非弾道的大気圏突入

非弾道的大気圏突入は、上層大気の揚力を利用して非弾道的な軌道をたどる大気圏突入軌道の一種である。これにはスキップやグライドなどの軌道が含まれる。 ^{[1] [2]}

スキップとは、宇宙船が大気圏に出入りする飛行軌道です。グライドとは、宇宙船が一定時間大気圏に留まる飛行軌道です。^{[1]ほとんどの例では、スキップ再突入により、弾道軌道を純粋に飛行する場合に比べて、}弾道飛行機や再突入機の航続距離が約 2 倍になります。また、スキップを繰り返すことで航続距離をさらに伸ばすこともできます。

非弾道的大気圏突入は、最初は弾道ミサイルの射程距離を延ばす方法として真剣に研究されたが、射程距離を延ばした従来型ミサイルが導入されたため、この形では運用には使用されなかった。基礎となる空気力学的概念は、パーシング IIなどの一部のミサイルの精度を高めるために、機動性再突入体(MARV) の製造に使用されてきた。より最近では、この概念は、アバンガルドの場合のように迎撃を回避するための極超音速滑空体(HGV)の製造に使用されている。射程距離の延長は、より低い高度での飛行を可能にする方法として使用され、より高い弾道経路と比較してより長い時間 レーダー探知を回避するのに役立つ。

このコンセプトは、月から地球に帰還する宇宙船の再突入時間を延長するためにも使用されている。そうしないと、宇宙船は短時間で大量の速度を落とさなければならず、その結果、非常に高い加熱率に悩まされることになる。アポロ司令船も、ソ連のゾンドや中国の嫦娥5号T1と同様に、基本的にスキップ再突入を採用した。

この概念的根拠に最初に気づいたのはドイツの砲兵将校たちで、彼らはペーネミュンデの矢じりの弾が高高度から発射されるとはるかに遠くまで飛ぶことを発見した。これは幾何学的形状と空気の薄さからして全く予想外のことではなかったが、これらの要因を考慮しても、はるかに長い射程距離を説明できなかった。ペーネミュンデでの調査により、高高度の薄い空気中での長い弾道が、超音速で揚力を生み出す迎角を持つ砲弾を生み出すことを発見した。当時、これは弾道の計算を非常に困難にするため非常に望ましくないと考えられていたが、射程距離を延ばすためにこれを応用できる可能性は観測者にも見逃されなかった。^[3]

1939年6月、ペーネミュンデのクラウス・リーデル設計事務所のクルト・パットは、ロケットの速度と高度を揚力と航続距離に変換する翼を提案した。^[4]彼は、これによりA-4ロケットの航続距離が275キロメートル（171マイル）から約550キロメートル（340マイル）にほぼ倍増すると計算した。初期の開発はA-9の名称で検討されたが、その後数年間はツェッペリン・シュターケン社での風洞実験以外の作業はほとんど行われなかった。低レベルの研究は1942年に中止されるまで続いた。^[5]

長距離使用を目的としたブーストグライドコンセプトの最も古い提案は、1941年のジルバーフォーゲルに遡る。これは、ドイツの基地からニューヨーク市を攻撃し、その後大日本帝国が保持する太平洋のどこかに着陸できるロケット推進爆撃機の提案である。そのアイデアは、機体の翼を使って揚力を発生させ、新しい弾道軌道に引き上げ、再び大気圏を抜けてスキップの間に機体を冷却する時間を与えるというものだった。^[6]後に、スキップ中の熱負荷が当初の計算よりもはるかに高く、宇宙船を溶かしてしまうことが実証された。^[7]

1943年、A-9の開発は再び再開されたが、今度はA-4bという名前で行われた。これは、A-4が改良されていないA-4をベースにしていたためか^[5]、あるいはこの時点でA-4計画が「国家の優先課題」となり、開発をA-4という名前で行うことによって資金が確保されたためか、どちらかであると示唆されている。^[8] A-4bは後退翼を採用し、V2の射程距離を延長して、イギリス中部の都市を攻撃したり、ドイツ国内の奥地からロンドンに到達できるようにした。 ^[3] A-9は当初は同様のものだったが、後に従来の後退翼ではなく、長い尖頭デルタ型の翼を採用した。この設計は、A-9/A-10大陸間ミサイルの有人上段として採用され、大西洋上空から滑空し、パイロットが脱出する前にニューヨークを爆撃するのに十分な射程距離を確保した。^{[8] [a]}

