大気圏再突入

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大気圏再突入（たいきけんさいとつにゅう）は宇宙船などが真空に近い宇宙空間から地球などの大気圏に進入すること。単に再突入 (reentry) とも呼ばれる。宇宙飛行においては最も危険が大きいフェイズの1つである。大気圏突入 (entry) と言う場合は隕石など外来の物体も含むのに対し、大気圏再突入は地上から打ち上げた物体の帰還に限る。

[編集] 歴史

大気圏再突入技術の開発は、ロケット/弾道ミサイルの技術と伴に発達した。特に、冷戦初期において、宇宙開発競争/弾道ミサイル開発競争が行なわれ、アメリカ合衆国とソビエト連邦を中心に技術開発が行われている。長距離弾道ミサイルの弾頭にとり、着弾までに大気圏再突入は避けられないものであり、必須の技術であったことが技術開発を進展させた。有人宇宙船の打上げも同様に技術開発を進展させている。1920年代には、すでにロバート・ゴダートが再突入に際し、熱遮蔽の必要性を指摘している。

[編集] 宇宙船の再突入

再突入の際の空力加熱で真っ黒になったソユーズの帰還船

再突入の条件は非常に厳しく、適切な軌道離脱タイミングと降下角度（再突入回廊）で大気圏に突入する必要がある。タイミングが少しずれただけで着陸地点を大幅に外れるうえ、角度が浅いと大気に弾かれ、深いと速度が上がりすぎ空力加熱によって機体が破壊されるおそれがある。

再突入時の飛行速度は超高速（例えばスペースシャトルではマッハ20以上）になるため、大気との空力加熱によって機体表面温度は1,500度以上となり、周りの希薄空気がプラズマ状態となって明るく輝く。この高温に耐える熱防護システム (Thermal Protection System, TPS) が重要であり、熱容量の大きなポリカーボネートやフェノール樹脂の融解・蒸発により熱を吸収するもの（アブレータ）や、スペースシャトルの断熱セラミックスタイルといった耐熱シールドがある。

大気との空力加熱とは、機体と周りの大気との間に生じる熱のやり取りである。熱のやり取りには大きく分けて「輻射」と「対流」の二つがあり、まず、輻射を説明する。大気中を高速で飛翔する物体の周りの流れは物体により押しのけられることで圧縮され温度が上昇する。このとき温度上昇した気体から生じる電磁輻射によって物体が加熱される現象がいわゆる「輻射」の効果による空力加熱である。「対流」は以下のとおりである。流れが物体壁面付近に近付くと粘性により急激に速度が減少する。減少した気体の運動エネルギーは内部エネルギーに転化され気体の温度が大きく上昇する。この物体壁面付近に生じる低速度・高温度の領域を境界層とよび、境界層と壁面の温度差により熱のやり取りが生じる。流れによって境界層外部のエネルギーを壁面まで輸送するプロセスを強制対流（以下、対流と呼ぶ）による熱伝達と呼び、これを「対流」の効果による空力加熱と呼ぶ。対流によってやりとりされる熱の大きさは、温度差だけでなく境界層の内部の流れの様子にもよる。気流の密度や圧力が高く、境界層を通じて輸送されるエネルギーの密度が高い場合は空力加熱は一般的に大きくなる。また、境界層内部で流れの乱れが収束せず大きくなっていくようないわゆる乱流境界層となる場合も空力加熱は大きくなる。気体分子の乖離、プラズマ化や壁面との化学反応と言った実在気体効果を考慮するケースもある。 一般的に、スペースシャトルや人工衛星といった比較的低高度からの再突入に関しては輻射による熱伝達はほとんどなく、対流による空力加熱が支配的である。外惑星からの帰還や、外惑星の大気への突入といった突入速度が極端に大きくなるケースでは輻射による効果が無視できないレベルとなる。

アポロ宇宙船の頃は、再突入時に宇宙船がプラズマに囲まれている間は外部との通信が不可能となっていた。21世紀初頭のスペースシャトルでは再突入中でも、プラズマの希薄な機体上方のアンテナから、静止軌道の中継衛星を介した通信が可能となっている。

