大気圏再突入時の摩擦熱

Question

スペースシャトルなどが衛星軌道から帰還する際、大気圏再突入の摩擦熱で機体の周囲は最高で1500度にもなることは存じています。
それがコロンビア号の事故にもつながったわけですよね。

疑問なのは、なぜそんな高い摩擦熱が発生するような高速度で再突入を行なわなければならないかについてです。

もちろんシャトルはエンジンを噴射せず、滑空状態で着陸地点に近づくので、長い翼がない三角翼のシャトルでは揚力が得られないから、気体の安定のために高速で着陸してくることは理解できます。しかし地上よりはずいぶん希薄な大気圏への再突入時には揚力はあまり関係ない話ですよね？
それなら、減速してある程度低速でゆるやかに再突入することはできないものなのでしょうか？

どなたか、わたしのようなおばかにもわかるような解説をしてくださいませんか？

noname#25358 · Accepted Answer

>ラグランジェポイントあたり？
　もっとずっとずーーーーっと遠くです。

　アニメやＳＦ小説では、宇宙船はポンポン簡単に宇宙を飛んでいますが、実際のスペースシャトルの運用はコストパフォーマンスとの戦いです。
　わずか１キロの物体を宇宙へ出すためには、１億円分もの燃料がかかってしまうからです。

　宇宙へ飛び出すだけのために、本体の何倍もの大きさの燃料タンクが必要なのですから、その本体のバーニアに搭載できる燃料なんてたかが知れてます。
　たとえば、逆噴射だけで地球へ軟着陸しようとすれば、エネルギー保存の法則により、その燃料タンクと同じだけのタンクがもう１個必要ということになります。
　あんな小さな機体にそんなにたくさんは積めません。

　静止衛星軌道まで行く方法の場合はさらに面倒で、まずそこまで行くのに燃料が必要で、その速度を維持するための燃料がさらに必要です。

apple-man · Answer

>> こう言う、アポロ時代から変わらない大気圏再突入方法が原因です。

>ええ、だから違う方法が取れないものかと思うんです。

 垂直離着陸という方法が検討されていたと思います。
ロケットエンジンを噴射して減速しながら
降下するんです。
ただこの方法だと消費燃料が多いという結果
だったと思います。

　スペースシャトルも進行方向にエンジンを
向けて噴射し、減速して降下していますが、
落下速度を十分落とさないのはやはり
燃料効率の問題です。

　燃料をできるだけ減らして、
その分搭載する貨物を多くしようと
しているんです。

12m24 · Answer

ええと、本来の質問からはずれるので簡単に書くと、水平に飛ぶことと落ちることは全く違います。
　ちなみに、高度100kmまでいった民間機も、原理はほとんどロケットと同じようなものです。

seyber · Answer

熱圏は大体３００度と考えて下さい。

大気圏進入角度が浅いと、宇宙船は大気に跳ね返されてしまい、突入出来ません。

また、深すぎると自由落下してしまい、燃え尽きてしまいます。

この間の理想の角度が侵入角らしいです。
相当高速で薄い大気の層を長時間飛行する計算になります。

更に、空気の摩擦抵抗で速度を落とそうと言うのですから、機体には相当無理がかかります。

こう言う、アポロ時代から変わらない大気圏再突入方法が原因です。

mon-roe · Answer

静止衛星は地球の自転速度と同じ速さで公転しているから、地上から見て静止しているように見えるだけであって、その移動速度は他と変わりません。
衛星として地球を回ることが出来る速度が秒速7.9km（マッハ23程度）です。そして、周回速度秒速7.9kmで飛んだ時に、24時間かけてちょうど１周する軌道が静止衛星軌道なのであり、その地点での対地速度が0な訳ではありません。

周回速度が秒速7.9kmより低くなると地球の重力と遠心力のバランスが変わり、ベクトル下向きとなって地面に向かって落ちていきます。
大気圏に突入する時には突入角を考えなければなりませんが、角度が小さいと大気層にはじかれ、大きいと摩擦が増大して燃え尽きます。その入射角を決める為には横方向の速度の減速も計算上決まってしまいます。
つまり、必要以上に減速することは出来ないという事。

重力の反対方向に噴射して減速。という事をお考えのようですが、例えば時速60kmという車並みの速度でふわりと降りたい。と考える場合、その間ずっと地球の重力に抵抗しなくてはなりません。
大気圏の高さは約120kmですから、一般の航空機航路辺りまで逆噴射で降りるのに、約２時間もの間噴射し続けなくてはなりません。かつ、噴射の推力も打ち上げ時と比較しても大差ないほどの力が必要です。打ち上げ時間の何倍どころか何十倍も噴射し続けなくてはなりませんね。
打ち上げ燃料はほぼ使い切っている訳ですし、それの何倍・何十倍もの燃料（＝おもり）を持って上に上がることがまず不可能だと思います。

結局の所、可能な限り安全で理に適った降下が現在の方法、と言えるのではないでしょうか。

otenamihaiken · Answer

こんにちは。
>一旦静止衛星軌道に入ったら、対地速度は０になりますよね？
そこから降下したらどうなるのかしら？
　　ここだけ知ってることだけですが、静止衛星が高度を下げると周回速度が増すようです。
逆に高度を高くとれば周回速度が減るので静止衛星は上昇、降下で静止位置を変えられるのではないでしょうか。
ですから結局、超高速で大気圏に再突入することになって角度が浅いと弾かれて遥かかなたへ。
でもいずれは戻ってくるそうな。

noname#25358 · Answer

スペースシャトルは宇宙の無重力によって浮いているのではなく、地球の重力に反発するための遠心力によって重力を相殺しているのです。
　本当の無重力を体験するには、地球からもっとずっとずっと離れなければいけません。

　よって、重力に反発するほどの高い遠心力を得るために、スペースシャトルはマッハ３（だったかな？）という速度で宇宙空間をぶっ飛んでいます。

　この速度を殺す燃料がもったいないので、高速で突入するのです。

12m24 · Answer

単純に、周回速度が速いということもあります。秒速7キロを超えるところから、たとえば時速1000キロ（およそ秒速300m）のところまでいったん減速するには、かなりの逆噴射のエネルギーが必要です。
　それが難しいので、空気の摩擦抵抗も利用して減速を行っています。

　ちなみに、エンジンのパワーがもっと大きければ減速してから落下ということもできると思います。

silpheed7 · Answer

軌道上を周回するスピードが速いので、当然、高速度で再突入が行われます。

高空にはほとんど空気がないので、減速できませんよね。

大気圏再突入時の摩擦熱

>ラグランジェポイントあたり？

>> こう言う、アポロ時代から変わらない大気圏再突入方法が原因です。

ええと、本来の質問からはずれるので簡単に書くと、水平に飛ぶことと落ちることは全く違います。

熱圏は大体３００度と考えて下さい。

静止衛星は地球の自転速度と同じ速さで公転しているから、地上から見て静止しているように見えるだけであって、その移動速度は他と変わりません。

こんにちは。

スペースシャトルは宇宙の無重力によって浮いているのではなく、地球の重力に反発するための遠心力によって重力を相殺しているのです。

単純に、周回速度が速いということもあります。

軌道上を周回するスピードが速いので、当然、高速度で再突入が行われます。

この回答への補足

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　ええと、本来の質問からはずれるので簡単に書くと、水平に飛ぶことと落ちることは全く違います。

　スペースシャトルは宇宙の無重力によって浮いているのではなく、地球の重力に反発するための遠心力によって重力を相殺しているのです。

　単純に、周回速度が速いということもあります。