Demo-2を成功させたSpaceXのヤバすぎる解説!

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おさらい

Demo-1との違いは、命が乗っているか乗っていないか。

SpaceXはDemo-1で、「Crew Dragon宇宙船をISSへ往復させるミッション」を成功させています。

今回も「「Crew Dragon宇宙船をISSへ往復させるミッション」であることは変わりありませんが、唯一違う点は、「2名の宇宙飛行士」が乗っているということ。

二人をISSへ送り、また無事に地球に帰還させることがDemo-1にプラスされています。

その分「気候」「軌道」「時間」「姿勢」「室内環境」などの飛行条件が厳しくなっています。

ブレイクスルーである「再利用第一弾ロケット」

これはSpaceXが公開しているFalcon9の飛行軌道ですが、SpaceXのイノベーションである「第一弾ロケットの帰ってくる軌道」が見やすく太くなっています。

SpaceXが安く早くロケットを飛ばすメインの技術になっていますよね。

今回はこの白い線がどういう軌道を描いているのか見ていきたいと思います。

第一弾ロケットの着陸をポイントごとに解説(的な事)します!

まずこの動画を見てほしい。

どこをみても技術がつまっているので、それぞれのポイントを順に説明していきたいと思います。

分離後、半回転する

まず着陸に向けて、お尻を進行方向にします。

摩擦はありませんが、宇宙でドリフトターンを決めていると言えるでしょう。

2:02- あたりを見てください。

回転方向はロケット推進方向に対して180度弱回転(野球で言うストレート)し、そのあと推進方向軸に燃料噴射し減速した後、ビタっと固定制御されます。

ロケット直角方向に串刺しする軸で180度回転し、
燃料噴射し減速した後、推進方向軸(ラグビー🏈のボール投げる時みたい)を固定制御。

※このときグリッドフィンなどは出ていません。

グリッドフィンとは…

Grid fins (or lattice fins) are a type of flight control surface used on rockets and bombs, sometimes in place of more conventional control surfaces, such as planar fins.

https://en.wikipedia.org/wiki/Grid_fin

基本的にはロケットエンジンの推力は加減速にのみ使い、サイドスラスターによって姿勢制御しています。

スラスターとは…

人工衛星惑星探査機などの宇宙機では特に、主推進以外の、姿勢制御軌道の微修正などに使うものをスラスターと呼ぶ。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B9%E3%83%A9%E3%82%B9%E3%82%BF%E3%83%BC

2:17- の1秒間で地球の表面がビタッと固定されます。

この間は、2Dでいう「BOOSTBACK BURN」のポイントでしょう。

ほぼ水平?に地球軌道を走り、ランディングポイントが近づいてくるのを待ちます。

なぜその軸回転なのか?

フィギュアスケートのように地球の垂直で180度ターンを決めるのは、どうでしょう?

地球に対し垂直方向軸に180度回転はダメ?

これはおそらく地球の重力が関係していると考えます。

先程野球で例えていましたが、もし「地球に対し垂直方向に回転させた場合」だとロケットに「スライダー」や「シュート」の軌道が加わることになります。

ストレート・変化球の球質・回転数・回転軸・マグヌス力・ホップ成分 ...
https://livedoor.blogimg.jp/baseball_motion/imgs/a/5/a552564e.png

このサイトはガッツリ野球の話ですが、宇宙もだいたい一緒です。

マグヌス力とか名前は覚えなくていいですが、要は余計な方向にチカラが働いちゃうってことですね。

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ってことで、ロケットの姿勢制御をシンプルに計算するためにも「ストレート方向」か「カーブ方向(ラグビー投げ)」の2パターンで噴射してます。

ロケットエンジンの燃焼が再着火する

2:23-グリッドフィンが開いています。

いよいよ大気圏に突入です。

wikiを読むと、音速のような高速域に関してグリッドフィンは姿勢制御が向上すると書かれています。

ワッフル状の格子が速いスピードのときに、翼のような役割を持ち空気抵抗を生むので、傾けたり折りたたんだりすることで制御が可能となります。

つまり、空気の層がある高速のときにグリッドフィンはとても役に立つということです。

宇宙空間では、サイドスラスターを噴射し姿勢制御。空気のある空ではグリッドフィンを作動させ姿勢制御。ということです。

またビタッと姿勢が固定されますが、急噴射によってグッと姿勢方向が変えられます。

その直後の2:52から燃料の炎が見えます。空気に触れ始めましたね。(図で言うとENTRY BURNだと思う)

