大気衛星

大気衛星（Atmospheric Satellite）とは

大気衛星、または疑似衛星（pseudo-satellite）とは、高高度の大気圏内で長期間運用される航空機のことで、従来の人工衛星が担っていた役割を代替する技術として注目されています。これらの衛星は、宇宙空間を周回する従来の衛星とは異なり、大気圏内で浮力を得て飛行します。

設計原理

大気衛星は、大気の揚力を利用して空中に留まります。これは、地球周回軌道上の衛星が遠心力を利用して軌道を維持するのとは対照的です。衛星の打ち上げには高コストがかかる上、軌道変更には燃料を消費しますが、大気衛星は低速で飛行し、より経済的で多様なサービス提供を目指しています。

運用高度は、風が穏やかで日光を遮らない対流圏界面（約20,000メートル）を想定しています。この高度では、航空規制も比較的緩やかです。大気衛星には、静圧（気球）または空力（飛行機）を利用して揚力を得る2つの主要なタイプがあります。

大気衛星の種類

飛行機型

ソーラーパネルでバッテリーを充電し、夜間はバッテリーまたは燃料電池で飛行する設計が一般的です。これにより、24時間連続運用が可能になります。Facebookのアクイラシステムのように、UAV間でインターネット通信を提供する試みも進められています。

ルミナティ・エアロスペースのサブストゥラータ航空機は、編隊飛行によりエネルギー効率を高めることが示唆されています。これにより、長時間の滞空が可能になり、より小さな機体での運用が期待されています。

気球型

静止気球衛星（GBS）は、成層圏（18,000～21,000メートル）の固定された位置で運用されます。この高度では、空気密度が地上の1/10程度となり、風速も比較的穏やかです。GBSは、広い範囲でブロードバンドインターネットを提供するための利用が考えられています。GoogleのProject Loonは、このタイプの衛星の初期の試みの一つでした。

高高度長期耐久性（HALE）航空機

HALE航空機は、高度20,000メートル以上で長期間飛行できる航空機です。ロッキード・マーティンX-56などの初期のモデルや、ノースロップ・グラマンRQ-4グローバルホークのような実用機があります。これらの航空機は、監視、通信中継、気象観測など、多岐にわたる用途に活用されています。

様々な企業がHALE技術の開発に取り組んでおり、エアバスゼファーは80時間以上の滞空記録を持っています。ボーイングのハミングバードは、回転翼航空機として独特の設計を持っています。

成層圏プラットフォームステーション（HAPS）

HAPSは、国際電気通信連合によって定義される、高度20～50kmで地球上の指定された地点に固定されたステーションです。これらは、永続的または一時的なサービスを提供します。HAPSは、有人または無人の航空機、気球、飛行船の形を取ることができます。

設計上の考慮事項

HAPSの運用には電力が必要で、現在のHAPSはバッテリーまたはエンジンで駆動されますが、ミッション時間は限られています。太陽電池は、HAPSの持続的な運用を実現するための有望な代替手段です。また、HAPSの高度選択は、ジェット気流の影響を避けるために重要であり、17～22kmの高度が選ばれることが多いです。

衛星との比較

HAPSは衛星よりも低い高度で運用されるため、より小さなエリアを効率的にカバーできます。通信リンクに必要な電力も少なく、ラウンドトリップ遅延も小さくなります。また、衛星と比較して、開発と展開コストが低く、メンテナンスのために着陸させることが可能です。

まとめ

大気衛星は、従来の人工衛星の代替となる可能性を秘めた技術であり、様々な用途での活用が期待されています。今後、技術開発が進むにつれて、より経済的で持続可能なソリューションが提供されることが期待されます。

この分野の進展は、ブロードバンドインターネットへのアクセス改善、災害監視、気象観測など、多くの分野に影響を与えるでしょう。

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