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71073 journal

SS1の日記: 月に行く能力はどこの国も持ってる。けど・・・ 40

日記 by SS1

日本、独自で有人月面探査を開始?

出遅れちゃったんで,日記に書いとく。
http://srad.jp/science/comments.pl?sid=442328&cid=1528276
「こちらが月にいける能力があることを示さなければ、足下見られるだけですよね。」

私の書く話なので,ほんとの常識レベルの事なんだけど,月帰還軌道からの再突入では,いろいろと制限があるので,議論するときに知っておいて欲しい話。できれば,最新の知見や初心者向けの信頼の出来る資料というものがあればいいんだけど。なお,最後はいつものようにネタに流れます。

月帰還軌道では突入地点に制限がある

はじめに有人という制限をはずして考えると,突入軌道は,第二宇宙速度以下の長楕円軌道か,第二宇宙速度以上の放物線軌道(いわゆるスイングバイルート)に投入して,楕円なら月側から見て反対側に当たるペリジ点,放物線ならそのちょっと手前のスイングバイ軌道の頂点で大気圏に突入させ大気ブレーキを行う。このため,原理的には月軌道の離脱時刻(つまり約24時間に一回のウインドウ)とその速度でどこで突入するかが決まってしまうわけだ。

で,アポロのときはどうしてたかというと,ずっと昔に物理学辞典で読んだ話なんでアレなんですが,まずペリジ点ちょい手前から大気圏に突入,それからいったん大気圏を離脱して地球を半周ほど回ったところで再突入するルートだったはず。これほどまでに長い突入ルートだと,速度や方向のずれも大きく,ある程度の揚力飛行能力が,月帰還軌道では必須である。

無人の惑星サンプルリターンでは,帰り方は2パターンある。放物線軌道の頂点で突入して,そのまんまタッチダウンする。はやぶさはこの方式のはず。もうひとつは,最初は第二宇宙速度以上の速度だけ殺して,ゆっくり楕円軌道を丸めていくパターン。それから,ジックリ時刻を選んで突入させる。

追記:書き終わって気がついたけど,はやぶさの地球スイングバイはサンプルリターンの予行演習だったのね。なるほど,それなら理解できる。

有人では,これにたいして大気ブレーキ時の加速度や,最初の突入から再突入タッチダウンまでの時間に制限が入る。このため,どこでも自由に好きな場所を選んでピンポイントに着地する,というのは,月帰還軌道ではとても困難である。

また,LEOでも,たとえば日本に着陸したい場合は,中国上空の100キロ圏を通過しなければならないため,困難なのだとか。これは宇宙開発委員会の議事録にあったはず。(航空機だったら既存の条約をやりくりして・・・ 本気にしないように。)

追記:その他にも,アポロ時代と違い,宇宙デブリを避ける。という目的の軌道の不確定要素もある。

空力加熱からの熱防護と冷却

最初の突入からタッチダウンまでの時間に制限が入るのは,たぶんなんだけど(すみません)。熱防護に由来すると思う。いくら良い断熱材(熱伝導がなく,断熱材の輻射の伝達だけで熱が伝わったと仮定しても)最終的に入力された熱は船内に浸入してくる。有人機の場合は,その熱が内部に伝わってしまう前に,着陸して船内から脱出するか,その場で冷却してやることが必要になる。その冷却の方法はいろいろ考えられる:

1.海に漬ける(プールでも可・・・ かどうかは,不明),
2.寒いところに降りる,
3.降りたとたんにエアコンを繋ぐ,

などなど。実際どうなのかは未確認っす。とりあえず,そのまんまで大丈夫ということはなさそう。なお,上昇時の空力加熱もけっこうなものなので,アポロのようにカバーごと熱を捨ててしまったり,ドアを開けて換気(・・・じゃあないか)をしたりと。いろいろ工夫している。

タッチダウン後の探索と救助ミッション

ともあれ,突入回廊が2万キロ以上あるので,全地球の超高層気象データと地球シミュレータを用意していても,完全な着陸地点の予想は難しい・・・ はず。
で,タッチダウン地点を長辺1000キロ,短辺100キロ程度の区間に落ちると予想(もちろん適当です)。それ以上のズレはたぶん死んじゃってるので,ゆっくり探すことにして,それ以内では1時間以内に着地した宇宙船の確保と乗員の救出を行うこととする。

