成層圏プラットフォーム技術実証機について

(1)

参考資料１－６

成層圏プラットフォーム技術実証機について

平成１５年４月２５日成層圏プラットフォーム

技術実証機検討チーム

(2)

成層圏プラットフォーム技術実証機について

目次１．はじめに

２．成層圏プラットフォームに関する海外の動向２．１アメリカ

２．２欧州等２．３韓国

３．技術実証機の位置付け

３．１技術実証機の位置付け

３．２成層圏プラットフォーム飛行船の技術課題４．飛行船システムの検討

４．１要求仕様の検討４．２開発計画案

４．３開発計画案の詳細

４．４開発計画の選定についての所見５．ミッション系の検討

６．技術実証機の開発の在り方６．１開発着手に向けての工程６．２開発体制

６．３官民の役割分担

６．４開発に当たっての留意事項

参考資料１技術実証機検討チーム構成員名簿

参考資料２技術実証機検討チームにおける検討の過程

(3)

１．はじめに

技術実証機の最初の概念は、航空宇宙技術研究所によって平成１０年度から１１年度にかけて行われた成層圏プラットフォームのフィージビリティ・スタディにおいて、システム技術の実証手段として提案されたものである。

その後、成層圏プラットフォーム開発協議会（以下、「協議会」）研究開発評価部会による「最初から実用規模のものを技術実証するのではなく、サブスケールのものから研究開発を進める等、段階を踏んで目標を達成することが重要」との評価結果（平成１１年９月）を受け、ミレニアム・プロジェクトの２つの飛行試験の後に総合的な技術実証のための飛行試験を行う研究開発計画が策定された。

さらに、要素技術の進展等を踏まえて、平成１２年４月に開催された第４回協議会では、「平成１５年度から実証機の基本設計を開始、平成１７年度から実証試験開始を目標」として検討を進めるとされた。

しかしながら、電源系に関する技術動向が大きく変化したことから、平成１４年５月の第６回協議会では、平成１２年４月の上記方針を見直し、「今後１年間をかけて、技術実証機の在り方について検討を進める」こととなった。

この方針を受け、航空宇宙技術研究所では、平成１４年７月よりそれまでの機体システムの検討結果を出発点として、数種類の機体概念及びそれらの開発計画等の検討を開始した。

一方、平成１４年１２月には、文部科学省、総務省、航空宇宙技術研究所、通信・放送機構、宇宙開発事業団、海洋科学技術センター、通信総合研究所の７者から成る「技術実証機検討チーム」が設置され、以後３回の会合を開催し、海外の技術動向、実現可能な機体システム、ミッション系において実証可能な技術課題、開発体制等について調査・検討した。本報告書は、これらの結果をとりまとめ、今後の技術実証機の開発の在り方を示したものである。

(4)

２．成層圏プラットフォームに関する海外の動向２．１アメリカ

米国の先進概念技術実証（ACTD）プログラムは、2006 年までに高高度飛行船の実証までを行う計画となっている。現在までに公募に対する提案の中から Lockheed Martin NE & SS-Akron 社（以下、「LM 社」）、Boeing 社、

Worldwide Aeros 社の 3 社が選ばれ、米国ミサイル防衛庁（MDA）との調整に入った。今年中に審査を行い来年早々に主契約社を決定する。うち LM 社の提案は、半硬式タイプの全長 144.6m の飛行船を用いるものである。

また、NASA の Helios 計画では、SkyTower 社（AeroVironment 社の子会社）が通信・放送用ソーラプレーンの開発を進めている。2001 年 8 月の飛行試験では、日帰り飛行で太陽電池を使って世界最高の高度（約 29km）に到達した。

2003 年夏の飛行試験では再生型燃料電池の搭載を行わず、太陽電池と燃料電池の組み合わせで 14 時間以上の飛行試験を行う予定。

２．２欧州等

マレーシア政府に対して英国 ATG 社等 6 社が提案している StratSat 計画は 18 ヶ月の実証機開発プロジェクト（約 195 億円資金）であり、低緯度のマレーシア地域で耐風 10m/s 以下の飛行実証試験を行い、その後高緯度地域にもビジネスを拡大する戦略を構想するものである。全長 200m 級、耐風能力 35m/sec の飛行船を開発し、ペイロード・モジュール、推進系のみ回収・再使用する方式をとる。2002 年 7 月にマレーシア政府に提案書を提示し、現在回答を待っている状況。

２．３韓国

韓国では、韓国航空宇宙研究所（KARI）が主体となって成層圏プラットフォームの研究開発が行われている。現在進行中の第１フェーズでは、50m 級試験機による高度 3km での飛行試験を 2003 年 6～8 月に予定している。船体は米国 Worldwide Aeros 社で製造、動力は国内開発のターボシャフト発電機を用いる。

また、平行して、1kW 試作 RFC モデル試作による地上評価試験、太陽電池選択の検討評価を進めている。

第１フェーズの結果を見て着手する予定の第２フェーズ（2004～07 年）にあたる 150m 級実証機開発では、太陽電池、再生型燃料電池、膜材料、開発コスト低減を重要な課題に挙げ、第２フェーズ以降では国際的な共同開発プロジェクトを要望している。