これはグリッドフィンが開いた23~52秒の約30秒間はサイドスラスターを使うような環境下ではあるものの、グリッドフィンが次のフェーズで必要だから開いているというハイブリッドな状態です。

実際映像を見ても、大気圏に入ってから(2:52-)グリッドフィンがパタパタ動いている事がわかります!

垂直ではなく、斜めに着陸する

3:00- から急に景色の流れが遅くなります。

これはおそらく逆噴射を本格稼働させて減速しています。

しかもその後はあまり急な姿勢制御も行われていません。

5:36- と少し動画が飛びますが、この着陸も興味深いですね。

ランディングポイントへ垂直に降りておらず、若干斜めから入っています。

理由は2つあると思います。

理由1:斜めに着陸する方がシンプルだから

地球は回っていることを前提とすると、着陸すべき陸は動いています。

ロケットはまっすぐ降りてきていたとしても、地面がスライドしていたら同じ地面にいる観測者から見たら、斜めに降りてきているように見えますよね。

また、海上にランディングポイントを置いていることもあり、上下左右の多少の揺れは避けられません。

相対的に垂直に着陸させた時、地球軌道も計算してロケットの姿勢を垂直に保つ必要がありますし、キレイな円状に着陸するため接地面積と着陸時間が限られます。

このように、制御も比較的しやすく着陸の成功率をあげるためには、斜めに着陸させています。

理由2:垂直着陸時に、非常に不安定な空気の流れがあるから

以下の論文を見つけました。

https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjsass/54/624/54_624_10/_pdf

中身を読んで見ると、ロケットエンジンによって押されている空気たちが不安定な渦を発生させ、ロケットを地面に引っ張る力なんかも働くというもの。

あくまで論文上のシュミレーションではありますが、垂直に着陸させた場合理論的にはこういった空力も働いてしまうので、それ用の制御を入れなければなりません。

おそらく地面に対して斜めに着陸することで空気の流れが偏るため、不安定な事象が起こりにくいかもしれませんね。

更に憶測ですが、着陸用の足を予め出しているのではなく収納型にしているのは、空気があえて流れるようにしているのかもしれません。

偉い人教えて下さい。笑

また10:07-の2機同時着陸も、地面に着陸した直後ロケットが弾んでいます。

これは別の理由があると思いますが、あえてバウンドさせることで着陸の成功率を上げています。

このシーンは何度見ても感嘆しますよね〜。

これら全てが、自動オペレーションで作動する!

やっぱり凄まじいのは、今まで解説した事全てを「自動」で制御していること。

管制官は眺めるだけです。宇宙飛行士も座ってるだけ。

もはや飛行機の離着陸より簡単なのでは?と思ってしまいます。

もちろん、それまでのシュミレーションや制御、計算などはとんでもないですが。。。

一連の動画を見て分かったこと

急な制御が入るタイミングが3箇所あります。

  • 2:17- ドリフト後のビタッ
  • -2:52 大気圏に入る直前のグイッ
  • -3:00 逆噴射の直前にグイッ

SpaceXのエンジニアのアルゴリズムが見える瞬間でもあります。

一つ言えるのは、GPSやジャイロセンサなどによって、あるタイミングまではこのフェーズで制御を完了させる、フェーズの始めと終わりであらかじめ確実に決定された状態を次フェーズにパスしているということでしょうか。

機体がモジュール設計になっているFalcon9ですが、制御もモジュール(フェーズ)ごとに分担されていそうですね。

貴重な情報がLIVEで動画で見れる時代!

ずっと思ってましたが、今の時代はリアルでしかも高画質で見れるから、ほんとこの時代に生まれてよかったです。

もちろんもっと見たい角度とかありますけど、技術的・機密的には見せたくない部分もあるでしょう。

それでもだいたい見せてくれる。感動です。

これからも勉強のために動画や記事、論文見ますよ!

Have a great life!

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