1 大気球シンポジウム展開型柔構造体を用いた回収システム実証試験の提案 ○山田和彦、廣谷智成、安部隆士（ISAS/JAXA）石田智樹、古川宗孝（東大院）鈴木宏二郎（東大新領域）桜井晃（九大工）大気球シンポジウム相模原 2006/01/23 2006/01/23 2 大気球シンポジウム CONTENTS  研究背景、目的  試験概要供試体実験シークエンスフライト予測  フライト試験にむけて開発状況複合型展開外枠エアロシェルの空力特性搭載機器  まとめ 2006/01/23 3 大気球シンポジウム BACKGROUND シンプルかつ安全なカプセル型の大気突入、回収システムの開発従来型システムアブレータや高温材料で1500℃以上にもなる高温環境に耐えるパラシュートを展開し、減速して軟着陸 APPLLO の時代から採用されている MUSES-C, USERS などでも実用提案するシステム大気突入前に大面積のエアロシェルを展開し、空力加熱を避ける低弾道係数を利して、そのまま緩降下＆軟着陸（＋海上浮揚）高温環境にさらされない →安全大気圏突入前に展開完了 →信頼性上昇 2006/01/23 4 大気球シンポジウム FORIGNE STUDY IRDT,IRDT2 (ESA) 2000年頃からフライト試験を実施、ロケット等の不具合で目立った成果は出ず。 IRVE (NASA) 今年度、フライト試験を計画 2006/01/23 5 大気球シンポジウム BACKGROUND 柔構造再突入回収システムの研究開発経過 2000～風洞試験や数値解析による基礎研究基礎データの取得、数値解析手法の確立 2002 大気球を利用したフライト試験の提案遷音速～低速領域における柔構造機体の飛翔性能実証 2003/09 大気球による第一次柔構造機体の飛翔性能試験搭載機器の動作実証、エアロシェルの開発 2004/08 大気球による第二次柔構造機体の飛翔性能試験フライトに成功 2005～データ解析、開発課題の洗い出し →次のステップへ向けた技術的課題の克服に向けて 2006/01/23 6 大気球シンポジウム BACKGROUND エアロシェルの大型化 1600 Equilibrium temperature Splashdown velocity 1400 Equilibrium temperature (degC) エアロシェルのさらなる大型化が必須課題 80 70 1200 60 金属TPSの限界 1000 50 800 40 600 30 400 20 安全な着水速度 200 0 0 1 2 Splashdown velocity (m/s) 高度200kmに達する弾道軌道からの再突入機体重量 50kg カプセル直径 20cm 抵抗係数 1.2 淀み点曲率半径 14cm 膜面のサイズが空力加熱終端速度に与える影響 10 3 Dimameter 4 5 0 2006/01/23 7 大気球シンポジウム OBJECTIVES エアロシェルの大型化、そして回収システムとして実用化するために克服すべき技術的課題  高真空無重量状態で確実に展開するエアロシェルの確立  大型エアロシェルを有するカプセル型飛行体の飛行性能  柔構造エアロシェルによって軟着水して、海上にて機体を確実に回収する技術これらのことを実証するため、大気球を利用したフライト試験の提案を行う。 2006/01/23 大気球シンポジウム 8 FLIGHT TEST OUTLINE 2006/01/23 9 大気球シンポジウム FLIGHT MODEL エアロシェル最大直径250cm程度の錐台形状高耐熱性、高強度であり、将来の再突入機での使用の有力な候補であり前回試験でも使用したZYLON織物で作成外枠インフレータブルトーラスと金属枠で構成されるハイブリットタイプの展開構造インフレータブル部はフロートとしても機能する。 250cm カプセル直径30cm センサなど機器類をすべて搭載画像データなどを記録するため、一部が気密もしくは水密構造。最大直径：2.5m 総重量：25kg 終端速度：10m/s程度 2006/01/23 10 大気球シンポジウム TEST SEQUENCE 切り離し展開切り離しと同時にエアロシェルが展開される。上昇展開の様子をゴンドラに搭載されたカメラで撮影し、テレメで送信する自由飛行放球気球が最高高度に達したところでフェアリングを開放し実験機を切り離す飛行中、フライトデータはテレメトリで送信し、映像はカプセル内に記録予測マッハ数 0.28 予測動圧 0.04kPa 実験機海上浮揚直径30cm、高さ1m程度のフェアリング内にカプセルとエアロシェルが折りたたまれて収納されている。