大気圏再突入

スペースシャトルの再突入時における機体表面温度のシミュレーション画像

大気圏再突入（たいきけんさいとつにゅう）は、宇宙船などが真空に近い宇宙空間から地球などの大気圏に進入すること。単に再突入 (reentry) とも呼ばれる。宇宙飛行においては最も危険が大きいフェイズの1つである。大気圏突入 (entry) と言う場合は隕石など外来の物体も含むのに対し、大気圏再突入は地上から打ち上げた物体の帰還に限って言う。

歴史

大気圏再突入技術の開発は、ロケット・弾道ミサイルの技術と伴に発達した。特に、冷戦初期において、宇宙開発競争・弾道ミサイル開発競争が行なわれ、アメリカ合衆国とソビエト連邦を中心に技術開発が行われている。長距離弾道ミサイルの弾頭にとって、着弾に至るまでの経路において大気圏再突入は避けられないものであり、必須の技術であったことから技術開発を促進した。有人宇宙船の開発も同様に再突入は必須であり、その技術開発を促進させている。1920年代には、すでにロバート・ゴダードが再突入に際し、熱遮蔽の必要性を指摘している。

宇宙船の再突入

再突入の際の断熱圧縮による空力加熱で真っ黒になったソユーズTMA-2の帰還船

再突入の条件は、適切な軌道離脱タイミングと機体の角度（進入角度とはいわない）。タイミングが僅かでもずれると着陸地点が大幅に変わる。また、角度が浅いと「大気に弾かれる」というのは間違った解釈。有人宇宙船の場合は進行方向に対し斜めの姿勢をとるなどして大気で揚力を発生させて「滑空」することで対気速度を落とし、最高温度の上昇を防ぐと同時に宇宙飛行士にかかる加速度を軽減するのが一般的である。

再突入時の飛行速度は超高速（例えばスペースシャトルではマッハ20以上）になるため、大気との断熱圧縮による空力加熱によって機体表面温度は1,500度以上となり、周りの希薄空気がプラズマ状態となって明るく輝く。断熱圧縮による空力加熱とは、物体が高速で移動するときに移動経路上の空気を圧縮し続けることで断熱圧縮と同等の効果によって高温が生じ、機体が加熱されることである。機体表面と空気との摩擦によっても熱は生じるが、断熱圧縮によって生じる熱に比べれば比較的小さく、あまり考慮されない。高速で飛翔する機体周りの大気は、機体により押しのけられることで発生する衝撃波によって瞬時に断熱的に圧縮され（気体力学的な意味での断熱圧縮ではない）温度が上昇する。この高温に耐える熱防護システム (Thermal Protection System, TPS) が重要であり、熱容量の大きなポリカーボネートやフェノール樹脂の融解・蒸発により熱を吸収するもの（アブレータ）や、スペースシャトルの断熱セラミックスタイルといった耐熱シールドがある。

周りの大気との間に生じる空力加熱の熱が機体側へ伝わる経路は、一般的に「輻射」と「対流」の2つがある。輻射は、高温の大気から電磁波輻射で機体へ熱が伝えられる。温度上昇した気体から生じる電磁波の輻射を受けて物体が加熱される。対流は、機体周りの気体の流れによって熱が伝わることである。機体壁面付近の流れは粘性により急激に速度が減少する。速度が減少すると、流れの運動エネルギーが減少し、内部エネルギーに転化され気体の温度が上昇する。境界層と呼ばれる機体壁面付近の低流速・高温度の領域が形成される。境界層は気体により成り立っているので機体壁面への熱伝導はほとんどなく、境界層上流及び外部のエネルギーは強制対流によって（以下、対流と呼ぶ）大きく下流及び壁面へ輸送される（熱伝導ではなく熱伝達による熱のやりとりが行われる）。対流によってやりとりされる熱の大きさは、温度差だけでなく境界層の内部の流れの様子にもよる。気流の密度や圧力が高く、境界層における気体のエネルギーの密度が高い場合は空力加熱は一般的に大きくなる。また、境界層内部で流れの乱れが大きな乱流境界層となる場合も強制対流効果が大きく、空力加熱は大きくなる。気体分子の乖離、プラズマ化や壁面との化学反応と言った実在気体効果を考慮するケースもある。

一般的に、スペースシャトルや人工衛星といった比較的低高度からの再突入に関しては輻射による熱伝達はほとんどなく、対流の断熱圧縮による空力加熱が支配的である。宇宙探査機の人工惑星軌道からの帰還や、木星型惑星の大気への突入といった突入速度が極端に大きくなるケースでは輻射による効果が無視できないレベルとなる。

