スペースシャトル熱防護システム

スペースシャトル熱防護システム（TPS）

スペースシャトル熱防護システム（TPS）は、スペースシャトルが地球の大気圏に再突入する際に発生する極めて高い熱から機体を保護するために設計された、非常に重要なシステムです。このシステムは、機体を約1,650℃という驚異的な高温から守るだけでなく、宇宙空間における寒暖差からも保護する役割も担っています。

TPSの最大の特徴

従来のアブレーション方式とは異なり、TPSの最大の特徴は再使用が可能な点にあります。これにより、スペースシャトルは何度も宇宙へ往復することが可能になりました。

TPSの材質

TPSは、シャトル表面全体を覆い、場所によって異なる7種類の素材で構成されています。それぞれの素材は、必要とされる熱保護のレベルに応じて使い分けられています。

1. 強化カーボンカーボン複合材 (RCC)

ノーズキャップや翼の前縁など、特に高温になる箇所に使用されます。1,260°Cを超える温度に耐えることができます。

2. 高温再利用可能表面断熱材 (HRSI) タイル

シャトル下部など、1,260°C未満の温度環境で使用されるシリカセラミック製のタイルです。

3. 繊維状耐火性複合断熱材 (FRCI) タイル

HRSIタイルを改良したもので、強度や耐久性が向上しています。

4. 柔軟な断熱毛布 (FIB)

649°C未満の比較的低温な箇所で使用される、キルト状の断熱材です。

5. 低温再利用可能表面断熱材 (LRSI) タイル

主に胴体上部で使用されていましたが、現在はFIBに置き換えられています。

6. 強化ユニピース繊維断熱材 (TUFI) タイル

1996年から使用され始めた比較的新しい素材で、高温・低温の両方の環境で使用できます。

7. フェルト再利用可能表面断熱材 (FRSI)

白いNomexフェルトブランケットで、ペイロードベイのドアや胴体の一部など、371°C未満の場所で使用されます。

TPSの特徴

スペースシャトルのTPSは、以前の宇宙船で使用されていたTPSとは異なり、以下の3つの重要な特徴があります。

再利用が可能であること: 以前の宇宙船は、再突入時に燃え尽きるアブレーション熱シールドを使用していましたが、スペースシャトルは再利用可能なTPSを採用しています。
軽量であること: 以前のアブレーション熱シールドは非常に重く、機体全体の重量に大きく影響していました。スペースシャトルでは、軽量なTPSを使用することで、機体の重量を抑えることに成功しました。
壊れやすいこと: 1970年代初頭の技術では、必要な熱特性と重量特性を備えたタイルは密度が非常に低く、非常に壊れやすいものでした。この構造のもろさが、後のコロンビア空中分解事故の引き金となりました。

TPSの目的

オービターの内部構造は主にアルミニウムでできており、通常175℃の温度までしか耐えられません。そのため非常に効果的な断熱材を必要とします。

再突入時の加熱

再突入時の加熱は、旅客用などのジェット機に発生する通常の大気からの加熱とは異なり大半が断熱圧縮による加熱ですが、これがTPSの設計と特性を左右しました。

オービターは、広い下面を飛行する方向に向けて、非常に高い角度で大気圏に再突入します。これにより、機体の前方に衝撃波が発生し、熱をそらすことで、機体表面が直接高温にさらされるのを防ぎます。再突入時にオービターが経験する熱の大部分は、この衝撃波によって引き起こされる断熱圧縮によるものです。

関連項目

スペースシャトル計画
* スペースシャトル・コロンビア号空中分解事故

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