水中偵察グライダーと音響識別モジュール

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1. 1

   ピッチ用バッテリースレッド

   動作

   前後にスライド

   移動量／範囲

   ±35 mm

   機能

   重心を移動して機首を上下させる

   駆動方式

   小型モーター → リードスクリュー → キャリッジのナット；位置はモーターエンコーダーで検出、両端にリミットスイッチ

2. 2

   浮力エンジンのピストン

   動作

   前後に往復

   移動量／範囲

   ストローク 76 mm

   機能

   注水・排水で浮力を変える；機首にあるためピッチにも寄与

   駆動方式

   ギアモーター → 平歯車 → ボールねじ

3. 3

   方向舵

   動作

   軸まわりに左右へ振れる

   移動量／範囲

   舵角は選定するサーボによる

   機能

   方位を制御（左右旋回）

   駆動方式

   油封入・圧力補償型サーボで舵軸を直接駆動

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1. 01ピッチ用バッテリーが ±35 mm スライド（電源ケーブルの U ループの曲がり部は半分の距離だけ追従）
2. 02浮力ピストンが往復（76 mm）
3. 03方向舵が左右に振れる（模式 ±20°）

再生

1. 01

   電源ケーブル

   バッテリー上面から引き出します。Ø7 mm の高屈曲シリコーンケーブル（電源 2 芯＋バッテリー管理用データ線）を、バッテリー上方に水平な U ループとして、曲げ半径 20 mm（ケーブル径の約 6 倍）で配線しています。

2. 02

   断線しない理由

   一方の端はバッテリーにクランプされて一緒に動き、もう一方は固定トレイにクランプされています。バッテリーが ±35 mm 移動しても、U の曲がり部は半分（±17.5 mm）しか動きません。ケーブルは引っ張られたり折れ曲がったりせず、転がるように動きます。

3. 03

   コネクターとヒューズ

   固定側に着脱式コネクター（配線を切らずにバッテリーを取り外せる）があり、その後にインラインヒューズが続きます。幹線ケーブルは機体上部に沿ってペイロード区画を通り、後部耐圧殻の電源基板へ至ります。

4. 04

   駆動方式

   スレッド下の小型モーターがリードスクリューを回し、ナットがキャリッジとバッテリーを前後に動かします。モーター後端のエンコーダーが回転数をカウントし、バッテリー位置に換算します。

5. 05

   移動端の検出

   キャリッジの右舷側の縁にあるフラグが、二つのスロット型光学スイッチを通過します。起動時にはスレッドが前方スイッチまで移動して原点を取ります。±32 mm でスイッチが作動し、機械的な端（±35 mm）に達する前にモーターが停止します。

1. 01

   484 cm³ の根拠

   ピストン面積 π × 45² ≈ 6,362 mm² にストローク 76 mm を掛けて ≈ 484 cm³、マグカップ約一杯分です。

2. 02

   ±2.4 N の意味

   海水 484 cm³ の重さは約 0.50 kg（4.9 N）です。ピストンがストロークの中央にあるときに中性浮力となるようバラストで調整しているため、半ストローク引き込むと 2.4 N 重く、半ストローク押し出すと 2.4 N 軽くなります。これは排水量 65.8 L のわずか ±0.37% です。この 2.4 N で、水平速度 0.26 m/s において約 18° の滑空角が得られます。150 m プロファイル一回は約 1.1 時間で、約 0.9 km 進みます。

3. 03

   ローリングダイアフラムを採用する理由

   シリンダーの片側は海水、反対側はドライな耐圧殻内です。O リングはシリンダー内壁を摺動するため、66 日・約 1,440 サイクルの間に摩耗、固着、にじみ漏れが生じます。ローリングダイアフラムは布で補強したゴム膜で、シリンダー口に固定され、ピストンに取り付けられています。ピストンが動くと膜は摺動せずに内壁に沿って転がるため、摩擦はほとんどありません。外部の水圧は常に内圧を上回るため、膜は常にピストンに押し付けられます。圧力荷重はピストン、ねじ、端蓋が受け持ち、膜はシールだけを担います。

4. 04

   減速機付きボールねじを採用する理由

   ピストンは水圧に抗して押し出す必要があります。150 m では約 1.5 MPa・9.6 kN、設計目標の 200 m では約 2.0 MPa・12.8 kN（約 1.3 t）になります。ギアモーターが平歯車対を介してボールねじを回し、ピストン内のナットが回転を高推力の直線ストロークに変換します。

5. 05

   消費エネルギー

   150 m で全ストロークを押し出す仕事は約 1.5 MPa × 484 cm³ ≈ 729 J です。効率 0.45 では電力量にして約 1,621 J（0.45 Wh）となり、15 W で約 2 分、各サイクルのエネルギーの 17% にあたります。残りの大部分はセンサーと録音の常時負荷です。

