SF小説「オービタル・クラウド」を読んで一寸気になった点（その２・ネタバレあり）

  前回の続きです。
  他人の迷惑顧みず、重箱の隅をつついています。

--- P147 ---
「直行」→「直交」

--- P220～P221 ---
「スマートフォンのカメラ」

  ４万個のテザー（８万個のカメラ,P338）から送られてくる映像を合成して地球を映し出す説明となっています。
　撮影時点の空間座標と撮影方向が判っていれば、原理的には座標変換で画像合成は可能だと思いますが、元になるスマートフォンのカメラの画質が気になります。
　小説の設定(P164)では、テザー(長さ2km)は、回転半径が1kmで１周２秒で自転していることになっています。
　イメージ的には、東京タワーからJR浜松町駅まで伸びた紐の先にカメラをつけて、２秒で１回転の速度で振り回しながら撮影することになります。
　30rpmというのは結構な速さなので、遠心力もかなり大きくなるものと思われます。
 
  下記のサイトで計算してみました。
　普通のスマホは200g程度ですが、付属装置（VHF送信機、スプールリール等）や筐体の重さを考慮して終端装置の重さを500gで計算しました。

　　遠心力と接線速度
　　http://keisan.casio.jp/exec/system/1245903825

  　　遠心力   F ： 4,934.8022005447 N = 503.20978117346 kg重   
  　　接線速度 v ： 3,141.5926535898 m/s = 11,309.733552923 km/h

　接線速度は小説の中に出てくるように約3km/sですが、遠心力は約500kg重となります。
  0.5トンの錘がテザーの先にぶら下がっているという感じになりますが、テザーは耐えられるのでしょうか？
　グラフェン(P346)なら大丈夫？

　下記の動画は映画「Gravity」の予告篇ですが、冒頭のシーンではスーペスシャトルのアーム(15m?)が約５秒で１回転しています。

　　Gravity - Official Main Trailer [2K HD] .
　　https://www.youtube.com/watch?v=OiTiKOy59o4

　テザーの場合は、アームの長さが1000mで、この動画の２倍以上の速さで回転する状態に対応します。
　こんな条件でまともな絵が撮れるのか一寸心配ですが、５年後にはさらに高感度・高速シャッタのカメラが存在しているかもしれません。
　テザーは回転しているので、１台のカメラで動画を撮ることは難しいような気がしますが、カメラが８万台もあればタイムスタンプを参照し、座標変換して画像を繋ぎ合わせることができるかもしれません（Motion JPEG ？）。

--- P281 ---
「ヤギ・アンテナ」

　指向性を得るために、複数のテザーの長さ（エレメント長）に変更可能に微妙な長短をつけるのは難しいのでは？
　それ以前に使用波長（VHF:1m～10m）とエレメント長(2000m)の差が大きすぎて、共振型のアンテナとしては使用できないのでは？

--- P318 ---
「ＡＭ波」、「ＶＨＦ」

  AM波は電離層で反射・減衰するのでVHFを使うというような話になっています。
　多分、「ＡＭ＝中波」という前提だと思いますが、カテゴリが異なるもの（変調方式と周波数）を比較するのは違和感があります。
　大昔に、「５球スーパー」と「ダイナミックスピーカ」はどちらが音がいいというような話がありましたが・・・

--- P326 ---
「人工衛星投入」

　あっさりと書いてありますが、合計４万個のテザーを軌道上に絡まないように展開するのは大変では？
　各国の実験結果を見ていると、テザーの伸延失敗がかなり多い印象です。
　特にこの小説の出てくるスペース・テザーは自転することになっているので、最初の回転力をどのようにして与えたのか気になります。

--- P345 ---
「ＶＨＦの受発信機」

　室内に置かれたUSBケーブルの中のアンテナ（銅線）で300km上空のスマホと通信できるとは一寸考え難いです。
　USBから電源を取るのであれば、最大で2.5W(=5Vx0.5A)程度の消費電力となるので、効率を考えると空中線電力はせいぜい１Ｗ程度だろうし、他のケーブルに隣接した銅の紐アンテナではアンテナの利得は相当に低いと思われます。
　それ以前に、テザー側のスマホにはVHFの送信機能はないので、どう対応したのでしょうか？　外付け？（携帯電話の周波数はUHF）
　FMラジオ付きスマホの局部発振回路を利用するという手もありますが、スマホの本体だけでは出力的に一寸無理でしょう。
　なおこの送信装置は当然不法局だと思いますが、300km先まで届く強さの電波を短時間でも送信すればDEURASで発見可能？
   

