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1 展開膜構造での新しい大気圏突入技術 山田和彦 (JAXA/ISAS) 鈴木宏二郎 ( 東大新領域 ) 秋田大輔 ( 東工大 ) 今村宰 ( 日大 ) 安部隆士 (JAXA/ISAS) (Membrane Aeroshell for Atmospheric entry Capsule) グループ

2 CONTENTS プロジェクトの紹介 研究背景 プロジェクトのこれまで 柔軟構造大気突入実現にむけての課題 開発スケジュール 観測ロケットによる大気圏突入実証試験 実験目的 実験シークエンスの概要 開発中の実験機概要 今後の展開 将来ミッション提案 火星探査への応用例 まとめ

3 BACKGROUND 宇宙空間を利用した活動の増加 * 宇宙ステーションでの実験の定常化 * ピギーバック衛星による実験機会の増加 * 様々の惑星探査ミッションの要求 宇宙空間 地球表面や惑星表面を容易に行き来できるシステムがさらに多様な宇宙活動を提供できる. 大気突入システムへの要求増大 近い将来の活発に宇宙と地上を往来する時代頻繁に惑星探査ミッションが行われる時代にむけて 従来型ではない, 新しい大気突入システムの可能性を検討し, 実現をめざしその研究開発を行い, 大気突入システムに新たな選択肢を提供する.

4 Flexible Aeroshell 新しい大気突入システムのひとつの可能性として 柔軟構造エアロシェルによる低弾道係数大気突入システム 大型軽量エアロシェルにより低弾道係数軌道で大気突入し 高高度での減速することにより大幅に空力加熱を低減し そのまま軟着陸 ( 着水 ) する エアロシェルは収納された状態で軌道上へ輸送され 回収カプセルと結合する 軌道上の真空 無重量状態でエアロシェルを展開する インフレータブルトーラス 薄膜フレア型柔軟エアロシェル カプセル ( ペイロード ) 薄膜フレア型エアロシェル機体が高温にさらされない. 通信途絶時間が短い. さまざまな形状の機体に適用できる. アブレーションガスが少ない. そのまま軟着陸 & 海上浮揚できる.

5 Advantages 最大の利点は, 機体の弾道係数を下げることによる空力加熱低減効果 ISS 軌道からの帰還システムを想定し, 定量的に評価する 機体重量 100kg カプセル直径 1m 淀み点曲率半径 0.5m 抵抗係数 1.0~1.5 初期速度 初期高度 初期経路角 7668m/s 400km 3.0 deg 淀み点空力加熱 :Tauber の式フレア部の空力加熱 : 淀み点の 60% 淀み点輻射率 :0.8( 片面輻射 ) フレア部輻射率 :0.9( 両面輻射 ) エアロシェル直径と輻射平衡温度の関係 金属 TPS ZYLON エアロシェルを取り付けると劇的に空力加熱が低減される. 既存の材料を想定する,5~10m 程度のエアロシェルで安全に帰還できる.

6 Topics in the world MARS-96 柔軟構造体を利用した大気突入システムは 1960 年代から, 様々の形状のものが提案, 研究されてきた. 具体的なミッション計画やフライト試験は,1990 年代から IRDT Russia:MARS-96 s Penetrators 火星探査の突入機 ESA:IRDT 低軌道上からの大気突入試験,3 度の挑戦 NASA:IRVE 弾道ロケットを使った大気突入試験を 2 度実施 近年,NASA が PAI-DAE をスタート Program to Advance Inflatable Decelerators for Atmospheric Entry 柔軟エアロシェルの惑星探査への応用を目指した研究開発 IRVE-1,2 IRVE-3

7 Our Research History 2000~ 風洞試験や数値解析による基礎研究東京大学鈴木研やISAS 安部研で数値計算や風洞実験を中心に基礎研究を進めてきた 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東京大学, 九州大学,ISASの共同で計画 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, 基本的なコンセプトの実証 2005~ データ解析 開発課題の洗い出し大型化 確実な展開 回収

8 1 st Flight test using Balloon 直径 1.5m のフレア型薄膜エアロシェルを有するカプセル型飛翔体を製作し, マッハ数 0.93 までの亜音速 ~ 遷音速までの安定飛行を実証. 放球直前の様子 展開型の金属フレーム 重量 : 約 100kg 約 1.5m 落下直後の実験機の様子 開発した実験機 実用にむけた課題の洗い出しを行った.

