成している。また、これらのゴア13の接合線に沿って、高張力に耐えるロードテープ14が縫い込まれ、または接着される。これらのロードテープ14は、これらゴア13相互の接合強度を高める他、観測機器12等のペイロードの荷重を分散して各ゴア13に伝達し、またこのガス袋11の形状を所定の形状に維持する。

【4】
たとえば、南極より観測気球を打ち上げ、夏期に成層圏に吹く周回風に乗せて10日程で一周させる科学観測気球の場合には、300Kgの搭載重量のうち、その約半分が上記の高度維持用のバラスト重量であった。

【40】
そして本発明においては、上記の各ゴア13の形状は、図4に示すような形状に形成されている。図3中で2点鎖線で描かれた形状13aは、前述した自然型の場合のゴアの形状であり、その縦方向の長さはLn、幅はL0 である。

【41】
そして、本発明の気球のゴア13は、その幅Larc,0 が上記の自然型の形状13aの幅L0 より大きく、また本発明のゴア13の長さLmeriは、自然型の形状13aの長さLn より長く設定されている。

【42】
また、上記のロードテープ14の長さは、上記の自然型の形状13aの側縁部の周長と等しく設定されている。そして、上記の本発明のゴア13は、その両側縁部が互いに接合されているとともに、その両側縁部の周長がロードテープ14の長さと等しくなるように均一に短縮された状態でこのロードテープ14に接合されている。

【43】
図2には、この気球のガス袋11の2-2線に沿う概略的な断面形状を示す。前述したように、各ゴアが自然型の形状でかつ伸縮性が無いと仮定した場合には、このゴアは図2中で2点鎖線13aで示すように、多角形の形状をなす。しかし、本発明の場合には、各ゴア13の幅Larc,0 が自然型り形状13aの幅L0より広く形成されているので、このガス袋11の内圧により、その余剰分だけ各ゴア13が外側に略円弧状に膨出し、その曲率半径が小さくなる。

【44】
また、このように各ゴア13が膨出することにより、各ゴア13の中心部分はこのガス袋11の子午線すなわち経線を含む面内で外側に膨出するが、この膨出分に見合うだけ、各ゴア13の長さLmeri は、自然型の形状13aの長さLnより大きく形成されている。

【45】
なお、実際には、これらゴア13を構成する被膜材料には伸縮性があり、上記の各ゴア13の幅および長さの余裕分の他に、この被膜材料の伸びによってもこれら各ゴア13が外側に膨出している。また、この実施形態では、好ましくはこれら各ゴアは、ガス袋11の最大半径の位置に対応する部分では、隣接するロードテープ14の間に略半円形に膨出しており、このような膨出状態において曲率が最小となり、これ以上の膨出の必要はない。

【46】
また、この実施形態において、上記のように各ゴア13の被膜材料を外側に膨出させた場合に、上記の最大半径の位置においてその外側への膨出の曲率半径Rarc,0 が最大となり、この部分における被膜材料の引張応力が最大となり、この部分の耐圧強度は最も低くなる。

【47】
したがって、与えられた条件、すなわち被膜材料の引張強度、耐圧性、その他の条件から、この部分の曲率半径Rarc,0 を設定し、各ゴア13のその他の任意の位置の被膜材料の外側への膨出の曲率半径をRarc とすれば、
Rarc ≦Rarc,0 …(4)
とすることにより、任意の位置での耐圧強度は少なくとも上記の最大半径の部分より低くなることはない。したがって、この(4)式の条件を満足するようにゴア13の形状を決定すれば、ゴア13の任意の位置の耐圧強度をそれぞれ算定する必要はなく、設計が容易となり、またこのガス袋全体の耐圧強度の信頼性を確実に保証することができる。

【48】
また、上記の条件を満足する範囲で、ゴア13の形状を任意に設定しても、少なくとも耐圧強度は保証されるので、製作上の都合や、その他の条件に対応してこれらゴア13の形状を設定することが可能となり、設計の自由度を向上させることができる。

【49】
また、上記のガス袋11を構成する各ゴア13の各部分において、その被膜材料に生じる張力が互いに等しく、均一であることが最も合理的であり、この気球を最も軽量でかつ耐圧性の高いものとすることができる。

【5】
このため、上記のようなバラストの消費量を減少させ、より長時間の飛翔を可能とし、またペイロードを増加させることが要望されている。このような要望を満足させる手段として、耐圧性のガス袋を備えたいわゆるスーパープレッシャー気球がある。