アポロ宇宙船の頃は、再突入時に宇宙船がプラズマに囲まれている間は外部との通信が不可能となっていた。21世紀初頭のスペースシャトルでは再突入中でも、プラズマの希薄な機体上方のアンテナを備え、静止軌道の中継衛星を介した通信が可能となっている。

空気抵抗で減速し地上に接近するとパラシュートなどでさらに速度を落とし、着陸あるいは着水する。太平洋と大西洋に接しているアメリカでは主にアポロ宇宙船やマーキュリー宇宙船に見られる様に着水を行い、接している海がほとんど北極海というロシア（及びソ連）ではソユーズで見られる様に地表近くで逆噴射ロケットを噴かし大きく減速して着陸している。なお、ガガーリンの乗ったボストークは逆噴射ロケットを持たず、パラシュートで減速後、戦闘機のように乗員を座席ごと船外へ射出していた。

死亡事故としては、

• 1967年のソユーズ1号（パラシュートが開かず地面に激突、ウラジーミル・コマロフ飛行士が死亡）
• 1971年のソユーズ11号（気密漏れのためゲオルギー・ドブロボルスキー、ウラディスラフ・ボルコフ、ビクトール・バチャエフが窒息死）
• 2003年のスペースシャトルコロンビア（打ち上げ時の断熱パネルの破損により再突入時に空中分解、乗組員7名全員が死亡）

があり、他にも耐熱パネルが外れかかる（マーキュリー6号）、帰還カプセルの分離が遅れる（ボストーク1号、ソユーズ5号、ソユーズTM-5）、予定外の場所に着地（平原のはずが森や湖）などの事故がある。

人工衛星の再突入

低軌道の人工衛星などで回収の必要がないものやできないもの（例：ミール）は、役目を終えるとスペースデブリの発生源にならないように再突入（制御落下）させられる。この場合は故意に突入角度を深く取り、地表に落下する前に燃え尽きるようにすること、例え破片が残っても海などへ落下させることなどが求められる。なお、地球の近くを通る制御を失った衛星やロケットの最上段も、いずれは空気抵抗により大気圏に再突入し地球に落下するが、この場合どこに落ちるかは分からない。

落下物による人的被害を防ぐため、NASAのガイドラインでは落下範囲が8m²（統計的に人的被害が出る確率が1/10000）以上になるものについては制御落下を行うことが推奨されている。制御落下計画は以下の2点を満たさなければならない。

• 落下するデブリはアメリカ領空より25海里以上、他国の領土より200海里以上離れていなければならない。
• 船および航空機の航路を管理する所管行政庁、所轄機関へ連絡がなされなければならない。
  

再突入の際、衛星は中間圏（高度80km)に突入した時点で急速に破壊が始まり速度低下するが、落下物がどこに落ちるかは形状、材質により異なってくる。 具体的にはアルミニウムよりはチタンの方が地表に落着する可能性が高い。また、中が空洞の燃料タンクは衛星の破壊が始まった地点から数百キロ程度の地点に落ちるが、リアクションホイールは千キロ以上離れたところに落ちることもある。

上記の通り衛星の破壊が始まる地点は、衛星が中間圏に突入した地点となるため、再突入の際の軌道は円軌道の半径を次第に狭めるのではなく、マヌーバによって楕円軌道に変化させ、その近地点（ペリジー）を落下予定地点に合わせることで行う。

無人宇宙探査機の地球大気圏再突入

再突入によって分解・焼失する「はやぶさ」。右下に離れて見える光点がカプセル。

月軌道以遠から無人宇宙機が直接地球の大気圏に再突入した事例は、2004年9月のジェネシス、2006年1月のスターダスト（いずれもサンプルリターン用カプセルのみ）、2010年6月のはやぶさ（はやぶさ本体およびサンプルリターン用カプセル）がある。

月軌道も含めれば1970年 - 1976年に行なわれたルナ計画のサンプルリターン機（16・20・24号）も挙げられる。また大気圏（地球の大気を参照）や再突入の定義にもよるが、はやぶさと同じ MUSESシリーズの元祖ひてんも1991年に月以遠の軌道から上空120 kmの地球大気で空力ブレーキを成功させ軌道変更に成功している。

これらはいずれも高速度で再突入している点が特徴である。地球重力圏の限界や月軌道から突入した探査機で11 km/s程度、惑星軌道から帰還したはやぶさとスターダストは12 km/sを超える再突入速度を記録している。

他の惑星での大気圏突入

1960年代から1980年代にかけて、ソ連の多数の金星探査機とアメリカのパイオニア・ヴィーナス2号が金星の大気圏に突入した。

1970年代にソ連とアメリカ、1990年代以降もアメリカの多数の火星探査機と欧州のビーグル2が火星の大気圏に突入した。金星探査機・火星探査機とも地表に到達する前に通信途絶したものが少なくない。

