【レポート】

宙からシイタケが振ってくる!? - JAXA、EGGプロジェクトの実証結果を公開

1 開いた傘による減速で熱くない大気圏再突入を実現

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傘を開いて大気圏再突入時の空気加熱を低減

宇宙航空研究開発機構(JAXA)は6月23日、東京大学(東大)、日本大学(日大)と共同で開発したガス充填で展開するエアロシェルを有する超小型衛星「EGG(re-Entry satellite with Gossamer aeroshell and GPS/Iridium:超軽量エアロシェルとGPS/イリジウム通信を搭載した大気圏再突入衛星)」の大気圏再突入に関する実証実験結果を発表した。

同成果は、東大大学院新領域創成科学研究科の鈴木宏二郎教授、日大生産工学部の今村宰准教授、JAXA 宇宙科学研究所の山田和彦准教授らを中心とした合計6大学からなる研究グループによるもの。詳細は2017年6月に開催された「第31回宇宙技術および科学の国際シンポジウム(The 31st International Symposium on Space」にて発表された。

ミッション名の「EGG」は「エッグ」と呼ぶが、たまごを用いた実験ではなく、国際宇宙ステーション(ISS)の日本実験棟「きぼう」から、小型衛星放出機構(J-SSOD)を使って、3Uサイズ(11.3cm×11.3cm×340,5cm)の超小型衛星を宇宙に放出し、大気圏に突入させる実験の名称。その目的は、巨大な傘を高高度で展開することで、大気が濃くなる以前から減速を開始することで、空気加熱によって生じる温度上昇を軽減する手法の開発にある。

通常の機体よりも高い高度から減速を開始することで、空気過熱による火の玉化を防ぐことが可能かどうかを確かめるのがEGGの目的の1つ。そのため、その機体のほとんどが傘状のエアロシェルで占められているが、折りたたむと3Uに収まるという仕組み。このサイズであれば、最大直径3.5mのエアロシェルが収められるとのこと。また、機体には実験用のファラデーカップや光センサ、JPEGカメラといったものも搭載され、各参加大学の研究に活用されたという

その仕組みを簡単に説明すると、高度約400kmの「きぼう」から放出されたEGGは、まず、地上との連絡が可能かどうかや、各機器の点検が行われた後、飛行高度約420km付近で太陽電池パネルとエアロシェルと呼ぶ直径80cmの布を六角形の傘状に展開(折りたたみ展開式膜面エアロシェル)。大気が薄い高さから減速を開始させつつ、徐々に高度を下げ、大気圏への突入を図る、というものとなっている。なお、このエアロシェルの色と形がJAXA内で「しいたけ」に似ている、とのことで、急遽スタッフが会見場にしいたけを用意。EGGのエアロシェル展開状態としいたけが並べられた。

EGGのバックアップ機。手前がエアロシェル展開前で、後ろがエアロシェルを展開したもの。中央にあるのが「しいたけ」

エアロシェルを下から見た様子。実は、照明が透けている膜部分は、細かな穴が開いており、空気を通す。そのため、通常の硬い耐熱タイルなどのように、空気の逃げ場がないため、圧縮され温度が上昇するといった現象を和らげることが可能となっている。ちなみに、実際の大気圏再突入時は、傘状の中心部に衛星本体がくっついているが、考え方はガンダムの宇宙世紀シリーズでおなじみの「バリュート」であり、イメージとしても、Zガンダムに出てきた"アレ"だそうである

今回用いられた布は耐熱性に優れた東洋紡の「ZYLON(ザイロン)」を使用したという。また、八角形の先端にはポリイミド製の浮き輪様のものを搭載(各角はシリコンゴムで接続)。この浮き輪様の内部に炭酸ガスを注入することで、膨らませ、傘の形状を維持する。ちなみに、今回の実験では炭酸ガスを12g搭載していたが、思っていた以上に機体が高高度に留まっていたため、炭酸ガスが持つか不安だったという(シリコンゴムの部分からガスが微量だが漏れるため、充填する必要があった)。また、傘の角度もいろいろと事前の検証機などで検討を重ねた結果、今回は最終的に燃え尽きて消失させる予定であったこともあり、大気中での姿勢安定性とのバランスを考慮し60度で設計された。

実際の機体放出から大気圏再突入までは以下のような日程となった。

  • 2017年1月16日:ISSの日本実験棟「きぼう」より放出
  • 2017年2月11日:エアロシェル展開
  • 2017年5月15日:太平洋上の高度95km(推定)での通信を最後に、大気圏再突入、消失(北海道の北をかすめて、太平洋の南側、赤道付近に早朝5時ごろ落下)

大気圏落下時の傘表面の温度はセンサデータによると約200℃前後まで上昇していることが確認されたが、その後、衛星のどこかの部分が温度上昇に伴い破壊され、そこでミッションが終了した。

ちなみに、エアロシェル展開から大気圏再突入まで約3カ月ほどであったが、実はEGGにはスラスタなどの機体制御用装置は一切搭載されておらず、風の向くまま気の向くまま状態で、落ちてくるまで気長に待つ、という状態であったという。とはいえ、どの程度の空気ブレーキによる落下が生じるのか、といったことは調べる必要があり、「大気の状況がどうなっているかが重要になるが、上空100km以上、300km程度までは、太陽活動により大気の密度が変化するため、打ち上げ前の予測は困難であった。そこで実際の運用では、過去の数日間の太陽活動データから、2-3日先の太陽活動を予測し、それを踏まえた予測を実施。結果として、その予測と実測値はかなり合致していることが確認された」(東大 鈴木教授)という。

EGGのミッションシナリオ

この結果、低密度の大気中でも効率よくブレーキをかけられることが分かり、「例えば火星のような大気の薄い星でも十分通用することが見えた」(鈴木教授)とするほか、「折りたたんで利用できるので、衛星の小型化が可能なほか、日本が強みを持つ素材産業の活性化や、衛星のコスト削減などにもつながることが期待できる」(同)とする成果が得られたという。

搭載されたJPEGカメラの映像データと、ISSからの放出されてからの飛行高度データ。GPSを用いた高度データからは、大気の薄い高度400kmから300kmにかけてゆっくりと降下していることが分かる

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インデックス

目次
(1) 開いた傘による減速で熱くない大気圏再突入を実現
(2) イリジウムSBD通信を使った運用を実証
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