6. 06

   ピッチ制御にも寄与

   シリンダーは機首にあり、浮心から約 825 mm 離れています。注水すると機首が重くなって頭下げとなり潜航に適した姿勢に、排水すると機首が上がり浮上に適した姿勢になります。これ単独で静的に約 ±19° が得られ、残りは移動式バッテリーで調整します。

7. 07

   G2・G3 で採用しない理由

   ピストンにかかる荷重は深度に比例します。G2 の目標深度 1000 m では同じピストンに約 64 kN がかかり、ねじと端蓋が重くなるため、深海向けの設計では高圧ポンプで外部ブラダーに油を送ります。ピストン式は浅海に適しており、構造が簡単で効率が高く、低コストです。

8. 08

   今後の検証事項

   沿岸の海水密度は 1.020–1.028 kg/L の範囲で変動し得ます。浮力差は約 0.53 kg となり、調整幅 ±0.25 kg を上回るため、運用海域ごとに密度を測定してバラストを再調整します。効率 0.45 は仮定値であり、ねじ、歯車、モーターを 2 MPa の負荷でベンチ試験します。ダイアフラムの耐圧、海水適合性、屈曲寿命、隙間はメーカー仕様で確認します。

1. 01

   前進力の発生源

   正味浮力 2.4 N を 18° の経路方向に分解すると、前進成分 2.4 × sin 18° ≈ 0.75 N が抗力と釣り合い、残りの 2.3 N は翼の揚力が受け持ちます。約 0.27 m/s での等価推進動力はわずか約 0.2 W です。エネルギーはバッテリーから供給されます。最深部で水を押し出すのに使う約 1,621 J は、セイルプレーンを丘の上まで曳き上げるようなものです。

2. 02

   翼は上下どちらにも働く

   翼断面は上下対称です。潜航時は 18° の経路に対して機首が約 12° 下がり、迎角は約 +5.7° になります。浮上時は機首が上がって迎角は −5.7° となるため、揚力の向きが反転し、やはり浮力を前進速度に変えます。

3. 03

   ピッチ：バッテリーの移動

   12.9 kg のピッチ用バッテリーはリードスクリュー式スレッド上を ±35 mm 移動し、約 ±37° のピッチを生みます。機首のシリンダーは注水（機首が重くなる）または排水（機首が軽くなる）により、さらに約 ±19° を加えます。主制御コンピューターは姿勢センサーに基づいてバッテリー位置を常に微調整し、経路角を維持します。

4. 04

   ロール：受動安定

   重心は浮心より約 8.9 mm 下にあるため、起き上がりこぼしのように自然に復元し、能動的なロール制御は不要です。

5. 05

   方位：方向舵

   アンテナフィン後方の方向舵は、油封入・圧力補償型サーボで直接駆動されます。舵を切ると舵面を流れる水が尾部を横に押し、機首の向きが変わります。船の舵と同じ原理なので、滑空中であればいつでも操舵できます。方位は磁力計内蔵の姿勢方位センサーから得ます。このセンサーは磁気干渉を抑えるため、移動式バッテリーから約 1 m 離れた後部区画の最後端に搭載しています。

6. 06

   位置：推測航法と浮上時測位

   GNSS は水中では使えないため、位置は方位、深度変化率、推定速度から推測航法で求めます。約 3.3 時間ごと（約 2.8 km ごと）に浮上して GNSS 測位を行い、衛星経由でデータを送信し、新しいウェイポイントを受信します。推定位置と測位結果の差は主に海流によるもので、深度平均流を推定した後は、機体を流れに向けて斜めに進ませます（右図の破線は海流で流された航跡）。方位誤差 1° で約 48 m の誤差が生じます。0.10 m/s の海流を補正しない場合は約 1,194 m となり、海流を推定すると約 239 m まで減少します。

7. 07

   弱点

   水平速度は約 0.26 m/s のため、これより速い海流ではそのまま流されます。また、定点保持や一定高度での航行もできません。これにはスラスターが必要です（G3 を参照）。

運用モード

スラスターを持たない G1 は、浮力駆動のプロファイル滑空のみを行います。能力がまだ実証されていないモードはすべて無効にしています。

制御アーキテクチャ

二回の水面測位の間に潜航できる回数

圧力センサーがゆっくりドリフトすると、機体は自身が認識しているより深い位置にいます。プランナーは最後の測位から潜航最深部までの時間をもとに深度余裕を算出し、200 m の設計深度以内に収まり、かつ海底に近づきすぎない回数の潜航だけを許可します。図は鉛直海流 0.005 m/s の例です。

合成モデルに基づく条件付きの目安です。鉛直海流 0.005 m/s は例示値であり、測定値ではありません。