産総研打ち合わせ資料柔軟構造大気突入機の研究開発 ISAS/JAXA 大気球観測センター ISAS/JAXA 宇宙輸送工学研究系東京大学大学院新領域創成研究科他 2007/07/18 産総研打ち合わせ資料研究背景宇宙時代の到来のためには、宇宙輸送システムの革新が必要特に帰還システムに関しては、安価に安全にどんなものでも帰還できるようになれば、宇宙開発が一気に進むそのためには、これまでにない新しい大気突入システムが必要なのでは？帰還システムのもっとも大きな問題は大気突入時の空力加熱表面温度は2000℃ 現在は空力加熱に耐えながら火の玉になって帰還気流温度は5000℃ 発想を転換して、空力加熱を避けれないか？大気突入のイメージ 2007/07/18 産総研打ち合わせ資料低弾道係数*大気突入機 *弾道係数＝質量÷抵抗面積機体を軽く、大きくすることで空力加熱を避けることができる高度400kmの円軌道からの大気突入時の空力加熱の推算 1600 直径ペイロード 1ton Heat Flux (kW/m2) Teq (C) 1400 1200 Heat Flux (kW/m2) 機体重量 1000kg 抵抗係数 1.3 淀み点曲率半径 =エアロシェル半径 2000 1800 1600 重量が同じなら直径を大きくすれば、空力加熱は小さくなる 1000 800 1400 1200 600 1000 400 800 200 600 0 0 5 10 15 20 25 Equilibrium Temperature (degC) 計算条件 400 30 Diameter (m) 2007/07/18 産総研打ち合わせ資料柔軟構造大気突入機軽く、大きい機体を実現するために柔軟構造をつかう。さまざまな形状が提案されているフレア型気球型傘型ドーナツ型 1.打ち上げ時はエアロシェルをコンパクト収納 2.軌道上で大型のエアロシェルを展開（不具合があればやり直しも可） 3.低弾道係数で大気突入 4.パラシュートなしで軟着陸（←もうひとつの利点）これまでの実際のミッションに利用された例はない* （*試験フライトは数例ある） 2007/07/18 産総研打ち合わせ資料柔軟構造大気突入機の実現への課題１．高速流中で柔軟構造の挙動や飛翔体としての性能が不明 → 我々がこれまで行ってきた研究の中心テーマ風洞試験や数値解析などの基礎研究からフライト試験まで２．実際のミッションへの応用検討、既存の方法との比較 →各国でさまざまなミッションにおける検討がおこなわれている。地球帰還システムだけでなく、惑星突入ミッションでも利点がある。３．膜面材料への要求が厳しい → クレーストがその解決になるかも、ご協力を願いたい膜材料の性能があがれば、設計の自由度が増える。 2007/07/18 産総研打ち合わせ資料これまでの研究１高速流体中の柔軟構造の挙動の解明と、フレア型柔軟エアロシェルを有する機体の飛翔体としての性能の把握が中心テーマ 基礎研究単純形状での実験数値解析法の開発 応用研究各種風洞試験数値解析例実機形状での数値解析計算や風洞試験 大気球を利用したフライト試験 ZYLON布で製作した直径1.5m展開剛体枠フレア型エアロシェル基本コンセプトの実証と地上試験の検証に成功（ただし、この試験では空力加熱環境は模擬できていない）次は、実環境（特に空力加熱環境）でのフライト試験をめざす。エアロシェルのさらなる大型化→インフレータブル構造の採用膜材料の高速気流中での性能実証→極超音速風洞の完成 2007/07/18 産総研打ち合わせ資料これまでの研究２次のフライト試験への準備をすすめているインフレータブル構造の大型エアロシェルの試作（材料はZYLON布を用いた）ドーナツ型のインフレータブルチューブで構造をささえる。（内部に小型ガス注入機構が仕込まれている） 2.8m 強度試験の様子東京大学柏キャンパスに極超音速風洞が完成柔軟構造大気突入機の試験に利用予定 ZYLON布エアロシェル模型の試験の様子膜材料を選定し、評価しなければならない段階にある。 2007/07/18 産総研打ち合わせ資料想定されるミッション例フレア型大気突入実験機観測ロケットなどで高高度で期待を打ち上げ、上空でエアロシェルを展開し低弾道係数で大気突入を行う機体規模：重量30kg,サイズ2.5m 柔軟構造大気突入衛星軌道上で気球状の膜面を展開し、空気抵抗で徐々に降下する間に超高層大気の大気観測を行う。機体規模：重量70kg,サイズ7.0m 2007/07/18 産総研打ち合わせ資料膜材料への要求柔軟、耐熱、気密、強度が要求される。＊耐熱性：少なくとも650℃以上、高いほど機体設計の自由度がふえる＊柔軟性：折りたためること。折りたたんでも痛まないこと＊気密性：ミッションによるが少なくとも数日間を内部の気体を維持すること（衛星ミッションの場合は寿命に直接関連）＊強度：突入時の空気力やインフレータブル部の圧力差にたえる（ポリエチレン(30MPa)では弱く、ZYLON（5.8GPa)では十分）＊加工の容易さ：袋状に加工する必要がある。＊耐放射線：大気突入まではコーティングしておくなどの防御法がある ZYLONなどの高強度、耐熱性繊維材料とクレーストの組み合わせがこの要求をみたせるのでは？ 2007/07/18 産総研打ち合わせ資料クレーストに関する質問耐熱性（耐熱温度）柔軟性気密性機械強度（破断荷重、弾性係数、ポアソン比）加工性（溶着の可否）耐放射線重量（密度）他の材料とのコーティングの可能性他の材料とのラミネートの可能性 2007/07/18