Transcript 発表資料

1
大気球シンポジウム
展開型柔構造体を用いた
回収システム実証試験の提案
○山田和彦、廣谷智成、安部隆士 （ISAS/JAXA）
石田智樹、古川宗孝 （東大院）
鈴木宏二郎 （東大新領域）
桜井晃 （九大工）
大気球シンポジウム
相模原
2006/01/23
2006/01/23
2
大気球シンポジウム
CONTENTS
 研究背景、目的
 試験概要
供試体
実験シークエンス
フライト予測
 フライト試験にむけて開発状況
複合型展開外枠
エアロシェルの空力特性
搭載機器
 まとめ
2006/01/23
3
大気球シンポジウム
BACKGROUND
シンプルかつ安全なカプセル型の大気突入、回収システムの開発
従来型システム
アブレータや高温材
料で1500℃以上にも
なる高温環境に
耐える
パラシュートを展
開し、減速して軟
着陸
APPLLO の時代から採用されている
MUSES-C, USERS などでも実用
提案するシステム
大気突入前に大面積
のエアロシェルを展開
し、空力加熱を
避ける
低弾道係数を利して、
そのまま緩降下＆軟着陸
（＋海上浮揚）
高温環境にさらされない →安全
大気圏突入前に展開完了 →信頼性上昇
2006/01/23
4
大気球シンポジウム
FORIGNE STUDY
IRDT,IRDT2 (ESA)
2000年頃からフライト試験を実施、
ロケット等の不具合で目立った成果は出ず。
IRVE (NASA)
今年度、フライト試験を計画
2006/01/23
5
大気球シンポジウム
BACKGROUND
柔構造再突入回収システムの研究開発経過
2000～
風洞試験や数値解析による基礎研究
基礎データの取得、数値解析手法の確立
2002
大気球を利用したフライト試験の提案
遷音速～低速領域における柔構造機体の飛翔性能実証
2003/09 大気球による第一次柔構造機体の飛翔性能試験
搭載機器の動作実証、エアロシェルの開発
2004/08 大気球による第二次柔構造機体の飛翔性能試験
フライトに成功
2005～
データ解析、開発課題の洗い出し
→次のステップへ向けた技術的課題の克服に向けて
2006/01/23
6
大気球シンポジウム
BACKGROUND
エアロシェルの大型化
1600
E q u ilib riu m te m p e ra tu re
S p la sh d o w n ve lo city
1400
E quilibrium te m pe ra ture (de gC )
エアロシェルのさらなる
大型化が必須課題
80
70
1200
60
金属TPSの限界
1000
50
800
40
600
30
400
20
安全な着水速度
200
0
0
1
2
S pla shd ow n ve locity (m /s)
高度200kmに達する
弾道軌道からの再突入
機体重量
50kg
カプセル直径
20cm
抵抗係数
1.2
淀み点曲率半径 14cm
膜面のサイズが空力加熱
終端速度に与える影響
10
3
D im a m e te r
4
5
0
2006/01/23
7
大気球シンポジウム
OBJECTIVES
エアロシェルの大型化、そして回収システムとして実用化する
ために克服すべき技術的課題
 高真空無重量状態で確実に展開するエアロシェルの確立
 大型エアロシェルを有するカプセル型飛行体の飛行性能
 柔構造エアロシェルによって軟着水して、海上にて機体を確実に回収
する技術
これらのことを実証するため、
大気球を利用したフライト試験の提案を行う。
2006/01/23
大気球シンポジウム
8
FLIGHT TEST OUTLINE
2006/01/23
9
大気球シンポジウム
FLIGHT MODEL
エアロシェル
最大直径250cm程度の錐台形状
高耐熱性、高強度であり、将来の再
突入機での使用の有力な候補であり
前回試験でも使用したZYLON織物で
作成
外 枠
インフレータブルトーラスと金
属枠で構成されるハイブリット
タイプの展開構造
インフレータブル部はフロート
としても機能する。
250cm
カプセル
直径30cm
センサなど機器類をすべて搭載
画像データなどを記録するため、
一部が気密もしくは水密構造。
最大直径 ：2.5m
総重量
：25kg
終端速度 ：10m/s程度
2006/01/23
10
大気球シンポジウム
TEST SEQUENCE
切り離し
展開
切り離しと同時にエアロシェルが
展開される。
上昇
展開の様子をゴンドラに搭載された
カメラで撮影し、テレメで送信する
自由飛行
放球
気球が最高高度に達した
ところでフェアリングを開
放し実験機を切り離す
飛行中、フライトデータは
テレメトリで送信し、映像
はカプセル内に記録
予測マッハ数 0.28
予測動圧
0.04kPa
実験機
海上浮揚
直径30cm、高さ1m程度の
