エアロシェル

エアロシェルは、宇宙船の減速を助け、大気圏突入時の圧力、熱、抗力によって生じる破片から宇宙船を保護する、剛性の熱シールドシェルです。主なコンポーネントは、熱シールド（前部ボディ）と後部シェルで構成されています。熱シールドは、大気圏突入時に宇宙船の前方の空気圧縮によって発生する熱を吸収します。^{[1]後部シェルは、}パラシュート、ロケットエンジン、パラシュートによる減速降下中にシェルの方向を監視する 慣性測定ユニットなどの監視電子機器などの重要なコンポーネントとともに、配送される荷物を運びます。

その目的は、宇宙船の飛行のEDL (突入、降下、着陸) プロセス中に使用される。まず、エアロシェルは、宇宙船が惑星の大気圏に突入する際に減速し、非常に高い軌道速度の運動エネルギーを必然的に消散させる必要がある。熱シールドはこのエネルギーの一部を吸収するが、多くは主に放射によって大気ガスに消散する。降下後期には、通常パラシュートが展開され、熱シールドは取り外される。ロケットは、制御を補助するため、または逆噴射で降下を遅らせるために、後部シェルに配置されることがある。エアバッグを膨らませて地面との衝突を和らげることもあるが、その場合、宇宙船は最初の衝突後に惑星の表面で跳ね返る可能性がある。多くの場合、プロセス全体の通信は、後続の転送のために中継または記録される。^[2]

エアロシェルは、大気圏のある物体の表面に無傷で着陸しなければならない宇宙探査機の重要な構成要素である。エアロシェルは、地球にペイロードを帰還させるミッションの大半で使用されている。また、火星、金星、タイタン、そして（最も極端なケースでは）木星へのガリレオ探査機への着陸ミッションにも使用されている。^{[3] [4]}エアロシェルのサイズと形状は、ミッションのEDLフェーズの要件によって決まり、これらのパラメータがエアロシェルの性能に大きく影響する。^[5]

エアロシェルは、エアロシェルの前部にあるヒートシールドまたはフォアボディと、エアロシェルの後部にあるバックシェルの2つの主要コンポーネントで構成されています。^[6]エアロシェルのヒートシールドは、宇宙船が大気圏に突入する際にラム方向（前方）を向いており、宇宙船前方の空気の圧縮によって生じる高熱を吸収することができます。 バックシェルは、ペイロードをカプセル化するためのファイナライザーとして機能します。 バックシェルには通常、パラシュート、火工品とその電子機器およびバッテリー、慣性測定ユニット、および特定のミッションの突入、降下、着陸シーケンスに必要なその他のハードウェアが含まれています。 ^[6]パラシュートはバックシェルの頂点にあり、EDL中に宇宙船を減速します。火工品制御システムは、ナット、ロケット、パラシュートモルタルなどのデバイスを放出します。慣性計測ユニットは、パラシュートの下で揺れているバックシェルの向きを報告する。逆噴射ロケットが装備されている場合、宇宙船の最終降下と着陸を補助することができる。代替または追加として、着陸機は、最終降下と着陸（バックシェルが投棄された後）に使用するために、逆噴射ロケットを本体に搭載している場合がある。他のロケットは、バックシェルに水平方向の力を加えるために装備され、メインの逆噴射ロケットの燃焼中にバックシェルをより垂直な位置に向けるのに役立つ場合がある。^[7]

