宇宙への旅は、出かけるよりも帰る方が難しい？

大気圏突入カプセルの設計は「流れ」から始まる

民間での宇宙旅行も計画される時代になりましたが、宇宙に出て行くのと同じぐらい地球に帰還することも、技術的には大変困難です。宇宙空間から地球へ降下する大気圏突入カプセルには、飛行制御装置などは付いていません。地球の自転速度である秒速11km程度で大気圏へ突入開始したら、空気抵抗を受けながら落下する仕組みです。特に危険なのは、猛スピードで落下するカプセル前方の空気が強く圧縮され超高温の空気プラズマになる瞬間で、1秒に満たない時間ですが、このとき、外壁がほんの少しでも溶けたら、カプセル全体が燃え尽きてしまいます。カプセルへの加熱率を予測するための学問は、「流体力学」と「プラズマ工学」という領域に含まれます。これらの理論に基づいて、カプセルの形状や熱防護材の必要量などの設計開発が行われます。

打ち上げ時の重量やコストも削減

日本が誇る小惑星探査機「はやぶさ」は無人ですが、地球外からサンプルなどを持ち帰るため、無事に帰還する必要があります。また、有人のカプセルは、宇宙飛行士を乗せて宇宙ステーションと地球を往復しています。いずれの場合も大気圏突入カプセルは、熱に強くて減速できる、丸っこい、ずんぐりした形が適しており、これは流体力学の理論上、理にかなった形状デザインです。
一方、宇宙へ行くためにロケットを使って地上からカプセルを打ち上げる際には、重量に見合った推進エネルギーが必要なので、より軽量なカプセルが望ましいです。加熱率の解析精度が上がれば、熱防護材の余計な重量を軽減でき、推進燃料や搭載量などを含めた打ち上げコストも削減できるのです。

宇宙開発に不可欠なカプセルの加熱率対策

有人カプセルで抜群の信頼性があるモデルを作り、民間人も気軽に宇宙に行ける時代にするためには、大気圏突入時の熱対策をしっかり行わなければなりません。人類が惑星探査や宇宙開発を進めていく上でカギとなるのが、地球帰還時の加熱率対策なのです。

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先生情報 / 大学情報

高知工科大学システム工学群航空宇宙工学専攻講師荻野要介先生

興味が湧いてきたら、この学問がオススメ！

航空宇宙工学、流体力学、プラズマ工学

先生が目指すSDGs

メッセージ

私が航空宇宙工学の領域で取り組んでいるのは、大気圏突入カプセルまわりの超高速気流の解析です。きっかけはSF的な憧れでしたが、途中からどんどん面白くなっていきました。高校や大学で勉強してきた数学や物理、化学といった勉強がどんどん当てはまって、使いどころが見えてきたからです。
あなたも大学で、同様の経験をするかもしれません。民間人も宇宙に行っていろいろな経験をする時代が近づいています。あなたのような若い人に、ぜひ宇宙工学の研究に携わってほしいと思っています。

先生への質問

先生の学問へのきっかけは？
先輩たちはどんな仕事に携わっているの？

高知工科大学に関心を持ったあなたは

高知工科大学は、システム工学群・理工学群・情報学群、経済・マネジメント学群、令和6年4月に開設したデータ＆イノベーション学群の理系・文系にわたる5学群を擁する大学です。本学は「大学のあるべき姿を常に追求し、世界一流の大学をめざす」という高い志を掲げ、人を育てるのではなく「人が育つ大学」でありたいという教育モットーを根底にクォータ制などの先進的な教育システムをいち早く取り入れて、機動的に最先端を走っています。まずは資料請求から。解答例付き過去問もあります。