そのために,必要なものは重要な順に次のとおり
1.タッチダウン地点の特定のために強力なルックアップ能力のあるレーダーを持つ船。ヘリ付きならなお良し。
2.1000キロ四方を1時間でカバーする能力のある足の長いレスキューシップ,
3.有人宇宙船(5トンくらい?)を外洋で回収する能力のある特殊なクレーン船,
4.まさかの時の深海探査船の仮予約

などなど・・・ お。日本には全部そろってるじゃんか,と思ったあなた。するどいです。いや。わたしもそう思うのよ。ただし,もうひとつ条件があります。

5.そういうミッションを公海上で行っても文句を言わせないだけの海洋覇権

こいつが必須です。結局ロシアが月へいけなかったのは,そういう海洋覇権もってなかったからかもしれないし。

というわけでだ。小沢の言うように第七艦隊だけ残してもらうんじゃなくて,第七艦隊を日本が買い取って太平洋の海洋覇権を米から譲渡してもらえば,有人月探査を日本が独自に出来るようになるんじゃないかと。

当たり前だけど,現在,月から帰ってくる能力がある。といえるのは,やっぱり米国だけなのである。 ・・・とまあ,私の理解はこんな感じなんだけど,JAXAの計画ならちゃんと考えてるよねーと思ったら,そうじゃなかったりすることがときどきある。

ただ,今回シンポジウムに参加して,かなり多角的な人文系の報告があり,有人飛行には,そういう人文系のアプローチの重要さも感じたりして,そういうところにJAXAの本気度を感じるわけ。

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専門家の方へ:あまりの非常識さにめまい,息切れを起こす場合があります。

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  • > 最初の突入からタッチダウンまでの時間に制限が入るのは,たぶんなんだけど(すみません)。熱防護に由来すると思う。
    純粋に帰還船単体のみでの生命維持能力の問題じゃないのかしら。最初に大気圏をスキップするより前に機械船も軌道船も捨てるんだし。
    そして、月から帰ってきた宇宙船(今のところアポロしかないけど)がスキップするのはおそらくLEOからの帰還に比べて
    軌道から地面までで捨ててくる運動エネルギー=入力される熱量が大きいから。そして、この熱は
    1.シャトルのようにスカスカのシリカ繊維タイルで断熱する 2. カプセルのように熱を持ったヒートシールドを蒸発や炭化で熱ごと捨てる
    のどちらにしてもそのほとんどは降下中に大気に捨てられます。でなきゃシャトルにしてもカプセルにしてもアルミ合金なんかで作れないし。

    で、たとえば単に軌道上からのカプセルの回収、というだけならインドも出来ているので、海洋覇権というほどのものが必要かというと……
    何か機密ミッションをするなら、もしくは何でも秘密にする旧ソ連だったならそういう海洋覇権は必要だったかもしれませんが。
    そして、アンノウンなブツの回収ならともかく、自分たちの手で作って打上げて、頃合を見て自分たちで再突入させて回収するんですから、
    ビーコンだのGPSだのトランスポンダだのマーカーだの仕込み放題だし、わざわざ嵐の中に着水させたりはしないので、
    そこまで高性能な対空レーダーも不要。数t程度のカプセルの回収をするだけならデリックで十分で専用クレーン船だって必要ないし、
    何ならCH-101あたりでカプセルを吊るか、中の人だけ回収してガワはポイしたって構わない。
    ということで、空母機動部隊でお出迎えして国威発揚もいいけど、回収だけなら砕氷設備捨ててちょっと足を速くした新しらせ単艦でイナフ。

    • いらはいませ~

      読んでると全般に,それは無人ミッションの発想じゃないかな。と思いました。

      熱防護については,ほとんどが大気に消える点については同意します。ただ,残った分の熱量だけでも(たとえば,乗員が失神して閉鎖されたままなら)。クロックポットみたいにホッコリ茹で上がると思っています。たとえば,シャトルは放置しとくとタッチダウン後一時間で100度に達するはず。それでもアルミの機体はまだまだ大丈夫ですが。

