2024年度JAXA大气球实验总结概要

摘要：在刚刚过去的2024年末尾，JAXA/ISAS统一发布了其2024年各项实验总结报告、包括气球工程相关实验、也包括宇宙线物理学、天文学、地球行星科学等相关气球实验报告。小编将选择较为相关的实验逐一放送给大家。本期先看一下ISAS2024年实验总述，有个大概的了

在刚刚过去的2024年末尾，JAXA/ISAS统一发布了其2024年各项实验总结报告、包括气球工程相关实验、也包括宇宙线物理学、天文学、地球行星科学等相关气球实验报告。小编将选择较为相关的实验逐一放送给大家。本期先看一下ISAS2024年实验总述，有个大概的了解。

报告研读

2024年度JAXA大气球实验总结概要

JAXA / ISAS / 大气球实验小组福家英之

1. 2024 年度气球实验

1.1. 概要

基于2023年度大气球专门委员会的审议选定，制定了表1 所示的2024年度气球实验计划，并于5 月20 日至8 月28 日在联合协作基地大树航天实验场（TARF）实施。由于比往年更大型气球实验的准备花费了更多时间，实际实验开始时间推迟到了7 月初.

表 1: 2024 年度气球实验飞行概要

1.2. 实验的“小型化”

近年来，由于地球变暖，出现了与过去典型模式完全不同的高层风，如急流的蛇形，导致无法实施实验的日子频繁出现，成为一大问题[1,2]。另一方面，随着气球实验的更高要求，对飞行高度、飞行时间、搭载重量等的要求越来越高，气球的大型化趋势明显。一般来说，气球越大，飞行时间越长，实验实施所需的气象条件限制就越大，飞行机会就越有限.

因此，作为恢复因上述两点而减少的飞行机会的一种方法，在不损失科学成果的前提下，尽可能将实验小型化，放宽要求以扩大飞行机会[1,2]。此外，为了在有限的飞行机会中最大化科学成果，也积极推进多个实验的混载（搭载实验的共乘）.

对于2023年度计划的6 个实验，不仅实现了3 个小型气球实验，还对3 个大型气球实验的飞行时间或高度要求进行了放宽。其中，B24-01实验不仅使用了相对较小的大型气球B15C，还搭载了1 个共乘实验.

1.3. 实验实施

在计划的6 个实验中，有4 个没有错过飞行机会，如下所述，按计划顺利实施.

（1）旨在开发轻量、大型、低弹道系数的新型大气层再入气动外壳模型，以实现来自深空的样本返回的BS24-02实验“薄壳气动外壳大气再入飞行实验（RERA-3）”，于7 月4 日实施，从约26km的高度下降的气动外壳模型获得了空气动力数据[3].

（2 ）作为一般相对论高精度验证的基础实验的BS24-03实验“通过激光频率比较进行一般相对论高精度验证的基础实验（II）”，于7 月25 日实施，在飞至约20km高度的气球上通过接收来自地面的红外激光照射光，获得了光链路相关数据[4].

（3）以通过采集平流层中的微生物来探测地球生命圈的上界为目标的B24-01实验“平流层微生物捕获实验（Biopause V）”，于8 月3 日实施，在约21km高度下降过程中启动了改良型撞击式样品采集装置，获得了防止海水浸入等功能相关的装置性能数据[5]。此外，作为共乘实验，也获得了“高精度位移测量装置的实证3 （DREAM3）”的相关数据[6].

（4 ）旨在开发火星探测飞机用的螺旋桨推进器的BS24-04“火星飞机用螺旋桨推进器的高海拔试验（HIGHPER）”，于8 月21 日实施，在搭载的小型螺旋桨模型飞至约23km高度的过程中，在各种高度上进行了操作，测量了推力和扭矩，获得了稀薄大气中螺旋桨的空气动力数据[7].

