学際科学研究系

斎藤 芳隆

サイトウ ヨシタカ  (Yoshitaka Saito)

基本情報

所属
国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所 学際科学研究系 准教授
学位
博士(理学)(東京大学)
理学(修士)(東京大学)

J-GLOBAL ID
200901068528199528
researchmap会員ID
1000227990

科学観測用気球の開発とそれを用いた科学観測を行っています。気球には到達できる高さ、飛翔時間の制限がありますが、それを大きく打ち破る気球が誕生しつつあります。気球の研究を進め、気球の可能性を広げ、様々な科学観測実験で利用できるようにしたいと考えています。

 修士過程では、所属する研究室で開発が進められていた天体硬X線検出器を用いた気球実験に携わりました。博士過程ではそれを将来のX線天文衛星搭載用に発展させると共に、X線天文衛星「あすか」による回転駆動型パルサーの観測を行い、エネルギー放射機構の研究を進めました。

 その後、宇宙研気球グループに奉職し、高エネルギー宇宙物理に関する観測実験を継続すると共に、気球本体、搭載機器、地上系といった気球実験システム全般の開発と運用に従事するようになりました。気球の飛翔実験実施にあたっては受信班として、気球と地上間のデータ伝送の確立を担っています。

 気球本体の開発として最初に手掛けたのは、薄い皮膜を開発し、それを用いた気球を開発することで、飛翔高度を向上させる研究でした。3.4 um厚のフィルムを開発し、2002年にはそのフィルムを用いた気球により30年ぶりに世界最高気球高度記録を更新しています。さらにより薄いフィルムの開発を進め、2013年には2.8 um厚のフィルムにより、再度の記録更新に成功しました。

 この研究と並行して進めているのがスーパープレッシャー気球の開発です。これは、気球を密閉して加圧することで、夜間の浮力の低下を防ぎ、長時間の飛翔を可能にする気球です。2000年代は気球皮膜自体の開発や、ロープと皮膜を組み合わせることで構造強度を向上させたLobed-pumpkin型やその展開性能を改善した俵型の気球の開発を進めました。2010年には皮膜に菱形の目の網をかぶせることで軽い構造で高い耐圧性能が得られることを見出し、以後、この型の気球の開発を進めております。スーパープレッシャー気球の実現には、軽い構造で十分な耐圧性能と気密性能を持たせることが大切です。2019年には体積6,400 m3の気球の地上試験(地上試験としては世界最大級です)を実施し、十分な安全率をもって、高度27 kmに70 kgのペイロードを長時間飛翔させることができる耐圧性能を有することを確認しました。2020年には体積2,000 m3の気球の飛翔試験を実施したのですが、放球直後からガス漏れが発生するという不具合が発生しました。放球時に網が叩いたことで皮膜が衝撃破壊を起こしたもので、これを防ぐべく、2020~2023年にかけて、準静的に気球を立ち上げて放球する新しい方法を開発し、その実証試験まで完了しました。2024年には、この放球方法により、再度、体積2,000 m3の気球の飛翔試験を実施する計画です。また、皮膜を多層化することで10日以上の飛翔が可能となる気密性能が得られること、耐圧性能は3,000 Paを超えることを体積180 m3の小型気球の地上試験で実証しました。2022年には、この型の気球を用いて、南極域での大気重力波観測が実施され、2024年には改良を加えた気球での実験を計画しています。

満膨張になった体積6,400 m3の気球

 このように、気球の研究は進んでいるのですが、一方で、気球を用いた科学観測実験の方は開店休業状態であり、これが実施できていないことには忸怩たる思いがあります。残念ながら、現状の我が国の気球実験システムでは、気球の飛翔期間が数10時間に限られてしまうため、得られる光子数が乏しく、実施したい高エネルギー天体の研究が困難なのです。むろん、この制限の元で科学的な成果をあげることも不可能ではありませんが、自分が我が国で唯一、大気球の飛翔機会を提供している研究所に所属し、我々以外に気球の研究を進めているグループが存在しない現状を考えると、気球を用いた実験を実施するよりも、気球の研究を推進し、自らの実験を可能にすると共に、みなさまに利用していただける気球が提供できるようにすることこそが責務、と感じております。

