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教育イベント

航空機による学生無重力実験コンテスト

無重力実験の紹介



航空機による放物線飛行イメージ
航空機

宇宙で行われる科学実験の多くは、宇宙環境の最大の特徴である「無重力(無重量、微小重力とも言う)」を利用したものです。長時間の無重力状態を地上で再現することは不可能ですが、短時間(数秒~数十秒)であれば、落下塔による自由落下や航空機による放物線飛行を用いて無重力環境を作り出すことができます。航空機を用いた無重力環境は、主に短時間での無重力実験、宇宙実験に先立つ地上実験、さらには宇宙実験装置の検証のために利用されています。

航空機による微小重力実験イメージ
ガルフストリームII

ガルフストリームII

ダイヤモンドエアサービス株式会社が保有している
「ガルフストリームII(G-Ⅱ)」
という後部にジェットエンジン2基を有する航空機です。



実験風景

実験風景

 実験スペース

 実験スペース


相乗りのため今回の募集対象は○で囲んである実験スペースと搭乗者席の部分のみとなります。


実験ラック

実験ラック

ラック1段の実験装置搭載スペースは、 幅 :600mm×奥行き:500mm×高さ :500mmです。この範囲以上にならないように装置を設計してください。 また、装置はラックに直接取り付けずに、DASから支給される実験装置搭載用プレート上に取り付けるようになります。 飛行中の操作面は写真正面からのみとなります。

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無重力実験の簡単な説明
航空機による微小重力環境の原理(ダイヤモンドエアサービス(株)のホームページより)
ワイヤーの切れたエレベータ

ワイヤーの切れたエレベータ

宇宙で行われる科学実験の多くは、宇宙環境の最大の特徴である「無重力(無重量、微小重力とも言う)」を利用したものです。

長時間の無重力状態を地上で再現することは不可能ですが、短時間(数秒~数十秒)であれば、落下塔による自由落下や航空機による放物線飛行を用いて無重力環境を作り出すことができます。

航空機を用いた無重力環境は、主に短時間での無重力実験、宇宙実験に先立つ地上実験、さらには宇宙実験装置の検証のために利用されています。

放物線を描いて飛ぶボール

放物線を描いて飛ぶボール

さて、重力のみの力を受ける運動は落下のみではありません。例えば、ボールを斜め上方に投げ出すこととしましょう!

ボールは投げ出された瞬間、斜め上方に初速をもらいますが、その後は重力のみの力を受け、(厳密に言えば空気抵抗力も受ける)放物線運動をし、最後に地面に落ちます。この運動でもボールの内部は無重量状態になるのです!?


航空機の実験では、この放物線運動を行うように操縦し、機内に無重量状態を作ります。ボールを投げるとき、できるだけ強く投げる。すなわち、最初に大きな初速を与えること、または、できるだけ上向きに投げることで地面に落ちるまでの時間を長くすることができます。航空機でもできるだけ長い無重量状態(厳密には微小重力)を作るため、効率の良い飛行をする必要があります。そのため、次の図のような飛行パターンで飛行します。


パラボリックフライトパターン

パラボリックフライトパターン

放物線飛行、パラボリックフライトと呼んでいるこの飛行方法では、その開始点である上図のC点(ボールを投げ出す点)において、大きな速度と上昇角を得たいので、B点において航空機の最大速度に加速しておき、C点までに急激に機首を引き上げます。

このためB点~C点間は2G(通常の2倍の重力)がかかります。C点からは放物線を描くように航空機をコントロールします。このまま放物線飛行を続けると上昇の頂点を経て落下加速運動に入り最後には航空機の制限速度をオーバーしてしまいます。

このため安全に回復可能な(機首下げ角が35°~40°)D点で放物線飛行を終了させます。この間、C~D点間で機内に微小重力環境ができるのです。

C~D点間の時間は航空機の性能によって変わりますが、通常の民間ジェット機クラスで約20秒間、プロペラ機では約10秒、音速を超える戦闘機では40秒程度になります。

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