遠心力を利用した宇宙船用の柔軟な熱シールドの設計

宇宙船は高速で移動し、惑星に着陸する前に「ブレーキ」をかける必要があります。惑星に大気がある場合、空力抵抗を利用して運動エネルギーを消散させることができます。このプロセスは大気圏突入と呼ばれ、十分な抗力を生成し、高温に耐え、過度の熱が車両に侵入するのを防ぐ空力減速機/熱シールドが必要です。

火星への有人ミッションなど、将来の宇宙ミッションのために宇宙船が大きく重くなるにつれて、必要な熱シールドのサイズは、既存の最大のロケットの直径よりも大きくなります。したがって、気球や傘のように、小さな体積から展開できる展開可能な熱シールドが必要です。

NASA や ESA などの業界が気球のような膨張可能な構造と傘のような展開可能なメカニズムを研究している一方で、英国のマンチェスター大学の研究者は最近、スパイラル スカートのような形をした柔軟な熱シールドを利用する新しいアプローチを提案しました。飛行中はスズカケノキの種のように回転し、遠心力で展開し、展開を調整します。その独自の動作原理により、軽量で簡潔、かつ堅牢になります。この設計は、重い火星着陸船の需要に応えるだけでなく、低コストの軌道上科学実験用の回収可能なキューブサット、惑星探査用のナノプローブ群、回収可能なロケットの上段/コンポーネント用の極超音速減速機などの新しいアプリケーションを可能にする可能性があります.

遠心展開により、大型で軽量な構造が可能になります。最初の原則から始めると、構造物 (気球や傘など) を展開して支持するために弾性力が一般的に使用されますが、特定のシナリオでは、遠心力などの慣性力がより良い結果をもたらす可能性があります。

この論文で報告されている非常に基本的な分析によると、耐荷重能力を維持するために、構造が拡大されると、弾性的に支持された構造の質量が指数関数的に増加する必要があります。一方、遠心力で支持された構造の質量は、より遅い速度で増加する傾向があるため、大きくなると同時に比較的軽量になる可能性があります。その一例がヘリコプターのローターです。静的なときは自重でもたわみますが、高速で回転すると航空機全体を支えます。

遠心展開に加えて、提案された設計の興味深い側面は、構造形状の受動的な閉ループ制御を可能にすることです。熱シールドは、らせん状の折り紙パターンに沿って縫い上げられた柔軟な布地をベースにしており、空力的な回転トルクを生成して車両を回転させます (自動回転)。これにより、遠心力が柔軟なシールドを展開して平らにし、シールドの形状が平らになると、回転運動が遅くなります。最後に、ある程度の展開で平衡に達しますが、この程度は大気密度とシールドの面密度の比率によって決まります。この原理のおかげで、ヒート シールドは自然に高高度 (空気密度の低い場所) でほぼ完全に展開されます。これは、安定した空力プロファイルと高い抗力係数が重要な飛行体制全体で維持されることを意味します。

この新しい設計アプローチは、将来のエントリー システムにさまざまな利点をもたらす可能性があります。完全に受動的な自動調整操作により、システムを簡潔かつ堅牢にすることができます。弾性力ではなく慣性力を利用することで、大型で軽量な設計が可能です。弾性的な剛性が必要ないため、シールドはセラミック生地などの非常に柔軟な素材で作ることができ、収納のために簡単に折りたたむことができ、優れた強度対質量比と温度耐性を備えています。熱シールドに質量がある限り慣性力を生成できるため、温度変化の影響を受けにくく、熱保護の問題が少なくなります。

これらすべての調査結果は、次の 1 つの文で一般化できます。展開条件に結合された環境トルクによって回転運動が駆動されると、自己調整型の受動的な遠心展開を実現できます .そのため、その用途はエントリーシステムに限定されません。一例として、研究者は、軽量、簡潔、堅牢であるという利点を備えた自己調整展開を備えたメタマテリアルソーラーセイルに関する論文を発表しました。興味深いことに、これらの受動的な自動調整システムは、1788 年にジェームズ ワットによって発明された遠心調速機に似ています。これは、能動的な制御入力なしで蒸気エンジンの速度を安定させるために使用されました。この古い原理を熱シールドとソーラーセイルに適用する方法を実証することにより、マンチェスターの研究者は、将来の展開可能な宇宙構造の新しい可能性を開きます。

これらの調査結果は、 遠心力によって展開された柔軟な熱シールドと、折り紙にインスパイアされたモーフィング反射板によって可能になった自己調整遠心展開を備えたヘリオジャイロソーラーセイル 最近 Acta Astronautica に掲載された、折り紙に着想を得たモーフィング リフレクターによって可能になった自己制御型の遠心展開を備えた Heliogyro ソーラー セイル。