 長時間飛翔が可能な気球は世界的にも黎明期にあり、我が国ではその技術は未獲得です。大型気球は開発コストが嵩むため、小型気球からの開発となるのですが、技術的には小型の方が困難です。これは、気球重量が表面積に比例しているのに対し、浮力は体積に比例することが一因で、もう一つには気球皮膜の欠陥数は表面積に比例するのに対し、ガス漏れの許容量は気球体積に比例するためです。上にも記載しましたが、我々は耐圧性能、気密性能、それぞれの向上手段を見出しており、これらを用いて科学観測に利用できる気球を開発し、小型気球による科学観測を開始したいと考えています。 


学歴

 2

主要な論文

 305
  • 斎藤 芳隆, 飯嶋 一征, 池田 忠作, 生田 歩夢, 古田 竜也, 森,英之, 水越 彗太, 水村 好貴, 田村 誠, 山谷 昌大, 秋田 大輔, 中篠 恭一, 松尾, 卓摩, 五十嵐 優, 橋本 紘幸, 松嶋, 清穂
    宇宙航空研究開発機構研究開発報告 大気球研究報告 AXA-RR-23-003 37-57 2024年2月  査読有り筆頭著者
  • Journal of Evolving Space Activities 1(14) 2023年3月  査読有り
  • 斎藤 芳隆, 冨川 喜弘, 村田 功, 秋田 大輔, 中篠 恭一, 松尾 卓摩, 橋本 紘幸, 松嶋 清穂
    宇宙航空研究開発機構研究開発報告 JAXA-RR-22-008 25-35 2023年2月  査読有り筆頭著者
  • NAKASHINO Kyoichi, SAITO Yoshitaka, AKITA Daisuke, MATSUO Takuma
    TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES, AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN 21 37-44 2023年  査読有り
    A super-pressure balloon (SPB) is expected to provide cost-effective platforms for long-duration experiments in the stratosphere. The authors propose a new method to produce a light SPB, where the entire balloon envelope is covered by a diamond-shaped net; thereby effectively suppressing the stresses developed in the balloon envelope. The feasibility of the method was validated in 2010 through a ground inflation test using a prototype balloon. The development of the proposed SPB has progressed since then, involving the ground inflation test of a ∼6,000 m3 model balloon and the test flight of a ∼2,000 m3 balloon. Meanwhile, it has been realized that the inflated shape of the proposed SPB varies largely depending on the geometrical parameters of the cover net. The unique feature of the proposed SPB suggests that the optimal geometrical configuration of the cover net exists in that it maximizes the structural efficiency of the balloon. In this paper, the authors investigate the variation of the volume-to-weight ratio of the proposed SPB against the geometrical parameters of the cover net. The results show that the balloon volume will increase by a factor of three compared to that achieved by the current design practice without changing the balloon weight.
  • Kyoichi Nakashino, Yoshitaka Saito, Daisuke Akita, Takuma Matsuo
    Advances in Space Research 71(1) 705-719 2023年1月  査読有り
  • 斎藤 芳隆, 山田 和彦, 秋田 大輔, 中篠 恭一, 松尾 卓摩, 山田 昇, 松嶋 清穂
    宇宙航空研究開発機構研究開発報告 大気球研究報告 JAXA-RR-21(003) 1-34 2022年  査読有り筆頭著者
  • SAITO Yoshitaka, NAKASHINO Kyoichi, AKITA Daisuke, MATSUO Takuma
    TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES, AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN 19(2) 170-175 2021年3月  査読有り筆頭著者