(5)

３．技術実証機の位置付け

３．１技術実証機の位置付け

技術実証機は、ミレニアム・プロジェクトとして現在計画が進められている２つの飛行試験（成層圏滞空飛行試験及び定点滞空飛行試験）の後、更なる技術課題の解決を行い、将来の実用機開発につながるものとして位置付けられている。

技術実証機において、どこまでを実証の目標とするかは、実証機と実用機の技術レベルの格差、開発費用、開発期間等の観点から総合的に決定すべきものであると考えられる。

３．２成層圏プラットフォーム飛行船の技術課題

ミレニアム・プロジェクト期間で確立する予定の技術課題と、その後実用化までに解決すべき技術課題を整理すると表３－１のようになる。技術実証機の技術目標は、両者の間に来ることになる。

表３－１成層圏プラットフォーム飛行船の主要な技術課題技術

分野

ミレニアム・プロジェクト期間で確立予定の技術課題

実用化までに解決すべき技術課題

材料構造

・軽量・高強度膜材の開発（単体強度の目標を達成）

・膜構造製造技術の確立

・膜材の耐久性、耐環境性

・大規模膜構造の製造技術

・軟式に留まらない最適な機体構造の選定

・ヘリウムガスの漏洩対策

制御追跡管制運用

・定点に留まる制御技術の確立（高度 4km まで）

・遠隔操縦技術の確立

・回収・地上ハンドリング技術の蓄積（60m 級まで）

・上昇・降下運用の確認

・対流圏界面通過時のデータ取得

・風観測・予測技術（高度

25km、格子間隔 5km、40 時間先まで予測可能）

・成層圏での定点滞空技術の実証

・大型飛行船の上昇・降下・対流圏界面通過運用の確立

・大型飛行船の回収・地上ハンドリング技術の確立

・離着陸場近傍の精度の高い地上風予測技術

熱制御電源推進

・太陽電池装備技術の蓄積

・再生型燃料電池システムの運用研究（1kW）

・長期間滞在可能な電源系（太陽電池＋再生型燃料電池）の開発

・太陽光曝露下の過熱対策等、熱制御技術の確立

・成層圏用推進システムの開発

その他

・長期運用に耐えるメンテナス・フリー性

・市街地上空の運用、燃料電池用水素ガスの塔載を考慮した安全対策

(6)

４．飛行船システムの検討４．１要求仕様の検討

上記技術実証機の定義、海外動向等を勘案し、技術実証機としては成層圏に到達、動力飛行し、何らかの手段で帰還回収・再利用が可能な成層圏飛行船が妥当と考えられる。これらの条件を満たし、また飛行試験がある程度現実的な条件のもとで確実に実施できるようにすることを考慮し、機体の要求仕様を以下のように設定した。

表４－１技術実証システムの要求性能

項目要求性能

到達高度 18～20ｋｍ

耐風能力到達高度において最大 15m/s 構造様式

重量物による荷重分布も含めた検討を行い、将来につながりうる構造も含めて検討する。内部構造様式は要求仕様を満たす限りにおいて任意とする。

搭載電源

滞空期間下記に別載

運用回収、再使用が可能であること。

ミッションペイロード

100ｋｇの集中荷重を搭載可能とする。また、滞空中を通じて 800W の電源供給。

成層圏プラットフォーム飛行船の動力源としては太陽電池と再生型燃料電池を組み合わせた、クリーンかつ長期滞在可能な再生型電源系の開発が必須であり、

技術実証機の段階で極力これら電源系の開発を進め、飛行試験の中で制御・運用も含めて実証することが望ましい。一方、化石燃料を用いた既存の動力系を技術実証機に適用する場合、成層圏での利用を前提とした改造等の開発要素が生じる一方で、その成果を将来の実用機に生かすことができない。

以上の点から、技術実証機の動力源としては将来の成層圏プラットフォーム飛行船電源系の構成要素となる太陽電池、及び再生型燃料電池または燃料電池を用いて構成するものとし、その組み合わせに対応して４ケースの電源構成を想定した。

・ＳＣ機：太陽電池（ＳＣ）のみを装備し、昼間の一定時間成層圏に留まる試験機

・ＦＣ機：燃料電池（ＦＣ）のみを装備し、一定時間成層圏に留まる試験機

・ＳＣ＋ＦＣ機：太陽電池と燃料電池を装備し、一昼夜に渡って成層圏に留まる試験機

・ＳＣ＋ＲＦＣ機：太陽電池と再生型燃料電池（ＲＦＣ）を装備し、一昼夜から数日に渡って成層圏に留まる試験機

(7)

これらの各電源系の構成の特徴は以下の通りである。

・ＳＣ機、ＦＣ機は、いずれも成層圏プラットフォーム電源技術の２つの柱となる太陽電池と燃料電池のいずれか一方を欠いており、この飛行試験をもって成層圏プラットフォーム技術を総合的に実証したとは言い難い。一方で、