宇宙船のミッション目標によって、ミッションの成功を確実にするために必要な飛行要件が決まります。これらの飛行要件は、減速、加熱、および衝撃と着陸の精度です。宇宙船は、車両の最も弱い部分を無傷に保つのに十分低く、かつリバウンドせずに大気圏に突入するのに十分高い減速の最大値を持つ必要があります。宇宙船の構造とペイロードの質量は、宇宙船が耐えられる最大減速の量に影響します。この力は「g」、つまり地球の重力加速度で表されます。宇宙船の構造が十分に設計され、頑丈な材料 (鋼鉄など) で作られている場合は、より高い g に耐えることができます。ただし、ペイロードを考慮する必要があります。宇宙船の構造が高い g に耐えられるからといって、ペイロードも耐えられるとは限りません。たとえば、宇宙飛行士のペイロードは約 9 g、つまり体重の 9 倍にしか耐えられません。この基準値を超える値は、脳損傷または死亡のリスクを高めます。^[8]また、極超音速で大気圏に突入することで生じる大きな摩擦によって生じる高温にも耐えられなければなりません。最後に、目標を外すことなく、大気圏を突破して地形に正確に着陸できなければなりません。着陸エリアが狭いほど、より厳しい精度が求められます。そのような場合、宇宙船はより流線型になり、再突入軌道の角度は急になります。これらの要因が組み合わさって、宇宙船が燃え尽きたり大気圏から跳ね返ったりしないようにするために移動しなければならないエリアである再突入回廊に影響を与えます。上記の要件はすべて、宇宙船の構造と軌道の検討、設計、調整によって満たされます。しかし、将来のミッションでは大気圏の跳ね返りを利用して、再突入カプセルが降下中にさらに遠くまで移動し、より便利な場所に着陸できるようにします。^[9]

エアロシェルの全体的なダイナミクスは、次の式で定義される慣性力と抗力の影響を受けます：β=m/CdAここで、mはエアロシェルの質量とそれぞれの荷重として定義され、CdAは自由流状態でエアロシェルが生成できる抗力の量として定義されます。全体として、βは質量を抗力で割った値（単位抗力面積あたりの質量）として定義されます。^[10]単位抗力面積あたりの質量が大きいほど、エアロシェルの突入、降下、着陸は大気の低く密度の高い地点で行われ、高度能力と着陸のタイムラインマージンも減少します。これは、質量/抗力面積が大きいということは、宇宙船が降下初期に減速するのに十分な抗力がなく、減速の大部分を低高度のより厚い大気に頼ることを意味するためです。^[1]さらに、質量/抗力比が高いということは、宇宙船のペイロードに割り当てることができる質量が少ないことを意味し、これは資金とミッションの科学的目標に二次的な影響を及ぼします。^[10] EDL 中に増加する要因には熱負荷と熱速度があり、これによりシステムは熱負荷の増加に強制的に適応します。^[11]この状況では、熱負荷の増加によりエアロシェルのサポート構造と熱保護システム (TPS) が重くなるため、突入、降下、着陸の有効着陸質量能力が低下します。高抗力高度を維持する必要があるため、静的安定性も考慮する必要があります。鈍角ではなく後退角のあるエアロシェルの前部胴体が必要なのはこのためです。以前の形状ではこの要因の存在が保証されますが、抗力面積も減少します。したがって、抗力と安定性の間にトレードオフが生じ、エアロシェルの形状の設計に影響します。揚力抗力比も考慮する必要があるもう 1 つの要因です。揚力抗力比の理想的なレベルはゼロ以外です。L/D 比をゼロ以外に維持すると、パラシュート展開高度が高くなり、減速中の負荷が軽減されます。^{[12] [10]}

1966年にテストされたNASAの惑星突入パラシュートプログラム（PEPP）エアロシェルは、ボイジャー火星着陸プログラム用のパラシュートをテストするために作成されました。火星の薄い大気をシミュレートするには、地球から160,000フィート（49,000メートル）以上の高度でパラシュートを使用する必要がありました。ニューメキシコ州ロズウェルから打ち上げられた気球は、最初にエアロシェルを持ち上げるために使用されました。その後、気球は西に漂い、ホワイトサンズミサイル実験場に到着し、そこで機体が投下され、機体の下のエンジンによって必要な高度まで押し上げられ、パラシュートが展開されました。

ボイジャー計画は後に中止され、数年後にはるかに小規模なバイキング計画に置き換えられました。NASAは、火星ボイジャー計画とはまったく関係のない、外惑星へのボイジャー 1 号とボイジャー 2 号の探査機にボイジャーという名前を再利用しました。

低密度超音速減速機（LDSD）は、惑星の大気圏に突入する際に減速するために大気抵抗を生み出すように設計された宇宙船です。 ^[13]本質的には、円盤状の乗り物で、その外側には膨張可能なドーナツ型の風船が入っています。このタイプのシステムを使用すると、積載量を増やすことができます。