インフレータブル部の浮力で海上に浮揚する回収用の発信機を搭載 2006/01/23 11 大気球シンポジウム FLIGHT TRAJECTORY 高度35km、機体重量25kg、最大直径250cm、抵抗係数1.3 （風洞試験より） 0.1 0.09 40 0.08 35 0.07 30 0.06 25 0.05 20 飛行時間1800sec 0.04 15 0.03 10 0.02 5 0.01 0 0 200 400 600 800 0 1000 1200 1400 1600 1800 Time (sec) 0.4 Dynamic Pressure Mach Number 0.07 Velocity (km/s) Dynamic Pressure (kPa) Altitude (km) Altitude Velocity 最高速度85m/s 45 0.08 0.06 0.35 0.3 最大マッハ数0.28 0.05 0.25 0.04 0.2 動圧0.04 0.03 0.15 0.02 0.1 0.01 0.05 0 0 200 400 600 800 Mach Number 50 0 1000 1200 1400 1600 1800 Time (sec) 2006/01/23 12 大気球シンポジウム SENSORS 基本的に前回の実験で実績のあるものを使用する。画像取得系 CCDカメラ＋魚眼レンズ → 背面 CCDカメラ（膜面ズーム） → 背面横 CCDカメラ（下） → 前面画像レコーダ（複数レコーダ？分割器？）位置姿勢系 (9ch) GPS ３軸加速度、３軸角速度３軸地磁気空力環境系圧力計（高高度での精度）気温計（ゴンドラに搭載）ヘルスモニタ (5ch) 内部温度計ベッセル内圧計膜面振動センサ（インフレータブル圧）テレメトリは１波（データのみ）画像はレコードし回収後解析ゴンドラ側からの画像をテレメ (気球のHKと合わせて計３波） 2006/01/23 13 大気球シンポジウム LAYOUT 気圧計地磁気計機体後部 GPS アンテナ CCDカメラ CCDカメラ CCDカメラ魚眼レンズ ON/OFFモニタ内圧計加速度計角速度計 PCM エンコーダ温度計温度計ブイ GPS回路ミキサー画像画像レコーダ画像レコーダレコーダ画像レコーダ圧力容器 CCDカメラ機体前部リレースイッチ電源送信機 2006/01/23 大気球シンポジウム 14 Progress of Development 2006/01/23 15 大気球シンポジウム FRAME 剛体枠とインフレータブル枠の複合型展開外枠を開発中ねじりバネヒンジモデル INFLATABLE フィルムカーペンターテープヒンジモデル RIGID ZYLON カプセルへ小型CO2ボンベ 2006/01/23 16 大気球シンポジウム AEROSHELL 想定したフライト機体のスケールモデルを作成し、遷音速風洞でエアロシェルの挙動を観察した。風洞模型（７％スケールモデル）マッハ数0.3、シュリーレン可視化ビデオマッハ数0.3での抵抗係数は約1.3で、迎角に対する依存性はほとんどない 2006/01/23 17 大気球シンポジウム SENSORS 機器の選定、手配は完了。センサごとの動作試験を進めている。加速度センサ角速度センサ地磁気センサ GPS 内圧計 CCDカメラ画像レコーダピエゾフィルム 2006/01/23 18 大気球シンポジウム CONCLUSIONS 2004年8月に行った柔構造機体の飛翔性能試験の結果をうけて、柔構造再突入回収システムの実用化に向けて、次のステップへ進むための大気球を用いたフライト実証試験の提案を行った。実験の目的、サクセスクライテリアは１．高真空、無重量状態でエアロシェルが展開すること２．大型エアロシェルを有するカプセル型機体が安定にかつ安全に飛行すること３．着水後、機体が海上に浮揚し、無事回収されること現在、2006年夏期に実験を行うことを目指し準備を進めているところである。 2006/01/23 19 大気球シンポジウム OPTION 実験終了後のゴンドラをパラフォイルにより誘導制御の実験機として利用することも可能である。フライト試験陸に近いところで工学ゴンドラの切り離し任意の高度でパラフォイルを展開、誘導制御試験自律制御により滑空しピンポイントでランディングパイロットシュートによる高速落下 2006/01/23