低コストで早期に成層圏動力飛行を実現できる利点がある。

・ＳＣ＋ＦＣ機は太陽電池と燃料電池の双方の電源システムの実証が可能であるが、再生型燃料電池については地上試験等で補完する必要がある。

・ＳＣ＋ＲＦＣ機は単体で成層圏プラットフォーム技術の総合実証と言い得るが、開発要素が大きいこと、機体規模が増大することなどから開発リスクが大きくなることが問題である。

電源系以外で特に問題となると考えられる回収・再利用については、定点滞空試験機同様の陸上基地への帰還回収を考えた場合、

・試験機の海面付近における耐風性能は 5～6m/sec 程度しかない。

等の問題があるため、何らかの機体の再利用が可能な海上回収オプションも持っておくことが必須である。このため技術実証機の回収については

・地上基地へ自力帰還する能力を追及する一方、

・海上にホバリングさせた飛行船を何らかの船舶により捕獲牽引する等の海上回収技術を併せて確立する

ことを前提に検討するものとする。

また、ミッションペイロードについては、当初前項の数値（重量 100kg、電源供給 800W）の数値で検討を行ったが、その後ミッション側より

・100kg のペイロードに対しては、2kW 程度の電源供給が望ましい。

・可能ならばペイロード 250kg、5kW 程度が望ましい。

との要望を受け検討を行った。その結果、

・電源出力については現状想定しているシステムでほぼ対応可能

・搭載重量増、燃料増に対しては、数 m の機体規模の増大で対応可能

との結果が得られた。これにより、機体の実施設計の中で対応することが可能であると考えられる。

(8)

４．２開発計画案

成層圏プラットフォーム技術を一通り実証できる研究開発計画案として、試験機の機能・性能、開発コスト、開発期間、開発リスク等の観点から３案の開発計画を設定した。

・開発計画Ａ：太陽電池と再生型燃料電池を装備する成層圏飛行船（ＳＣ＋ＲＦＣ機）を開発し、一昼夜～数日に渡る滞空飛行試験を行い、

成層圏プラットフォーム技術の総合実証を行う。

成層圏滞空飛行試験

定点滞空飛行試験

SC+RFC技術実証機

実用機大型化、長寿命化

信頼・安全性向上

プロトタイプ機

・成層圏動力飛行の実現

・一昼夜～数日の滞空

・成層圏プラットフォーム技術の総合実証

・成層圏飛行の実現

・材料・構造技術の実証

・飛行制御、

運用管制技術の実証

SC

Motor

RFC

^昼

昼夜

SC

Motor Motor

RFC

^昼

昼夜

・開発計画Ｂ：太陽電池と燃料電池を装備する成層圏飛行船（ＳＣ＋ＦＣ機）

を開発し、一昼夜に渡る滞空飛行試験を行う。また、別途搭載可能な再生型燃料電池システムの開発を行い、地上において評価・実証試験を行う。

SC+FC技術実証機 _{大型化、長寿命化} 実用機

信頼・安全性向上

プロトタイプ機

・一昼夜の滞空

・太陽電池、燃料電池電源技術の実証

・飛行制御、

運用管制技術の実証 ^{再生型燃料電池の開発}地上試験・再生型燃料電池技術の実証

SC

Motor

FC

^夜 ^昼

SC

Motor Motor

FC

^夜 ^昼

・開発計画 C：燃料電池のみを装備する成層圏飛行船（ＦＣ機）を開発し、数時間に渡る滞空試験を行う。この成果等も反映して太陽電池と再生型燃料電池を装備する成層圏飛行船（ＳＣ＋ＲＦＣ機）を開発し、一昼夜～数日に渡る滞空飛行試験を行い、成層圏プラットフォーム技術の総合実証を行う。

(9)

SC+RFC技術実証機 ^{大型化、長寿命化}信頼・安全性向上実用機プロトタイプ機

・一昼夜～数日の滞空

・成層圏プラットフォーム技術の総合実証

・飛行制御、

運用管制技術の実証

SC

Motor

RFC

^昼

昼夜

SC

Motor Motor

RFC

^昼

昼夜 FCのみ装備

技術実証機

・2時間程度の滞空

・燃料電池技術の実証

電源系の補完等

Motor

FC

^昼・夜

Motor Motor

FC

^昼・夜

４．３開発計画案の詳細

上記Ａ～Ｃの開発計画について、試験機の諸元、開発スケジュール、開発費用等の検討を行った。

（１）開発計画Ａ

開発計画Ａは、太陽電池、再生型燃料電池を装備した技術実証機により、成層圏に一昼夜～数日滞空する飛行試験を実施するものである。本計画における試験機の仕様、必要な電源要素技術レベル、開発費用、期間、開発スケジュール等は以下の通りである。

66kW（RFC33kW×2、SC定格525kW）

電源出力

飛行試験開発

約330億円（地上設備等を含む）

再生型燃料電池太陽電池性能

1.5年 4.5年

エネルギ密度420Wh/kg 比重2.5g/W

効率13%

期間費用要素技術レベル

10.9ton（地上全備130.6ton）

船体質量

搭載重量250kg、

電力供給5kW程度までミッション

ペイロード

一昼夜～数日滞空時間

船体長150m（L/D=4）

船体規模

15m/sec（高度18km）

耐風性能

18km以上最大到達高度

試験機仕様 66kW（RFC33kW×2、SC定格525kW）電源出力

飛行試験開発

再生型燃料電池太陽電池性能

1.5年 4.5年

効率13%

期間費用要素技術レベル

10.9ton（地上全備130.6ton）

船体質量

ペイロード

船体規模

耐風性能

試験機仕様

100 地上設備、回収設備等整備・維持

地上設備整備等

60 搭載品製作

評価試験^※)

