神舟16号の宇宙飛行士は無事に船室から脱出しました！帰還カプセルの写真には、黒いものもあれば金色のものもあります。どうしたの？

神舟16号は無事に帰還し、多くの友人がその生中継やニュースを見ました。地上に着陸した帰還カプセルの写真の中には金色に見えるものもあれば、黒く見えるものもあることに気づいた友人も多いかもしれません。どうしたの？

新華社が公開したこの写真から判断すると、神舟15号の帰還カプセルは真っ黒だ。この写真は新華社通信の記者、任俊川氏が撮影した。

神舟16号帰還カプセルの画像は新華社通信から提供され、李剛氏が撮影した。

神舟16号の帰還カプセルと宇宙船から脱出する宇宙飛行士の画像は新華社通信から提供され、李剛氏が撮影した。

帰還カプセルの片側だけが暗いのはなぜですか?

これは、色の違い、照明、その他の問題によるものではありません。帰還カプセルが大気圏に再突入したとき、確かに片面は「黒く変色」していたが、もう片面は比較的きれいだった。撮影の角度を変えることで、誰もが違った表情を見ることができました。

ああ？均一に燃えません。安全上の事故はありましたか？実際はそうではありません。過去のデータを調べてみると、神舟1号まで遡って、これまでの帰還カプセルはすべて片面が黒く、もう片面が光沢があったことがわかります。

神舟1号帰還カプセル

この不均一なアブレーションは、実際には設計によるものです。宇宙船の帰還カプセルが大気圏に再突入する際の速度は秒速7.9キロメートルにも達する。これほど大量の運動エネルギーを消費して帰還カプセルが宇宙飛行士を安全に帰還できるようにするには、大気の力を借りてブレーキをかけなければなりません。一方で、大気がそれを止めてくれることを期待していますが、他方では、あまり急ブレーキをかけたくないと思っています。

大気ブレーキが強くかかりすぎるとどうなるでしょうか?

まず第一に、内部の宇宙飛行士に直接的な危害が及ぶことになります。宇宙飛行士は極めて優れた体力を持ち、さまざまな訓練を受けているにもかかわらず、地球の8～9倍の重力にも耐えることができます。しかし、宇宙飛行士もあくまで人間であり、限界を超えれば安全を確保することは困難となる。減速が急激すぎると、宇宙飛行士に過負荷がかかったり、負傷したりするおそれがあります。

急ブレーキをかけすぎると再突入カプセルが過熱し、危険なリスクが生じる可能性もあります。神舟が大気圏に再突入した際、帰還カプセルが前を飛び、推進カプセルが分解して後ろを追いかけるという、まるで制御された火の玉と制御されていない火の玉のような壮観な光景を多くの人が写真に撮りました。

神舟16号が大気圏に突入。新華社通信のビデオより

帰還カプセルの風上側の大気は激しく圧縮され、瞬間的に摂氏1000～2000度まで加熱され、周囲の大気がイオン化されて帰還カプセルを包み込むプラズマシースが形成される（これが通信の「ブラックバリア」の起源でもある）。温度がこれ以上高ければ、帰還カプセルは燃え尽きてしまう可能性が高い。

そのため、帰還カプセルが大気圏に再突入する際に緩やかに減速するために、先端が丸い耐熱アウトソールは飛行方向を向いておらず（抵抗が大きくなりすぎて宇宙飛行士の負担が増し、帰還カプセルが燃えるリスクが高まるため）、わずかに地球の方に傾けられています。

アポロ帰還カプセルの概略図。前進方向と帰還カプセルの底部の間に角度があることに注意してください。 NASAからの画像

水上スキーヤーのように、半分は墜落し、半分は大気圏に浮かんでいる。こうすることで、帰還カプセルは過熱せず、カプセル内の宇宙飛行士はより快適に感じるようになります。この再突入方法は「半弾道」と呼ばれます。

画像はpixabay.comより

耐熱アウトソールの形状はほぼ弧状で、わずかに下向きに傾いているため、上部が風にさらされやすくなります。強い風に逆らって走るときと同じように、顔全体が前を向いていたら目を開けて呼吸することができません。これらの問題は頭を少し下げることで解決できますが、風を恐れない額はより強い風に耐えなければなりません。

そのため、頭部を少し下げた状態で大気圏に再突入する再突入カプセルの上側は、より高温で暗くなります。反対側は温度が低いため、黄金色の外観を維持できます。

帰還カプセルが「燃やされた」のはなぜですか?