    <p>A super-pressure balloon with a diamond shaped net is considered to be a vehicle which satisfies scientist requirements of a long duration balloon flight at high altitude. The development of the balloon was started in 2011, and ground inflation tests of scaled models and some flight tests have been performed. In 2016 and 2017, ground inflation tests of two 2,000 m3 balloons, NPB2-1 and NPB2-2, were performed. The meridian lengths and radii of the balloons were measured simultaneously as a function of the differential pressure between inside and outside the balloon to derive their ratio for the first time. Tension along the circumferential direction is resolved in the net balloon, the results show that within the error of a few percent, the ratio is same as that of the pumpkin shape, which withstands the differential pressure only by tension along the meridian direction. The time variation of the differential pressure between inside and outside the balloon was also measured. Based on a simple model, assuming that the balloon volume is a linear function of the differential pressure, the variation of the differential pressure due to the variation of the room temperature and the atmospheric pressure are corrected. Considering the residuals are all due to the gas leakage, the upper limit of a hole size of 0.3 cm2 is derived for the NPB2-2 balloon.</p>
  • 斎藤 芳隆, 泉 芙由美, 秋田 大輔, 中篠 恭一, 松尾 卓摩, 冨川 喜弘, 橋本 紘幸, 松嶋 清穂
    宇宙航空研究開発機構研究開発報告: 大気球研究報告 JAXA-RR-20-009 35-56 2021年2月  査読有り筆頭著者
  • 斎藤 芳隆, 中篠 恭一, 秋田 大輔, 松尾 卓摩
    宇宙航空研究開発機構研究開発報告 JAXA-RR-19-002 9-24 2020年2月  査読有り筆頭著者
  • 斎藤 芳隆, 後藤 健, 中篠 恭一, 秋田 大輔, 松尾 卓摩, 松嶋 清穂, 橋本 紘幸, 田中 茂樹, 島津 繁之
    宇宙航空研究開発機構研究開発報告 JAXA-RR-17-007 1-13 2018年2月  査読有り筆頭著者
  • 斎藤 芳隆, 後藤 健, 中篠 恭一, 秋田 大輔, 松尾 卓摩, 松嶋 清穂, 橋本 紘幸, 田中 茂樹, 島津 繁之
    宇宙航空研究開発機構研究開発報告 JAXA-RR-16-008 1-32 2017年3月  査読有り筆頭著者
  • 斎藤 芳隆, 飯嶋 一征, 松坂 幸彦, 松嶋 清穂, 田中 茂樹, 梶原 幸治, 島津 繁之
    宇宙航空研究開発機構研究開発報告 13 1-33 2014年3月  査読有り筆頭著者
    長時間の飛翔が可能であるスーパープレッシャー気球( SP気球)とゼロプレッシャー気球( ZP気球)からなるタンデム気球システムの開発を 2009年より進めている。 2010年 11月に網をかけた最初の SP気球を製作し、 2011年 4月には直径 3 mの SP気球で耐圧性能 9,600 Paを達成し、気球の製作方法を確立した。その後、 SP気球の大型化を行うと共に、 SP気球の破壊機構の開発、二つの気球を連結した状態で放球する手法の開発を進めた。 2012年 5月には、飛翔用の直径 20 mの SP気球を製作し、地上試験により、展開性能、および、ガスの長時間保持に問題ないことを確認するに至った。 2012年 6月 9日にこの SP気球と、体積 15,000 m3の ZP気球からなるタンデム気球システムの飛翔性能試験を実施した。放球は、 ZP気球に浮力をつけた後、ZP気球とゴンドラの間に入れた SP気球の頭部にガスづめして細長く膨張させる方法により、支障なく実施された。気球は順調に上昇し、 SP気球の内部ガス圧と大気圧との差圧も上昇しながら、高度 29.2 kmで水平浮遊に入った。 SP気球は、400〜 500 Paの差圧が印加された時点で数 cm2の穴が生じたものの、ガスの流出速度が遅かったため、最大差圧は 814 Paに達し、 25分間にわたる水平浮遊時の間は正圧であった。気球が設計形状に展開しており、その直径も予測値と一致することが ITVカメラによる画像データから確認された。本実験によって、はじめてタンデム気球システムの水平浮遊時の高度変動が評価され、高度変動は分布を正規分布で評価した際のσにして 11.2 mにとどまり、単独の ZP気球での飛翔時にくらべ、高度変動が抑圧されることが確認された。飛翔試験の最後には、錘を落とす方式の気球破壊機構を動作させ、地上試験時と同程度のフィルムの引き裂きが行われることを確認した。今後、単独で飛翔させるより大型の SP気球の開発を進めると共に、大気観測を念頭においた小型のタンデム気球の開発を並行して進める所存である。