--- P433 ---
「紐の長さより、ほんの少しだけ短い波長の電波を放射」

　最初は波長短縮率(Velocity Factor)のことだと思ったのですが、一寸違うようです。
　　
　　Velocity factor - Wikipedia, the free encyclopedia
　　https://en.wikipedia.org/wiki/Velocity_factor

　テザーを焼き切るための電波の周波数のことを話しているのですが、長さ2kmのテザーに対して157kHzの電波を使うことになっています。
　単純計算では、波長が2kmの電波の周波数は150kHz(=300/2000m)です。

　　電磁界（電磁波）の基礎知識
　　「周波数」と「波長」
　　http://www.chuden.co.jp/energy/denjikai/jik_chishiki/shuhasu/index.html

　一方、157kHzの電波の波長は1910mになり2kmの約96%になります。
　96%という数字は数値的には裸銅線の波長短縮率(95～99％)に近いのですが、係数の掛かり方が逆になっています。
　157kHzに共振する銅製の1波長(1λ）アンテナを考えると、波長短縮率を96%と仮定すると、実際に共振するアンテナの長さは1834m(=1910mx0.96)になります。

  「アンテナのエレメントの長さ＝計算上の波長ｘ波長短縮率」というのが基本的な考えなので、2kmから157kHzを導出する過程がよく判りません。

　「紐の長さより、ほんの少しだけ長い波長の電波を放射」ということであれば、一応理屈は通るのですが・・・

　また、普通のアンテナは、λ/2アンテナが基本なので、1λアンテナを想定する理由がよく判りません。

　　アンテナって何？
　　http://www.circuitdesign.jp/jp/technical/DesignGuide/guide4.asp

　157kHzを「アマチュア無線の使うレンジだ」と言っていますが、135kHz帯(135.7～137.8kHz)のことでしょうか？
　近いといえば近いですが、相当にマイナーなバンドです。
  米国では一般のアマチュア無線局には開放されていないし・・・

　　2200-meter band
　　https://en.wikipedia.org/wiki/2200-meter_band

　　アマチュアバンドプラン
　　https://www.jarl.org/Japanese/A_Shiryo/A-3_Band_Plan/bandplan20150105.pdf

　　US Amateur Radio Frequency Allocations
　　http://www.arrl.org/frequency-allocations

　　135kHz帯 ‐ 通信用語の基礎知識
　　http://www.wdic.org/w/WDIC/135kHz%E5%B8%AF

　なお、テザーの材料は導電率が極めて高いグラフェン(Graphene)という設定(P346)なので、ベアテザーの場合には波長短縮率は関係ないかもしれません。

　　グラフェン - Wikipedia
　　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B0%E3%83%A9%E3%83%95%E3%82%A7%E3%83%B3
　　グラフェン
　　http://www.nikkyoko.net/nobel/physics2010.pdf

  グラフェンをどのようにして紐状にするのかと思ったら、色々方法はあるようです。
　将来は銅に取って代わる？

　　グラフェンの配線、巻き線への応用およびその製造方法
　　http://shingi.jst.go.jp/abst/p/10/1061/tokaishiritsu7.pdf

--- P433 ---
「ＶＨＳ」→「ＶＨＦ」

---P436,P448---
「偽のＧＰＳ信号」

　小説の中では、攻撃側は、テザーの位置測定用のGNSS(Global Navigation Satellite System)として米国（米軍）のGPSを使用しています。
　そこで、迎撃側は対策としてスプーフィング(Spoofing)によりテザーのGPSを騙して、テザーを攻撃しやすい位置に移動させています。
　普通のスプーフィングは中継装置でデータを改竄するようですが、小説ではクラウドから見える衛星のGPSデータを直接改竄するするとともに、航空機から偽のGPS信号を送信するようになっています。
　本物のGPS衛星から偽データを送信する期間は結構長くなると思いますが、一般の航法機器への影響は無視？　万一のときはコラテラル・ダメージ？