1995年12月にはガリレオのプローブが木星大気圏に突入した。これは制御された大気圏突入としては最も高速なもので、速度47.4km/sec、減速度は230Gに達した。ガリレオ本体も2003年9月に木星大気圏に突入した。

2005年1月、カッシーニに搭載されていたホイヘンス・プローブが土星の衛星タイタンの大気圏に突入、着陸した。

NASAではドーナツ状の膨張型大気圏再突入実験装置（IRVE）を開発中である。これを将来の火星・木星、そして土星などの探査機に搭載する予定である。

弾道ミサイルの再突入

米国のICBM LGM-118A ピースキーパーの発射実験によりクェゼリン環礁に落下する再突入体。複数の弾頭が複数の目標を攻撃可能なMIRVによるもの

弾道ミサイルでは、弾頭（主に核弾頭）は先の尖った円錐状の耐熱カプセルである再突入体 (re-entry vehicle、RV) に搭載される。再突入時の速度はIRBMでも秒速2km程度、ICBMであれば秒速約7km程度になるので、着弾までにRVの大部分が損耗し半球状になってしまう。なお、日本が耐熱タイル技術の開発に消極的だったのは、核ミサイル保有の疑いを減らすためであったといわれている。

日本における再突入

日本が実施した大気圏再突入機として、以下の物がある。

• RFT-1 - 1988年（昭和63年）9月21日打上・失敗
• RFT-2 - 1992年（平成4年）2月15日打上・再突入（高度100 kmには達していないが、日本初の空力制御による再突入実験）
• りゅうせい（OREX）- 1994年（平成6年）2月4日打上・再突入（水没）
• EXPRESS（日独共同）- 1995年（平成7年）1月15日打上（予定軌道に投入できず行方不明に。後にガーナで発見）
• 極超音速飛行実験（HYFLEX）- 1996年（平成8年）2月21日打上・再突入（水没）
• 高速再突入実験機（DASH）- 2002年（平成14年）2月4日打上（分離に失敗）
• 次世代型無人宇宙実験システム（USERS/REM）- 2002年（平成14年）9月10日打上、2003年（平成15年）5月30日再突入・回収成功
• はやぶさ（MUSES-C）- 2003年（平成15年）5月9日打上、2010年（平成22年）6月13日に、従来実績のあった地球周回軌道からではなく、初めて惑星間空間から直接小惑星試料カプセルを再突入させ回収に成功。なお、本体は大気圏再突入で消失

役目を終えて制御落下させた（および予定している）物には以下の物がある。

• 宇宙ステーション補給機「こうのとり」（HTV）
  • HTV技術実証機- 2009年（平成21年）9月11日打上、11月2日南太平洋上に落下
  • 宇宙ステーション補給機「こうのとり」2号機 （HTV2）- 2011年1月22日打ち上げ、3月30日に落下
• H-IIBロケット2号機の第2段部分- 2011年1月22日打ち上げ、同日南太平洋上に落下

意図的に再突入を早めることを予定していた衛星には以下の物がある。

• かがやき (人工衛星) - 2008年（平成20年）1月23日打上。ミッション終了後にセイルを展開して空気抵抗で落下させる予定だったが、通信が確立せず実質的に失敗。

フィクションにおける大気圏突入

アポロ13号事故の史実を元にした映画『アポロ13』や、映画『スペースキャンプ』、野尻抱介の小説『ロケットガール』シリーズなど、宇宙旅行あるいは宇宙開発が関係するフィクションでも、再突入はスリリングな場面として描かれることが多い。

川端裕人の小説『夏のロケット』や映画『明日があるさ THE MOVIE』では、民間人による宇宙船の打ち上げが扱われているが、これらの中でも再突入時の耐熱対策は重要なウェイトを占めている。

レイ・ブラッドベリの短編小説『万華鏡』では、事故により宇宙服ひとつで投げ出された宇宙飛行士がそのまま大気圏突入して燃え尽きる。その場面は石ノ森章太郎の漫画『サイボーグ009』などでもオマージュされている。

映画『007 ムーンレイカー』、テレビドラマ『謎の円盤UFO』、アニメ『機動戦士ガンダム』や以後の作品群など、宇宙戦争を題材にしたフィクションでも大気圏突入寸前／突入中に実施される戦闘の描写は多く、戦闘の影響で突入軌道がずれて予定外の場所に降りてしまったり、大気圏突入の能力を持たない兵器や艦艇が地球に落下して燃え尽きるシーンなどが見られる。

関連項目

• MIRV
• 空力ブレーキ
• エアロシェル
• スペースクラフト・セメタリー