終戦直後、ソ連のロケット技術者アレクセイ・イサエフは、 1944年8月に更新されたジルバフォーゲル構想に関する報告書のコピーを発見した。彼はその論文をロシア語に翻訳させ、それが最終的に、対蹠地爆撃機の構想に強い関心を抱いていたヨシフ・スターリンの目に留まった。1946年、彼は息子のワシリー・スターリンと、戦前に有翼ロケットの研究をしていた科学者グリゴリー・トカティをパリのゼンガーとイレーネ・ブレッドのもとに派遣し、ソ連での新たな取り組みに参加するよう説得しようとした。ゼンガーとブレッドは招待を断った。^[10]

1946年11月、ソ連はムスティスラフ・ケルディシュの指揮下でNII-1設計局を設立し、ゼンガーとブレッド抜きで独自のバージョンを開発しようとした。 ^[11]初期の作業により、ロケット推進の極超音速スキップグライドコンセプトからラムジェット推進の超音速巡航ミサイルへの転換が決定した。これは同時期に米国で開発されていたナバホとよく似ている。開発はケルディシュ爆撃機としてしばらく続いたが、通常弾道ミサイルの改良により最終的にこのプロジェクトは不要になった。^{[10] [b]}

アメリカでは、スキップグライドのコンセプトは、主にベル・エアクラフト社のウォルター・ドルンバーガーとクラフト・エーリケを中心に、移住した多くのドイツ人科学者によって提唱された。1952年、ベルはボミとして知られるシルバーフォーゲルの垂直発射バージョンである爆撃機のコンセプトを提案した。これは1950年代にロボ、ハイワーズ、ブラスベル、そして最終的にはボーイングX-20ダイナソアを含むいくつかの後継コンセプトにつながった。^{[12]初期の設計は一般的に爆撃機であったが、後期のモデルは偵察機やその他の役割を目的としていた。ドルンバーガーとエーリケは、1955年に}ポピュラーサイエンス誌に共同で、旅客機での使用に関するアイデアを提案した記事を書いた。^{[13] [14]}

攻撃的な役割に成功した大陸間弾道ミサイル（ICBM）の導入により、スキップグライド爆撃機のコンセプトへの関心はなくなり、偵察衛星もスパイ機の役割に使われなくなった。X-20宇宙戦闘機は1960年代を通じて関心を集め続けたが、最終的には予算削減の犠牲となった。1963年3月に再度検討が行われた後、ロバート・マクナマラは12月にこの計画を中止し、4億ドルを費やしてもまだ遂行すべき任務がないと指摘した。^[15]

1960年代を通じて、スキップグライドコンセプトは、現代のミサイルではもはや問題ではなくなった射程距離を延ばす方法としてではなく、ICBM用の機動性の高い再突入体の基礎として関心を集めた。主な目的は、再突入中にRVの進路を変更し、反弾道ミサイル（ABM）がその動きを素早く追跡できず、迎撃に成功しないようにすることだった。最初の例として知られているのは1959年のアルファドラコテストであり、その後にブーストグライド再突入体（BGRV）テストシリーズ、ASSET ^[16]およびPRIMEが続いた。^[17]

この研究は最終的にパーシングIIのMARV再突入体に利用された。この場合、長時間の滑空段階はなく、弾頭は軌道を調整するために短時間のみ揚力を使用する。これは再突入プロセスの後半に使用され、シンガー・キアフォート 慣性航法システムとグッドイヤー・エアロスペースのアクティブレーダーのデータを組み合わせたものである。^{[18]同様の概念は、ほとんどの核武装国の}戦域弾道ミサイルにも開発されている。

ソ連も米国のABMを回避するためにMARVの開発にいくらかの労力を費やしていたが、1970年代に米国の防衛体制が終了したため、この計画を継続する理由はなくなった。2000年代に米国の地上配備型中間過程防衛の導入で状況は変わり、ロシアはこの取り組みを再開した。ソ連時代にはオブイェクト4202と呼ばれていたこの車両は、2016年10月にテストに成功したと報告された。^{[19]このシステムは、2018年3月1日に}極超音速滑空体（HGV）アバンガルド（ロシア語：Авангард、英語：Vanguard ）として公開され、2019年12月27日に正式にICBMのペイロードとして実戦投入された。 ^[20] ウラジミール・プーチン大統領は、アバンガルドが量産に入ったことを発表し、その機動性により現在のすべてのミサイル防衛システムに対して無敵であると主張した。^[21]