　GNSSとしては、GPSがよく知られていますが、これ以外にも、GLONASS、Galileo、Beidouが存在しています。

　　GNSS applications - Wikipedia, the free encyclopedia
　　https://en.wikipedia.org/wiki/GNSS_applications

　　マルチGNSS解析技術等の開発にむけた衛星系の技術仕様調査
　　http://www.gsi.go.jp/common/000068239.pdf

　以下のサイトでは、実際の受信状態が確認できます。

　　GPS/みちびきQZSS/中国北斗(BEIDOU/Compass)/GLONASS(ロシア)に対応したリアルタイム・GNSSモニタ－GNSS Real-time Monitor
　　http://gps.szparts.com/?m=0&d=34631344
　
　GNSSに対する攻撃手段としてスプーフィングは知られているので、攻撃側が攻撃先の国が管理するインフラを利用するのは不味いような気がします。

　　GPSはじめ他国の測位衛星が使用不可能になるケース
　　http://www.kantei.go.jp/jp/singi/utyuu/QZSkaihatsu/dai1/siryou4.pdf

　　民生用衛星測位システムの脆弱性軽減方法の開発
　　http://www.gnss-pnt.org/taikai24/yoko/Chino.pdf

　GNSSとして中国のBeidouを使った方が危険が少ないような気がしますが、素人考えなので違うかもしれません。
  GPSとBeidou(Compas)は仕様が異なっており、（米国から見て）他国のシステムなので暗号の解読やスプーフィングに手間がかかるはずですが・・・

　なお、最近のスマホは、GPS以外のGNSSにも対応しているようです。

　　GPS+GLONASS+QZSS(みちびき)/Beidou(北斗)対応 スマートフォン
　　http://smart.diipedia.net/smartphone-gps-3in1.html

--- P434, P452, P453 ---
「SAMPSON5」,「多用途アクティブ・フェイズド・アレイ・レーダー」、「157kHz」、「0.2秒角」、「25kW」

　やっと本題のレーダの話に辿り着きました。
　小説では、SAMPSON5という防空レーダを使用して、周波数157kHz、ビーム幅0.2秒角、出力25kWでテザーを焼き切ることになっています。
　SAMPSONで検索すると以下のレーダーがヒットしますが、周波数は2～4 GHz (Sバンド)、出力は25kW(これは小説と同じ)となっています。

　　SAMPSON
　　https://en.wikipedia.org/wiki/SAMPSON
　　https://ja.wikipedia.org/wiki/SAMPSON

　SAMPSON5ではヒットしなかったので、SAMPSON5はSAMPSONの後継機種という設定でしょうか？
　問題は、この５年後に存在することになっているレーダーSAMPSON5でテザーを焼き切れるかどうかということです。
　現時点の技術で考えると、いくつか疑問があります。

　第１に157kHzという周波数です。
　テザー（長さ2km)に共振させるために150kHz帯の電波を使用することはいいとしても、ＳバンドやＸバンドのGHz帯の電波を使用する防空レーダで効率よく送信できるようには思われません。出力用のデバイスの特性も全く異なるだろうし・・・
　いくら多用途と言っても、同じアンテナで150kHz帯(2000m)の電波と3GHz帯(0.1m)の両方を扱うのは無理でしょう。

　157kHzの付近には長波の放送局がいくつかありますが、153kHzの放送局のアンテナを調べてみると、350ｍ程度の高さがあります。

　　Longwave
　　https://en.wikipedia.org/wiki/Longwave#List_of_longwave_broadcasting_transmitters

　アマチュア無線の136kHz用のアンテナでは、136kHzに同調させるための500mの水平部を有するものもあるようです。

　　Antennas for 136kHz
　　http://www.strobbe.eu/on7yd/136ant/
　　2.13. Antennas with a long horizontal section