另一方面，B24-02实验“在膜上覆盖网的超压气球的飞行性能评估”，在7 月31日获得机会准备放飞，但在放飞前发现实验仪器出现故障，因此推迟了放飞。由于放飞推迟，进行了充气和放气的气球无法再使用，因此今年度的实施被推迟[8].该实验的仪器构成和操作步骤等与其他实验完全不同，因此为了应对其特殊性，准备了专用的地面设备，并进行了专用的演练，但在放飞当天之前未能发现由于仪器细节设置引起的故障。此外，B24-03实验“改良型低温采样器性能实证试验”，在7 月26日进行了飞行准备确认会并做好了准备，但由于高层风等气象条件不适合气球飞行，在实验期间未能获得适合的机会，因此今年度的实施被推迟[9].

总的来说，通过准备计划中的全部6 个实验，5 个获得了飞行机会，其中4个实现了计划中的飞行。由此，今年度也确认了小型化的效果。不过，由于实验准备花费了较多时间，适合大型气球飞行的气象条件的日子今年也非常有限.

异常气象未来可能会持续恶化，因此需要继续通过小型化来确保飞行机会。但是，不能简单地缩小实验规模，而要在保持预期成果的同时，通过智慧和巧妙的方法来实现实验的小型化，放宽飞行条件以增加机会.此外，为了不错过有限的飞行机会并确保抓住它们，提前做好硬件制作、实验步骤制定、安全审查等各项准备以最大化飞行机会也很重要，并强烈推荐在气球实验计划的初期阶段就与大气球实验小组进行咨询以提高实现可能性[2,10].

另一方面，也存在许多难以小型化的实验，因此为了扩大大型气球的飞行机会和最大化实验的科学成果，将继续推进各种技术讨论和澳大利亚气球实验等（后述）.

此外，大树町的气球实验以外的航空航天相关活动也在逐年活跃化。在确保气球实验的飞行机会的同时，与其他活动共存的调整也很重要，将继续进行.

2. 向气球实验更高标准迈进的各类举措

2.1 海上回收技术发展与完善：

作为 JAXA 气球实验的一大特色，海上回收技术的强化与应用，已促使 JAXA 内其他部门、其他项目与其展开协作。EDL&R 技术研究团队正在以无人机在定位回收对象时提高效率为目标，2024 年度气球实验期间，实施了从船上起飞无人机、以及识别海上漂浮回收对象的飞行试验[11]。

火箭海上回收研究团队，正在考虑包括船舶在内的海上技术开发，该团队的成员也参与了 B24-01 实验的回收操作[12]。

同时，还对小型气球搭载的有效载荷的回收问题进行了探讨。通过推进这些活动，希望能放宽比以往更宽泛的气球飞行条件，拓展飞行机会和科学成果。

2.2 飞行机会的扩大：

为了将目前仅限于日出左右的放球时间带扩大至“夜间放球”，正在进行相关技术开发，并提高形成放球可行性判断依据的气象预测数据的精度。

2.3 高海拔气球开发：

由于 EDL&R 技术开发、天文观测等研究课题中对高海拔气球的需求日益增长，JAXA 正在强化其独有的薄膜型高海拔气球技术，以扩大原本仅限于约 1 kg 的 PI 设备重量至约 10 kg，并重启了开发能到达约 50 km 高度的气球的研讨[13]。

2.4 氦气供应问题与氢气替代技术探讨：

虽然氦气的获取仍然困难[14]，但氢气替代使用在安全方面还存在需要解决的问题，因而正在与 NASA 等欧美机构合作，共同推进氢气利用技术的研讨[1,2]（小编注：2024年度的COSPAR大会就氦气替代问题开展了“头脑风暴”，似乎已经成为一个需要广泛讨论的问题）。

2.5 气球通信与管制系统升级：

由于飞行中气球的无线电通信系统已老化，正在推进技术研讨以刷新系统并提高通信线路的速度和可靠性。气球飞行管制系统也在老化，因此正在进行分阶段的更新。此外，还通过使用飞行管制模拟器加强管制人员的训练，来强化人力资源基础[15]。

2.6 实验设施更新与维护：

作为模拟气球飞行环境的重要基础设施之一，国内最大的恒压恒温槽——真空室（位于相模原校区），几乎被所有大气球实验用户用作搭载设备的耐环境试验，但由于老化严重，因此计划在 2024 年11 月进行更新，从 2025 年初开始重新为用户开放使用。此外，还计划在年初前更新也将在年内到期制造商保证期的 GPS 信号模拟器（位于相模原校区）。同时，还在逐步进行大樹航空宇宙实验场的放球装置、放球用搪瓷铺装、接收天线用雷达罩等的维修与功能提升，以强化实验基础的韧性。