【50】
この実施形態では、各ゴア13の形状等が、上記のようなさらに最適なものとなるように設定されており、以下これらゴア13の形状と被膜材料の外側への膨出の曲率半径等との関係を図4を参照して説明する。

【51】
図4には、ゴア13の任意の微小部分を模式的に示す。この任意の位置の微小部分での被膜材料の外側への膨出の曲率半径をRm 、曲率半径の傾き角度をθm、ロードテープ14の本数すなわちゴア13の枚数をNとする。このゴア13の各部のうち、最も曲率半径の大きくなる部分の曲率半径をRarc,0 は、ガス袋11の最大半径Xmax とすれば、
Rarc,0 ≧Xmax ・π/N …(5)
となる。そして、この高さ位置すなわち縦方向の位置をY0 とし、任意の縦方向の位置において、被膜材料に作用する圧力Pは、前述の(2)式と同様に、
P=P0 +dρ・g・Y0 …(2´)
となる。

【52】
ここで、被膜材料の子午線方向すなわち縦方向の張力が十分に小さいとすれば、任意の縦方向位置Yで被膜材料の張力が一定になるための曲率半径Rarc は、
Rarc ・(P0 +dρ・g・Y)=Rarc,0 ・(P0 +dρ・g・Y0 )
…(6)
であるので、
Rarc =Rarc,0 ・(P0 +dρ・g・Y0 )/(P0 +dρ・g・Y)
…(7)
となる。

【53】
なお、実際の気球では、使用する被膜材料にある程度の伸びがあるので、必ずしも上記のような寸法に正確に対応していない場合がある。しかし、一般的には、上記の(7)式から明らかなように、ガス袋11の下部から上部にゆくに従って各ゴア13の部分の曲率半径Rarc を小さくしてゆけば良く、各ゴア13の展開平面形状もこのような特性に対応して設定することが好ましい。

【54】
また、これらゴア13の展開形状の各部の幅は、上記の関係から求めた曲率半径で膨出した被膜材料の円弧の長さであり、この円弧の長さLarc は、
Larc =2・Rarc ・θ1 …(8)
である。

【55】
また、このように各ゴア13が周方向に所定の曲率半径で膨出した場合の、自然型の形状のゴアの中心線からの膨出高さLexp は、
Lexp =Rarc ・(1-cos(θ1)) …(9)
である。ここで、θ1は曲率半径Rarc が隣接するロードテープ間で張る角度の1/2であって、
θ1=sin-1(L1/Rarc ) …(10)
である。ここで、L1はロードテープの間の周方向の距離の1/2であって、その位置のガス袋の半径をXとすれば、
L1=X・π/N …(11)
である。

【56】
したがって、上記のようにゴア13の各部が周方向に外側に膨出した場合に、この微小部分の傾斜角θm の微小角度dθm についてのゴア13の子午線方向の中心線CLの長さの増加分dLmeriは、
dLmeri=(Lexp +Rm )・dθm …(12)
であり、よってこの場合のゴア13の中心線CLの長さLmeriは上記の式をガス袋の底部から頂部まで積分した式、
Lmeri=∫(Lexp +Rm )・dθm …(13)
で求めることができる。

【57】
このように、各ゴア13の周方向の曲率半径に対応して、このゴア13の中心線CLの長さを上記のように設定することにより、これらゴア13が外側に膨出した場合に、これらゴア13に縦方向の無理な張力が発生しない。したがって、上記のような形状および寸法に設定することにより、ゴア13の各部が全方向にわたって均一な張力になり、最も耐圧強度が高く、また軽量である最適の形状となる。

【58】
上記のように、この気球のガス袋11は、これを構成するゴア13の幅および長さが自然型の形状の幅および長さより大きく設定されているので、被膜材料の伸びに本質的に依存せず、これらゴア13を大きく外側に膨出させることができる。よって、その曲率半径を小さくでき、このガス袋11がより高い内圧に耐えることができる。

【59】
また上記のように、ゴア13の膨出量は基本的にその被膜材料の伸びに依存することはないので、各ゴアの幅および長さの余剰分により任意に設定することができる。したがって、図2に示すように、各ゴア13を略半円形に膨出させ、その曲率半径を最小にして耐圧性を最大にすることができる。

【6】
このスーパープレッシャー気球は、内圧に耐える耐圧性のガス袋を備えており、最大高度に達してガス袋が最大容積となった後にも上昇浮力分のガスを排出せず、ガス袋の最大容積および内部のガスの圧力を維持したまま、大気密度の低下により浮力が減少して一定の高度で水平飛翔する。このようなスーパプレッシャー気球は、日没後にガスの温度が低下しても、ガス袋内のガス圧が低下するだけでこのガス袋の最大容積は変化せず、バラストを投下することなく最大高度を維持したまま水平飛翔を維持することができる。これによって、従来のように大量のバラストを消費することがなく、より長時間の飛翔が可能となり、またペイロードも増加する。