15 RFC構成機器開発

再生型燃料電池

15 EM設計、製作、試験（1式）

費用総額約330

※) 再生型燃料電池の信頼性を確保するための評価試験を待たずに搭載するため、1、2日の滞在が限界。評価試験の結果を踏まえた改修等により数日間の滞空が可能。

セル・パネル開発、

製造設備整備太陽電池

30 搭載品設計・製作（3式）

10 飛行試験

50 機器調達・機体製作

10 製造設備整備

40 基本/詳細/維持設計・開発試験

試験機設計・製作

開発費用 6年目（億円）

5年目 4年目

3年目 2年目

開発1年目

60 搭載品製作

評価試験^※)

15 RFC構成機器開発

費用総額約330

10 飛行試験

5年目 4年目

3年目 2年目

開発1年目

本計画は、成層圏プラットフォーム技術を飛行試験の中で総合実証することが可能であり、開発計画 B 案と比較した場合に実用段階へ積み残す技術リスク

(10)

が大きく減ること、実用機に至る開発費用をＣ案に比べて少なくできること等の利点があるが、多くの開発要素を含んだ、150m 級の飛行船を最初から開発することになるため、開発リスクが大であるという問題がある。

（２）開発計画Ｂ

開発計画Ｂは太陽電池、燃料電池を装備した技術実証機により、成層圏に一昼夜滞空する飛行試験を実施する一方、併せて再生型燃料電池の開発を行い、

地上で評価試験を行うものである。本計画における試験機の仕様、必要な電源要素技術レベル、開発費用、期間、開発スケジュール等は以下の通りである。

48kW（FC24kW×2、SC定格191kW）

電源出力

飛行試験開発

再生型燃料電池燃料電池太陽電池性能

2年 3年

エネルギ密度420Wh/kg エネルギ密度350Wh/kg 比重3.0g/W

効率13%

期間費用要素技術レベル 7.7ton（地上全備90.3ton）

機体重量

ペイロード

一昼夜滞空時間

船体規模

耐風性能

試験機仕様

48kW（FC24kW×2、SC定格191kW）

電源出力

飛行試験開発

再生型燃料電池燃料電池太陽電池性能

2年 3年

エネルギ密度420Wh/kg エネルギ密度350Wh/kg 比重3.0g/W

効率13%

期間費用要素技術レベル 7.7ton（地上全備90.3ton）

機体重量

ペイロード

一昼夜滞空時間

船体規模

耐風性能

試験機仕様

RFC構成機器開発 15

再生型燃料電池開発

15 評価試験^※)

PM設計・製作（1式）

費用総額約220

※）電源技術確立のため、再生型燃料電池の開発は飛行試験と平行して別途行い、地上で評価試験を行う。

搭載品 45 製作搭載用電源系開発

10 設計、製作（2式)

燃料電池

飛行試験

セル・パネル開発太陽電池

5 45 機器調達・機体製作

4年目 3年目

2年目開発1年目

再生型燃料電池開発

15 評価試験^※)

PM設計・製作（1式）

費用総額約220

※）電源技術確立のため、再生型燃料電池の開発は飛行試験と平行して別途行い、地上で評価試験を行う。

搭載品 45 製作搭載用電源系開発

10 設計、製作（2式)

燃料電池

飛行試験

セル・パネル開発太陽電池

5 45 機器調達・機体製作

4年目 3年目

2年目開発1年目

本計画は、技術実証機の段階で一昼夜に渡る成層圏滞在の実証が可能であること、開発期間、開発費用を３案の中で最小にすることができること等の利点があるが、飛行試験のみでは成層圏プラットフォーム技術の総合実証とはならず、再生型燃料電池系については別途地上試験での補完となること、すでに実績のある機体規模までしか開発しないため、将来の大型飛行船の開発・運用に際して技術ステップが大になる可能性があること等の問題がある。

(11)

（３）開発計画Ｃ

開発計画Ｃは燃料電池を装備した第一ステップ試験機により、早期に成層圏に到達し２時間程度滞空する飛行試験を実施し、これに続いて、太陽電池、再生型燃料電池を装備した技術実証機により、成層圏に一昼夜～数日滞空する飛行試験を実施するものである。本計画における試験機の仕様、必要な電源要素技術レベル、開発費用、期間、開発スケジュール等は以下の通りである。

