熱気球：モンゴルフィエ兄弟から現代フライトまで

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概要

熱気球は、薄く高強度の非多孔性生地で作られたエンベロープ（袋）に揚力ガスを充填したものです。内部の加熱された空気が周囲の冷たい空気を押しのけ、押しのけられた空気の重さに等しい上向きの浮力が生じることで上昇します。

歴史的には、エンベロープは紙、ゴム、様々な生地で作られていました。今日では球体、扁球体、流線型の空力形状が主流です。主な揚力ガスはヘリウム、水素、熱気です。

歴史

18世紀後半、モンゴルフィエ兄弟がフランスで熱気球飛行を切り開きました。軽量な袋に熱せられた空気を入れると袋が持ち上がることを発見し、1783年に最初のデモンストレーションをアノネーで、続いてベルサイユ宮殿で羊、雄鶏、アヒルを乗せて行いました。

初の有人飛行は1783年11月21日、パリで行われました。ピラートル・ド・ロジエとフランソワ・ローラン・ダルランド侯爵が、煙と熱気で動く紙とリネンの気球に乗り込みました。

19世紀を通じて、気球は戦時の偵察や平時の航空写真に用いられました。貴重な観測プラットフォームを提供しましたが、初期の気球は操縦不能でした。本格的な科学実験が盛んになるのは20世紀後半になってからです。

1934〜1961年にかけて、有人気球飛行で成層圏（9.7〜24.14km）が探査されました。加圧カプセルにより高度30km（10万フィート）に到達。1961年の有人宇宙飛行の到来により、これらのミッションの多くは不要となりました。

1960年代以降、熱気球はレクリエーションスポーツへと進化。1970年代に一般販売が急増し、1973年にアメリカで初の世界選手権が開催。現在、世界中の気球家が記録飛行や様々な競技に挑んでいます。

現在使用されているその他の気球タイプには、気象観測用、ゼロプレッシャー、スーパープレッシャー、軍用係留、動力気球などがあります。

現代の熱気球飛行

現代の気球はエンベロープとバスケットで構成されます。エンベロープは通常球形で、非伸縮性素材を使用。バスケット上部に取り付けられた炭化水素バーナーが熱気を供給します。

バスケット（ゴンドラ）が搭乗者を乗せます。バーナーの火力調整で揚力をコントロール。頂部のバルブをロープで操作して降下を制御し、着陸時の衝撃を減らすためリップコードとリップパネルでガスを急速排出できます。

レクリエーション用気球の実用高度限界は約55km（34マイル）。

4人乗り気球の膨張には通常4〜5人のクルーが必要。バスケットを横倒しにし、エンベロープを地面に広げ、ファンで冷気を予備充填。パイロットがエンベロープ内に入り、リギング、プーリー、ベルクロタブ、飛行ワイヤー、パラシュート、エンベロープ生地の事前点検を行います。

バーナーを着火すると約60秒でエンベロープが満たされ、20,000立方フィート（6,096立方メートル）の気球が完成。エンベロープが立ち上がり、クルーがクラウンを風から安定させます。膨張後、パイロットと搭乗者が最終チェックを行い、気球が「軽くなった」状態で離陸態勢に入ります。

原材料

エンベロープ

エンベロープはロードテープやコードで荷重を分散します。米国メーカーは重めの生地にロードテープ、欧州メーカーは軽量生地と多めのテープ構造を好みます。

生地はナイロンまたはダクロン（ポリエステル）で織られています。ナイロンは軽く強靭、ダクロンは耐熱性に優れます。メッシュ織りで通気性を確保。典型的な引張強度は1インチ幅あたり40〜100ポンド（18.2〜45.4kg）。

気密性を確保するため、生地はポリウレタンでコーティングされ、ネオプレン、シリコーン、UV阻害剤で強化されます。コート回数は気密性と素材の脆さのバランスで決まります。

主要コンポーネントにはパラシュートとリップパネルがあり、いずれも制御降下に不可欠。パラシュートはエンベロープグレード生地製のフェイルセーフ装置。リップパネルはベルクロで密封され、セカンダリベントでさらなる安全性を確保。

ネットがバスケットを支え、重量を気球全体に均等分散します。

バスケット

バスケット本体は通常、ラタンと柳で編まれ、床は合板。縁は革、スエード、生革で縁取り。ステンレスワイヤーと剛性サポートでバスケットとバーナーフレームを接続。一部設計では、エンベロープに取り付けたロードリングからバスケットを吊り下げ、バーナー取り付け点も兼ねます。

バーナー

バーナーは2本以上の燃料タンクで駆動する一体型プロパンシステム。恒久的なホースカップリングでタンクと接続。液体バルブで燃料流量を調整、圧力計で残圧を表示、パイロットライトでプロパンを気化。ステンレス製気化コイルが気化ガスを根元太く先端長い炎に変換します。

デザイン

エンベロープ

エンベロープ設計は、緩やかにカーブしたゴア（継ぎ合わせパネル）を用いて生地応力を低減することに重点を置きます。カーブドゴアは中央が長く、端が短くなります。ゴア方向は縦、横、斜めの3タイプ。斜めゴアが最も経済的で生地ロスを最小化。多くのゴアはコンピュータ設計されます。

主流形状は涙型と丸型。涙型は上昇が速く省エネ、丸型は生地使用量が少なく表面積と加熱需要を削減。典型的なエンベロープ寿命は約400飛行時間。

バスケット

バスケットは1700年代以来ほぼ変わらず、衝撃でしなる角型ウィッカー構造。1970年代にアルミニウムとファイバーグラス製ゴンドラが試みられたが、硬着陸で粉砕しやすかった。後の革新で三角形バスケットが登場し、新しい計器パネル配置が可能に。バスケット寿命は約800飛行時間。

製造プロセス

エンベロープ

• ゴアを縫い合わせることから開始。手縫いか工業用ミシンで、約8針/インチ（3針/cm）の二重折り伏せ縫いを採用。フラット縫いやジグザグ縫いもあるが、二重折り伏せが最も強靭で軽量。この段階でロードテープとコードも縫い込みます。
• 縫製後、コーティングを施す。圧力下で機械的に塗布。
• 広告用途では、スローガンやロゴなどのアップリケを取り付け。アクリルスプレーペイント、接着文字、大型アートワークはゴアに直接縫い付け。

バスケット

• ベースから組み上げ。厚さ最大1インチ（2.5cm）の籐フレームを、ランナー付き合板ベースが支える。ステンレスワイヤーとロードフレームでフレームを囲む。ラタンまたは柳をフレームに編み込み、シリンダーストラップ用の穴を空ける。完成品はニス塗りで形状保持、縁を生革・革・スエードで保護。計器パネルとプロパンタンクを組み込み時に統合。

バーナー

• メーカーはバーナーコンポーネントを外注し、他部品完成後にバスケットとエンベロープの間で組み立てることが多い。

将来展望

より高く、より長く、より制御可能な飛行を目指した革新が進行中。主にバーナー効率の向上と排気システムの改良に焦点が当てられ、高高度・長時間飛行の新時代を約束しています。