  • 斎藤 芳隆, 後藤 健, 中篠 恭一, 古田 良介, 堂本 航大, 秋田 大輔, 松嶋 清穂, 田中 茂樹, 島津 繁之
    宇宙航空研究開発機構研究開発報告 13 35-60 2014年3月  査読有り筆頭著者
    気球に高張力繊維の菱形の目の網をかぶせる手法を用いて、現状のゼロプレッシャー気球と同程度の重量のスーパープレッシャー気球の開発を進めている。 2012年に実施した B12-02実験において発生した飛翔環境下での耐圧性能の劣化への対策として、フィルム長と網線長を一致させた直径 3 mの気球を開発し、地上での常温膨張試験、. 30 ℃での低温膨張、破壊試験を通じて改良が有効であることを確認した。 2013年 5月 25日に、同型の SP気球と 2 kgのゴム気球を連結させた超小型タンデム気球システムの飛翔試験として日昇をまたがって飛翔させる実験を実施し、. 60〜. 50 ℃の低温環境下で耐圧性能 6,280 Paを有すること、 2時間にわたり 5,600 Paの差圧に耐えること、地上実験でも観測されていた 0.4 mm2の小さな穴からのガス漏れが発生していることを確認した。また、日昇後の上昇速度は 0.4 m/secと緩やかであり、気球内ガスの温度上昇の時定数 3,000秒で、 20 ℃の上昇が発生することが判明した。この試験を通じて、改良を加えた気球が成層圏での飛翔にあたって、微少なガス漏れを除き、問題がないことが確認された。
  • Y. Saito, I. Iijima, Y. Matsuzaka, K. Matsushima, S. Tanaka, K. Kajiwara, S. Shimadu
    Advances in Space Research 54(8) 1525-1529 2014年  査読有り筆頭著者
    © 2014 COSPAR. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved. The essential reason of the lobed-pumpkin shaped super-pressure balloon to withstand against the high pressure is that the local curvature of the balloon film is kept small. Recently, it has been found that the small local curvature can also be obtained if the balloon is covered by a diamond-shaped net with a vertically elongated shape. The development of the super-pressure balloon using this method was started from a 3-m balloon with a polyethylene film covered by a net using Kevlar ropes. The ground inflation test showed the expected high burst pressure. Then, a 6-m and a 12-m balloon using a polyethylene film and a net using the Vectran were developed and stable deployment was checked through the ground inflation tests. The flight test of a 3000 m3 balloon was performed in 2013 and shown to resist a pressure of at least 400 Pa. In the future, after testing a new design to relax a possible stress concentration around the polar area, test flights of scaled balloons will be performed gradually enlarging their size. The goal is to launch a 300,000 m3 superpressure balloon.
  • 斎藤 芳隆, 飯嶋 一征, 松坂 幸彦, 松嶋 清穂, 田中 茂樹, 梶原 幸治, 島津 繁之
    宇宙航空研究開発機構研究開発報告 11 1-16 2012年3月  査読有り筆頭著者
    スーパープレッシャー気球とゼロプレッシャー気球からなるタンデム気球は高度を変えながら長時間飛翔する飛翔体である.このシステムにおいてはスーパープレッシャー気球に高い耐圧性能が要求される.20 μm 厚のポリエチレンフィルムに,ベクトランで作った菱目の網をかぶせた直径3 m のかぼちゃ型気球を製作し,地上で膨張,耐圧試験を実施したところ,正常に展開し,9,600 Pa に耐えることが実証された.これと同型の気球と2 kg のゴム気球からなるタンデム気球を,2011 年6 月1 日に大樹航空宇宙実験場より放球し,日昇をまたいだ飛翔性能試験を実施した.その結果,昼夜でスーパープレッシャー気球の皮膜温度は30 度変化すること,ゴム気球の夜間の浮力は地上での値と比較して5 % 減少することがわかった.これらの情報は,今後,スーパープレッシャー気球の要求耐圧を定量化するためや,同様のシステムを飛翔させる際のゴム気球の設定浮力を設定する際に極めて有用である.今後,大型のタンデム気球システムの開発を進めると共に,科学実験への応用を行なう予定である.
  • 斎藤 芳隆, 松坂 幸彦, 水田 栄一, 莊司 泰弘, 松嶋 清穂, 田中 茂樹
    宇宙航空研究開発機構研究開発報告 10 25-40 2011年3月  査読有り筆頭著者
