宇宙航空研究開発機構(JAXA)は11月27日、「こうのとり 7号機」(HTV7)に搭載し、国際宇宙ステーション(ISS)から物資を持ち帰ることに成功した小型回収カプセル「HSRC」(HTV Small Re-entry Capsule)をプレスに公開した。HSRCは今月、軌道上でHTV7から分離し、再突入。揚力誘導飛行を行い、小笠原諸島の南鳥島沖で回収されていた。

  • 筑波宇宙センターで公開された小型回収カプセル「HSRC」

    筑波宇宙センターで公開された小型回収カプセル「HSRC」

日本に直接輸送することに成功

日本がISSから物資を直接回収したのはこれが初めて。HTVはISSに物資を輸送することはできたが、帰還能力は無いため、帰路は再突入で焼却処分していた。ISSで作製した実験試料などは、ソユーズなど他国の輸送手段に依存するしかなく、日本に到着するまで時間がかかっていたが、今回はISSから6日で筑波宇宙センターまで運ぶことができた。

  • 11月7日、HTV7がISSから分離

    11月7日、HTV7がISSから分離。ハッチのところに、設置されたHSRCが見える (C)JAXA/NASA

  • 大気圏への再突入を実施

    同11日、大気圏への再突入を実施。HTV7本体は燃え尽き、これで任務完了となる (C)JAXA

  • 海上で発見されたHSRC

    海上で発見されたHSRC。海上には浮き袋だけ出ており、本体は海中にある (C)JAXA

  • 無事に回収に成功

    無事に回収に成功。側面パネルは降下中に分離するため、内部の構造体が見える状態だ (C)JAXA

  • 回収船が南鳥島に到着

    同13日早朝、回収船が南鳥島に到着。ここからはサンプルが入った試料コンテナのみ、飛行機に積み替える (C)JAXA

  • 飛行機は離陸後3時間ほどで茨城空港に到着

    飛行機は離陸後3時間ほどで茨城空港に到着。ちなみにHSRC本体は大きいため、そのまま回収船で運ばれる (C)JAXA

  • 輸送車両がJAXA筑波宇宙センターに到着

    9:42頃、輸送車両がJAXA筑波宇宙センターに到着。関係者が出迎え、試料コンテナが引き渡される (C)JAXA

  • 到着したサンプルを確認する担当者

    到着したサンプルを確認する担当者。サンプルの状態は良好で、試料容器には破損なども無かったという (C)JAXA

開発リーダーの田邊宏太氏(HTV技術センター HTV搭載小型回収カプセル開発チーム長)は、「当初の計画通りできた。100点以上を付けたい」と評価。今回実証した1つひとつの技術については、これから詳細に解析することになるが、おおむね問題は無かったとの見方を示した。

  • JAXAの田邊宏太氏

    JAXAの田邊宏太氏(HTV技術センター HTV搭載小型回収カプセル開発チーム長)

地上試験ではどうしても完全に再突入の再現はできないため、実際に飛行して帰還したHSRCは「膨大なデータがある宝の山」(田邊氏)だ。「今後細部を評価したときに、想定と違っていた部分は当然出てくる。そういう部分については、原因や対策をしっかりやっていきたい」と述べた。

HSRCで実証した新規技術とは?

HSRCは、直径84cm、高さ66cm、重さ180kg(搭載物は除く)の円錐状カプセル。本体の中心部にペイロード収納容器があり、最大20kg、30リットルの物資を搭載することが可能だ。今回は保冷が必要なサンプルだったため、真空二重断熱容器(=大きな魔法瓶)も新規開発。品質を維持したまま、タンパク質結晶の回収に成功した。

  • 真空二重断熱容器

    真空二重断熱容器。タイガー魔法瓶と共同開発したことでも話題になった

  • 4℃付近でわずか0.4℃の上昇

    4℃±2℃の要求に対し、4℃付近でわずか0.4℃の上昇に抑えることができた

そのほか今回実証した新技術は、「揚力誘導飛行」と「軽量アブレータ」の2つ。日本にはすでに、小惑星探査機「はやぶさ」の帰還カプセルなどで再突入の実績はあるが、これまでは弾道飛行と高密度アブレータが採用されており、揚力誘導飛行と軽量アブレータが使われるのはこれが初めてだった。

揚力誘導飛行は、カプセルの姿勢を制御することで、任意の降下地点まで誘導する技術だ。姿勢の制御用に、スラスタを8基(ロール×4、ピッチ×2、ヨー×2の3軸制御)搭載。ISSクルーの安全性確保のため、推進剤には毒性が無い窒素ガスが採用されている。ノズルは中空構造にするために3Dプリンタで製造、これにより65%の軽量化を実現した。

  • 穴の部分にスラスタがある

    穴の部分にスラスタがある。スラスタは等間隔に8カ所搭載されている

  • ノズル部分はチタン製

    ノズル部分はチタン製。噴射口は4つ見えるが、このうち1つを使用する

揚力誘導飛行では、緩やかに降下することで、制御無しの弾道飛行に比べ、飛行中に受ける加速度を低減できるメリットがある。今回は4G以下にすることが目標だったが、結果は3.5G以下だったという。衝撃が小さいため、タンパク質結晶のように要求が厳しいペイロードにも対応できるようになる。

軽量アブレータは、再突入時に受ける空力加熱から機体を守る耐熱技術。カーボン織維にフェノール樹脂を含浸して成型しており、高熱時には自身が気化することで熱を逃がし、内部に熱が伝わるのを防ぐ。新開発したアブレータは比重が0.3しかなく、非常に軽い。従来に比べ、重さは1/5しかないという。