9 Key technology 軽量かつ大型で信頼性の高い柔軟エアロシェルの開発 インフレータブル構造を利用したエアロシェルの開発 展開機構の開発及び実証 インフレータブル構造の構造強度に関する理解 製造方法の確立 柔軟材料の開発とその大気突入環境下での性能評価 耐熱膜材料の開発 多層膜構造内部の熱伝達特性の評価 極超音速風洞等を利用した柔軟エアロシェル構造の実証 あらゆる飛行環境で柔軟構造飛翔体の空力特性の把握 極超音速 ~ 低速までの全領域での空力安定 正確な空力特性 特に抵抗係数の把握 大気突入時の空力加熱環境の把握 回収のための飛行体の位置特定, 着地 ( 水 ) 点予測技術の確立

10 Demonstration of key technology in 2009 気球を利用した小型インフレータブル模型の展開及び飛翔試験 柔軟構造エアロシェル模型を用いた極超音速風洞試験 ゴンドラ 実験機 気球 本試験用に開発した小型インフレータブル柔軟構造飛行体カプセル直径 20cm エアロシェル直径 1.26m 実験機総重量 3.3kg 1.264m カプセル内部 収納時 エアロシェル展開時

11 Schedule 2003, ~ 2008~ ~ ~ 要素技術の研究 要素技術の実証システムの実証最終実証 大気球実験 基本コンセプトの実証亜音速飛行実証 技術課題の抽出 1) 膜材料開発極超音速風洞試験加熱試験 2) 空力特性取得超音速 & 遷音速風試 CFDによる解析 3) インフレータブルエアロシェル開発 展開試験, 強度試験製作技術 4) 回収技術の取得海上浮揚着地位置特定手段 極超音速風洞試験 (with JAXA 調布風洞 ) 膜材料の耐熱環境性能極超音速での飛行特性 極超音速 低速 小型気球フライト試験 (with JAXA 大気球 ) インフレータブルエアロシェルの機能実証 衛星通信技術 観測ロケット実験 膜材料の実環境性能実飛行環境飛翔性能無重量真空下での展開 大気球実験 大型低速風洞試験実機サイズエアロシェル構造強度の確認 大型エアロシェルの展開超低弾道係数機体の飛翔海上浮揚する機体の回収 軌道上からの帰還実証試験 惑星探査への適用実証試験 将来の惑星探査や回収ミッションへ

12 観測ロケットによる大気圏突入実証試験 これまで, 極超音速風洞試験や気球実験などで各要素技術に対して実証してきたものを集約して, 大気突入機を設計する. そして観測ロケット (S-310) を利用して, その最も重要な機能である大気圏突入飛行を実証し, その間の挙動や特性を測定する. 1) 各種地上実験で検証し, 設計したインフレータブルエアロシェルを有する低弾道係数飛翔体が大気圏突入環境で減速装置として機能すること 2) 無重量高真空下でインフレータブルエアロシェルが正常に展開し 正しい姿勢で大気圏へ突入することの実証 3) 高速自由飛行中の柔軟構造飛翔体の超音速 ~ 低速までの空力データおよび空力加熱環境データを取得すること 本試験で, 実証及び計測されたことを踏まえて, 低軌道上からの帰還システムや惑星大気突入システムへと発展させていく.

13 実験シークエンス概要 2 ロケット燃焼終了後. ノーズコーン開頭 Ku アンテナ伸展. 3 スピンレート 1Hz でエアロシェルカバーを開放し, インフレータブルトーラスにガスを注入し, エアロシェルを展開する ( 搭載カメラによって展開の様子を撮影 ) 4 エアロシェル展開後, すぐに実験機を射出 1Hz 5 動圧が大きくなるにつれて 空力安定により迎角 0 度に指向するとともに 空気力をうけ エアロシェルの形状が安定する 突入方向 支持, 分離, 射出機構 6 高度 55km 付近で最大動圧 0.66kPa 最大マッハ数 4.45 最大空力加熱 18.6kW/m2 を経験する. 外部アンテナとの接続機器類 1 打ち上げ時エアロシェルはコンパクトに収納される ロケットとは カプセルの肩部にとりつけたフランジで結合される すべての機器は打ち上げ前に電源 ON する. 7 最高点到達後 1015 秒後に 終端速度 16.8m/s で着水大気圧でトーラスがつぶれて, 高速で着水し水没 ( 検討中 )

14 実験機概要 背面仕切り膜 6 枚実験機の安定性を高める効果を期待 仕切り膜にそってガス注入ラインを配置 ( 3 箇所 ) 3 フレーム部 (ZYLON 紡績糸布 + シリコンゴム ) ガス圧によって展開及び形状を維持するインフレータブルトーラス, フレア部の外側に結合, チューブ直径 10cm, 重量は 2.0kg 以下, 外直径は 120cm 膜面撮影のため 4 方向にカメラを搭載 この部分にエアロシェルを収納 ロケットとの結合用フランジ エアロシェル固定用のカバー 2 フレア部 (ZYLON フィラメント布 ) 開き角 65 度の錐台形状フレーム部の内側に結合外直径は 100cm, 重量 1.0kg 以下 1 カプセル本体頭部形状は半球, 主構造は, 角パイプ内部に機器をすべて搭載 ( ガス系も含む ) 直径 20cm, 高さ 54cm, 重量 17kg 以下