通过扎实的技术开发和设备维护，为气球实验的高度化贡献力量。

3. 澳大利亚气球实验

3.1 实验目的与背景：

以“长时间飞行”“陆上回收”“南天观测”等为关键词，为实现无法在日本国内进行的气球实验，将澳大利亚气球实验作为国内实验的互补框架推进[16]。由于学术界的需求和预算限制，以大约每三年实施一次为基准，继 2015 年、2018 年、2023 年之后，最初将 2026 年 3 月至 5 月设定为下一次实施的目标时间。

3.2 实验实施考量：

另一方面，考虑到澳大利亚气球实验相较于国内实验需要更长期的准备和更大的成本，以及近年来 JAXA 周围的状况，包括日元贬值和物价上涨，为确保澳大利亚气球实验的顺利实施并创造科学成果，从下一次澳大利亚气球实验开始，将最终公开招募时间比以往提前一年（见图1 ），并寻求以下三点可行性[17]：

(a) 实验计划在技术上以及人员和资金方面都有望成立。

(b) 实验装置的重量（包括 JAXA 大气球实验组不提供而搭载飞行的物品总重量，如吊舱结构体或电源等）与申请时的申报值相比没有大的变化（大致在±10%以内的精度）。

基于这一方针，实施了关于下一次澳大利亚气球实验实施时间的 RFI（信息提供请求）[17]，从学术界获取了信息，结果决定将下一次澳大利亚气球实验的实施目标时间更改为 2027 年 3 月至 5 月[18]。

图1: 实验申请及采纳后的大致流程（20XX 年度澳大利亚气球实验的情况，最快案例）[17]

4. 人才培养

4.1 人才培养意义：

不仅在本年度，气球实验总体上不仅有助于最前沿的宇宙科学研究，还是年轻研究人员和学生能够体验任务执行实战的宝贵场所。每年有 10 名以上的学生和年轻研究人员从全国各地的大学等参加气球实验现场，并每年产出10 篇以上的学位论文。

4.2 2024 年度人才培养情况：

在 2024 年度气球实验中，作为 PI 团队成员，共有27 名（研究生19 名，大学等所属的年轻研究人员4 名，JAXA 所属的年轻职员4 名）在现场参加，承担了实验运行的核心工作，并大显身手、茁壮成长。

4.3 人才培养项目：

此外，作为 JAXA 职员的人才培养项目，在传统的“现场实习课程”之外，从今年度开始试行“项目管理入门课程”。前者旨在在短时间内体验飞行运行和对外协调等一系列流程，后者则旨在实践自主实验准备等项目管理业务的经验。将事务性职员也纳入对象，在 JAXA 内部公开招募，结果分别有3 名和1 名被选中参加。未来还计划开设更长期的“OJT 课程”。通过这些举措，旨在扩大对人才培养的贡献，并在大气球实验组内外增加多面手（二刀流选手（小编注：“二刀流”被用来形容多面手，在棒球里用来代指投打俱佳的选手）），强化支撑气球实验的人力基础。

致谢

对于在实验实施过程中给予协助的各位，表示衷心的感谢。

参考文献

1. 福家英之，大气球研讨会（2022 年度），isas22-sbs-001.

2. 福家英之，大气球研讨会（2023 年度），isas23-sbs-018.

3. 高桥裕介等，大气球研讨会（2024 年度，本研讨会摘要），isas24-sbs-013.

4. 国分纪秀等，大气球研讨会（2024 年度，本研讨会摘要），isas24-sbs-006.

5. 大野宗佑等，大气球研讨会（2024 年度，本研讨会摘要），isas24-sbs-030.

6. 江熊信康等，大气球研讨会（2024 年度，本研讨会摘要），isas24-sbs-023.

7. 大川真生等，大气球研讨会（2024 年度，本研讨会摘要），isas24-sbs-012.

8. 斋藤芳隆等，大气球研讨会（2024 年度，本研讨会摘要），isas24-sbs-020.

9. 森本真司等，大气球研讨会（2024 年度，本研讨会摘要），isas24-sbs-035.