これは、火星に着陸する前に宇宙船を減速させるために使われる。これは、宇宙船の周囲で風船を膨らませて表面積を増やし、大気抵抗を生み出すことによって行われる。十分に減速した後、長いロープに取り付けられたパラシュートが展開して宇宙船をさらに減速させる。

この機体は現在NASAのジェット推進研究所で開発・試験中である。^[14] マーク・アドラーがプロジェクトマネージャーを務める。^[15]

試験飛行は2014年6月28日に行われ、試験機はハワイのカウアイ島にあるアメリカ海軍太平洋ミサイル試射場から18:45 UTC（現地時間8:45）に打ち上げられた。 ^[15]完全に膨らませると容積が112万立方メートル（3957万立方フィート）になる高高度ヘリウム気球^[14]が、機体を約37,000メートル（120,000フィート）まで持ち上げた。^[16]機体は21:05 UTC（現地時間11:05）に切り離され、^[15] 4つの小型固体燃料ロケットモーターが機体を回転させて安定性を確保した。^[16]

スピンアップから0.5秒後、機体のスター48B固体燃料モーターが点火し、機体をマッハ4、高度約55,000メートル（180,000フィート）まで加速させた。^[16]ロケットの燃焼終了後すぐに、さらに4つのロケットモーターが機体のスピンを落とした。^[14]マッハ3.8まで減速すると、6メートル（20フィート）のチューブ状の超音速膨張式空力減速装置（SIAD-R構成）が展開した。^[16] SIADは、機体の前側の表面積を増やすことで大気抵抗を増やし、減速率を上げることを目的としている。^[17]

マッハ2.5まで減速すると（SIAD展開後約107秒後^[14]）、超音速ディスクセイル（SSDS）パラシュートが展開され、機体をさらに減速させた。^{[16]このパラシュートの直径は33.5メートル（110フィート）で、}マーズ・サイエンス・ラボラトリー・ミッションで使用されたもののほぼ2倍の大きさである。^[18]しかし、展開後にパラシュートが破れ始め、^[19]機体は時速32～48キロメートル（20～30マイル）で21:35 UTC（現地時間11:35）に太平洋に衝突した。^{[15] [20]}すべてのハードウェアとデータレコーダーは回収された。^{[17] [20]}パラシュート事故にもかかわらず、ミッションは成功と宣言された。主な目的は試験機の飛行適性を証明することであり、SIADとSSDSは二次的な実験であった。^[17]

2015年半ばには、太平洋ミサイル試射場でさらに2回のLDSD試験飛行が行われた。試験飛行では、2014年の試験で得られた教訓を生かし、8メートル（26フィート）のSIAD-EとSSDSの技術に重点が置かれた。^[20]パラシュートには、より丸い形状と構造強化などの変更が計画されている。^[19]しかし、再突入後まもなく、パラシュートが引きちぎられてしまった。^[21]

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  エアロシェルを装着した着陸機を放出するバイキング・オービターの想像図（ドン・デイビス）。
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  火星科学研究所の巨大な耐熱シールド。
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  バージニア航空宇宙博物館に展示されているアポロ12号の耐熱シールドの詳細。
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  33.5メートル超音速リングセイルパラシュート
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  6メートルSIAD-R
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  8メートルSIAD-E

• 「ロッキード・マーティン、火星科学研究所のエアロシェルを設計へ」Mars Daily 2006-03-30 . 2007-02-17閲覧。
• 「宇宙での燃料節約のため、NASA のエンジニアがエアロキャプチャーを推奨」NASA 2006-08-17 2007-02-17閲覧。
• 宇宙旅行ガイド
• 早期再突入体: 鈍体とアブレーション体
• Axdahl, Erik; Cruz, Juan R.; Schoenenberger, Mark; Wilhite, Alan (2009 年 5 月 4 日)。「取り付けられた膨張式空力減速機を使用したエアロシェルの飛行力学」(PDF)。NASA.gov 。アメリカ航空宇宙学会。2015 年4 月 12日閲覧。