宇宙ステーションから地球に向かって紙飛行機を飛ばすとどうなるの？

質問

昨日、友人と話をしていて結論が出なかった話題です。
宇宙ステーションから地球に向かって子供が作るような紙飛行機を射出したとすれば、紙飛行機はどうなるのでしょうか？
友人との話の中では　(1)大気圏で燃え尽きる　(2)大気圏で弾かれて地球には到達しない　(3)最終的には高速で地表に激突する　(4)フワフワと飛んで地上に軟着陸する　などの意見が出ましたが・・・
理由とともに回答の方、よろしくお願いいたします。

回答No.14

mazeran

vvicp様、間違いの指摘をありがとうございます。
このあたりのことについては、私も他人から聞いた話だったので、書いたものの自信はありませんでした。
４）はうなづけます。言いたかったことを書いていただいたような感じです。

それと私の書き方が悪くて、違った意味に取られてしまったようですが、「耐熱処理」と書いたのは、「もっとも高温に耐える処理」と言う意味の言葉でした。

結局、これだけ意見が割れると、結果は実験の結果を見ないとわからないですね。
自然は時として、人間の予想を上回る結果を出すことがありますからね。

ちょっと興味があってお邪魔したんですが、脱線しそうなので失礼します。
皆様、すみませんでした。

お礼

ご回答ありがとうございます。お礼が遅れすみませんでした。

回答No.13

masa2211

紙飛行機を射出する速度ですが、手で投げる場合は、せいぜい 秒速 40ｍ（時速150キロ。プロ野球のピッチャーの球速。）
一方、宇宙ステーションの速度。
スカイラブの場合で、秒速8キロ （8000m)、
秒速8キロに秒速40mを足しても引いても、7960～8040m/sであり、ほとんど変化なしです。
すなわち、宇宙ステーションの軌道と少し異なった軌道を回るが、どのみち、宇宙空間の軌道を回ることにはかわりない。
したがって、地球には到達しない。

まあ、それでも、何十年か後にはスカイラブのように大気圏に突入するとして、
紙飛行機が紙飛行機として飛べる高度は、どうみても成層圏まで。それ以上は空気が薄く、飛べないです。
一方、流星の発光高度は100ｋｍくらい。成層圏よりはるかに上空であり、
物体形状が飛行機かどうかなど、まるで意味を持たないでしょう。

よって、
本命：軌道が少しかわるだけ。地球の周りをまわりつづける。
対抗：紙飛行機の紙飛行機たる機能を発揮する前に燃えつきてしまう。
　　（注：紙飛行機は紙で作るのであり、チタン合金の薄板で作るのではないですよね？）
大穴：高速で地表に激突。（紙飛行機の形状をとどめない。炭の塊として激突。）

お礼

ご回答ありがとうございます。お礼が遅れすみませんでした。報道では秒速1.5ｋｍくらいになるようです。地表速度マッハ22相当→20に減速。

回答No.12

yyicp

＃６です．

何か議論が発散しつつありますが・・・
多少言いたいことを述べます．

１）再突入などの状況では，空力加熱は基本的に対流加熱で起こります．衝撃波によって高温になったガスが機体の周りを流れることによって生じる加熱です．摩擦によるはmazeranさんご指摘の通り，ごくわずか，具体的には全加熱の数％程度です．

２）しかしながら，衝撃波による圧縮は断熱圧縮ではありません．この点についてはmarezanさんは誤っています．衝撃波前後ではエントロピーが上昇しますので．

３）僕はやはりフワフワと降りてくると思います．＃６にも書きましたが，弾道係数，質量/（表面積×抵抗係数）が小さいからです．これは密度の小さい高高度で減速できることを意味しています．密度が小さいということはその領域では加熱が小さくなります．したがって空力加熱が厳しくなくなる軌道をとることができます．（紙飛行機とは違いますが，低弾道係数の飛行体としてはパラシュートが上げられます．ふわっと降りて来られますよね．）これはmarezanさんの意見と同じです．

４）極端なことを言うと，別に紙飛行機でなくても何を投げても弾道係数が小さくて，空力加熱の少ない軌道をとることができれば無事に地球に帰ってこられます．紙飛行機だと最後にグライダーのように滑空してくる可能性があるというだけで，再突入に関して特別有利ということはないと思います．「紙飛行機を投げる」というアイデアが今回ニュースとして取り上げられた要因だと思います．