【60】
また、このものは、各ゴア13が接合部の無い単一片のものであるから、構造が簡単であり、また接合部の増加を招くことがなく、重量の増加、製造工程の増加、強度の低下や漏洩の可能性の増加等の不具合を招くこともない。

【61】
なお、前述の如く、実際の気球の被膜材料は伸びがあるので、設計の際には、上記のような形状、寸法の関係にこの被膜材料の伸び分を加味して設計することが好ましい。この場合でも、被膜材料の伸び率を考慮しただけで、基本的には上記のような形状、寸法の関係に従うものであることはもちろんである。

【62】
なお、上記のような気球は、各ゴア13の両側縁部の周長さがロードテープ14より長くなるので、これらを縫製または接着等により接合する場合に、ゴア13の両側縁部に皺が発生するので、特別な接合作業が必要となる。

【63】
次に、上記のようにゴアとロードテープを接合して気球のガス袋11を製造する方法を説明する。図5および図6には、製造方法の第1の実施形態を示し、このものはゴア13を縫合により接合する場合に適したものである。

【64】
この方法では、まず図5に示すように、2枚のゴア13の側縁部を接合する際にこれら縁部を重ね合わせて2列の縫合線23により縫合し、袋状部20を形成する。

【65】
次に、この袋状部20に等間隔に目盛21を付し、またロードテープ14にも等間隔に目盛22を付す。これらの目盛21と目盛22の間隔は、このロードテープ14の長さとゴア13の側縁部の周長との比、すなわち短縮率に対応するように設定されている。

【66】
次に、このロードテープ14を上記の袋状部20内に挿入する。そして、この袋状部20を短縮させてその各目盛21とロードテープ14の目盛22と一致させる。これによって、このゴア13の縁部の袋状部20は、このロードテープ14の長さと等しい長さに均一に短縮される。

【67】
次に、この袋状部20の被膜材料に均一に微細な皺が形成されるように、各目盛21間の部分も均一に短縮する。そして、この袋状部20とロードテープ14とを縫合する。

【68】
なお、上述したように、上記の袋状部20の短縮率が小さい場合には、この袋状部20の被膜材料に形成された微細な皺は、各縫目内に分散して縫い込まれ、大きな皺が縫い込まれることはない。なお、場合によっては、このロードテープ14との縫合は連続させずに、断続的に縫合してもよく、縫合されていない部分に被膜材料の皺または弛みを形成してもよい。

【69】
この方法は、ゴア13の側縁部を短縮しない状態で縫合し、この後に袋状部にロードテープ14を挿入してからこの袋状部20を短縮してロードテープ14と縫合するので、作業が容易である。

【7】
ところで、このようなスーパープレッシャー気球を実現するには、内圧に耐える耐圧性のガス袋が必要となる。このガス袋の耐圧性を高めるには、より軽量でより強度の高い被膜材料を使用すれば良いが、現在開発されている被膜材料では、たとえばガス袋の容積が100,000立方メートル、半径約100mの大形の耐圧気球を製造することは困難であった。

【70】
また、図7および図8には、本発明の製造方法の第2の実施形態を示す。方法は、たとえばプラスチックフイルム等の被膜材料からなるゴアを接着または溶着等により接合する場合に適したものである。

【71】
すなわち、まず図7に示すような作業台30を用意する。この作業台30の上面には複数の棒状のスペーサ32が等間隔に配置され、これらのスペーサ32はその長手方向に抜き去ることが可能である。そして、このような作業台30の上にゴア13の一部を載置する。この場合に、このゴア13の被膜材料は、上記のスペーサ32に対応した波形に屈曲し、所定の弛みが付与される。

【72】
次に、このような作業台30上に載置された2枚のゴア13およびロードテープ14を図8に示すようなローラを用いて順次接合する。すなわち、この2枚のゴア13の縁部は重ね合わされ、2列の接着線または溶着線等の接合線35に沿って接合される。そして、これらの接合線35の間にロードテープ14が配置され、このロードテープ14とゴア13の被膜材料とが接着または溶着等により接合される。

