摘要：宙漆项目是由主修工学和美术这两个不同领域的学生主导，从艺术角度出发尝试接近宇宙的研究项目。利用平流层气球将漆艺造型作品运输至平流层，并将整个过程以影像的方式记录下来。该项目自2022年起实施，此次是我们的第三次气球实验。在本年度气球实验之前，我们以去年气球实验

宙漆项目——气球开发及作品制作流程的改进与夜间放球的尝试

大嶋斯特凡1，川濑幹己2，久保尚子3，山本大凱1，冈本真澄1，糟野日向子3， 高岸航平4，松冈夏辉5，中村美心3，山内智雅3，渊上友希3，磯部洋明3

1 名古屋大学，2 名古屋工业大学，3 京都市立艺术大学，4 信息科学艺术大学院大学，5 筑波大学

1.引言

宙漆项目是由主修工学和美术这两个不同领域的学生主导，从艺术角度出发尝试接近宇宙的研究项目。利用平流层气球将漆艺造型作品运输至平流层，并将整个过程以影像的方式记录下来。该项目自2022年起实施，此次是我们的第三次气球实验。在本年度气球实验之前，我们以去年气球实验拍摄的影像为基础，重新审视了项目概念。据此，今年我们旨在营造一种抑制太阳光强影响的光环境下进行影像表达，开展了夜间放球实验。此外，我们还以去年获得的数据和结论为基础，改进了作品制作和气球开发的方法，在注重艺术项目独特属性的同时，致力于打造高精度的作品。本文聚焦于作品制作和气球开发流程，报告气球实验的过程及结果。

2.概念的重新审视

本年度的项目概念在于通过夜间放球获得的影像表达。2023年获得的影像值得观赏（图1）。然而，影像中的光环境也有与概念不符的一面。具体来说，影像中已知元素（漆艺造型作品、地球、气球、太阳）所占比例过大，导致表达对宇宙未知性的憧憬这一概念受损。宇宙空间本身并不发出可见光，虽然作品表面不会映出，但可通过与地球、太阳的对比来体现其存在。但当影像中已知物体的比例过高时，就很难恰当地表达这一未知空间。因此，我们以在太阳未升起的状态下拍摄影像为目标，追求降低已知元素的影像表达。 然而，平流层中太阳未升起时的光环境较暗，并不一定适合拍摄。因此，我们既确保了光环境不断变化的黎明时分的拍摄时间，又瞄准了能拍到日出这一能强烈感受到太阳与地球相对运动的时机，将气球在日出时达到30公里高度设定为工学任务。从而旨在兼顾基于概念理想的日出前光环境和适合拍摄的日出后光环境。

图1：2023年度拍摄的影像

3.作品制作

3.1 漆艺造型作品

制作的漆艺造型作品（主作品）外观如图2所示。关于主作品的制作，漆艺造型作品的概念构思和3D打印原型制作是项目成员的共同作业，但最终形状的确定和漆艺工序由主修漆艺的久保完成。因此，强烈体现了久保个人的艺术家风格，旨在使其本身成为一个独立的作品。造型旨在呈现置身于浩瀚宇宙时，身体被柔软空气包裹的流动，由能发挥漆艺光泽的曲线且流动的形状构成。另外，镂空的形状营造出一种内含空间的造型。 该主作品先用泡沫聚苯乙烯和石粉粘土制作原型，再进行3D扫描，依据数据用3DCAD将其实体化为自由曲面模型。在此基础上，采用东丽工程株式会社的壳式复合材料3D打印机制作主体。该方式克服了传统3D打印机的层间各向异性，适用于制作高强度、高刚性的造型物。在该主体上简单施以漆艺后，进行了从7.5米高处的落水冲击测试以及低温低压（-40℃，1kPa）测试，确认形状无变化、无破损，漆艺涂层也未受影响。

图2：主作品

在漆艺工序中，为了防止作品开裂和减少破损时的损失，将与气球连接的钓鱼线缝在麻布上，用漆将麻布贴合覆盖在主体上，然后在其上涂抹底层漆。之后，反复进行中涂和打磨工序，最后用黑漆进行上涂，打磨至呈现出镜面般的光泽。所有用于涂装的漆均由株式会社堤淺吉漆店提供。

3.2 与工学协作的体验

今年，京都市立艺术大学美术学部的4名学生团队“シュハリ”首次加入。シュハリ的尝试包括：① 制作与主作品不同的漆艺造型作品（副作品：图3），将其运输至平流层，并记录整个过程的影像；② 将有效载荷外壳作为画布绘制绘画（图6）。这些尝试旨在让主修美术的学生参与共同气球实验，使他们体验式地理解本项目的意义，并将这些体验带回大学。本项目一直以来都致力于美术与工学的协作4)。在以往的活动中，成员们通过开发和共同气球实验，体验式地理解了美术和工学各自领域的相似性和差异性。我们认为，将这些体验与他人分享并非易事，只有带着这些体验才能分享，因此本次实施了这些尝试。