15 開発中の実験機 大型低速風洞試験の様子 電波暗室でのアンテナパターン測定の様子 120cm 真空槽内での展開試験の様子 実験機カプセルの機器配置検討

16 将来の応用にむけて * 大気球による大型柔軟エアロシェルの展開試験 & 海上回収システム実証 * 小型衛星を利用した低軌道からの再突入試験 *S520- 観測ロケット実験での回収システムとしての実用実証 * 実用ミッションへの応用検討 ( 低軌道からの回収や火星探査など ) * 低軌道からの回収システム (ISS から輸送 サンプルリターン ) * 再使用宇宙輸送機への応用 * 火星探査への応用 1) 超小型の分散型探査機 (FS-Lander) 2) パラフォイル機と組み合わせた火星大気内飛行型探査機

17 応用ミッション提案 低軌道からの回収ミッション 再使用宇宙輸送システムへの応用 * 空力加熱の低減 * パラシュート不用の軟着陸 ( 着水 ) * インフレータブル部で海上浮揚 * 通信途絶時間の短縮 * 輸送物資の形状によらない汎用性 などの利点 金属 TPS が使用できる程度まで空力加熱を低減 再使用性の向上

18 応用ミッション提案 パラフォイル機との組み合わせによる火星大気圏内の航空機型探査機 超小型の分散型火星探査機 (FS-Lander) 探査機のプロトタイプ ( 極超風洞模型 )

19 火星探査機への応用の成立性検討 総重量 30kg で 火星低軌道から大気圏に突入した場合についての検討例 < 突入体の緒元 > < 初期軌道 > * 機体重量 :30kg * 抵抗係数 :1.0 * エアロシェル直径 :0.5m~3.0m * 火星重量定数 :3.71m/s 2 * 頭部曲率半径 :0.25m < 初期条件 > 遠火点で 45m/s 減速

20 火星探査機への応用の成立性検討 総重量 30kgで 火星低軌道から大気圏に突入した場合についての検討例 エアロシェルの直径をパラメータにして軌道計算を実施 速度 vs 高度 熱流束履歴 エアロシェルのサイズを大きくすると高高度で減速し, 最大空力加熱が劇的に低減される 高度 10km 以上で十分に減速する ( 亜音速まで ) には, エアロシェルの直径は 1.0m より大きい必要がある. 柔軟エアロシェルは惑星探査においても十分なメリットがある可能性が示唆される.

21 火星探査機への応用の成立性検討 <エアロシェルサイズ> カプセル直径 0.5m エアロシェルの直径 2.0m チューブ直径 0.2m 20cm 200cm < 重量配分 > エアロシェルフレア部 :0.5kg( 面密度 0.2kg/m 2 ) インフレータブルトーラス :4.0kg( 面密度 1.0kg/m 2 ) 淀み点 TPS:3.0kg( 金属 TPS) 軌道離脱用固体モータ :2.0kg(DASH DFM) その他 :5.0kg( 構造, 熱制御, 姿勢制御, 展開システム ) 柔軟エアロシェル大気突入機合計 :15kg < 空力加熱環境 > 淀み点部最大空力加熱 100kW/m 2 輻射 ( 片面 ) 平衡温度 910 フレア部最大空力加熱 60kW/m 2 輻射 ( 両面 ) 平衡温度 600 トーラス部最大空力加熱 60kW/m 2 輻射 ( 片面 ) 平衡温度 kg の物資を地表へ輸送できる可能性がある. 既存の材料では厳しい. インフレータブル部の空力加熱環境の把握とその部分の材料開発が実現にむけて一番の鍵技術

22 まとめ 再突入や惑星突入への要求は日々高まっている中で, 大気突入システムの新しい選択肢となる可能性のある, 柔軟構造エアロシェルを利用したシステムの実用化にむけて研究開発を進めている. 柔軟エアロシェルは 地球再突入だけでなく 惑星探査への応用にもメリットがあるので 将来の探査ミッションにおいて 選択肢となりうるようフライト実証試験を中心に現実性 具体性を高めている これまでの研究をベースに, 将来ミッションの提案やその成立性検討をすすめており, それにより, 柔軟エアロシェルの有用性, 従来システムとの比較し, 得意なミッションなどを具体的に示していきたいと考えている.

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