小惑星探査機「はやぶさ」が無事帰還したことで、物質工学の世界は大きな前進をしましたが、私たちが携わる空気力学の世界にとっても大変重要な意味がありました。私は大学院在籍中の1996年に「はやぶさ」の大気圏再突入カプセルに関するシミュレーションに参画することとなりました。このシミュレーションは宇宙科学研究所（現JAXA）との共同研究であり「はやぶさ」の大気圏再突入カプセルが「どの程度の熱を受けるのか」についての取り組みでした。この「はやぶさ」への取り組みが元となり現在では、「どの程度の熱に耐えられるのか」という研究から、もう一歩進めて「熱そのものを軽減する方法」について研究を進めています。

私たちの研究室の研究テーマである「大気圏再突入飛行体の空気力学に関する研究」では、浸み出し冷却法、バルートを用いた飛行体、電磁力を用いた流れ場制御、といった方法論の確立に向けてより精度の高いシミュレーションと実験に取り組んでいます。

「小さく」て「速い」、厳しい条件の
カプセルが晒される状況をシミュレート

「はやぶさ」の大気圏再突入カプセルは直径40センチ、高さ20センチと小さく、またシステムを簡略化するため惑星間軌道から直接、大気圏再突入を行いました。そのため飛行速度も非常に速くなり「小さくて速い」という条件が揃ったのです。例えばスペースシャトルほどの大きさならば熱は分散していきます。ところが今回のカプセルほどの小さいものになると熱が集中してしまう。また落下速度を抑えることができればカプセルが受ける衝撃が弱まり、その分高温になることを抑制できますが、「はやぶさ」は全く逆の状況となります。

はやぶさ再突入カプセル全機周りの温度分析

再使用可能な大気圏再突入飛行体を
実現させる「浸み出し冷却法」の研究

現在、大気圏再突入飛行体を開発するにあたって考え方のひとつになっているのが「飛行体を再利用する」ということです。繰り返し使うことで費用的、時間的コストを削減させたいというのが狙いです。今回の「はやぶさ」はアブレータという材質を表面に使用しています。このアブレータは、材質自体が熱を受けることで変化し、そのことによってカプセル自体を熱から守るという耐熱材なのですが、アブレータは熱を受けることで消耗し最終的には消滅します。仮にカプセル自体が再使用に耐えられたとしても、アブレータを整備しなおさなければなりません。スペースシャトルなども同じく、背面の耐熱タイルをすべて貼りかえる必要があり非常にコストがかかります。

アークジェットの機能を使用した
極超音速流実験

飛行速度を遅くして温度上昇を抑える
空気抵抗を効率よく利用する「バルート」の開発

空力加熱によって生じる「プラズマ」を「電磁力」に
進入速度の減速に利用する

大気圏再突入時に空力加熱^※によって飛行体の表面温度が上昇すると、化学反応が発生します。これは酸素分子と窒素分子が衝突して、それぞれが酸素原子と窒素原子に変化した後、さらに酸素原子と窒素原子が衝突しイオンが形成される、いわゆる「電離反応^※」というものです。この時、電離した気体はプラズマ状態となります。プラズマは電気が流れやすいという性質をもっていることから、磁石を使えば電磁力が発生します。この電磁力は流れの方向と逆向きに働くので、突入時の衝撃波を前方に押し出す効果があるのです。この電磁力を使って進入速度を減速させることを目的とした研究に取り組んでいます。このアイデア自体は1950年代から提唱されていたものなのですが、理論を実証するための磁力が当時の磁石では生み出せなかったのです。正しくは「それだけの磁力を生み出す磁石は巨大なものとなってしまい、飛行体に搭載するには現実的ではなかった」ということです。

今日、超伝導技術の発達により電磁石の性能向上したことや、ネオジム磁石などの強力な永久磁石が登場したことにより再び注目を集めています。現在、JAXAとEADS（European Aeronautic Defense and Space Company）が共同で研究を進めており、私たちも本研究に参加しております。近い将来、ロケットなどを利用して、再突入飛行体を使った飛行実証試験を行なうことを計画しています。

※ 空力加熱
超音速飛行時に飛行体前方に発生する衝撃波によって、まわりの大気が断熱圧縮され高温となり、その高温大気によって飛行体が加熱される現象。

※ 電離反応
イオンを伴う化学反応。この種の化学反応によって、自由電子を生成され、電気が流れやすい状態「プラズマ」を生成する。