空気抵抗で減速し地上に接近するとパラシュートなどでさらに速度を落とし、着陸あるいは着水する。太平洋と大西洋に接しているアメリカではアポロ宇宙船やマーキュリー宇宙船にあるように主に着水を行い、接している海がほとんど北極海というロシア（及びソ連）ではソユーズにあるように地表近くで逆噴射ロケットにより着陸している（ガガーリンの乗ったボストークは逆噴射ロケットを持たず、パラシュートで減速後、戦闘機のように乗員を座席ごと船外へ射出していた）。

死亡事故としては、

• 1967年のソユーズ1号（パラシュートが開かず地面に激突、ウラジーミル・コマロフ飛行士が死亡）
• 1971年のソユーズ11号（気密漏れのためゲオルギ・ドブロボルスキー、ウラジスラフ・ボルコフ、ビクトール・バチャエフが窒息死）
• 2003年のスペースシャトル コロンビア（打ち上げ時の断熱パネルの破損により再突入時に空中分解、乗組員7名全員が死亡）

があり、他にも耐熱パネルが外れかかる（マーキュリー6号）、帰還カプセルの分離失敗（ボストーク1号、ソユーズ5号）、予定外の場所に着地（平原のはずが森や湖）などの事故がある。

[編集] 人工衛星の再突入

低軌道の人工衛星などで回収の必要がないものは、役目を終えるとスペースデブリの発生源にならないように再突入させられる。この場合は故意に突入角度を深く取り、地表に落下する前に燃え尽きるようにすること、例え破片が残っても海などへ落下させることなどが求められる。

1995年12月には宇宙探査機・ガリレオのプローブが木星大気に突入している。これは制御された大気圏突入としては最も高速なもので、速度47.4km/sec、減速度は230Gに達した。

[編集] 弾道ミサイルの再突入

弾道ミサイルでは、弾頭（主に核弾頭）は先の尖った円錐状の耐熱カプセルである再突入体 (re-entry vehicle、RV) に搭載される。再突入時の速度はIRBMでも秒速2km程度、ICBMであれば秒速約7km程度になるので、着弾までにRVの大部分が損耗し半球状になってしまう。なお、日本が耐熱タイル技術の開発に消極的だったのは、核ミサイル保有の疑いを減らすためであったといわれている。

[編集] 日本における再突入

日本が実施および予定している大気圏再突入機として、以下の物がある。

• りゅうせい (OREX) 1994年2月4日 打上・再突入（水没）
• EXPRESS（日独共同） 1995年1月15日 打上（予定軌道に乗らず行方不明に。のちにガーナで発見。）
• 極超音速飛行実験 (HYFLEX) 1996年2月21日 打上・再突入（水没）
• 高速再突入実験機 (DASH) 2002年2月4日 打上（分離に失敗）
• 次世代型無人宇宙実験システム (USERS/REM) 2002年9月10日 打上、2003年5月30日 再突入・回収成功
• はやぶさ (MUSES-C) 2003年5月9日打上、2010年6月 小惑星試料カプセルを再突入予定

[編集] フィクションにおける再突入

アポロ13号事故の史実を元にした映画『アポロ13』のみならず、宇宙旅行あるいは宇宙戦争が関係するフィクションでも、再突入はスリリングな場面として描かれる。

映画『007 ムーンレイカー』では1979年当時まだ実用前の宇宙船であったスペースシャトルが登場し、これによる大気圏再突入時の攻防がクライマックスで描かれている。

映画『明日があるさ THE MOVIE』では、耐熱タイルが話の重要なアイテムとして登場する。

テレビドラマ『謎の円盤UFO』では、敵対的な宇宙人による月との連絡船の再突入の角度を狂わせるという妨害工作をめぐって、大気圏再突入の難しさだけで一回分のエピソードが作られた。

アニメ『機動戦士ガンダム』においても、同様な大気圏再突入の妨害工作をテーマに一回分のエピソードが描かれた（第5話：大気圏突入）。以後の作品群においても大気圏再突入寸前あるいはその最中における戦闘の描写は多用され、バリュートやウェイブライダーなどの突入用装備、大気圏突入の能力を持たない兵器や艦艇が地球に落下して、摩擦熱で燃え尽きるシーンなどが見られる。

また、川端裕人の小説『夏のロケット』では、民間企業による宇宙船の打ち上げが扱われているが、この中でも再突入時の耐熱対策はかなりのウェイトを占めている。

[編集] 関連項目

• スペース・シップ・ワン
• MIRV
• 空力ブレーキ