大気圏再突入速度の制御？

Question

スペースシャトルの大気圏再突入速度はマッハ20前後とのことです。この速度では、成層圏の希薄な大気であっても断熱圧縮に近い状態が起き、ディーゼルエンジンのシリンダー内の空気のように温度が急上昇します。スペースシャトルでは、この温度上昇から金属製の機体を守るために断熱セラミックタイルを下面全体に張り付けていますが、このタイルの質量が打ち上げ時総重量の増加に貢献してしまい、打ち上げの所要推力を増大させます。

そこで、疑問なのですが、再突入時の速度をマッハ20からマッハ2ぐらいまでに減速制御できないものでしょうか。ICBMは最短時間で敵地着弾することが目標ですが、スペースシャトルの場合は充分な時間を費やして再突入することが許されます。そこで、再突入の前段階で後ろ向きに姿勢制御し、メインエンジンの噴射で対気速度を減速できる様に思います。再突入速度の制御ができれば、コンコルドなどの民生用旅客機と同様に金属製の機体が可能になり、打ち上げ総重量の軽減のみでなく、ランディングギアの許容応力を落としたり、制動のキャパシティも下げられるなど、各方面での質量軽減ができると思います。

このような素人考えのソリューションは当然検討したうえで、マッハ20の再突入速度を選択した結果が現実のスペースシャトルであることは想像に難くありません。
では、設計時にマッハ20の再突入速度を選択したのはなぜか？　再突入速度の制御はなにか特別な困難が付きまとうものか、ということです。どなたか再突入速度の制御にお詳しい方からご回答いただければ嬉しいです。

cozycube1 · Accepted Answer

スペースシャトル（に限りませんが）は、地球を回る方向に対し、逆噴射して大気圏に突入します。
　空気抵抗を利用できない高度では、逆噴射しないと軌道が下がらないのです。
　軌道が下がると、速度は増します。逆噴射しながら速度を増していくという、ちょっとややこしいことになっていますが、位置エネルギーが減る分、運動エネルギーに変わってしまうせいですね。
　これだけでも、結構な燃料が必要です。でも逆噴射すればするだけ速度は増してしまうのです。大気圏にたどり着くためには仕方ありません。

それが、マッハ約20なわけです。

もし、地球に向けて真っ逆さまに落ちるべく、ブースターを使うと、地球に降りられず、楕円軌道に変わって行きます。
　角運動量保存法則は崩せないので、そうなるしかありません。
　もしそれを続けると、楕円軌道が長くなって行き、その軌道が大気圏に触れるところまで来れば、再突入する可能性があります。ただ、再突入速度はマッハ20より速くなります。少なくとも遅くはできません。

やはり、ほぼ円の軌道を下げてきて、再突入するしかありませんが、そこで再突入速度を遅くするには、逆噴射しつつ、重力に逆らうようにも推力を得なければいけません。
　その高度では、ほとんど地表の重力と変わりません。マッハ20から減速しつつ、ほぼ重力に逆らって浮くような推力を増していくしかありません。

現状の技術で出来ないわけではないのですが、やはり燃料が大量になることは避けられません。持って行けるような重量ではないので、あらかじめ軌道上に帰還用補助ロケット（シャトル打ち上げについているものを、もっと大きくする）を置いておく必要があります。

これは技術的にはできます。しかし、それに使う予算が膨大過ぎてできないのです。

ですので、そこで安全を期するプランは考察しないわけではないけど実行できないので、それに代わる、緊急脱出手段が検討されています。
　スペースシャトルでも、チャレンジャー事故以降、試験機には搭載されていた脱出装置を改良して、搭載しました。シャトルからパラシュートで脱出するシステムです。
　しかし、マッハ3以下に減速するまで使えないものでした。最も危険なときに使えないわけです。

スペースシャトル後継機では、シャトル以前に使われていた、乗り組み員のブロックごと、緊急脱出ロケットにする設計が予定されています。
　これは短時間とはいえ、10Gを超える過酷な脱出装置（ソユーズの同等の装置では最高17G）ですが、大気圏内での高速の発進中や帰還中にも使用できるため、採用となったようです。

もちろん、これだけでなく脱出システムの研究は継続して行われています。

大気圏内の減速ですが、確かに空力抵抗を利用することは可能ですし、検討や研究は絶えず行われています。

ただ、マッハ20という速度では、不用意に空力抵抗での減速を利用できないのです。亜音速のパラシュートのよういは行きません。
　完全に無風の無風のなかへマッハ20で突入していったとしても、空気の乱流の力が大きすぎ、ちょっとしたバランスの崩れでも、機体がたちまち無茶苦茶なきりもみや反転となります。

ご存じのように、スペースシャトルの機体は、速さを目指す超音速機のようではなく、むしろ丸くむっくりしています。空力抵抗を安全に制動力に活かすには、あれで精いっぱいだったのです。
　もちろん、設計当時は精いっぱいでも、技術の進歩は止まりませんから、今後はもっと安全に減速する方向に進んでいくでしょう。

choco_jiji · Answer

なぜそんなに高速で飛んでるのでしょうか。
理由は遠心力と引力を拮抗させて一定の高度を維持してるからです。

仮にそこまで減速した場合、地球の引力にもろに引かれてしまうでしょう。
その状態で降下となると、急速降下どころじゃないですね。
それにそこまで減速する前に大気圏に突入（落下）してしまいます。
（減速すればするほど遠心力が減って落下しますから。）
じゃぁそれを計算して最初はマッハ２０で突入して徐々に減速…ってアレ？