【73】
この場合に、上記の接合線35の部分は、それぞれ一対のローラ33の間に挟圧保持される。また、上記のロードテープ14の部分も、一対のローラ34により挟圧保持される。そして、上記のローラ33,34を回転させ、ロードテープ14およびこのゴア13の被膜材料の接合線35の部分をそれぞれV1,V2の速度で送る。

【74】
上記のロードテープ14の送り速度V1と、接合線35の部分の送り速度V2とは、ロードテープ14の長さと、ゴア13の側縁部の周長との比すなわち接合の際の短縮率に対応して設定されており、この接合線35の部分の送り速度V2の方が早い。

【75】
したがって、この被膜材料の接合線35の部分には、連続的に皺または弛みが発生し、ロードテープ14に対してゴア13の縁部の被膜材料の余剰分が均一に分散され、最終的には、このロードテープ14の両端とゴア13の縁部の両端とは一致する。

【76】
そして、この方法では、図8に示すように、端部から順次被膜材料に皺または弛みを均一に付与しながら、順次このゴア13の被膜材料同志、およびロードテープ14を一体的に接着または溶着等により接合する。

【77】
なお、前記のように、これらゴア13の被膜材料は作業台30上のスペーサ32により弛み32aが付与されているので、上記のように被膜材料を早く送る場合でも、他の部分が引張られることはない。なお、前記のスペーサ32は、この接合が進行してゆくに従って順次引き抜かれるので、邪魔になることはない。

【78】
また、この実施形態では、ゴア13とロードテープ14とは接合部分36によって間欠的に接合され、これらの接合部分にゴア13の被膜材料の皺または弛みを均一に形成する。もちろん、前述のように、このゴア13の縁部の短縮率を小さく設定すれば、このゴア13の被膜材料に微細な皺または弛みを形成し、これを分散して接合部分にシールすることも可能である。

【79】
この方法は、ゴア13の縁部に順次皺または弛みを均一に形成しつつロードテープ14と順次接合して行くので、製造が能率的である。

【8】
このため、上記のようなスーパープレッシャー気球をより大形化、高性能化するには、被膜材料の開発とともに、より高い内圧に耐えるようなガス袋の構造も開発する必要がある。

【80】
また、上記のような製造方法の場合に、隣接する2枚のゴア13の縁部を皺を発生させずに先に接合し、この後にこれらゴアの縁部に皺または弛みを形成しながら間欠的または連続的にロードテープ14と接合してもよい。また、上記のように、これらゴア13の縁部とロードテープ14を同時に接合してもよい。

【81】
また、ゴア13とロードテープ14との接合は、ゴア13の縁部の間にロードテープ14を挟んで接合してもよい。また、ゴアの縁部の接合部を2本のロードテープの間に挟んで接合してもよい。さらに、ゴアの縁部の接合部の片面側にロードテープを配置して接合しても良い。

【82】
また、ゴアの縁部を接合するとともに、この接合部に補助テープを皺や弛みなく接合し、この後にこの補助テープおよびゴアの縁部に皺や弛みを与えつつロードテープと接合しても良い。このような補助テープを使用することにより、ゴアの縁部とロードテープとの接合強度がより向上する。

【83】
なお、本発明は上記の実施形態には限定されない。たとえば、本発明は科学観測用の気球には限定されず、その他の用途の気球一般に適用可能である。

【84】

【発明の効果】上述の如く本発明の気球は、ゴアの幅および長さが自然型の形状より大きく設定されているが、ロードテープは自然型の形状のゴアの両側縁部の周長と等しいため、この余剰分だけ各ゴアがガス袋の周方向および縦方向に膨出する。よって、これら各ゴアの部分の曲率半径が小さくなり、内圧に対する耐圧性がより向上する。また、これらゴアは接合線のない単一の被膜片から構成されているので、構造が簡単で接合箇所の増加はなく、重量や工程の増加、強度の低下や漏洩の可能性の増加等を招くこともない。

【85】
また、本発明の方法によれば、上記のようなゴアの部分の膨出した耐圧性の気球を簡単に製造することができる等、その効果は大である。

【9】
ここで、本発明の理解を容易にするため、図8ないし図11を参照して一般的な気球の構造を説明する。図中の1はガス袋で、このガス袋1の内部にはたとえばヘリウム等が充填され、浮力を発生する。また、このガス袋1には、観測機器2等のペイロードが搭載される。なお、実際の気球では、ガスの排出やバラストの投下等を行う各種の制御機器が搭載されるが、図中では省略する。
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図5】
3
【図6】
4
【図8】
5
【図11】
6
【図12】
7
【図4】
8
【図7】
9
【図9】
10
【図10】
11