      そのため月帰還軌道で一発で入るのは,ペリジ点での大気ブレーキ後の熱の捨て所が宇宙空間には無いからなんじゃないか。地球の周回は,高度100kmで1時間半。そのあいだに乗員は茹で上がるとおもうのだね。生命維持系の空気や電池などは,もう少し持つでしょう。というのが,私の理解なわけです。

      あと,デリック(港湾荷役用のワイヤークレーン)は外洋では使えないです。

      外洋でカプセルを海上から揚収するとなると,実際には水の抵抗や浸水のリスクもあるので,引き上げ重量の数倍の能力が要ります。5トンを引き上げたいなら25トンの能力が必要。また,港湾と違って外洋は波浪があるので,その上下左右のゆれに同期させる「波浪追従装置」も必要です。

      「頃合を見て自分たちで再突入させて回収するんですから」

      これは要するに,タッチダウン後,何時間以内に乗員を確保するかの仕様の問題ですね。丸3日くらい漂流させたいならそれでもOKです。ビーコンが役立つのはお亡くなりになったあとというのが私の発想。

      航続距離 926~1158kmの MCH-101では足が短いと私は思うんですが,基本的に乗員の確保はヘリでというのは賛成。ガラの回収は優先順位次第でしょう。

      天気のいいところ,とありましたが。それはその通りで,複数の着水候補地が必要でしょう。で,それぞれに救出部隊を事前に派遣すると。あとタッチダウン地点の条件には現地時刻もあります。夜じゃダメですから。

      「回収だけなら砕氷設備捨ててちょっと足を速くした新しらせ単艦でイナフ」

      いや,だから捕鯨船じゃねいし,カプセル回収できんてば。萌えるけど。

      それよりタイトルの「(カプセルならば)日本の陸地への着陸はもとより無理筋だと思うけどね」の理由を聞かせてもらいたいですね。もし,中国上空以外の理由があるのでしたら。

      --
      斜点是不是先進的先端的鉄道部長的…有信心
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      • それよりタイトルの「(カプセルならば)日本の陸地への着陸はもとより無理筋だと思うけどね」の理由を聞かせてもらいたいですね。

         あり? これは単純に精度の問題だと思ったのですが、違うのかしら。太平洋側にポチャンならまだしも、ちょっとズレて某隣国付近とか怖いですし。確率は低いでしょうが、空港の近くに迷い込むのもいやだし…と、解釈したのですが。

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      • > 熱防護については,ほとんどが大気に消える点については同意します。ただ,残った分の熱量だけでも(以下略

        カプセルはドラッグシュートとパラシュートを出して(アポロはおまけに一番熱を持ってるだろうヒートシールドを途中で捨てて)
        音速以下でちんたら降りてくるし、シャトルも再突入の一番厳しい時期を越えたらあとはその時溜めた熱を放射していくだけですから、
        そも「残った分の熱量」なんてものはほとんど存在しません。それでもシャトルの表面はタッチダウン時でも結構熱いですが、
        それはシャトルの表面を覆っている断熱材がきわめて優秀で暖まりにくくて冷えにくいことの裏返しなので、
        放っても断熱材表面の熱は外に出て行って中へ進入することはありません。あと、宇宙空間でも熱は捨てられます。

        > 外洋でカプセルを海上から揚収するとなると(中略)引き上げ重量の数倍の能力が要ります。(中略)「波浪追従装置」も必要です。

        アポロ11号 [uss-hornet.org]や13号 [corbis.com]を今まさに引き上げている画像がありますが、どっちも空母にポン付けされたふつーのクレーンですし、
        全然「特殊なクレーン船」なんかじゃありませんよ? そんな特殊なクレーンでしか外洋で海面への投入/海面からの揚収が出来ないのなら
        そこらの海洋系学部や海自はさぞや大変でしょうに。ましてそこらの貨物船のクレーンだって30tある40ftコンテナをほいほい上げるんだし。

