国際宇宙ステーションから紙飛行機を飛ばしたらどうなるのか？

国際宇宙ステーション(ISS)は平均高度400kmの宇宙空間を周回しており、その窓からは青い地球や広大な宇宙空間などを眺めることができます。そんな国際宇宙ステーションから、紙を折って作った「紙飛行機」を飛ばしたらどうなるのかという疑問について検証した結果を、東京大学大学院新領域創成科学研究科の鈴木宏二郎教授とベルテ・マックスミリアン助教が論文で発表しました。

Study on the dynamics of an origami space plane during Earth atmospheric entry - ScienceDirect
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0094576525004047

What if you Threw a Paper Airplane from the Space Station? - Universe Today
https://www.universetoday.com/articles/what-if-you-threw-a-paper-airplane-from-the-space-station

研究チームが発表した論文は、「Study on the dynamics of an origami space plane during Earth atmospheric entry(折り紙宇宙飛行機の地球大気圏再突入時の動力学に関する研究)」という題名です。

もしかすると、「宇宙空間には重力も空気もないし、紙飛行機を飛ばしたらどこまでもふわふわと飛んでいくのではないか」と思うかもしれません。しかし、国際宇宙ステーションが飛行している地球低軌道にはわずかですが空気抵抗が存在し、地球の重力も働いているため、紙飛行機はいずれ地球の大気圏に再突入してしまうとのこと。

そこで研究チームは、標準的なA4サイズの印刷用紙を折って紙飛行機を作り、これを国際宇宙ステーションから飛ばしたらどうなるのかをシミュレーションしました。

一見すると普通の紙飛行機に見えますが、より長く飛ぶように空気力学的なモデリングが行われているとのこと。

研究チームは紙飛行機のCADモデルを使ってシミュレーションを行いました。国際宇宙ステーションは高度約400kmで周回しているため、シミュレーションではこれと同じ高度から、国際宇宙ステーションの周回速度と同じ秒速7.8kmで紙飛行機を飛ばした場合を検証しました。

「秒速7.8kmで紙飛行機を飛ばしたら粉々になってしまうのではないか」と思うかもしれませんが、高度400kmの宇宙空間では大気の密度がかなり低いため、この速度で飛ばしても紙飛行機には大きな損傷が生じないとのこと。

しかし、物体が空気抵抗を克服して飛び続けられる能力の尺度であるBallistic Coefficient(弾道係数)が低いため、紙飛行機の高度は急速に低下します。研究チームのシミュレーションでは、紙飛行機は飛ばされてから約3.5日で、高度約400kmから約120kmまで降下することが示されています。また、高度約120kmに達した時点では空気密度が増加し、紙飛行機に回転が発生して制御不能な状態に陥るとみられます。

さらに、研究チームは東京大学柏キャンパスにある極超音速高エンタルピー風洞を用いて、紙飛行機を実際の大気圏突入環境と同じ空気抵抗にさらす実験も行いました。

風洞のサイズの関係で、実験には3分の1スケールの紙飛行機が用いられましたが、紙飛行機自体は普通のA4用紙で作成されたものでした。実験では、この紙飛行機をアルミニウム製の尾部に接続し、大気圏突入を模したマッハ7の風に約7秒間さらしました。

実験の結果、紙飛行機は先端が反り返ったもののバラバラに分解するということはなく、形を保ったまま7秒間耐えることができました。しかし、先端と翼の端には焦げた痕跡が確認され、より実験が長引いていたら紙飛行機は燃え尽きていただろうと示唆されています。

以下の写真が、実際にマッハ7の風を7秒間耐えきった紙飛行機です。先端が反り返って焦げ付いているのがわかります。

今回の研究結果は知的好奇心を満たしてくれるだけではなく、実際の観測ミッションにも応用できる可能性があります。宇宙関連メディアのThe Universeは、「地球観測ミッションにおいても、寿命終了時に大気圏再突入で完全に燃え尽きる軽量かつ安定したプラットフォームでデータ収集を行うことで、多くのメリットが得られるものがあります」と述べました。