仮にマッハ20からマッハ２まで瞬間的に減速したら、中の人は死んでしまいますよ。
そんな手段もありません。

では大気圏に落下しないように外に向けて噴射ながら減速して…となると、
発射時に使ったブースターと同程度のものと、それを減速中噴射し続けるための大量の燃料が必要になります。
打ち上げ時にあんな大きな燃料タンクとブースターをポイ捨てするのに、
帰りの分まで持ってたら打ち上げ時はどれほど大きなタンクとブースターになるんでしょうね。

0012abcd · Answer

制御の方法はあるんですよ。

地球に向かってエンジンを噴射させばがら降りていけばいいわけです。

ただ、その時に必要な燃料の量が、ロケット打ち上げの時と同じ量の燃料が必要になります。

その燃料を含んだ重量を打ち上げるロケットはありません。
今の１０数倍の推力を持つロケットが必要ですから(^_^;

で、マッハ２０はその時に発生するＧが人間の耐えられる限界なんですわ　(^_^;

Tacosan · Answer

「子供だましの議論」というなら, あなた自身で「そのための燃料がどのくらい必要なのか」を計算してはどうですか?

当然, 「それを打ち上げるためのロケットに必要な燃料」も, ね.

Hayashi_Trek · Answer

ロケットの推進に関する公式に「ツィオルコフスキーの公式」があります。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%84%E3%82%A3%E3%82%AA%E3%83%AB%E3%82%B3%E3%83%95%E3%82%B9%E3%82%AD%E3%83%BC%E3%81%AE%E5%85%AC%E5%BC%8F

このページの例１では、60tの輸送機を秒速7.9kmまで加速するのに最低315tの推進剤が必要となっていますが、
この逆に秒速7.9kmを0kmに減速する場合にも最低315tが必要です。
これだけの推進剤を何処から調達するのかが問題です。
一番良いのは、「何処でもドア」のようなもので地上の推進剤を転送してもらうことですが、そんなアイテムは実在しません。
輸送機と一緒に打ち上げるのであれば、合計375tを打ち上げることになり1970tの推進剤が必要になります。
輸送機だけの場合と比較して推進剤が6倍以上の必要になります。

Hayashi_Trek · Answer

#4再び
初期条件が違うというなら、大気圏突入前のシャトルはどのような状態に有るのでしょうか？
風船や気球のようにただ浮かんでいるのでしょうか？（いわゆる弾道飛行というやつ）
もしそうなら、そもそも減速などする必要はありません。
普通に地球の重力に引かれて落ちればよいだけです。ただのスカイダイビングです。

そうではなく地球周回軌道に乗っていたのであれば、秒速7.9kmを減速しないとだめです。
それに「ツィオルコフスキーの公式」は純粋に物理的な公式なので技術革新で推進剤を減らすことは出来ません。
もちろん、打上時には理論値より多くの推進剤が必要ですし、減速も秒速2km程度までで打ち切れば推進剤を減らすことは出来ますがそれでもシャトル以上の量が必要です。

komaas88 · Answer

>設計時にマッハ20の再突入速度を選択したのはなぜか？

一番シンプルで、着地点の計算が楽だったからではないでしょうか。

突入時に減速しておけば結果、軽くなり操縦性も上がると思います。自由落下では空気抵抗をうまく使えば数百キロ/毎時以上にはあがらないはずですし、あとはパラシュートで着地。それをしなかったのは確かに疑問ですね。

要は周回から落下へのプロセスをほとんどなりゆきにに任せた結果がマッハ２０だったのでしょう。

経費の問題も大きかったと思います。

実際は2度に分けて突入したり、機体をすこしねじって投影面積を大きくしたりしてブレーキをかけることもしているようです。

仰るようなマッハ２０を避ける方法としては、ステーションで備蓄の燃料を分けてもらったり、ブースターをあらためて背負い、戻るというような方法が考えられたと思いますがそれをしなかったのは、さほどそれによって安全性が増すわけではなかったということではないでしょうか。帰投のプロセスがより複雑になり、回収地点がわかりにくくなる、つまりは経費が倍増するというような事情もあったのではないかと思いますが、どうでしょうか。

Tacosan · Answer

確か, 大気圏に再突入するための角度には制限があったはずです. 「大気との摩擦でゆっくりと減速」しようとしても, うまい角度にならないんじゃないかなぁ....

大気圏再突入速度の制御？

なぜそんなに高速で飛んでるのでしょうか。

制御の方法はあるんですよ。

「子供だましの議論」というなら, あなた自身で「そのための燃料がどのくらい必要なのか」を計算してはどうですか?

ロケットの推進に関する公式に「ツィオルコフスキーの公式」があります。

#4再び

>設計時にマッハ20の再突入速度を選択したのはなぜか？

スペースシャトル（に限りませんが）は、地球を回る方向に対し、逆噴射して大気圏に突入します。

この回答への補足

確か, 大気圏に再突入するための角度には制限があったはずです. 「大気との摩擦でゆっくりと減速」しようとしても, うまい角度になら

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