        そして制御もほとんどやらないし回収が遅れようがカプセルが沈もうが人死にが出るわけでもないUSERS [usef.or.jp]でも着水エリアの長さは800kmそこそこ。
        一方AW101 [agustawestland.com]は1t(帰還船の中の3-4人とその付属装備を付けたってこんなもんだろ)を積んで800nmi以上飛べますので、
        ペイロード/レンジ性能はまず十分でしょう。これで不満ならMH-53EでもCH-47Jでも好きなのをお使いください。
        もっとも、アポロの時はAW101よりもSH-60Jよりもさらにずっとしょぼいシーキングでしたけど。

        # ……こんな感じで一通り当たりをつけたうえでの「回収だけなら砕氷設備捨ててちょっと足を速くした新しらせ単艦でイナフ」なんだけど

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        • ご丁寧に。どもです。

          カプセルはドラッグシュートとパラシュートを出して(アポロはおまけに一番熱を持ってるだろうヒートシールドを途中で捨てて)

          それは知りませんでした。でも,ヒートシールドを捨てるということは,要するに突入時の熱の破棄を速攻に行う必要があるってことですよね。

          それはシャトルの表面を覆っている断熱材がきわめて優秀で暖まりにくくて冷えにくいことの裏返しなので、放っても断熱材表面の熱は外に出て行って中へ進入することはありません。あと、宇宙空間でも熱は捨てられます。

          初めの話は,シャトルタッチダウン後のシャトルの冷却は不要。という意味ですか? 現実には冷却作業をしていると思いましたが。
          それから「宇宙空間でも熱は捨てられます。」のは,原理的にはもちろんそうなりますが,その熱収支が間に合うのかが,課題になります。

          アポロ11号 や13号 の情報。情報収集力の無い私にはとても参考になりましたです。ただ,その写真を見てるとどちらも「ベタ凪」ですよね。そういう条件なら,おっしゃるとうりの条件でも可能と思います。

          そこらの海洋系学部や海自はさぞや大変でしょうに。ましてそこらの貨物船のクレーンだって30tある40ftコンテナをほいほい上げるんだし。

          それは,「外洋で」コンテナ船が,コンテナを入れ替える作業を日常的にやってる,という意味に理解していいですか? そんなキチガイじみた密輸業者はいないと思いますが。

          そして制御もほとんどやらないし回収が遅れようがカプセルが沈もうが人死にが出るわけでもないUSERS [usef.or.jp]でも着水エリアの長さは800kmそこそこ。

          この点について言えば,素朴に突入回廊の長さによって探索範囲は比例すると思います。

          # ……こんな感じで一通り当たりをつけたうえでの「回収だけなら砕氷設備捨ててちょっと足を速くした新しらせ単艦でイナフ」なんだけど

          あー。そうですね。私もそうかもとか思います。(・・・って,これじゃ反論じゃなくて感想だよ!)

          そうですねー。これまでに書いたように私の考えてるミッションシーケンスだと,着水から1時間以内に乗員の安全確保を前提にしてて,それが出来なかったら「遭難」っていう判定するシーケンスを勝手に設定してます。あとは突入範囲の想定距離の違い? 微妙に違う気もするけど。

          現実問題として,JAXAが提案する有人構想の是非を論ずるばあい,こういう,ミッションの仕様をユーザーというか,国民側で指定する必要の重要性を感じています。

          サンプルリターンでは,そういうミッションプロファイルの違いで大きくコストが変わるというのを説明できればなと。たとえば,有人と無人の「月の石」のお持ち帰りコストの違いとか。

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          斜点是不是先進的先端的鉄道部長的…有信心
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    • こないだは,いろいろどもです。あれからいろいろ考えを改めたので,その話。

      最初に大気圏をスキップする理由

      もういっかい考えてみたんですが,そのいったんスキップする理由。つまり,突入後いったん小さめの楕円軌道に投入する理由なんですが,難しく考えず。加速度の制限,つまり最大Gやその持続時間の限界による。と考えるのがよさそうです。で,それから半周してから再突入するのは単純に「アポジ点を過ぎてからが再突入だよ」という,軌道力学的な常識の説明。熱防護を理由にする必要は,どうやら無さそうです。

      このあたり,常識が無いモンで,いろいろヘンな理由を考えてしまった気がします。いや,ほんと,このあたりの常識の不足(古さ)が議論するときの障害になってると思います。アポロ時代の突入軌道の説明って,軌道力学じゃなくて弾道学に基づく説明でしたし。それが悪いわけじゃないんですが,はじめの突入地点についての制限は,軌道力学で説明しないと実にややこしくなるというか。