お礼

ご回答ありがとうございます。お礼が遅れすみませんでした。

回答No.11

noname#58790

書いてあるから正解だとは言いません。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%96%AD%E7%86%B1%E9%81%8E%E7%A8%8B

Wikipediaは間違いの宝庫とも言えます。
あまりに馬鹿げた記載です。

また、
熱圏では分子数が少ないの気体の持つ２０００度のエネルギーと同じ熱質量に加熱を与える事は困難です。

全てに耐熱材が使用されています。
http://www.yomiuri.co.jp/features/shuttle/200508/img/sh20050805_04.gif

お礼

ご回答ありがとうございます。お礼が遅れすみませんでした。

回答No.10

mazeran

再びお邪魔します。

結局のところわからないからこうやって実験をするわけですので、現時点ではだれも正解を知らないわけです。
研究者の間でも意見は分かれています。

ただ普通に考えると、紙飛行機の持つエネルギーで空力加熱が起きるかどうかです。
ここで少し指摘を受けたので正しておきます。

「摩擦では熱は起こり得ない。」と断言はしていませんよ。
厳密には専門とは少し違うので「一般人」としていますが、関連した内容で研究してる者です。（学位もあるのですが・・・）
「摩擦」での発熱もありますが、大気圏突入時の発熱は、ほとんどが「空力加熱」と言われるもので、衝撃波が大きく影響しています。
スペースシャトルの温度分布を参考として出されていましたが、まさに断熱圧縮が引き起こす「空力加熱」です。
「断熱圧縮」の概念に間違いはありませんよ。
決して「摩擦」を主とした熱で発生する熱分布ではありませんよ。
一般に「摩擦で熱が発生する」と言うのはマスコミの間で作られた言葉だそうです。間違いではないですが、主たる原因ではありません。
ですので「適当」と言う言い方をしただけです。

シュリーレン写真やサーモカメラなどで見ると、極超高速飛行体の先端部分に発生した「衝撃波」により、発生した熱は輻射熱として機体の各部へ伝播します。熱容量の小さいところほど高温になるので、スペースシャトルの例をいただきましたが、先端部やエッジ部が高温となるのはそのためです。

燃え尽きるには膨大な運動エネルギーが必要です。紙飛行機がそこまでのエネルギーを持っているとは考えられないのですが。
ここらへんが現代科学技術の弱いところで、不安定、不確定な要素が入ると、たちまち議論が分かれてしまう。だから過信するとダメだと言うことです。
ただ宇宙から地上に達するまでの間に、「熱圏」と言うかなり高温の場所を通りますので、その熱で燃えてしまう可能性もあります。もちろん純粋な「紙」であれば。

（２）の弾かれるというのも、持っているエネルギーから見てもなさそうな感じです。結果はどうかわからないですが。
やはり私は（４）だと思います。

ちなみにザッと調べたところ、スペースシャトルは「空力加熱」を考慮して、「腹」の部分に耐熱処理をしたと言う資料が出てきました。
専門分野ではなかったのですが、私の物理学の理論がどうやら正しかったことがわかり、質問者様に迷惑をかけることがなく、安堵のため息が出ました。

お礼

ご回答ありがとうございます。お礼が遅れすみませんでした。

回答No.9

noname#58790

＞断熱圧縮によって熱が発生すると考える方が適当だと思います。

摩擦では熱は起こり得ない。
発熱は断熱効果のみで物理的な作用を起こすと言う考え方は
間違いです。

http://www.nmij.jp/mprop-stats/baba/Image11.gif
エッジが最高温です。

また、断熱圧縮の概念は根本的に間違っています。
http://www.manabi.pref.aichi.jp/general/01120349/0/situdo/kumo/dannetu.htm

