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僕の宇宙船 カプセル 大気圏再突入時の操縦

初出:2005年06月01日 元々のブログ・コンテンツへのリンク
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前回、書き切れなかったので、今回は大気圏再突入時のカプセルの操縦方法を説明しよう。
一般的に、カプセル型宇宙船は操縦しようが無く、一度大気圏に突入したら、後は何処に降りるか運任せ(風任せ?)のイメージがある。だが、実際はカプセル型宇宙船も操縦が可能だ。

大気圏再突入時の姿勢のロール、ピッチ、ヨーは、イラストのように進行方向に対して決めている。
イラストの右下のスペースシャトルを見れば判ると思うが、機軸方向と進行方向が大きく異なる。飛行機の場合、機軸方向と進行方向が、ほぼ一致しており、ロール、ピッチ、ヨーを機軸と進行方向の何れでも同じ。だが、大気圏再突入時は、そうはいかない。

カプセルの場合、重心位置で、ピッチとヨーは決まってしまうので、コントロールできるのはロールだけだ。カプセルは、主にスラスタと言う超小型の姿勢制御用ロケットエンジンで、ロール方向の姿勢をコントロールする。
私は、スラスタを使わなくても重心移動でロールをコントロールできるのでは? と密かに考えている。この場合、サーフィンとかスノーボードとそっくりのコントロールになる。

ロールを右に傾けると右に曲がり、左に傾けると左に曲がる。飛行機や自転車と同じである。右や左に曲がると降下する。これまた飛行機と同じだ。
飛行機の場合もエルロン(補助翼)でロールを傾けただけだと降下する。普通は、ピッチをコントロールするエレベーター(昇降舵)で降下しないようにする。

スペースシャトルのような有翼機の場合は、飛行機と同じように、エルボン(エルロンとエレベーターを合わせたもの)やボディフラップを用いて、ロール、ピッチ、ヨーをコントロールできる(時には、スラスタも併用する)。ロールやヨーの効果は飛行機と同じだが、ピッチは、「より上へ向くと下降」「より下へ向くと上昇」と逆なので、スペースシャトルを操縦する機会が有ったら、注意しよう。


カプセルのように、ロールしか制御できない場合、どうやって操縦するかを説明したのが、このイラストだ。
ロールを傾ける事なく高いところを飛べば、遠くまで行ける。
ロールを右に傾ければ右に、左に傾ければ左に行くことができる。
連続して左右に傾ければ、スラロームして手前に降りる。この場合、地上でのスラロームのように回る事で距離を稼ぐより、高度を下げて、より濃い大気の抵抗でスピードを落とす効果の方が大きい。
左右にロールしている内は良いが、上下逆の背面飛行になったら大変だ。揚力が逆に働き、濃い大気の中に突っ込むので、異常に発熱し、急減速Gを受け、危険である。普段はジャイロセンサーとコンピュータで、背面飛行にならないように制御する。万一、ジャイロセンサーかコンピュータに不具合が起き、上下が判らなくなったら、ロール方向にをグルグルと回そう。こうすると揚力の効果が消える。減速時の加速度が、ボストークやマーキュリー並の8Gになるが、死ぬよりましだ。多分、荷重に耐えられなくて、気を失うが、生きて帰る事は可能だ。

このように、ロールを傾けたり、傾けなかったりで、降りる場所をコントロールすることができる。前後方向は最大で数千キロもの範囲で降りる場所を選べる。まあ、あまり手前に降りると急降下して濃い大気の中で高Gで減速するので、数百キロくらいに抑えた方が安全だ。一方、左右方向は50キロ程度しか選択範囲は無い。
アンバランスな気がするが、問題は無い。軌道離脱マヌーバーの誤差や気圧の変化の影響が前後方向に出るが、左右方向は、最初の軌道で決まってしまい、その後の影響は、ほとんど無いからだ。
実際、ジェミニでは、降下場所が目標から5キロ程度に降りることができた。これなら、パラフォイル(方向制御可能なパラシュート)と併用することで、ピンポイントの帰還が可能となる。サッカーグラウンド程度の広さがあれば、着陸できるだろう。
スペースシャトルの場合は、揚抗比の効果で、左右方向に千キロを超る範囲に選択できる。しかし、一般的な使い方なら、こんなに広い範囲は不要な筈だ。

裏庭から打ち上げた「僕の宇宙船」は、小学校の校庭か河原に帰ってくるのが相応しい。
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