      あと,海洋覇権について

      とりあえず,アポロ計画をみると米国の海洋覇権,という暗黙の前提があります。さすがに空母機動艦隊は大げさですが,

      「海を宇宙船で汚すなんて許せない,沈んじゃえ」な環境保護団体を黙らせる。とか,

      「クジラにぶつかったらどうするんだ,降りてくるな」な動物愛護テロリストが酪酸もって帰還船に近寄るのを実力で排除したり。とか,

      あと,複数の着水候補地に回収部隊を派遣したり。とか,

      こういうのも海洋覇権の一つと捉えれば,海上着陸を前提にする限り。海洋覇権は大なり小なり必要だと思います。しかし,地上着陸なら海洋覇権は不要か? となると,これまた疑問ですし。衛星を使わずに帰還船の観測網を作ろうとすれば,船を派遣するしかない。

      そんなこんなで,やはり海洋覇権は前提になるんじゃなかろうかと。

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      斜点是不是先進的先端的鉄道部長的…有信心
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  • 反対向きに降りれば...太平洋の上を日本に向かって。月からの帰還なら衛星と違って向きはある程度選べるはず。
    そりゃこの方向なのはイスラエルの衛星くらいだし、いろいろアレなのはわかってるけど中国の上を通るのとどっちが容易かという問題になるわけで。

    • その場合は,180度逆向きの軌道傾斜角ってことだよね。すると今度は打ち上げるときに,中国上空を通過する。なので新しい射点を用意する必要がある。それから,軌道傾斜角の決まってるISSの帰り道はどうする。

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      斜点是不是先進的先端的鉄道部長的…有信心
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      • ん?打ち上げは普通に東向きだよ?だから衛星じゃないってば。
        # ISSはしょうがないねぇ。

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        • 宇宙船は上りと下りで方向(軌道傾斜角)を変更できないのよ。基本的に。いちばん機動力のあるシャトルでも,せいぜい数度くらいじゃないかな。だから打ち上げ時に帰り道の軌道傾斜角も決まってしまう。

          まさか東に打ち上げて,途中でUターンするとか・・・

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          斜点是不是先進的先端的鉄道部長的…有信心
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          • あそっか・・・ 月からの帰還だっけ。失礼しました。

            うーん。しかし,それもなー。

            --
            斜点是不是先進的先端的鉄道部長的…有信心
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            • いずれにせよ、ちょっとずれただけで陸に落ちるか海に落ちるか分からないし、
              大都市のまん中や断崖絶壁に落っこちる可能性も捨てきれない日本とその周辺での回収は狂気の沙汰。
              陸に落ちても海に落ちても平気な宇宙船、なんてのも無駄もいいとこだし。

              もし本当に日本でやっちゃうなら、種子島や小笠原で観測が出来る日本南方もしくは南東方の太平洋、
              でなきゃウーメラ借りてオーストラリアのだだっ広い平地に、だと思います。そもそも有人宇宙活動自体が狂気の沙汰だけど。

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              • なるほど。単純に狭いからか。それが一番大きいわね。

                北海道でもダメですか?

                --
                斜点是不是先進的先端的鉄道部長的…有信心
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              • (こっちに同じ趣旨の話があったのか。見落としていました)

                北海道でもダメですか?

                 木が生えているような森林地帯や山岳地帯にカプセル着陸は危険だと思います。砂漠か平原のような土地でないと。

                 日本最大の湿原である釧路湿原を(国立公園ですが、政治力で着陸できるようにしたとして)狙うとしても、せいぜい20km四方の範囲を狙うことになります。月帰還の精度についての資料がないのですが、ちょっと狙うには狭い的な気がします。仮に突入が正確だったとしても、気象条件でも簡単にそれくらいはズレそうですし。

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              • たぶん。正常条件なら20km^2で大丈夫だと思ってます。で,ロシアがすごいのは,こないだも突入時に制御系の不良で弾道飛行モードとかになっても,なんとか着陸できちゃってるとこ。