あの黒いものは何ですか？帰還カプセルが燃えたわけではなく、カプセル表面の耐熱コーティングに炭化物が残った状態だった。高温に正面から耐えることはできません。これらのアブレーション材料のコーティングは昇華して剥がれ落ち、大量の熱を奪い、キャビンの過熱を防ぎます。

その理由は非常に単純です。鍋が焦げるのは水が蒸発したときだけだということは、誰もが知っています。これは、沸騰したお湯が蒸気に変わるときに大量の熱を奪い、鍋の中の温度を沸点に保つことができるためです。

参考文献[1]からの材料アブレーションプロセスの概略図

アブレーション前後の材料の比較（参考文献[1]）

これらの技術は神舟が戻ってくるたびに使用されます。今回、神舟16号はさらに一歩進んで、熱保護コーティングにいくつかの革新を加えました。帰還カプセルの舷窓のコーティングにはセルフクリーニング機能があり、アブレーションによる汚染を防ぎ、帰還プロセス中に宇宙飛行士が窓を通して外部の状況を観察できるようにします。帰還カプセルが着陸した後は、地上の捜索救助隊員も窓から客室を観察できる。これは中国科学院上海陶磁器研究所の傑作です。彼らを称賛しましょう！

再突入キャビンの底が黒くならなかったのはなぜですか?

ここでもう1つ付け加えておきます。神舟15号の写真を見ると、下の写真のような奇妙な現象が見られます。リターンカプセルの底はかなりきれいに見えませんか？全然黒く焦げてないけど、どうなってるの？

神舟15号帰還カプセルの写真は、新華社通信の任俊川氏が撮影した。

これは帰還カプセルの元々の底ではなかったことが判明しました。オリジナルの耐熱アウトソールはこんな感じ↓

神舟宇宙船帰還カプセルの熱シールド底部。 CCTVニュースチャンネルからの画像

リターンカプセルの底部に耐熱アウトソールを装備。帰還カプセルが帰還すると、最も厳しい保護任務を負い、最も厳しい課題に直面することになる。確かに真っ黒に焼けてしまうでしょう。

耐熱アウトソールの模式図（参考文献[2]より）

ただし、帰還カプセルが一定時間パラシュートを開いた後、耐熱シールドは廃棄されます。

ぼやけた影は廃棄された耐熱アウトソールです。

耐熱シールドを廃棄した後、帰還カプセルは降下を続けます。最終的に着陸する前に、いくつかの固体逆推力ロケットに点火し、最終的にブレーキをかけ、宇宙飛行士が安全に着陸できるようにします。

写真提供：新華社通信、李剛

最後に、この記事の要点を振り返ってみましょう。帰還カプセルは確かに一方向では黒く焼けますが、他の方向でははるかに明るく見えるでしょう。これは、帰還カプセルが大気圏に突入する際に減速する際の姿勢によって発生します。帰還カプセルの黒く焦げた部分は、実はカプセル表面の耐熱コーティングが高温で破壊された後に残った炭化物です。これらのまだら模様は、さまざまな熱防御対策がうまく機能したことの証拠です。

参考文献

[1] 方周、梁新、鄧火英、董延志、戴暁偉。ハニカム強化低密度シリコンベースのアブレーション熱保護材料の性能[J]。航空宇宙材料技術、2021年、51(05):79-83。

[2] 董延之神舟宇宙船の耐熱底構造の設計[J]。宇宙船工学、2002年、11(4):4。 DOI:CNKI:SUN:HTGC.0.2002-04-007.

著者: ク・ジオン、ポピュラーサイエンスクリエイター

レビュー丨中国科学院国家宇宙科学センター研究員 劉勇