图3：副作品

4.气球开发

首先，根据项目概念，将应实现的工学事项设定为成功标准。成功标准的项目如下所示。

M1：获取并显示气球回收的位置信息；

M2：获取环境数据；

M3：按规定时间达到目标高度；

M4：在非破坏状态下回收气球；

M5：拍摄影像。

基于这些标准，本次实验中，我们开发了搭载主作品的有效载荷（主有效载荷）、搭载副作品的有效载荷（京艺有效载荷）、获取并记录位置、温湿度、气压、光强度、紫外线量数据、9轴数据并进行下传的有效载荷（Avio有效载荷）、拍摄气球整体俯瞰影像的有效载荷（俯瞰有效载荷），共计4个载荷。

主有效载荷（图5）以拍摄主作品为目的，搭载了主作品、2台相机和GPS记录仪。相机使用了在暗处拍摄性能优异的Insta360 Ace Pro和去年放球中实绩显著的GoPro Hero9。去年之前，我们使用市售的自由云台固定作品和相机，但存在气球破裂时绳子容易缠绕导致云台偏移的问题，以及设计性、重量方面的挑战。因此，今年为了固定画角、提高设计性、实现轻量化、高强度、高刚性，同样采用东丽工程株式会社的核壳式复合材料3D打印机制作了专用臂。

图5：主有效载荷

京艺有效载荷以拍摄副作品为目的，搭载了1台运动相机和3台移动电源。移动电源的防水是通过将光造型方式的3D打印机部件粘接在拉链锁上实现的（图4）。该打印机部件设有充电、供电用的线孔和装有吸水聚合物的管的安装部。吸水聚合物管在高空低压下防止破裂的机制是：在着水前不保持气密，着水后聚合物吸收水分堵塞管道，确保防水。这一想法参考了PLANET-Q的创意，通过打印机部件制作的螺纹结构，实现了可重复使用且轻量化的气水密对策。

图4：移动电源的防水结构

Avio有效载荷（图6）的主要目的是提高回收性能，本次实验旨在实现着水后稳定的LoRa通信持续。过去两次实验因海面电波反射导致着水后无法获取遥测数据，因此本次采用全长4.5米的CFRP制鲇竿，在其前端搭载LoRa通信机，设计使通信机在海上保持3.2米高度。气球的重心位于浮心下方，飞行中鲇竿几乎保持水平，着水后在水面上直立。事先的浮力试验也确认了举升保持，海上也期待有同样的性能。鲇竿前端设置的LoRa通信机用于获取GNSS数据和进行下传，由微控制器（SONY Spresense）和920MHz带LoRa（ES920LR3）构成。此外，电源（LiPo 2cell 1300mAh）存放于Avio有效载荷内部，通过约4米的供电线为竿前端的LoRa通信机供电。由此减轻了鲇竿前端的重量，将着水后围绕浮心的力矩降至最低。

图6：Avio有效载荷

5.夜间放球

5.1 平流层中的日出时刻

在达到30公里高度的日出时刻之前，我们估算了一下地表和30公里高度处日出时刻的差异。首先，根据地球半径R = 6378公里和高度h = 30公里，视野距离d可以通过以下公式计算：

由此得出，视野距离约为619.34公里。将这个距离转换为基于地球半径的角度θ，约为0.097弧度。利用地球自转速度ω = π/12弧度/小时，可以计算出在地表日出之前约22.24分钟就能观测到日出。

5.2 夜间放球流程

为了在30公里高度观测日出而进行的气球放飞，准确的上升速度和放飞时刻的设定至关重要。然而，由于可用设备难以精确控制氦气的填充量，因此我们采用了在填充后测量充气量，计算上升速度，并在现场决定放飞时刻的方法。首先，事先测量气球保持者的体重和气球的重量，在氦气填充后保持者再次测量体重。利用这个差值计算氦气的浮力（类似测量彩球浮力的方法）。然后，根据这个浮力求出上升速度，并计算出达到30公里高度所需的时间。从日出时刻逆推这个时间，确定最佳放飞时刻。此外，由于气球放飞作业是在夜间进行，因此确保作业人员的安全成为首要任务。在现场采取的安全措施包括设置多个灯光，并要求作业人员佩戴头灯。此外，通过进行适当的法律程序，放飞实验得以安全顺利地进行。

