中国の新しい宇宙船はSpaceXのものと似ている — その理由はここにある

中国は最近、2020年代に人間と貨物を宇宙に運ぶために使用する予定のカプセルの設計図を公開したが、そのデザインは驚くほど似ている。現在開発中のすべての宇宙船カプセルは、平らな上部、傾斜した側面、そして広い底部を備え、キャンディーのガムドロップのように見える。この形状はどこから来たのだろうか？

アポロ宇宙飛行士を地球に運んだ乗り物から、それを思い出すかもしれません。いくつかの例外を除いて、有人宇宙飛行は当時からあまり変わっていません。ソユーズ宇宙船は現在、同様の形状を使用しており、SpaceX、ボーイング、NASA はすべて、ほぼ同じデザインのまったく新しい宇宙船を設計しています。

これらの乗り物はすべて、宇宙船の設計者が対処しなければならない 3 つの競合する変数、つまり重量、スペース、熱という点で似ています。

「重量が最大の問題です」とフロリダ大学の航空宇宙エンジニアで、最近『有人宇宙船の設計原則』を著したパスクアーレ・スフォルツァ氏は言う。「すべてを重量に合わせて厳密に設計する必要があります。」

宇宙飛行士は、任務を遂行し、快適に過ごすために、できるだけ広いスペースを必要とします。しかし、宇宙船の重量が 1 ポンド増えるごとに、打ち上げコストが 1 万ドル増える可能性があります。スペースを最大化するために、宇宙船の設計者は球形を好みます。球形にすると、表面積 (壁) を最小限に抑えながら、内部の容積をできるだけ大きくすることができます。

「体重が一番の問題です。」

しかし、完全な球体ではだめだ。宇宙船が時速 17,000 マイルから 25,000 マイルの速度で地球に帰還するとき、宇宙船は空気を押しのけて大きな摩擦を生じます。摩擦によって危険な量の熱が発生し、宇宙船の形状によって宇宙船がどれだけ熱くなるかが決まります。

宇宙へ物を打ち上げ、また宇宙へ戻すという初期の頃、エンジニアたちは先端が尖った乗り物を試作していました。この尖ったノーズコーンは空気抵抗を減らし、効率的に飛行するのには最適でしたが、残念ながら大気圏に再突入しようとしたときに溶けてしまいました。

現在使用されているような先端が鈍角の再突入体を使用するというアイデアを思いついたのは、NASAの航空技術者ハリー・ジュリアン・アランでした。

オリオン、クルードラゴン、その他の宇宙船は、完成すると、まず下から大気圏に落下します。その広い下端は、落下中に空気分子にぶつかります。その分子は宇宙船から跳ね返り、入ってくる空気に衝突します。これにより、宇宙船の周囲に空気の層が形成され、宇宙船が作り出す衝撃波が宇宙船に触れなくなります。この層は、再突入の熱から宇宙船を保護し、周囲の空気の流れを整えます。

対照的に、先端が尖っていると衝撃波と接触し、機体の最前部が極めて高い温度にさらされることになる。

同様に、狭い球体では熱を反射するのにあまり適していませんが、大きな球体では実用的な重量を維持するには大きすぎます。そのため、結果は中間のものになります。宇宙船の設計者は、これらの宇宙船に非常に大きな球体の丸い底部を与えましたが、不要な重量を削ぎ落とすために側面を切り落としました。

オリオン社のエンジニア、スチュアート・マククラング氏は、丸いベースが重要だと言う。「平らにすると、非常に非効率になります。平らな板を水に押し込むようなもので、圧力波によって非常に荒れて波立つでしょう。」

宇宙船の側面は、上に向かって細くなっている。これは、宇宙船が下から大気圏に再突入する際、真下に落ちるのではなく、斜めに大気圏をすり抜けるように突入するためである。側面が斜めになっているということは、すり抜ける際に宇宙船の摩擦にさらされる部分がより少なくなるため、側面に熱シールドを追加して宇宙船を重くする必要がなくなる。

シャトルはどうですか？

引退したスペースシャトルは、ガムドロップルールの例外です。本質的には飛行機であるシャトルは、後で再利用できるように滑走路に水平に着陸するように設計されていました。しかし、アポロに触発された宇宙船と同じルールに従っていました。シャトルは機首から大気圏に突入しませんでした。代わりに、広い下面が大気圏に面するように鋭角で地球に接近しました。つまり、腹ばいで地球の大気圏に突入したのです。

マーキュリーとジェミニの宇宙船も、ガムドロップ型とは少し異なっていました。これらの宇宙船は漏斗型で、細い円筒形の上部が、おなじみの円錐形の底部へと広がっています。アポロ宇宙船と同様に、円錐形の底部が最初に大気圏に突入しました。細長い部分は、航空宇宙における自動車のトランクに相当するものでした。

「自転車旅行に行くとき、トランクに自転車を積むのに十分なスペースがない場合は、車の上に自転車を縛り付けるかもしれません」とスフォルツァ氏は説明する。マーキュリー宇宙船とジェミニ宇宙船でも同じことだ。

しかし、スフォルツァ氏は「宇宙船の後ろからすべてのものをぶら下げるのは良い考えではありません。安定性に問題が生じる可能性があり、良くありません。時が経つにつれ、アポロの解決策が本当に最良の妥協策であることが分かりました」と語る。