100kg、

電力供給800W以上上空2時間 48kW（FC24kW×2）

6.6ton(地上全備77.5t) 船体長100m（L/D=3）

18km以上

ステップ1 効率13%

要素技術太陽電池レベルステップ2

66kW （RFC33kW×2、SC定格525kW）

電源出力

飛行試験開発

（1step/2step = 約200／約200億円）

1.5年（第一ステップ1年）

4.5年（第一ステップ2.5年）

期間費用 10.9ton （地上全備130.6ton）

船体質量

ペイロード

船体規模

耐風性能

18km以上到達高度

試験機仕様

100kg、

電力供給800W以上上空2時間 48kW（FC24kW×2）

6.6ton(地上全備77.5t) 船体長100m（L/D=3）

18km以上

ステップ1 効率13%

要素技術太陽電池レベルステップ2

66kW （RFC33kW×2、SC定格525kW）

電源出力

飛行試験開発

（1step/2step = 約200／約200億円）

1.5年（第一ステップ1年）

4.5年（第一ステップ2.5年）

期間費用 10.9ton （地上全備130.6ton）

船体質量

ペイロード

船体規模

耐風性能

18km以上到達高度

試験機仕様

第2ステップ用地上設備、回収設備等改修・整備・維持

40 第1ステップ用地上設備、回収設備等整備・維持

飛行試験

第1ステップ試験機

5

60 搭載品製作

評価試験^※)

10 搭載用FC設計、製作（2式）

基本/詳細/維持設計・開発試験

費用総額約400

10 飛行試験

10 25 第2ステップ試験機

5年目 4年目

3年目 2年目

開発1年目

第2ステップ用地上設備、回収設備等改修・整備・維持

40 第1ステップ用地上設備、回収設備等整備・維持

飛行試験

第1ステップ試験機

5

60 搭載品製作

評価試験^※)

10 搭載用FC設計、製作（2式）

基本/詳細/維持設計・開発試験

費用総額約400

10 飛行試験

10 25 第2ステップ試験機

5年目 4年目

3年目 2年目

開発1年目

本計画は、成層圏プラットフォーム技術を飛行試験の中で総合実証することが可能であり、開発計画 B 案に比べて実用機段階に積み残す技術リスクを大きく減らせること、第一ステップの試験により、成層圏動力飛行及びミッション実証試験を３案の中で最も早期化できること、また第一ステップの試験により、

飛行試験のリスクの低減が可能であること等の利点があるが、技術実証段階全体の開発費用が最大となるという問題がある。

４．４開発計画の選定についての所見

各開発計画の特徴をまとめると、以下のようになる。

(12)

開発計画 A 開発計画 B 開発計画 C 開発期間 4.5 年 3 年 ①2.5 年

②4.5 年開発費用約 330 億円約 220 億円約 400 億円到達点 RFC+SC 機飛行試験 FC+SC 機飛行試験

及び RFC 地上試験 RFC+SC 機飛行試験機体規模 150m 110m ①100m

②150m 到達高度

耐風性能

18km 以上最大 15m/sec

滞在期間一昼夜～数日一昼夜 ①上空 2 時間

②一昼夜～数日開発計画 A、C は SC+RFC 機による飛行試験を行うものであり、飛行試験単体で成層圏プラットフォームの総合実証となるものである。しかし、一方で B 案と比較した時には RFC 開発のスケジュールがタイトになるなどの問題がある。

また、A 案については、150m 級の飛行船に最初から着手することになり、定点滞空試験機（70m 級）からの製造・運用における技術ステップが大きい。また、

本試験の船体は軟式構造を前提としているが、150m 級の軟式構造飛行船は過去に例が無く、構造の詳細設計の結果によっては半硬式構造などの導入により開発コスト、期間が増大するリスクがあり、これも実績のある 100m 級船体を用いる B 案との開発リスクの差となる。一方で C 案については 100m 級試験機による第一ステップの試験で得られた製造・運用技術を反映することにより大規模飛行船の製造・運用に最初から着手するリスクを避け、また成層圏動力飛行の早期化を図っているが、開発コストが最大であることが問題となる。

一方、Ｂ案については費用、期間とも最小であり、機体規模も比較的小さいもので済むが、電源技術の主要な要素となる再生型燃料電池系が飛行試験機には含まれていない。再生型燃料電池系については地上で環境槽などを用いて単体評価試験を行うが、実際に飛行船システムに組み込んで実環境で動作させる実証を行うことは出来ず、システム全体としての問題点、評価試験における条件設定の問題など、いわば開発リスクを後の実用機開発に積み残す部分がある。また、比較的小さい機体規模であるため、将来の大型飛行船の開発・運用に際して技術ステップが大になる可能性もある。

このように、これらの開発計画は、何れも開発コスト、開発リスクのトレードオフが存在しており、投入可能な費用、実用段階への移転のタイミング等の外的要因に拠るところが大であると考えられる。また、開発主体がどこになるかによっても、開発の進め方に大きな影響があるので、開発計画については開発体制と併せて引き続き検討する必要がある。

(13)

５．ミッション系の検討

技術実証機で想定される主要なミッションを選定し、そのミッションにより実証可能な技術課題や機体システムに対する要求等を検討した。通信・放送ミッションの概要を表５－１、地球観測ミッションの概要を表５－２に示す。通信・放送ミッションの検討では、機体システムとして、搭載重量５０ｋｇ、供給電力５００Ｗでも可能であるが、搭載重量１００ｋｇ以上、供給電力２ｋW以上（可能であれば搭載重量２５０ｋｇ以上、供給電力５ｋW以上）の条件が確保されることが望ましいという結果が得られた。一方、地球観測ミッションの検討では、一般に、搭載重量、

