「スーパーシールド」の「共通の顔」：宇宙船の帰還カプセルはなぜ似たような外観をしているのか？

宇宙船の帰還カプセルが無事に着陸し、宇宙飛行士を無事に地球に帰還させるのを見るたびに、とても興奮しませんか?

しかし、各国の返却カプセルがすべて平底デザインを採用しているのはなぜか、疑問に思ったことはありませんか?

神舟15号の帰還カプセル

アポロ帰還カプセルの図

安全な帰還のためのシールド

帰還カプセルの安全な帰還を確実にする方法を探る過程で、帰還カプセルと大気圏との間の高速摩擦によって発生する熱の問題を解決することが重要なポイントの一つとなった。 20 世紀半ば、米国カリフォルニア州のエイムズ宇宙研究センター所長であったジュリアン・アレンは、関連する研究に専念しました。彼はテストの中で、宇宙船が大気圏に再突入するとき（弾道ミサイルの弾頭、帰還する宇宙船の帰還体などが宇宙から地球の濃い大気圏に再突入する）、非常に高速で空気流体中を移動すると、周囲の空気密度が大きく変化することを発見しました。光がこれらの密度の異なる空気層を通過すると、屈折現象によって明るさの異なる画像効果、つまり「影像」が生成されます。

影画像

アレンはこの発見の価値を痛感していた。綿密な思考と研究を経て、彼は革新的なアイデアを提唱した。それは、再突入機はより平らで鈍い風上面を採用すべきだというアイデアだ。帰還カプセルが大気圏に再突入すると、底面前方に非常に強い衝撃波が発生します。この衝撃波は、帰還カプセルに「スーパーシールド」の層を置くようなもので、熱の大部分を遮断し、帰還カプセルの他の部分が高温で燃えるのを防ぐことができます。鈍底部にヒートシールド（耐熱底）を設置することで、帰還カプセル全体を高強度の耐熱構造にすることなく、熱の大部分をしっかりと遮断することができます。

形状変化における画期的な進歩

帰還カプセルは一般的に「平底」設計を採用していることはすでに知られています。では、このよく知られた特徴に加えて、帰還カプセルの形状の設計プロセスでは他にどのような要素が影響するのでしょうか?

帰還カプセルが大気圏に再突入すると、2つの「強力な敵」に遭遇することになる。1つは抵抗であり、もう1つは重力である。空気中には窒素、酸素、二酸化炭素などの分子が存在します。帰還カプセルが落下するとそれらに衝突し、落下速度が遅くなります。これが抵抗の効果です。ただし、帰還カプセルの落下速度は主に重力の影響を受けます。帰還カプセルに非常に役立つもう一つの力があります。それは揚力です。揚力は帰還カプセルの飛行経路を制御するのに役立ち、帰還カプセルに作用する重力が軽減されます。帰還カプセルが高高度の薄い空気中に長く留まるほど、吸収および伝導する熱が少なくなり、帰還カプセルに入る熱量もそれに応じて減少します。

帰還カプセルが大気圏に再突入する際、空気抵抗、重力、熱などさまざまな要因の影響を受けます。これらの要素はカプセルの安全な帰還に極めて重要です。では、帰還カプセルは最初から大きなベースと小さなトップのような形だったのですか?宇宙開発の過程で、帰還カプセルの形状はどのような変化を遂げてきたのでしょうか？

帰還カプセルの最も初期の形状は球形の帰還カプセルでした。球形リターンカプセルの外観設計は、一定の空気力学的原理に準拠しており、一定の安定性を備えています。しかし、揚力がほとんどなく、揚抗比が非常に小さく、断面積も小さいため、空気抵抗を効果的に利用して減速することができません。これは、帰還プロセス中に飛行軌道を制御することが困難になり、より大きな衝撃力を受けることを意味し、宇宙飛行士の安全と機器の完全性に脅威を与えることになります。

これらの問題を解決するために、科学者たちは研究を続け、ベル型と円錐型の帰還カプセルが登場しました。この形状の帰還カプセルは、大気圏突入時の気流の乱れを恐れず、揚力抗力比が比較的良好で、着陸時の安定性も優れているため、帰還ミッションの円滑な進行を効果的に保証できます。

多くの人の印象では、リターンカプセルは常に非常に硬く、高温に耐えることができ、一度使用すると二度と使用できないようです。しかし実際には、航空宇宙エンジニアたちは、非常に革新的な柔軟性のある膨張式帰還カプセルの開発に取り組んでいます。これは新たな帰還カプセル着陸保護装置とみなすことができ、将来的に極めて幅広い応用の見通しを持っています。大きな利点の一つはサイズが小さいことです。将来の打ち上げミッションでは、宇宙船はこのような帰還カプセルを複数搭載することができます。これにより、複数回の帰還飛行ミッションを遂行することができ、宇宙からの物資のダウンリンク輸送の効率が大幅に向上し、コストが効果的に削減されます。

現在、柔軟で膨張可能な帰還カプセルに関する技術は、世界中でまだ研究中です。実際、1960 年代初頭から、米国はインフレータブル再突入技術の研究を主導してきました。しかし、当時の発熱材料の性能の限界により、この技術は成熟せず、実用化には至りませんでした。 21 世紀初頭には、欧州宇宙機関とロシア宇宙機関も探査に加わり、インフレータブル再突入および減速技術に関するプロジェクトを開始しました。残念ながら、これらの試みは最終的に完全な成功を達成できませんでした。

この柔軟な膨張式帰還カプセル技術がうまく応用されれば、将来的には宇宙ステーションと地球の間、さらには月と地球の間の貨物輸送コストが大幅に削減されるだろう。これは、人類が極めて低コストで宇宙貨物を運ぶことができることを意味し、宇宙輸送の負担が大幅に軽減され、宇宙資源開発がより経済的になり、人類が宇宙でさらなる一歩を踏み出すのに役立ちます。

一部の情報は、CNKI、Huanqu.com などから取得されています。

（科学評論：中国宇宙学会科学普及教育委員会委員 李良）