  • 軽量アブレータ

    左が軽量アブレータで、持ってみると驚くほど軽い。右は従来のもの

  • HSRCの飛行姿勢

    HSRCはこのような姿勢で飛行。下側よりも上側の方が高温になるそうだ

HSRCには、側面と底面に厚さ4.5cmの軽量アブレータを貼り付けた。破損や亀裂などは確認できず、状態は良好。損耗の想定は最悪ケースで2cmだったが、実際にはもっとも大きかったところでも1cm程度しか減っていなかったという。外部は最大で1700℃~2000℃の高温になったと考えられるが、内側の温度上昇は要求の半分以下に抑えられたそうだ。

  • 多層断熱材の焼け跡が生々しい

    多層断熱材(MLI)の焼け跡が生々しいが、これだけ残っているということは、それほど温度が上がらなかったということでもある

  • MLIがまったく残っていない

    右側にはMLIがまったく残っておらず、アブレータが剥き出しになっている。こちらはそれだけ高温になったという証拠

今回公開されたHSRCは、まだこの軽量アブレータが溶けた匂いが残っていた状態。表現が難しいのだが、筆者は「焦げた」というよりも、何か化学臭のように感じた。決して快適な匂いではないが、渡邉泰秀氏(同チーム長代理)は「いつも実験で嗅いでいた匂い。これでご飯を何杯もいける」と話し、報道陣を笑わせた。

  • 渡邉泰秀氏

    渡邉泰秀氏(HTV技術センター HTV搭載小型回収カプセル開発チーム長代理)

HTV後はどうなる? 今後の開発計画

この2つの新技術は、将来の大型化・有人化を見据えたものだ。人間が乗るのであれば、揚力誘導飛行で加速度を最小限に抑える必要がある。また今回の軽量アブレータは、大型一体成型が可能。アブレータは、機体が大きくなっても必要な厚さはあまり変わらないため、大型化すると相対的に薄くできる。むしろ小型化の方が難しい。

HSRCはそもそも、以前検討されていた回収機能付加型HTV「HTV-R」の回収機をベースに開発がスタートしている。HTV-Rは現行のHTVの与圧部を回収機に置き換えたもの。この回収機に比べ、HSRCのサイズは1/5ほどに小型化されたものの、形状はほぼそのままになっており、当時の空力データを有効活用できたそうだ。

  • HTV-R回収機

    HTV-R回収機。HSRCは1/5サイズで、ほぼ同等の機能を詰め込んだ (C)JAXA

現状のHSRCのネックは、HTVに取り付けた状態でISSから分離し、HTVにより軌道制御して再突入するため、HTVが無ければ運用できないということだ。これだと、回収する機会がHTVの運用頻度に制限され、年に1回くらいしか確保することができない。

JAXAは、HSRCに軌道離脱モジュールを追加する形の次世代カプセルを検討中。HTVなどの母船を必要とせず、単独で運用できるようになれば、実験が終わって好きなタイミングで地上に運べるようになる。カプセルのコストは必要になるものの、実験の利便性は大幅に向上するだろう。

しかしHTVの打ち上げは、あと2回しか残っていない。次回の実証機会については、「HTV9までは難しいだろうが、後継機HTV-Xで実現できないか検討中」(田邊氏)だという。

今回のHSRCはISS内に持ち込んで作業したが、次世代カプセルは船外での運用も考えられている。例えばHTV-Xの曝露部で複数機を打ち上げ、ISSでは船外に保管。ペイロード収納容器を「きぼう」のエアロックから出し、ロボットアームでカプセルに格納するような方法が可能と見られている。

  • HSRCのペイロード収納容器

    HSRCのペイロード収納容器。今回は、この中に真空二重断熱容器を格納していた

  • ペイロード収納容器のフタ

    ペイロード収納容器のフタ。これで気密性を確保し、水圧にも耐えることができる

  • HSRCに記載されていたシリアルナンバーは「001」

    HSRCに記載されていたシリアルナンバーは「001」。これが「002」になる時はいつだろうか

  • 本体下部

    本体下部には、データ処理系、電源系、誘導制御系、推進系を搭載。かなり高密度で実装には苦労も

  • 設定スイッチ

    北上ルート(N)か南下ルート(S)かの設定スイッチ。南下だったのでS側のはずだが、作業中にN側に動かしてしまったらしい

  • プッシュスイッチも付いていた

    プッシュスイッチも付いていた。これを押すとLEDが光り、HSRCの状況を作業中のクルーに伝える機能があるようだ

  • カプセル本体のほか、パラシュートなども公開

    カプセル本体のほか、パラシュートなども公開された。高度15km付近で開傘してゆっくり降下した模様だ

  • 自動的にフローティングバッグが膨らむ仕組み

    着水後、両脇のボンベの二酸化炭素により、自動的にフローティングバッグが膨らむ仕組み

  • ボンベのバルブ部分には和紙が使われている

    ボンベのバルブ部分には和紙が使われている。これが濡れると強度が無くなり、潰れることでオープン

  • 通信バッグ

    もう1つのこれは通信バッグ。イリジウム通信機が搭載され、GPSデータで着水位置を知らせる

  • 通信機はフローティングバッグにも搭載されている

    通信機はフローティングバッグにも搭載されている。2つあれば、どちらかが故障しても大丈夫

  • パラシュートの先端

    パラシュートの先端には、降下中に空気が入って膨らむ仕組みの浮き袋も付いているという念の入りよう