供給電力に対する要求は小さいものの、２４時間から数日程度の滞空時間を確保できることが望ましいという結果が得られた。

(14)

表５－１通信・放送ミッションの概要

主要アプリケーション（上段）と主要技術課題（下段）

No. ミッション名特徴と効果

（実用化時のイメージ）

搭載重量 50kg 所要電力 500W のケース

搭載重量 100kg 所要電力 2kW のケース

搭載重量 250kg 所要電力 5kW のケース

１

高速無線アクセス

（DBF）

31/28GHz

・ブロードバンド伝送を多数のユーザとアクセスポイント間で行う。

マルチビームの DBF アンテナを使用

Ø

・直径 100km 程度までの広域に渡る無線 LAN 接続（インターネット、IP 電話、電子メール等）

が可能

・小型地上アンテナ（10－20cm 程度）で数 M から数十 Mbps 以上のブロードバンド接続可能

・航空機、列車、バス、車両等高速移動体への広域無線サービスが可能

―

・インターネット接続・電子メール

・無線 LAN 中継

・映像伝送

（動画及び地図情報等）

・高速移動車両捕捉・追尾通信

Ø

アダプティブアンテナ技術

・多ビーム化：100 素子以下

・空間分割多元接続

・適応マルチビーム制御

・地上局捕捉・追尾

・プラットフォーム動揺補償周波数共用技術

・ビーム間干渉低減

・覆域内周波数再利用

（リソースマネジメント）

・降雨減衰対策

（ビーム出力制御）

地上端局アンテナ技術

・捕捉・追尾技術

・搭載重量 100kg のケースの約 2 倍の通信性能を持つことが出来、

地上から搭載器材内の通信プロトコル変更も可能

Ø

アダプティブアンテナ技術

・多ビーム化（100-200 素子）

・空間分割多元接続

・適応マルチビーム制御

・地上局捕捉・追尾

・プラットフォーム動揺補償

・ソフトウェア無線技術アクセス制御技術

・アクセス制御プロトコル

・無線資源割り当て技術周波数共用技術

・Dynamic Channel Assign- ment（DCA）

・適応変調・伝送速度制御技術地上端局技術

・小型・軽量アンテナ（直径 10－

20cm）

２

移動体通信

（IMT2000）

2GHz

・地上基地局の交換機能を搭載する。ITS（各車両との送受）にも適用可

Ø

・地上基地局間のネットワークが地

・スルーリピータによる通信可能

・携帯電話インターネット接続・電子メール

・携帯電話映像伝送

（動画及び地図情報等）

・複数地上小型携帯端末同時通信

・搭載重量 100kg の場合に比較して約 4 倍の通信性能を持つことが可能

Ø

アクセス制御技術

(15)

上回線を介せずに低コストで接続可能

・多数地上設置されている携帯用アンテナ鉄塔が不要

・海上、山岳地帯、遠隔地等従来の不感地域、サービス外地帯でも携帯電話の低コストでサービスエリア拡大可能

（ハンドオーバ）

Ø

搭載基地局技術

・交換技術

2GHz 帯マルチビームアンテナ技術

・16 ビーム以下

・適応信号処理技術

・マルチビーム制御

・ハンドオーバ機能

・アクセス制御プロトコル

・小型軽量化搭載型大容量交換技術マルチビームアンテナ技術

・多ビーム化

（16―100 ビーム）

・ソフトウェア無線技術

・適応信号処理技術

・マルチビーム制御

・ハンドオーバ機能

３

広帯域伝送

（MBH）

47／48GHz

・ミリ波帯で広帯域大容量

（100Mbps）の情報を伝送可能で、放送用素材伝送、携帯電話・

ITS 等各種通信の基幹通信に適用可

Ø

・マラソン中継等同時多地点との高精細映像の放送素材集配信が可能

・災害、交通渋滞、領海等のリアルタイム高精細映像での監視

・高精細映像監視・高速通信機能による陸海空の管制、保安等が可能

・遠隔医療診断、移動救急医療診断等可能

―

・インターネット接続・電子メール

・無線 LAN 中継

・高精細映像伝送（高精細動画映像及び高精細地図等）

・高精細映像複数チャンネル伝送

・高速移動車両受信

Ø

広帯域マルチビームホーンアンテナ技術

・多ビーム化アンテナ機構

（７素子以下）

・周波数再利用

・可変サービスエリアアンテナ降雨減衰対策

・インタリーブ機能長周期化

（機能確認）

地上端局技術

・捕捉・追尾技術

・搭載重量 100kg の場合に比較して約 3 倍の通信性能を持つことが可能

Ø

広帯域マルチビームホーンアンテナ技術

・多ビーム化アンテナ機構

（20 素子以下）

・周波数再利用

・可変サービスエリアアンテナ搭載通信制御局技術

・多チャンネル広帯域通信制御周波数共用技術

・適応変調・伝送速度制御技術

・インタリーブ機能長周期化

・降雨減衰対策（蓄積等）

地上端局技術

・小型軽量化

４放送

・UHF 帯

・UHF 帯 TV 放送局機能を搭載する。出力数十Ｗ、高度 20km で直径約 200km の地域をカバーすることが可能

・スルーリピ－

タによる 2 チャンネル位の中継放送可能

・市販地上ディジタル放送受信機放送受信

・高速移動車両受信

Ø

・ほぼ実用レベル（地上ディジタル放送と同等のチャンネル数可能）

Ø

(16)