6.实验结果与考察

2024年9月19日4时15分，在爱媛县爱南町的南乐城边公园实施了气球放飞。气球从上到下依次搭载了降落伞、GPS记录仪、俯瞰有效载荷、Avio有效载荷、京艺有效载荷和主有效载荷，从气球到主有效载荷的总长度约为30米。气球放飞后，两套GPS记录仪和LoRa通信的位置信息正常获取，但在放飞后94分钟，气球在约32.4公里高度处破裂的同时，LoRa通信中断。在随后的降落伞下降过程中，一套GPS记录仪在约15.9公里高度处的位置信息获取中断。从另一套GPS记录仪的位置信息确认气球落在宇和海。然而，在着水后34分钟，船在搜索过程中GPS记录仪的通信完全中断，失去了所有三套位置信息。因此，目前仍在继续搜索，任务尚未完成，但获得了一些见解。以下将考察LoRa通信中断的原因，并基于GPS记录仪获得的上升中高度数据讨论气球的上升速度。

首先，考察LoRa通信中断的原因。由于气球破裂的同时通信中断，推测两者之间存在某种关联。一个可能性较高的场景是，气球破裂导致绳索张力释放，气球系结部被吹向下方时，上方的有效载荷以一定速度与下方的Avio有效载荷发生碰撞。结果，鲇竿损坏导致鲇竿与LoRa通信机的连接脱落，Avio有效载荷内部伸出到竿前端的供电线缆受力断裂，电力供应停止，从而导致LoRa通信中断的可能性较高。发生此类事件的原因是，在确保着水后通信稳定性的同时，对高空中的行为没有进行充分的考虑。为了确保可靠的回收，需要设计一个在整个飞行过程中稳定的通信系统。

接下来，图7展示了从GPS记录仪获得的气球高度变化数据。从结果可以看出，18公里以下气球的上升速度平均值为6.8米/秒。然而，如第4.3章所述，基于氦气实测的上升速度为5.1米/秒，两者之间存在明显差异。这一差异暗示了用于计算上升速度的经验公式可能存在错误，需要进一步分析。

图7从GPS记录仪获得的气球高度变化数据

此外，关于上升速度值得关注的是，气球在上升过程中逐渐加速，并在18公里附近开始减速。根据井上6)的说法，这种速度变化的主要原因是气球上升过程中Re数的变化导致阻力系数变化。关于这一点，我们进行如下考察。为了考虑上升中气球的速度，从力的平衡出发：

其中，气球周围空气密度为ρ_air，气球体积为V_He，气球代表面积为S，重力加速度为g，气球上升速度为v，阻力系数为Cd，气球及悬挂物的总重量为M。根据标准大气模型和从GPS记录仪获得的高度数据外推实际气球速度，并计算出实测值Cd(Re)。作为比较，根据今井一郎书中使用的Morison公式计算出与Re数相对应的球体理论阻力系数C_d(Re)。图8展示了结果。可以看出，在17公里高度附近C_d(Re)有较大波动。然而，正如井上所提到的，实测阻力系数比理论值大。由于本实验使用的气球比井上使用的数据中的气球更小，因此在速度变化的高度附近热影响对体积V_He几乎没有影响。因此，这种阻力系数的低估可能是由于气球有效载荷部分对流场的影响或高压下降流的影响所致。特别是由于本机悬挂了多个有效载荷，因此可能产生了较大影响。因此，为了提高未来飞行模拟的精度，有必要充分考虑有效载荷的阻力。

图8：阻力系数实测值与理论值的比较

7.结语

在本次气球实验中，作品制作和气球开发方面取得了一定进展。此外，通过实施夜间放球，在实现符合概念的表现方面获得了有意义的经验。进一步来说，通过三年的活动，项目成员之间超越了美术与工学的界限，培养了相互协作的态度，这可以说是一个非常大的成果。然而，气球回收方面的问题仍然存在。为了实现项目的成功，工学与美术的适当分工与融合至关重要，需要在两者之间取得平衡的项目执行。特别是对于回收问题，需要在推进技术改进的同时，不失去项目整体目的，找到解决方案。虽然在某些情况下可能需要优先考虑工学选项，但即便如此，最大限度地发挥作品的表现性仍然是项目的核心，通过这种做法，本项目有望产生更高层次的艺术和工学成果。

8.致谢

本次实验得到了爱媛南予共同气球实验执行委员会、提供漆的株式会社堤淺吉漆店、提供核壳式复合材料3D打印机制作的主作品主体的东丽工程株式会社等众多人士的协助。在此衷心感谢。

参考文献

1) 前田恵介他，2022 年度大気球シンポジウム，SA6000177037，isas22-sbs-037．

2) 髙岸航平他，2023 年度大気球シンポジウム，SA6000190048，isas23-sbs-048．

3) 酒井博史，プラスチックス(2021)，7 月号,p.23–26.

4) 川瀬幹己他，2022 年度大気球シンポジウム，SA6000177040，isas22-sbs-040．

5) 角田英里香他，2023 年度大気球シンポジウム，SA6000190047，isas23-sbs-047．

6) 今井一郎，気球の上昇速度について（1954），気象集誌，第 2輯，32 巻，7–8 号，p.183–191．

来源：刚才命理