シャトルだけを例に取っていますが、球体、流線型であれば
殆ど加熱しない。
地表まで到達出来る。
と言う事になってしまいます。

これは、エネルギーが全て熱に変換するかどうかの違いでしかありません。

＞実質１個の分子は８ｋｍ/ｓで激突する。
圧力は高まるでしょうね。
考える要もありません。

制御はいつも理想的に行われる。
こう言う想定の下でタイルや断熱は考えるものなのでしょうか？

もう少し、物理学に則って話を進めた方が良いと思います。
物理の基礎の指摘を受けるのが嫌なら勉強する以外に手段はあろいません。

お礼

ご回答ありがとうございます。お礼が遅れすみませんでした。

回答No.8

mazeran

大気圏突入時、空気との摩擦で・・・
とよく言われますが、「摩擦」で燃え尽きるほどの高温が発生するのであれば、スペースシャトルはなぜ耐熱タイルが全面に貼られていないのでしょうか。

私は「摩擦」で熱が発生するよりも、「断熱圧縮」によって熱が発生すると考える方が適当だと思います。

慣性質量の大きな物体が、秒速１０ｋｍ近いスピードで大気圏に入ると、希薄な空気では抵抗も少ないため速度はあまり減速されず、スペースシャトルで言えば「腹」を下にして突入するので、「ディーゼルエンジン」と同じで空気が圧縮されて高温になるから、「腹」の部分しか耐熱タイルが貼られていないのだと思います。
「摩擦」で熱が発生するのであれば、機体全体が「摩擦」を起こしているので耐熱タイルは全面に貼る必要があると思います。

「断熱圧縮」での熱であれば、「紙飛行機」は発生することは考えられないと思います。なにせ質量が小さすぎるので、たかだか数グラムの質量で表面積の大きな紙飛行機が、いくら秒速１０ｋｍ近くの速度で大気圏へ入ってきても、空気を圧縮するほどの「慣性力」はないし、逆に「抵抗」の方が大きいので、ただちに減速してしまうのではないでしょうか。

流れ星になる「塵」も軽いですが、紙飛行機ほどの「抵抗」を受けないので燃え尽きるのではないでしょうか。

なので私は、紙飛行機は質量のわりに表面積が大きいので、「断熱圧縮」による熱の発生はなく、どのような姿勢で大気圏へ突入したにせよ、「抵抗」が勝りフワフワと落ちてくる。
つまり(4)が私の回答です。

お礼

ご回答ありがとうございます。お礼が遅れすみませんでした。無事地上に軟着陸することを願っています。

回答No.7

noname#58790

元々秒速８ｋｍ程の運動エネルギーを持っているので無理だと思う。
物理的にはｍｇｈで機体は高い位置エネルギーを保有している。

これらを空気抵抗で消費せねばならない。

（運動エネルギー＋位置エネルギー）＝空気抵抗＝J

実質１個の分子は８ｋｍ/ｓで激突する。

お礼

ご回答ありがとうございます。お礼が遅れすみませんでした。10％減速するので、徐々に高度を下げてと大気圏に突入し・・・と言うことになるのでしょうね。

回答No.6

yyicp

うまくやれば
(4)フワフワと飛んで地上に軟着陸する
と思います．

紙飛行機は質量が小さいので，重力よりも大気抵抗の影響の方が大きいので，ものすごいスピードにはならず，最終的にはふわっと降りてくると思います．空気力学の言葉を使うと「弾道係数が小さい」ということになります．

初期の減速に仕方についでですが，もともと紙飛行機は宇宙ステーションの軌道上(高度400km)に居るので7.7km/sぐらいで回っています．そこから逆向きに手で投げると軌道速度より減速するために徐々に高度を下げます．すると，大気が濃くなるのでさらに大気抵抗の影響を受けてまた減速するというのを繰り返して最終的に地球に到達します．

宇宙ステーションの高度でも十分大気抵抗の影響がある（→事実宇宙ステーションは定期的に燃料を吹いて高度を上げています．外っておくと宇宙ステーションは落下します）ので，そこから紙飛行機を投げても十分減速して帰ってこられるような気がします．ただ，どれくらい時間がかかるかは計算しないとわからないでしょう．

ちなみに紙飛行機は軌道上の進行方向と逆向きに投げるわけですが，機首はもちろん軌道上の進行方向を向いています．通常の紙飛行機を投げるときとは飛行機の向きが逆ということです．

お礼

ご回答ありがとうございます。お礼が遅れすみませんでした。なるほど、減速なので、射出方向もその向きになりますね。

回答No.5

noname#70690

このことでしょうか・・・

参考URL：

http://www.asahi.com/science/update/0117/TKY200801170284.html