Ø

・東京タワーのような大出力放送塔は不要

・多数の地上放送タワーが不要

・ハイビジョン TV を新幹線、航空機、バス等移動体で受信可能

搭載放送局技術

・中継・切り換え技術

（5 チャンネル以下）

広域放送技術

・広ビームアンテナ（覆域検証）

・多チャンネル中継・切り換え技術広域放送技術

・可変サービスエリア機能アンテナ

・広ビームアンテナ周波数共用技術

・単一周波数ネットワーク技術

・周波数再利用技術

・地上放送局との共用技術

５地上電波電位置評定

・地上の電波源の探知位置評定が可能

Ø

・山岳救難、雪崩埋設救難、海上遭難漂流信号探知

・違法電波探知

・直交リニアアレイアンテナ

（各 8 素子以下）による到来電波探知機能確認

・擬似遭難信号探知

・擬似違法局探知

Ø

・高分解能アレイアンテナ・キャリブレーシション技術

・位置精度向上技術（一部）

・高分解能擬似遭難信号探知

・擬似違法局探知

Ø

・高分解能アレイアンテナ・キャリブレーシション技術

・位置精度向上技術

（大口径アレイアンテナ）

・電波諸元判定技術

６

実用システム基盤技術

・プラットフォーム間データリンク網

・複数プラットフォーム間データリンク機能

Ø

・地上系ネットワークと独立し得る幹線系の構築（地上災害の影響を受けない）独自の大容量データ伝送幹線系通信・情報インフラの実現

・光信号追尾機能確認（地上

／飛行船間）

・光信号捕捉・追尾技術

（地上／飛行船間）

・広帯域フィーダーリンク接続

Ø

・地上／飛行船間光通信接続・追尾

・搭載光アンテナ

・広帯域光伝送（200Mbps 以下）

・飛行船 2 機以上必要自律制御ネットワーク技術実証には 3 機以上必要

Ø

・プラットフォーム間捕捉追尾技術

・広帯域技術（200M－1Gbps）

（大気のゆらぎ補償技術等）

・自律制御ネットワーク技術

７

その他

・超低周波受信機能

・GPS 代替補完機能

・地震探知、火山活動監視、地球観測（ホイッスラー受信等）

・GPS 不感地帯の補完、遭難者探知・精度向上

― ―

小型化長波長高感度搭載アンテナ

・電波諸元判定技術

・判定アルゴリズム GPS 代替情報送信技術

(17)

表５－２地球観測ミッションの概要

No. ミッション名ミッションの概要

技術的意義

（このミッションにより実証できる技術課題等）

機体システムに対する要求

（ミッション系の重量、電力、滞空時間等）

備考

（実現する際の課題、実用機との関連等）

１小型長時間動作大気測定システム

・成層圏試験機の大気採取測定システムを小型化かつ長時間動作が可能なシステムとする。

・CO2 以外の気体も検討する。

・システムが実際に長時間使用可能であることの実証

・他の気体観測機の開発検討

重量：成層圏試験機と同等電力：200W 以下

動作時間：24 時間以上

・実用機では測定精度を保持しながら長期間動作させなければならない。そのための手法の開発が課題

２

海洋ロボット、調査船の遠隔制御と海洋観測機器の監視

・日本近海海上の海洋ロボット、調査船、ブイ、浮上式海底地震計などと陸上の双方向通信を行う。

・小型小電無線機、海上表面アンテナを用いたディジタルデータ伝送

・可能であれば IP 化

・遠隔制御方法

重量：100kg 電力：500W 以下動作時間：12 時間程度

・高速 IP 通信を行う為には、安定した無線回線の確立が必要

３植生観測実証実験

・超多周波数を持つハイパースペクトロメータ

（100 チャンネル以上）

を搭載し、次のミッションを行う。

（１）植生の基礎的情報の取得（生態系における物質収支等）

（２）農作物の成育モニタ実験（収穫量予測、害虫被害監視等）

（３）衛星による日本全土の樹種分類のための事前実験

・将来の衛星搭載ハイパースペクトロメータの技術実証

・農作物成育把握のための解析アルゴリズムの実証

・樹種分類のための解析アルゴリズムの実証

重量：100kg 程度電力：150W 程度動作時間：数日～数ヶ月

・ハイパースペクトロメータの軽量化・省電力化

・定点試験機より大きいと考えられる位置、姿勢外乱から画像を補正する手法が課題

４防災・災害監視

・熱赤外域を含む光学センサにより、火災発生の監視、火山噴火の監視、地震発生後の状況把握等の

・小型・軽量・超寿命化の実証

重量：200kg 程度電力：250W 程度動作時間：数日～数ヶ月

(18)