フェアリング内にカプセルとエ
アロシェルが折りたたまれて
収納されている。
インフレータブル部の浮力
で海上に浮揚する
回収用の発信機を搭載
2006/01/23
11
大気球シンポジウム
FLIGHT TRAJECTORY
高度35km、機体重量25kg、最大直径250cm、抵抗係数1.3
（風洞試験より）
0 .1
0 .0 9
0 .0 8
35
0 .0 7
30
0 .0 6
25
0 .0 5
飛行時間1800sec
20
0 .0 4
15
0 .0 3
10
0 .0 2
5
0 .0 1
0
0
200
400
600
800
1000
T im e (se c)
1200
1400
1600
0
1800
D yn a m ic P re ssu re (kP a )
40
0 .4
D yn a m ic P re ssu re
M a ch N u m b e r
0 .0 7
V e lo city (km /s)
A ltitu d e (km )
A ltitu d e
V e lo city
最高速度85m/s
45
0 .0 8
0 .0 6
0 .3 5
0 .3
最大マッハ数0.28
0 .0 5
0 .2 5
0 .0 4
0 .2
動圧0.04
0 .0 3
0 .1 5
0 .0 2
0 .1
0 .0 1
0 .0 5
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
M a ch N u m b e r
50
0
1800
T im e (se c)
2006/01/23
12
大気球シンポジウム
SENSORS
基本的に前回の実験で実績のあるものを使用する。
画像取得系
CCDカメラ＋魚眼レンズ
→ 背面
CCDカメラ（膜面ズーム）
→ 背面横
CCDカメラ（下）
→ 前面
画像レコーダ（複数レコーダ？分割器？）
位置姿勢系
(9ch)
GPS
３軸加速度、３軸角速度
３軸地磁気
空力環境系
圧力計（高高度での精度）
気温計（ゴンドラに搭載）
ヘルスモニタ
(5ch)
内部温度計
ベッセル内圧計
膜面振動センサ
（インフレータブル圧）
テレメトリは１波（データのみ）
画像はレコードし回収後解析
ゴンドラ側からの画像をテレメ
(気球のHKと合わせて計３波）
2006/01/23
13
大気球シンポジウム
LAYOUT
気圧計
地磁気計
機体後部
GPS
アンテナ
CCDカメラ
CCDカメラ
CCDカメラ
魚眼レンズ
ON/OFFモニタ
内圧計
加速度計
角速度計
PCM
エンコーダ
温度計
温度計
ブイ
GPS回路
ミキサー
画像
画像
レコーダ
画像
レコーダ
レコーダ
画像
レコーダ
圧力容器
CCDカメラ
機体前部
リレー
スイッチ
電源
送信機
2006/01/23
大気球シンポジウム
14
Progress of Development
2006/01/23
15
大気球シンポジウム
FRAME
剛体枠とインフレータブル枠の複合型展開外枠を開発中
ねじりバネヒンジモデル
INFLATABLE
フィルム
カーペンターテープヒンジモデル
RIGID
ZYLON
カプセルへ
小型CO2ボンベ
2006/01/23
16
大気球シンポジウム
AEROSHELL
想定したフライト機体のスケールモデルを作成し、
遷音速風洞でエアロシェルの挙動を観察した。
風洞模型（７％スケールモデル）
マッハ数0.3、シュリーレン可視化ビデオ
マッハ数0.3での抵抗係数は約1.3で、迎角に対する依存性はほとんどない
2006/01/23
17
大気球シンポジウム
SENSORS
機器の選定、手配は完了。センサごとの動作試験を進めている。
加速度センサ
角速度センサ
地磁気センサ
GPS
内圧計
CCDカメラ
画像レコーダ
ピエゾフィルム
2006/01/23
18
大気球シンポジウム
CONCLUSIONS
2004年8月に行った柔構造機体の飛翔性能試験の結果をうけて、
柔構造再突入回収システムの実用化に向けて、次のステップへ
進むための大気球を用いたフライト実証試験の提案を行った。
実験の目的、サクセスクライテリアは
１．高真空、無重量状態でエアロシェルが展開すること
２．大型エアロシェルを有するカプセル型機体が安定にかつ安全に飛行すること
３．着水後、機体が海上に浮揚し、無事回収されること
現在、2006年夏期に実験を行うことを目指し準備を進めている
ところである。
2006/01/23
19
大気球シンポジウム
OPTION
実験終了後のゴンドラをパラフォイルにより誘導制御の実験機と
して利用することも可能である。
フライト試験
陸に近いところで
工学ゴンドラの切り離し
任意の高度でパラフォイ
ルを展開、誘導制御試験
自律制御により滑空し
ピンポイントでランディング
パイロットシュートによる
高速落下
2006/01/23