再突入カプセル

再突入カプセルは、宇宙飛行後に地球に帰還する宇宙カプセルの一部である。形状は部分的に空気力学によって決定される。カプセルは鈍端から先に落下するため空気力学的に安定しており、大気圏突入時に熱シールドが必要となるのは鈍端のみである。有人カプセルには、宇宙船の計器盤、限られた収納スペース、乗組員の座席が含まれる。カプセルの形状は空気力学的揚力がほとんどないため、最終的な降下はパラシュートによって行われ、地上、海上、または航空機による能動的な捕捉によって停止する。対照的に、スペースプレーン再突入体の開発では、より柔軟な再突入プロファイルの提供が試みられている。

構造

再突入カプセルは、打ち上げ機の空力要件により、通常、直径 5 メートル (16 フィート) 未満です。カプセル設計は容積効率が高く、構造的にも強固であるため、通常、揚抗比を除くすべての点で揚力体またはスペースプレーン設計に匹敵する性能を持つ小型カプセルを低コストで製造できます。ソユーズ宇宙船がその一例です。ほとんどのカプセルは再突入にアブレーション熱シールドを使用しており、再利用できません。オリオン多目的乗員輸送機は、2005 年 12 月の時点で、交換可能な熱シールドを備えた 10 回再利用可能なカプセルを使用する可能性が高いようです。エンジニアリング経験の不足を除けば、再突入カプセルでの高温セラミックタイルまたは超高温セラミックシートの使用には制限がありません。

カプセルの素材は、アポロ司令船のアルミニウム製ハニカム構造のように、さまざまな方法で設計されています。アルミニウムは非常に軽く、この構造によりカプセルの強度が高まります。初期の宇宙船には、合成樹脂が埋め込まれたガラスのコーティングが施され、非常に高温に晒されていました。炭素繊維、強化プラスチック、セラミックは、宇宙探査で使用するために常に改良が続けられている新しい素材です。

再突入

再突入カプセルのほとんどは、再突入時にアブレーション熱シールドを使用しており、再利用は不可能でした。初期の宇宙船には、合成樹脂が埋め込まれたガラスコーティングが施され、非常に高温に置かれていました。

再突入カプセルは高エネルギー再突入に適しています。カプセルは、乗客が横になった状態で後端から最初に再突入します。これは、カプセルが大気圏に衝突したときに誘発される重力加速度に人体が耐えるのに最適な姿勢だからです。カプセルの丸い形状 (鈍いボディ) は衝撃波を形成し、熱の大部分を熱シールドから遠ざけますが、それでも熱保護システムは必要です。宇宙カプセルは抗力などの再突入力に耐えられるほどの強度が必要であり、大気圏表面からの跳ね返りや破壊的な高加速を防ぐために正確な迎え角で再突入する必要があります。

再突入カプセルが大気圏に入ると、カプセルは前方の空気を圧縮し、非常に高温になります。カプセルが地球の大気圏を下降するにつれて、カプセルの表面温度は 1,480 °C (2,700 °F) に達することがあります。^[要出典]この熱が内部構造に到達するのを防ぐため、カプセルには通常、熱を炭化して蒸発させるアブレーション熱シールドが装備されています。

アポロ司令船は、質量の中心が中心線からずれた状態で再突入しました。これにより、カプセルは空中で斜めの姿勢をとり、方向制御に使用できる揚力が得られました。反応制御システムのスラスタは、揚力ベクトルを回転させてカプセルを操縦するために使用されました。

最終降下にはパラシュートが使用され、カプセルが地表に着陸するように設計されている場合は、ブレーキロケットが補助として使用されることもあります。地上着陸カプセルの例としては、ボストーク、ボスホート、ソユーズ、神舟、ボーイング CST-100 スターライナーなどがあります。マーキュリー、ジェミニ、アポロ、オリオン、ドラゴンなどの他のカプセルは、海に着水して着水します。

空気力学的加熱

カプセルは高温および動的荷重での再突入に適している。スペースシャトルなどのデルタ翼グライダーは低軌道から再突入でき、揚力体は月のような遠くからでも再突入できるが、火星からの再突入体としてカプセル以外の設計を見つけることはまれである。火星への飛行が可能な現在のRKKエネルギアのクリパーの設計は例外である。

再突入カプセルを製作する技術者は、重力や抗力などの力を考慮に入れなければなりません。カプセルは、急速に減速できるほどの強度が必要であり、極度に高いまたは低い温度に耐え、着陸後も生き残らなければなりません。カプセルが惑星や月の表面に近づくと、非常に正確な速度で減速する必要があります。減速が速すぎると、カプセル内のすべてのものが押しつぶされてしまいます。減速が十分でないと、表面に衝突して破壊されます。大気圏再突入には、追加の要件があります。迎え角が浅すぎると、カプセルが大気圏の表面から跳ね上がる可能性があります。迎え角が急すぎると、減速力が大きくなりすぎたり、再突入時の熱が熱シールドの許容範囲を超えたりする可能性があります。

カプセルは、後端から再突入します。このとき、乗客は横たわった状態です。これは、減速時の重力加速度に耐える人体にとって最適な姿勢だからです。後端は丸みを帯びた形状 (鈍体) になっています。これは、カプセルに触れない衝撃波を形成し、機体を溶かすのではなく、熱を逸らすためです。

