はやぶさ2が もちかえった カプセルは、ちょっけいが やく40センチ、たかさが やく20センチ、おもさが やく16キロです。大きさは ボールより すこし 大きい くらいです。

この カプセルが 空気の ある ところに はいると、地上からは ながれぼしのように ひかって 見えました。

ひかるほど あつい のは、空気と こすれるからだと 思う ひとが 多いでしょう。でも、せつめいに よると、おもな げんいんは ちがいます。カプセルの まえで、空気が ぎゅっと おしつぶされるからです。

空気を すばやく おしつぶすと、あつく なります。うちゅうせんは とても はやく はいって くるので、まえの 空気が にげきれず、ぎゅっと つぶれて、すごく あつく なるのです。

はやぶさ2のカプセルは、直径約40cm、高さ約20cm、重さ約16kgの小さな容器です。大気圏に突入したときは、地上から流れ星のような火球として観測されたと紹介されています［7］。

光るほど熱くなるのは、空気とこすれるから。多くの人がそう考えます。ところが、再突入の熱を説明する資料では、主な原因は機体の前にできる強い衝撃波で、空気が急に押しつぶされることだとされています。摩擦が主役ではない、という説明です［2］。

速度が低いときの摩擦や、高温の気体が出す光の影響は別に考える必要があるため、「摩擦はゼロ」と言い切れるわけではありません。ただ、熱の大部分は圧縮から来る、というのが出発点になります。

流れ星のように光る火球は、何が熱源なのか。はやぶさ2の再突入カプセルは直径約40cm・高さ約20cm・重さ約16kgで、大気圏に入って、地上から火球として観測されたと紹介されている［7］。

よく知られた説明は「空気との摩擦で熱くなる」だが、再突入の熱防御を解説した資料は、加熱の主因を、機体の前にできる高圧の衝撃波に置く。衝撃波を通った空気が急に圧縮されて高温になるのであって、表面をこする摩擦が主役ではないという立場である［2］。

ただし、低速域での摩擦や、高温気体からの放射による加熱の寄与は条件で変わる。したがって「摩擦はゼロ」ではなく、「主因は圧縮」という言い方が資料に忠実になる。では、空気が圧縮されるとき、実際に何が起きているのか。

じてんしゃの 空気いれの さきを ふさいで おす ところを 思い出して ください。ぐっと おすと、中の 空気が ちぢんで、おし返して きます。

うちゅうせんの まえでは、これが とても はげしく おきて います。空気は、ふつうの 50ばいから 100ばいも ぎゅっと つまると いわれます。すると、空気の あつさは 5700ど いじょうに なると されます。

ただし、これは カプセルの ひょうめんの おんどでは なく、まえの 空気の おんどです。

カプセルの ひょうめんは、はやぶさ2で 3000どくらいに なると 考えられて います。それでも、とても あつい ことに かわりは ありません。

自転車の空気入れを、出口をふさいで押し込んでみてください。中の空気が縮み、強く押し返してきます。縮められた空気は、同時に温度も上がります。

再突入では、これが機体の前で一気に起こります。機体の前方にできる衝撃波を通ると、空気の密度は速度に応じて約50〜100倍になり、圧縮された気体は6,000K（約5,700℃）以上になるとされます［2］。

数字を読むときは、場所を分ける必要があります。6,000K以上は、機体の前の気体の温度の話です。はやぶさ2のカプセルの前面表面は、3000℃程度になると推測されています［1］。別の場所の別の数字なので、どちらかが間違いというわけではありません。

空気が圧縮されると何が起きるのか。再突入機は音速をはるかに超える速さで飛ぶため、前方の空気は機体をよけきれず、薄い衝撃波の面を境に急に押しつぶされる。この資料によれば、衝撃波を通った空気の密度は速度に応じて約50〜100倍になり、圧縮された気体は6,000K以上（約5,700℃以上）に達する［2］。

ここで、二つの温度を区別しておく。6,000K以上は機体の前方にある気体の温度である。いっぽう日本語の解説は、はやぶさ2のカプセルの前面表面が3000℃程度になると推測している［1］。後者は推測値であり、気体の温度が1万℃を超えるとする記述もあるように、数字は測る場所と見積もり方で変わる。