　波長に依存せずに使用できる革命的なアンテナが発明されれば、共用可能になるかも知れませんが、５年以内という可能性はほぼゼロでしょう。

　第２に、0.2秒角というビーム幅です。
　有り得ない位狭い幅のように思われます。
　１秒角は１度の3600分の１なので、0.2秒角は1/72000度になります。（計算あってるでしょうか？）
　１秒角がどの程度のものかイメージが湧かないので、調べてみました。

　　理科年表オフィシャルサイト
　　https://www.rikanenpyo.jp/kaisetsu/tenmon/tenmon_018.html
　　「人間の場合、20 km 先の物体を両目で見たときの視差が約 1 秒角です。」

　単純計算では、0.2秒角は100km先(都心から富士山)を見たときの視差？
　SAMPSONのビーム幅の詳細は不明ですが、イージスシステムのAN/SPY-1では２度程度ですし、「はやぶさ」のアンテナでも半値幅1.4度なので、これよりも極端に狭いということは考え難いです。
　しかも周波数が157kHzという長波(LF:1km～10km)なので、狭い指向性を得ることが難しいように思われます。
　0.2秒角は５年後に実現できる数字とは思われません。

　アマゾンのレビューの中に「象の檻」の話が出てきたので、これも調べてみました。

　　Elephant Cage
　　AN/FLR-9 - Wikipedia, the free encyclopedia
　　https://en.wikipedia.org/wiki/AN/FLR-9

　　象の檻 - Wikipedia
　　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%B1%A1%E3%81%AE%E6%AA%BB

　1.5～30MHz で方向探知が可能だったようですが、特別にビーム幅が狭いということではなかったようです。

　宇宙への大出力送信と言えば、HAARP (High Frequency Active Auroral Research Program)を忘れる訳にはいかないので、ついでに調べてみました。
　HAARPはトンデモ系の情報が多いので信頼できそうな情報を探すのに一寸苦労します。

　　The High Frequency Active Auroral Research Program
　　http://www.nrl.navy.mil/research/nrl-review/2004/atmospheric-science-and-technology/kennedy/

　　情報通信研究機構季報Vol.53 No.1/2 2007
　　特 集 HAARP（High Frequency Active Auroral Research ... - NiCT
　　http://www.nict.go.jp/publication/shuppan/kihou-journal/kihou-vol53no1.2/01-03C.pdf

　途中で出力が低減され、ビーム幅も広げられた(ERPが下げられた？）ようですが、実験当初は出力3.6MW、ビーム幅4.5度～15度だったようです。
　オーロラに影響を与えることができる程度の出力なので、電線に向けたら焼けるかもしれません。

【2015.07.19追記】
----------------------
ニュー・ホライズンズ のアンテナのビーム幅は0.3°のようです。
電波が届くのに４時間！

New Horizons
Spacecraft Systems and Components
Communications
http://pluto.jhuapl.edu/Mission/Spacecraft/Systems-and-Components.php
"The high-gain beam is only 0.3 degrees wide, so it must point directly at Earth."
----------------------

　第３に25kWという出力です。
　この出力は現実のSAMPSONと同じです。
　普通のパルスレーダーでは、数MW（AN/SPY-1は4～6MW）の尖頭出力は珍しくありませんが、25kWはかなり小出力です。
　出力が小さいのは出力段が半導体であるからだと思われますが、この出力で300km上空のテザーを焼き切れるのでしょうか？　ビーム幅が0.2秒角だったら可能？