アポロ司令船は、質量の中心が中心線からずれた状態で再突入しました。これにより、カプセルは空中で斜めの姿勢をとり、方向制御に使用できる横方向の揚力が得られました。回転スラスタは、揚力ベクトルを変更することで、自動または手動制御でカプセルを操縦するために使用されました。

高度と速度が低い場合、パラシュートを使用して抗力を増加させ、カプセルの速度を落とします。

カプセルは、地表に到達したときの衝撃にも耐えられなければなりません。米国の有人カプセル（マーキュリー、ジェミニ、アポロ）はすべて水上に着陸しました。ソ連/ロシアのソユーズと中国の神舟（および計画中の米国、ロシア、インド）の有人カプセルは、小型の逆噴射ロケットを使用して地上に着陸します。火星の重力はより軽いため、エアバッグはロボットミッションの一部を安全に着陸させるのに十分です。

重力、抗力、揚力

再突入カプセルが受ける最大の外力のうちの 2 つは、重力と抗力です。

抗力とは、カプセルが空気中を移動する際に受ける抵抗のことです。空気は窒素、酸素、二酸化炭素などさまざまな分子の混合物です。空気中を落下する物体はどれもこれらの分子にぶつかるため、速度が低下します。カプセルの抗力の大きさは、空気の密度、カプセルの形状、質量、直径、粗さなど、さまざまな要因によって決まります。宇宙船の速度は、ロケットの速度を上げる重力とロケットの速度を落とす抗力という 2 つの力の複合効果に大きく左右されます。地球の大気圏に突入するカプセルは、大気が非常に厚いため、大幅に減速します。

カプセルが大気圏に入ると、カプセルの前方の空気が圧縮され、非常に高温になります（一般に信じられているのとは異なり、摩擦はそれほど大きくありません）。

良い例は流れ星です。通常、流れ星は非常に小さいのですが、大気圏を通して非常に多くの熱を発生させるため、隕石の周囲の空気は白熱して輝きます。そのため、カプセルのような巨大な物体が通過すると、さらに多くの熱が発生します。

カプセルが減速すると、カプセルの表面に当たる空気分子の圧縮によって大量の熱が発生します。カプセルが地球の大気圏を降下するにつれて、カプセルの表面は 1,480 °C (2,700 °F) に達することがあります。この熱はすべて放出する必要があります。再突入カプセルは通常、溶けて蒸発する (「アブレーション」) 素材でコーティングされています。逆効果に思えるかもしれませんが、蒸発によってカプセルから熱が奪われます。これにより、再突入時の熱がカプセル内に入り込むのを防ぎます。カプセルは宇宙飛行機よりも加熱が激しく、スペースシャトルで使用されるようなセラミックは通常適していません。すべてのカプセルでアブレーションが使用されています。

実際には、カプセルは相当量の揚力を生み出します。この揚力はカプセルの軌道を制御するために使用され、乗組員にかかる重力加速度を軽減するとともに、カプセルへのピーク熱伝達を減らします。機体が高高度にいる時間が長くなるほど、空気が薄くなり、熱伝導が少なくなります。たとえば、アポロ CM の揚力と抗力の比率は約 0.35 でした。揚力がない場合、アポロカプセルは約 20g の減速 (低軌道宇宙船の場合は 8g) を受けますが、揚力を使用することで軌道は約 4g に抑えられました。^[要出典]

現在のデザイン

神州

再突入カプセルは、3 つの部分から成るソユーズ宇宙船または神舟宇宙船の「中間」モジュールです。軌道モジュールは宇宙船の前部にあり、サービスモジュールまたは機器モジュールは後部に取り付けられています。着陸システムの特徴により、単一のパラシュートと「ブレーキロケット」を使用できるようになり、米国のマーキュリー宇宙船の着陸バッグ展開と同様に、熱シールドが宇宙船から落とされます。アポロ宇宙船のコマンドモジュールと同様に、神舟再突入カプセルには再利用機能がありません。各宇宙船は 1 回飛行すると「廃棄」されます (通常は博物館に送られます)。

神舟再突入カプセルについては、ソユーズTMの設計技術が一部使用されていること以外、ほとんど詳細がわかっていない。現在は国際宇宙ステーションの飛行にのみ使用されている新しいソユーズTMA宇宙船は、背の高い乗組員が飛行できるようにソファが改造されており、スペースシャトルや新しい商用機、軍用機に見られるものと同様の「グラスコックピット」技術を備えている。

ソユーズ

旧ソ連は2度の大惨事と1度の惨事寸前を経験したが、その3回ともカプセルが軌道離脱と再突入の際に発生したものだった。ソユーズ1号はパラシュートが開かずカプセルが時速300マイル（483 km/h）以上のスピードで地面に激突し、宇宙飛行士のウラジミール・コマロフが死亡するという惨事に終わった。ソユーズ5号は再突入カプセルが機首から大気圏に突入するという惨事に終わるところだったが、これはボストーク1号の飛行と同様にサービスモジュールの分離失敗によるものと考えられている。幸いサービスモジュールは燃え尽き、カプセルは自力で回復した。

1971年、ソユーズ11号は惨事に終わりました。ソユーズ最終降下中に気圧を均一にするために使用された均圧弁が宇宙空間の真空中で予定より早く開き、宇宙服を着用していなかった3人の乗組員が死亡したのです。ソユーズ12号からソユーズ40号までのその後の飛行では、与圧服の制御のために3席目を外さなければならなかったため、2人乗りの乗組員が使用されました。ソユーズTバージョンでは、3席目を復元しました。