                で,ノミナルモードで可能。で,アボート(弾道)モードで安全な場所に誘導できるなら,充分にありうるかなって気がするんですが。

                いや。つーか。それは私が知りたいんですよ。実現性について。

                --
                斜点是不是先進的先端的鉄道部長的…有信心
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              •  ズレる危険もあるのにわざわざ国内の狭い場所を狙うというのは、フィクションでならともかく現実に実行することを前提としたプランとしてはちょっと厳しいのではないでしょうか。jmz-yamさんも書いていますが、陸地を狙うなら、やはりオーストラリアやアメリカといった友好国の広い土地を借りる、というところが現実解かと。
                 (わざわざ月向けの通信衛星を作るのでもない限り)通信の問題もありますし、いずれにせよ他国の協力は必要だと思いますよ。

                # 定量的な条件を提示できないので、精密な議論になっていないのは申し訳ないのですが。

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    • 反対向きに降りれば...太平洋の上を日本に向かって。月からの帰還なら衛星と違って向きはある程度選べるはず。

      ちょっと脱線したので,ツリーを変えます。

      「実際どうなの?」ってのはさすがに私の手に負えないのですが,それだと,若干効率が悪くなるくらいなのかな・・・ アポロ時代のポンチ絵だと8の字たすきがけして,行きも帰りもおんなじ軌道傾斜角っていうイメージでしたが。

      --
      斜点是不是先進的先端的鉄道部長的…有信心
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  • なんか富士の本ではそんなことが書いてあったような。
    リフティングボディでピンポイントで陸上に着陸するのがこれからのトレンド!とか。

    海上捜索のコストも凄いけど、海水に着水するカプセルの設計も大変なのだとか。

    で、別に日本に下りる必要はなくて、オーストラリアなりアメリカなりでっかい大陸に下りればいいじゃない(byマリー)

    --
    jmz
    • いや。着水能力については,ソユーズもこれから作るアレスにもあるらしい。というのは,打ち上げ直後のアボートシーケンスとか考えると,無いと困るのだね。

      --
      斜点是不是先進的先端的鉄道部長的…有信心
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      • 帰還時の着水能力とアボート時の着水能力じゃ雲泥の差のような気もするのですが、実際の宇宙機の設計はやったこと無いのでよく分かりません。

        でも、アレスって陸上帰還なんですよね。
        日本もそうしたらいいじゃん!コスト考えるなら特に。

        --
        jmz
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        • でも、アレスって陸上帰還なんですよね。
          日本もそうしたらいいじゃん!コスト考えるなら特に。

          それってどうかな・・・ の素朴な理由を説明すると,月帰還軌道から任意の目的地にピンポイントに着陸することが可能だ。と説明された文献や実績を私がまだ見つけてないことです。

          日本の「有人構想」でいうと,LEOからの帰還が中心で月帰還軌道に関する考察は入っていなかったと思います。

          --
          斜点是不是先進的先端的鉄道部長的…有信心
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          • えーと、ド素人なので恐縮ですが。
            月から帰ってきたときに、いったんLEOに入るという案はどうでしょうか。
            (燃料が無駄に要る?)

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            • 月から帰ってきたときに、いったんLEOに入るという案はどうでしょうか。

              私の理解は,熱防護が1時間くらいしか持たないからだろう。と。で,LEOは高度100kmで一周およそ1時間半。だから,ちんたらLEOに入ってると中の人が茹で上がることになるんだろうと。

              その他の見解としては,kitakitsuneさんの書いてる,機械船捨てちゃったしで,生命維持の余力が無いから。あと軌道修正する燃料も無いから。という説。

              LEOはいるんだったら,そこから24時間分くらいの余力は残しておきたいですからね。それもあるかなと。

              で,新たにそういう帰還シーケンスを組むとしたら,最初の大気ブレーキフェーズでの空力加熱を減らしたり,LEO投入後にその熱を捨てる手段を新たに用意する必要があるんじゃないかと。たとえばバリュートつかうとか。

              #お・・・ プラモデが飛んだ(笑)。

              --
              斜点是不是先進的先端的鉄道部長的…有信心
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「毎々お世話になっております。仕様書を頂きたく。」「拝承」 -- ある会社の日常

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