５交通監視

・高分解能カメラにより、

自動車交通量を広域観測し、混雑状況の情報提供を行うとともに、将来の交通システム構築のための基礎データとする。

・画像情報から交通量を算出するソフトウェアの実証

重量：50kg 以下電力：50W 以下動作時間：数日～数ヶ月

(19)

６．技術実証機の開発の在り方６．１開発着手に向けての工程

（１）ミレニアム・プロジェクトの事後評価

まずは、１６年度に完了する定点滞空飛行試験後、ミレニアム・プロジェクトの成果をとりまとめ、事後評価を行うことが必要である。

（２）開発体制の確立

ミレニアム・プロジェクト終了後、技術実証機開発に着手する場合、

①成層圏プラットフォーム開発の最終目的は、民需による実用化であることを鑑みると、国の全額負担は適切でないこと

②これまでの検討から、技術実証機の開発総額は数百億円程度に達するが、

昨今の厳しい国の財政事情から、国の全額負担は困難であること

などを踏まえると、適切な役割分担に基づく官民共同開発体制の検討が必要である。

なお、技術実証機の開発は、ミレニアム・プロジェクトに比べて大規模になることから、プロジェクト・マネジメント強化が必要である（例えば、機体本体と機体の追跡・管制の一元的な開発体制等）。

また、ミッション系については、民間主体の開発も視野に入れて検討することも必要である。

（３）開発着手に向けた事前評価

技術実証機の開発着手に先立ち、透明性の高い第三者機関による事前評価が不可欠である。事前評価として必要と思われる項目の例としては、以下が考えられる。

・実用化した場合の社会的波及効果の再確認

・これまでの成果の検証

・技術実証機の技術的意義と実用機開発までの具体的見通し

・研究開発機関のあり方

・研究開発に係る資金計画

・スケジュールの妥当性

・研究開発課題の妥当性等

事前評価については、ミレニアム・プロジェクトの事後評価終了後、可能な限り早期に実施する必要がある。また、事前評価に向けて、評価に必要な基礎データの充実を図るべきである。

また、飛行船本体の実現性の評価に当たっては、海外の状況等を踏まえつつ、

電源に関する技術動向や大型飛行船の機体構造に関する技術的見通し等を適正に考慮する必要がある。

更に、準天頂衛星の開発開始等、現在まで、通信・放送分野等の技術動向に変化が見られ、今後も技術革新が予想され、また、その他地球観測等多目的な

(20)

利用も予想されることから、これらのことを総合的に踏まえて、飛行船の長所、

必要性等を適正に考慮する必要がある。

６．２開発体制

開発体制の例として以下のようなものが考えられるが、引き続き適切な開発体制を検討する必要がある。

・民間企業から成る技術研究組合（コンソーシアム）を主体として開発、必要に応じて補助金等により費用を一部負担

・公的研究開発機関に民間企業から委託等を行って開発（開発主体は公的研究開発機関）

・国から民間企業に開発経費の一定割合を補助して開発（開発主体は民間企業）

・公的研究開発機関と民間企業（体）が共同開発等６．３官民の役割分担

国が関与すべき役割としては、現時点では

・薄膜軽量太陽電池、再生型燃料電池など電源系の開発

・膜材料の高度化

など、民間企業での取り組みが難しい技術的リスクの高いものや基礎研究に相当するものが考えられるが、具体的な項目については技術動向に応じて引き続き検討が必要である。

６．４開発に当たっての留意事項

これまでは国内開発を前提に進めてきたが、技術実証機の開発を更に加速するためには、海外からの技術導入や国際共同開発など海外との連携を視野に入れるべきである。

(21)

参考資料１

技術実証機検討チーム構成員名簿顧問

森幹彦成層圏プラットフォーム開発協議会飛行船部会長独立行政法人航空宇宙技術研究所

舞田正孝企画経営室長

清水亨成層圏プラットフォームプロジェクトセンター長通信・放送機構

井澤一朗研究推進部長（第２回会合まで）

大矢浩研究推進部長（第３回会合以降）

大橋一夫三鷹成層圏プラットフォームリサーチセンターサブリーダー鈴木幹雄横須賀成層圏プラットフォームリサーチセンター

プロジェクトサブリーダー宇宙開発事業団

長島隆一衛星総合システム本部衛星プログラム推進部長海洋科学技術センター

釣谷康海洋技術研究部長独立行政法人通信総合研究所

三浦龍横須賀無線通信研究センター

無線イノベーションシステムグループリーダー文部科学省

大塚洋一郎研究開発局宇宙開発利用課長吉田大輔研究開発局海洋地球課長総務省

坂巻政明総合通信基盤局電波部衛星移動通信課長

伊丹俊八総合通信基盤局電波部次世代航空通信システム開発室長

(22)

参考資料２

技術実証機検討チームにおける検討の過程第１回（平成１４年１２月１９日）

（議題１）飛行船システムのこれまでの検討について

（議題２）今後の進め方について

（議題３）その他

第２回（平成１５年２月６日）

（議題１）機体仕様について

（議題２）ミッションについて

（議題３）海外動向について

（議題４）開発体制等について

（議題５）その他

第３回（平成１５年４月２５日）

（議題１）報告書案について

（議題２）その他

成層圏プラットフォーム技術実証機について