    Lobed-pumpkin 型のスーパープレッシャー気球が高い耐圧性能を発揮できるのは,気球フィルムの局所曲率半径を気球の大きさと独立に小さくできるからである.Lobed-pumpkin 型は頭部尾部の両極を結ぶロードロープの間にフィルムを張り出させることで小さな局所曲率半径を実現している.気球に縦に長い菱形の網目を持つネットを被せ,網目からフィルムを張り出させることでも同様の効果が期待できる.加えて,網目をフィルムの幅と独立に小さくすることができるため,フィルムに要求される強度が小さくなり,軽いフィルムが利用できること,フィルムに余長を設ける必要がなく展開の完全性が期待できること,製作誤差の影響が網目一つに留まり耐圧性能に直接影響しないこと,といったメリットがある.20 μm厚のポリエチレンフィルムの上にケブラーロープで編んだ網を被せた直径3 m の気球を試作し,膨張破壊試験を実施したところ,所期の耐圧性能を発揮することが確認された.今後,順次,気球の大型化を進め地上で膨張試験を実施すると共に,2011 年度にはタンデム気球用のスーパープレッシャー気球として飛翔性能試験を実施する予定である.
  • Y. Kishimoto, S. Gunji, Y. Ishigaki, M. Kanno, H. Murayama, C. Ito, F. Tokanai, K. Suzuki, H. Sakurai, T. Mihara, M. Kohama, M. Suzuki, A. Hayato, K. Hayashida, N. Anabuki, M. Morimoto, H. Tsunemi, Y. Saito, T. Yamagami, S. Kishimoto
    IEEE Transactions on Nuclear Science 54(3) 561-566 2007年6月  査読有り
    We have been developing an instrument named "PHENEX (Polarimetry for High ENErgy X rays)" to measure polarization in the hard X-ray region. The PHENEX polarimeter consists of detector modules called "unit counters". We have investigated the performance of the unit counter, using a highly polarized beam in KEK-PF BL14A. From these measurements, we obtained a detection efficiency of 20% and a modulation factor (analyzing power for polarization) of 53% for 80 keV X rays. Assembling four unit counters, a balloon-flight version was constructed and a preliminary observation of the Crab Nebula was carried out on Jun. 13th, 2006. During this flight, the PHENEX polarimeter observed the Crab for about one hour and detected its hard X rays with a significance of 9ω. From this result, we expect that a PHENEX polarimeter with nine "unit counters" would achieve a 17% minimum detectable polarization of the Crab Nebula with 3ω significance in a 3-hour observation. © 2007 IEEE.
  • T. Yamagami, Y. Saito, Y. Matsuzaka, M. Namiki, M. Toriumi, R. Yokota, H. Hirosawa, K. Matsushima
    Advances in Space Research 33(10) 1653-1659 2004年  査読有り
    Development of a balloon flying at higher altitude is one of the most attractive trials for balloon technology. We, the balloon group at the Institute of Space and Astronautical Science (ISAS), have been engaged in the development of a light balloon to go to higher altitudes since 1991. We have developed light equipment for house keeping modules and an ultra-thin film with a thickness of only 3.4 μm. Using the equipment and film, we have made and launched some balloons from 1000 m 3 in volume. We gradually enlarged the balloon volume, and on May 23, 2002, we launched a 60,000 m 3 balloon. The balloon reached the altitude of 53.0 km, which is the highest altitude ever reached by a balloon. This event opened a new era for scientific observations at high altitude. © 2004 COSPAR. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.