中国はまた、ブーストグライド弾頭DF-ZF（米国情報機関では「WU-14」として知られている）を開発している。^[22]米国とロシアのMARV設計とは対照的に、DF-ZFの主な目的は、ブーストグライドを使用して、純粋な弾道経路を使用して同じターゲットに到達するのに使用されるよりも低い高度で飛行しながら、射程距離を延ばすことです。これは、可能な限り米国海軍のイージス戦闘システムのレーダーの視界から外れ、システムが攻撃に対応する時間を短縮することを目的としています。DF-ZFは2019年10月1日に正式に発表されました。ロシアによる同様の取り組みは、ホロドとGLL-8イグラ極超音速テストプロジェクト、そして最近ではRS-28サルマットで運ぶことができるYu-71極超音速滑空体につながりました。^{[23] [24]}

ブーストグライドは、米国からの発射後1時間以内に地球上のどこの目標でも攻撃できる兵器を求める米国の即時地球規模攻撃（PGS）要件に対する可能な解決策として、ある程度の関心を集めた。PGSでは動作モードは定義されておらず、現在研究されているものには、先進的極超音速兵器のブーストグライド弾頭、ファルコンHTV-2極超音速航空機、潜水艦発射ミサイルなどがある。^[25]ロッキード・マーティンは、このコンセプトを極超音速AGM-183A ARRWとして開発している。^[26]

この技術は、着陸前に1回のスキップを使用したソ連のゾンドシリーズの月周回宇宙船で使用されました。この場合、宇宙船が高緯度の着陸エリアに到達できるようにするために、真のスキップが必要でした。ゾンド6、ゾンド7、ゾンド8はスキップエントリーに成功しましたが、ゾンド5は成功しませんでした。^{[27] [28]}ゾンドと同様のミッションプロファイルを飛行した嫦娥5-T1もこの技術を使用しました。

アポロ司令船は、再突入時間を延ばすことで機体の熱負荷を下げるためにスキップのようなコンセプトを採用したが、宇宙船は再び大気圏を離れることはなく、これが真のスキッププロファイルであるかどうかについてはかなりの議論があった。NASAはこれを単に「リフティングエントリー」と呼んだ。真のマルチスキッププロファイルはアポロスキップガイダンスコンセプトの一部として検討されたが、これは有人飛行では使用されなかった。^[29]このコンセプトは、搭載コンピューターを使用してアルテミス1号ミッションでアメリカ初のスキップエントリーを行ったオリオン宇宙船のようなより現代的な宇宙船にも引き続き採用されている。 ^{[30] [31] [32]}

簡略化された運動方程式を使用し、大気圏内飛行中の抗力と揚力の両方が機体に作用する重力よりもはるかに大きいと仮定すると、スキップ再突入飛行に関する次の解析関係が導き出される。^[33]

$${\displaystyle \gamma _{\mathrm {F} }=-\gamma _{\mathrm {E} },}$$

ここで、は局所的な水平線に対する飛行経路の角度であり、下付き文字 E は進入開始時の状態を示し、下付き文字 F は進入飛行終了時の状態を示します。 ${\displaystyle \gamma}$

進入前後の 速度は次のように関係付けられます。${\displaystyle V}$

$${\displaystyle {\frac {V_{\mathrm {F} }}{V_{\mathrm {E} }}}=\exp {\frac {2\gamma _{\mathrm {E} }}{L/D }},}$$

ここで、車両の 揚抗比はいくらですか。${\displaystyle L/D}$

• 高速打撃兵器（HSSW）（米国）
• プロンプト・グローバル・ストライク（PGS）（米国）
• アルファドラコ（アメリカ）
• アークライト（ミサイル）（米国）
• DARPA ファルコン プロジェクト(米国)
• ボーイング X-51 ウェーブライダー（米国）
• ノースアメリカンX-15（米国）
• ツポレフ Tu-130 (ロシア)
• ブラモスII（インド/ロシア）
• 極超音速技術実証機（インド）
• 複数の独立目標を目標とする再突入体
• 平面再突入方程式

• ノイフェルド、マイケル（1995年）。『ロケットと帝国：ペーネミュンデと弾道ミサイル時代の到来』サイモン＆シュスター。ISBN 9780029228951。
• イェングスト、ウィリアム（2010年4月）。『ライトニングボルト：初の操縦式再突入体』テイト出版。ISBN 9781615665471。