気体が数千℃でも、触れる機体がそのまま同じ温度になるわけではない。それでも前面が3000℃に迫るなら、形そのものを工夫しなければ持たない。ここで出てくるのが、直感に反する答えである。

はやく とぶ ものは、さきを とがらせたほうが よさそうに 見えます。ロケットも ひこうきも、さきが とがって いますね。

ところが、空から もどる うちゅうせんは、さきを とがらせません。まるくて、ずんぐりした かたちです。

まるい さきの まえには、からだから はなれた ところに つよい しょうげきの かべが できます。この かべが、ねつを まえの ほうへ にがして くれると せつめい されて います。

この ことを 考えたのは、アメリカの ハーベイ・アレンという ひとだと しょうかいされて います。ミサイルが もどる ときの ねつを けんきゅうして、まるい ほうが よいと 考えました。

のちに、まるい かたちの カプセルは、人を のせた うちゅうせんにも つかわれました。

速く飛ぶ物は先をとがらせる、と考えがちです。けれども宇宙から戻るカプセルは、先がとがらず、ずんぐりしています。

理由は、鈍い形の前には、機体から離れた位置に強い衝撃波ができるからです。熱をもった高温の空気の層が機体との間に厚く入り、熱が前方の流れの遠くへ散って、機体に伝わる熱が減るのだと説明されています［4］。

この考えは、NASAのエイムズ研究所のハーベイ・ジュリアン・アレンが、弾道ミサイルの再突入の研究から考えついたと紹介されています。ただし、ほかの研究者との共同の成果とする資料もあり、一人の発見と決めつけることはできません［4］。

1958年には、マキシム・ファジェが、単純な鈍い形の機体で大気圏に再突入する案を示し、飛行士が危険な加熱や加速度を避けられると主張しました。当時の飛行機の設計から見れば大きな転換でした［5］。この考えは、アメリカ初の有人宇宙計画だった水星計画の機体に生かされたとされます。

機体の前に衝撃波ができるなら、それを機体から遠ざければよい。この発想が、鈍頭形である。先の丸い物体の前には、機体から離れて強い衝撃波ができ、圧縮された空気の厚い層が間に入る。そのため熱が前方の流れの遠くへ散り、機体に伝わる熱が少なくなると説明される［4］。

考案者としては、NASAエイムズ研究所のハーベイ・ジュリアン・アレンの名が弾道ミサイルの再突入研究と結びつけて紹介される。ただし、ほかの研究者との共同とする資料もあるため、単独の発見とは断定しない［4］。

では、この考えはいつ宇宙船に採り入れられたのか。NASAの『アポロ月探査』の記録は、1958年にマキシム・ファジェ（Maxime Faget）が「単純な鈍い形の機体で大気圏に再突入する」案を示し、飛行士が危険な加熱や加速度を避けられると主張した、と述べる。これは飛行機の設計から見て大きな転換だった［5］。水星計画の耐熱板はプラスチックとガラス繊維でできており、熱で「ガスを出して」自分を守る設計だった［5］。形で熱を減らし、残った熱は材料で受け止める。その材料の働きが次の章の主題である。

まるい かたちでも、ひょうめんは すごく あつく なります。そこで、カプセルの そとがわには、わざと けずれる ざいりょうが ついて います。

はやぶさ2の カプセルでは、あつさで ひょうめんが とけて、すみのように なりました。そして、ガスに かわる とき、まわりの ねつを もって いきます。だから、ねつが なかまで とどきにくく なります。

たとえば、あつい おふろから 出ると、からだに ついた 水が 水じょうきに なって、すずしく なりますね。ざいりょうが ねつを うばって ガスに かわるのも、これと 少し にて います。ただし、本当は もっと 高い おんどの 話です。

カプセルの まえの ほうが あつい ので、まえの ほうが よく けずれて いました。そして、中の おんどは、ふだんの へやと 大きく かわらない くらいに おさえられて いたと せつめい されて います。

丸い形にしても、前面は数千℃近くになります。そこで耐熱板そのものを、削れる材料にする方法が使われました。熱を受けて表面が燃えたり溶けたり、ガスになったりして削れ、そのとき熱を運び去ります。水星、ジェミニ、アポロのカプセルは、この方式の耐熱板を使いました［2］。