  • K Kasahara, E Mochizuki, S Torii, T Tamura, N Tateyama, K Yoshida, T Yamagami, Y Saito, J Nishimura, H Murakami, T Kobayashi, Y Komori, M Honda, T Ohuchi, S Midorikawa, T Yuda
    PHYSICAL REVIEW D 66(5) id052004 2002年9月  査読有り
    We observed atmospheric gamma rays around 10 GeV at balloon altitudes (15-25 km) and at a mountain (2770 m a.s.l). The observed results were compared with Monte Carlo calculations to find that an interaction model (Lund FRITIOF1.6) used in an old neutrino flux calculation was not good enough for describing the observed values. Instead, we found that two other nuclear interaction models, Lund FRITIOF7.02 and DPMJET3.03, gave much better agreement with the observations. Our data will serve for examining nuclear interaction models and for deriving a reliable absolute atmospheric neutrino flux in the GeV region.
  • Y Saito, N Kawai, T Kamae, S Shibata, T Dotani, Kulkarni, SR
    ASTROPHYSICAL JOURNAL 477(1) L37-L40 1997年3月  査読有り筆頭著者
    We report the first clear detection of X-ray pulsation of magnetospheric origin from a millisecond pulsar, PSR B1821-24, with the Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics. The photon arrival time shows a periodicity of 3.05 ms period, as observed in the radio band. The observed X-ray pulse is double peaked. The pulses are characterized by a sharp temporal profile and hard power-law spectrum with a phase-averaged photon index of similar to 1.9. These two features are quite similar to the X-ray/y-ray pulses from the Crab pulsar and characteristic of the nonthermal emission from the magnetosphere of the neutron star, but contradictory to the thermal emission from its surface. Since this pulsar has physical parameters completely different from those of young pulsars, we expect these observations to provide significant constraints on models of pulsar magnetospheric emission, which have been developed mostly based on the observations of young pulsars.

主要なMISC

 68

主要な講演・口頭発表等

 102

主要な共同研究・競争的資金等の研究課題

 16

● 自由記述

 1
  • ひとこと    
    昼休みにも熱心に超小型スーパープレッシャー気球の飛翔制御の研究を行っています(ソフトテニスともいう)。いかに気球に上手に網(ネットではなく、ガット)をかぶせるが重要です。

● 指導学生等の数

 6
  • 年度
    2018年度(FY2018)
  • 年度
    2019年度(FY2019)
    修士課程学生数
    1
    連携大学院制度による学生数
    1
  • 年度
    2020年度(FY2020)
  • 年度
    2021年度(FY2021)
    修士課程学生数
    1
    連携大学院制度による学生数
    1
  • 年度
    2022年度(FY2022)
    修士課程学生数
    1
    連携大学院制度による学生数
    1
  • 年度
    2023年度(FY2023)

● 専任大学名

 2
  • 専任大学名
    総合研究大学院大学(SOKENDAI)
  • 専任大学名
    総合研究大学院大学(SOKENDAI)

● 所属する所内委員会

 2
  • 所内委員会名
    ISASニュース編集委員会
  • 所内委員会名
    研究情報委員会