  第４に電波形式と送信タイミングです。
　小説の説明ではパルスかＣＷ(continuous wave)かよく判らないのですが、テザーが正面を向いたときに焼き切る（焼き切れる？）ことになっています。
　共振現象（？）の説明(P433)から判断すると、出力はＣＷで、焼き切れるタイミングはテザーの角度で決まるような雰囲気です。
　もしそうなら、放射ビームの方向に対して80°のときは焼き切れないで、90°になった瞬間に焼き切れるとは一寸思えません。
　もし正確な角度で終端装置を放出するのであれば、テザーの角度を測定して90°になった瞬間にレーダパルスを照射するということも考えられますが、４万個のテザーでは対応できないでしょう。
  P453の説明では、クラウドが広がった範囲は半径50km、照射範囲の通過時間は７秒となっています。
　クラウドの範囲Ｓ１と照射範囲Ｓ２の大小関係は明確ではありませんが、ビームが１本で方向が固定であると仮定すると、Ｓ１＜Ｓ２でないと未照射領域が発生するので、Ｓ１＜Ｓ２とします。
　だとすると照射範囲は少なくとも直径が100km以上になります。
　照射範囲とビーム幅の関係がよく判りませんが、高度が300km程度であったとすると、相当にビームが広がっていることになります。
　この辺の想像は妄想と勘違いと理解不足の産物かもしれません。

  P359, P421, P422に「ブラックアウト」のマイクロウェーブの誤射により、スペース・テザーが焼き切れる話が出てきますが、マイクロウェーブで焼き切ることができるのであれば、防空レーダの本来の周波数であるＳバンドやＸバンドでビームを絞って照射するという話の方が整合性がとれるような気が・・・・

　　Blackout Bomb: Air Force's High-Powered Microwave Weapons Fry Enemy Equipment
　　Posted July 31, 2009
　　http://www.popsci.com/military-aviation-amp-space/article/2009-07/experimental-microwave-weapon-could-fry-enemy-equipment
　　"10 nanosecond-long, gigawatt bursts"

　妄想のついでにもうひとつ。
　テザーの自転速度は、最初は２秒で１(30rpm)でしたが、この時点では0.6秒で１回(100rpm)になっています。
　回転速度が約３倍になっています。
　テザーが短くなったのかと思いましたが、レーダの送信周波数の説明から判断すると、長さは2kmのままと考えられます。
　終端装置の重さを500gとして加速度を計算すると。以下のようになります。

  　遠心力 F ： 54,831.135561608 N= 5,591.2197908162 kg重   

  重さに換算して５トン以上になります。
　グラフェンだから耐えられる？

--- その他 ---

　・小説の中にはテザーを引き出す機構の話が出てきませんが、実際の実験ではここが中々難しいようです。
　長さが2kmのテザーを終端装置内に収納する必要がありますが、5cmx5cmx5cm以下のサイズで2000mのテザーを繰り出すことができるスプールリールを収納することができるのでしょうか？

　・この小説に出てくる「スペース・テザー」の回転駆動システムの説明はよく理解できませんが、テザー上でバラストを移動させるシステムは可動部品が増えるので故障が増えそう・・・。展開時にはバラストはどう処理？
　
  米国特許を調べていたら、回転テザーに関するものがありました。

　　Method and apparatus for propulsion and power generation using spinning electrodynamic tethers
　　US 6942186 B1
　　http://www.google.com.gh/patents/US6942186

  回転するテザーという考えは以前からあったようです。（小説の中にも書いてあります）
　テザーの歴史が BACKGROUND OF THE INVENTION に書いてあります。
　
　ＩＨＩの公開特許もありました。

　　Space debris removing device and space debris removing method
　　US 20140367523 A1
　　http://www.google.com/patents/US20140367523

　図面を見ると、銛を打ち込んでデブリを捕獲するようです。捕鯨みたい・・・

　以上、素人の付け焼刃の知識で、「致命的なミス」について考えてみましたが、５年後に存在予定のSAMPSON5でも157kHzの電波によるテザーの焼き切りは不可能であるように思われました。

  「下手の考え・・・・」かもしれませんが・・・

蛇足：
　レビューに映画化に適しているのではないかというコメントがありましたが、CIAのクリスのキャラ(有能で腹黒い性格が悪い？)には、シガニー・ウィーバー(Sigourney Weaver)が似合うかもしれません。 白髪ではありませんが年齢的には丁度いいのでは？　映画「僕らのミライへ逆回転(Be Kind Rewind)」や「宇宙人ポール(Paul)」でも似たようなキャラだったような気がします。

　一冊の本で２週間たっぷり楽しめましたので、元は取れたかもしれません。雑学の知識も少し増えたし・・・
　なお、お話としては突っ込みところはありますが結構面白かったです。