はやぶさ2のカプセルでは、耐熱板は炭素繊維強化プラスチック（CFRP）で、前面と背面の2枚構成です。高熱で表面が溶けて炭化し、さらに分解してガスになるときに熱の一部を使うため、内部へ熱が伝わりにくくなります。前面のほうが高温になるので、炭化も前面のほうが進んでいました［1］。

飛行中の計測では、カプセルの内部は常温を大きく超えない程度に抑えられていました。担当者は、耐熱板の内側がとてもきれいな状態だったと述べています［1］。熱い外側とほぼ常温の内側。この落差が、削れる耐熱材の働きの成果です。

3000℃近い前面が、内部にどう影響するのか。はやぶさ2のカプセルのヒートシールドは、CFRP製の前面・背面の2枚で構成される。高熱で表面が溶けて炭化し、熱分解で気体ができるときに熱の一部を使い、内部へ熱が伝わるのを抑える。前面のほうが高温になるため、炭化も前面側のほうが進んでいた［1］。

このように、材料が自分を犠牲にして熱を運び去る方式をアブレーション（ablation）と呼び、熱で削れる材料をアブレーターという。水星・ジェミニ・アポロのカプセルが採った方式でもある［2］。炭化の層は熱を伝えにくく、気体になる過程でも熱を奪うため、表面が高温でも奥は低温に保てる。

結果として、飛行中の計測では、カプセル内部は常温を大きく超えない程度に抑えられていた。ヒートシールドの内側はとてもきれいな状態だったと担当者が述べている［1］。熱い外側とほぼ常温の内側という落差が、アブレーターの働きの成果である。

NASAの オリオンという うちゅうせんは、人を のせて 月の まわりを 回って、地球に もどる ために つくられて います。

もどる はやさは、じそく 4万キロ ちかくです。そこから、たった 数分で じそく 480キロ ほどまで おそく なります。

そのあいだ、そとがわの ひょうめんは 2700どくらいに なります。それでも、うらがわは 90どくらいに おさえられる ようにつくられて います。ひとが のる ところを まもる ための くふうです。

そとがわは、アブコートという ざいりょうで、もえるように けずれながら、ねつを はこんで いきます。

アポロの司令船の外面は、再突入で約5,000°F（約2,760℃）になるとされました。オリオンのヒートシールドの外面も、約5,000°Fに達します。これは太陽の表面温度の約半分にあたります［3］。

戻ってくる速さは時速約25,000マイル（約4万km）で、数分のうちに時速約300マイル（約480km）まで減速します。それなのに、ヒートシールドの裏側は約200°F（約93℃）にとどまります［3］。

耐熱材のアブコート（Avcoat）は、再突入中に制御された形で燃えて削れ、そのとき熱を機体から運び去るアブレーターです。厚さ1〜3インチ（約2.5〜7.6cm）のブロックで外側をおおいます。NASAは、このヒートシールドを約15年、1,000回の試験を重ねて仕上げたと紹介しています［3］。

人を乗せる機体では、条件がさらに厳しい。NASAの説明では、オリオンのヒートシールド外面は約5,000°F（約2,760℃）、太陽表面の約半分に達し、約25,000mph（時速約4万km）で戻ってきて数分で約300mph（約480km/h）まで減速する。それでも裏側は約200°F（約93℃）にとどまる［3］。

アポロ司令船の外面も、再突入で約5,000°Fになるとされた［3］。ただし条件は機体の形や飛び方で異なる可能性があるため、数値は「約」付きの目安として読む。なお、華氏から摂氏への換算は(°F−32)÷1.8で、5,000°Fなら約2,760℃、200°Fなら約93℃になる。

耐熱材アブコートはアブレーターで、再突入中に制御された形で燃え、削れながら熱を運び去る。厚さ1〜3インチのブロックで外側をおおう［3］。NASAはこの開発が約15年、1,000回の試験に及んだと紹介する。表面の高温と裏側の低温の落差は、前章の仕組みを人を乗せる規模に拡大したものといえる。ただし削れる材料は、一度使えば消耗する。では、何度も使う方法はないのか。

