耐熱シールドを使わない衛星回収 1997年

　地球周回軌道上の衛星から物体を地上に回収する場合、耐熱シールドを持ったカプセルにその物体を入れて衛星本体から分離して大気圏に突入させるか、スペース・シャトルのように宇宙機そのものが耐熱シールドを装備していて宇宙機ごと地上に回収する事が行われている。どちらにしても、現状では高温に耐えるシールドが必要である。

　1997年頃、ピギーバック衛星の開発等を進められていた小型衛星研究室の増田室長から面白い内容の検討依頼を受けた。耐熱シールド無しで衛星を丸ごと回収する話である。現在の衛星回収法は、小さい断面積の衛星が濃い大気中を進む時の減速を利用しているのに対し、増田室長が言われたのは、断面積を大きくした衛星が薄い大気中を長時間運動する間の減速を利用するもの。私は、このような方法がある事は知らなかった。しかし、話を伺ってみると、なるほどと思った。

　初めに、空力加熱率が一定(普通の衛星が耐えられる程度の小さい値)の条件の下での再突入軌道を解析的に検討した。以下の図4.1に高度-速度グラフを描いたが、大気の薄いところで主に減速する様子が判る。
これを実現するために必要な時々刻々の断面積を求めた。再突入から高度60km位までの間に大きな断面積が必要になる。質量50kgの衛星を、高度150kmの円軌道を飛行している時の空力加熱率のままで地上まで降ろすには、最大で直径100mのパラシュートを開く必要があった。

歌島, "耐熱シールドを使わない再突入の可能性," GAA-97011, 1997年9月.

上の図5.1に時々刻々の必要な断面積を描いたが、この実現は困難と思われたので、断面積は一定で降下する場合を次に検討した。質量50kgの衛星に、直径が10m、20m、30mの3通りのバルーンを付けて再突入させる場合を検討した。直径30mのバルーンの場合は、衛星の温度は200度以下に留まる結果となり、可能性がある。但し、再突入中にバルーンの大きさをどのようにして維持するかが問題であろう。

歌島, "バルーン付き小型衛星の再突入," GAA-97014, 1997年12月.