HTV搭載小型回収カプセルのCFD熱空力解析に関する飛行後評価

摘要

この半世紀にわたり我々人類は宇宙開発に対する科学及び工学の両面における挑戦を続けてきた.有人宇宙開発分野は，米ソ宇宙開発競争を背景とした有人宇宙輸送ロケットと有人宇宙船の開発からはじまり人類としてはじめて月面着陸を成し遂げた米国NASAのアポロ計画を経て，近年では国際宇宙ステーシヨン(International Space Station: ISS)を主な舞台とし展開されてきた.ISSでは宇宙特有の環境における実験や研究，地球?天文観測などの様々なミツションが進められてきており，今後は地球低軌道以遠の月や火星などを舞台とした国際宇宙探査が本格化していく状況にある.日本においても宇宙航空研究開発機構JAXAを中心とし，こうした有人宇宙開発を支えるシステムの研究開発に挑hできており，H-IIBロケットゃ宇宙ステーション補給機（H-II Transfer Vehicle: HTV)などの宇宙輸送システムやカーゴ輸送宇宙船を着実に獲得してきた.JAXAではさらに地球への物資回収システムを獲得すべく， HTV搭載小型回収カプセル（HTV small re-entry capsule: HSRC)の技術実証プロジェクトを進めてきた.HTV-7号機ミッシヨンの一環としてISSからの物資回収に挑み，HSRCは2018年11月11日7時4分に南鳥島沖に着水し，低温状態でのタンパク質結晶サンプルの回収 に成功することができた.HSRC技術実証プロジェクトを通して，1)揚力誘導制御技術，2)軽量熱防護技術，及び3 ) ISSからの実験サンプル回収技術といつた重要なコァ技術を獲得し，実証することができた.ISS離脱から地球帰還までのミッションシーケンスの概要を図1に示す.HSRCはHTV本体に結合された状態でISSから分離?離脱したのちに大気圏にリエントリし，揚力誘導制御により目標着水地点に向かつて飛行しながら空力抵抗により極超音速から亜音速まで機体速度を減速させ，パラシュートにより緩降下し，最終的には着水し回収される.HSRC開発に対して本研究で取り組hだCFD (Computational Fluid Dynamics)解析による熱空力設計検討を図2に示した.空気力学と制御分野としての課題である力プセル姿勢安定性の維持と揚力誘導制御による高精度な軌道制御，熱防護システム（Thermal Protection System: TPS)により過酷な空力加熱に対し機体内部機器への入熱量を削減するなどの熱設計，確実なパラシュートの開傘を含めた十分な機体の減速など多分野横断的な複数のシステム設計検討を広い気流条件下で行う必要がある.