けずれる ざいりょうは、一ど つかうと へって しまいます。そこで、なんども つかう うちゅうせんには、べつの くふうが ありました。

スペースシャトルは、ガラスのような セラミックの タイルを たくさん はりました。タイルは、かるくて、ねつを つたえにくい ざいりょうです。

くろい タイルは 1260どくらいまで、しろい タイルは 650どくらいまで たえられます。まいすうは、2まん まい いじょうだったと されます。

はじめは、タイルが ひっぱりに 弱いことが わかりました。そこで、タイルの はり方を なおし、はった タイルを ぜんぶ 一まいずつ しけんしました。そして ダメな ものは とりかえました。しっぱいから まなんで、なおして いった のです。

削れる耐熱材は、一度使うと消耗します。何度も飛ぶことを前提にしたスペースシャトルは、削れる耐熱材ではなく、シリカ（ガラス質）セラミックのタイルを使いました。黒いタイルは約2,300°F（約1,260℃）、白いタイルは約1,200°F（約650℃）まで耐えます［6］。

貼ったタイルは約2万数千枚です。資料によって枚数に幅があるため、およその数として読んでください［6］。

1979年には、タイルが1回の飛行で受ける引っぱりに耐える強さが足りないと分かりました。そこで同年10月に、タイルを密にして強くし、貼ったタイル全部に強度試験をする方式へ切りかえました。この試験で、約13%のタイルが基準に届かず、交換されました［6］。問題を見つけて直す積み重ねが、再利用のための守り方を支えました。

削れる耐熱材は使うたびに減る。再利用を前提とするスペースシャトルの軌道船は、削れる耐熱材ではなく、シリカ（ガラス質）セラミックのタイルを採用した。黒いタイルは約2,300°F（約1,260℃）、白いタイルは約1,200°F（約650℃）まで耐える。軌道船には約2万数千枚が貼られたが、枚数は資料により24,000〜約30,000と幅がある［6］。

採用後に課題も見つかった。1979年、タイルが1回の飛行の引っぱりの荷重に耐える強さを欠くと分かり、10月にタイルを密にして強化したうえで、貼ったタイル全部に強度試験をする方式へ変えた。その結果、約13%が試験に落ちて交換された［6］。問題が見つかるたび、試験で確かめながら直していったのである。

三つの守り方を比べると、鈍頭形は熱を機体から離す、アブレーターは熱を材料の変化で運び去る、タイルは熱を通しにくい材料で耐える、という分担になる。使い捨てを許す代わりに強いか、再利用を目ざす代わりに繊細か。目的ごとの選択である。

きょう できる こと

じてんしゃの 空気いれを、おとなの ひとと いっしょに 使います。ホースの さきを ふさいで もらい、ゆっくり おして みましょう。中の 空気が おし返して くる 感じが わかります。ゆびを つよく おしつけたり、はやく おしすぎたり しないでください。

しらべる とき

はやぶさ2の カプセルの 話は、JAXAの ホームページや しりょうかんで 見られます。つぎは、カプセルが 空から もどる ところを、どんな ひとが どこで 見て いたかを しらべて みましょう。

空気入れで試す

おとなの人といっしょに、自転車の空気入れの出口を閉じ、ゆっくり押してみます。中の空気が縮み、押し返してくる感触が分かります。ポンプの筒がほんの少し温かく感じることがあります。ただしピストンが動くときの摩擦も混じるので、これだけで圧縮の熱だと決めることはできません。強く押しつけたり、急いで押したりしないでください。

資料を読むなら

はやぶさ2のカプセルの解析は日本語の記事［1］で読めます。同じカプセルを紹介した日本語の記事［7］と読み比べると、記事ごとに注目する点がちがうと分かります。JAXAの日本語ページも、あわせて開いてみると発見があるでしょう。

体感できること

自転車の空気入れの出口を閉じ、ゆっくり押すと、空気が縮んで押し返す感触が分かる。筒が少し温かくなることがあるが、ピストンの摩擦も加わるため、圧縮だけの熱とは分けられない。強く押しつけない、急いで押さないなど、安全に気をつけたい。

数値の出どころ

本文の数値は、資料ごとに測る場所と条件が違う。6,000K以上は機体前方の気体［2］、3000℃程度は前面表面の推測［1］、約5,000°FはNASAのヒートシールド外面［3］である。次は、日本語で読めるJAXAの発表や［1］の記事を読み比べ、どの数値がどこを測ったものか、自分で整理してみたい。鈍頭形の考案者については、アレンのほかに誰の名が挙がるか、資料を比べると評価の違いが分かる［4］。ファジェの案は［5］の第2章にある。