TECHNOLOGY EXPLAINER
宇宙機の熱制御
― 真空では熱は放射でしか逃げない。塗料・断熱材・放熱器・ヒートパイプで温度を保つ
「宇宙は寒いから、冷やす必要はない」と思っていませんか。実は逆で、真空では空気がなく、熱は放射と伝導でしか動きません。電子機器の熱は、思ったより逃げにくいのです。そのため宇宙機は、表面の塗料やフィルム、多層断熱材、放熱器、ヒートパイプ、ヒーターを組み合わせて、部品を使える温度の範囲に保ちます。 この記事は、宇宙工学を知らない素材技術者に向けて、熱の出入りの考え方、表面の材料(吸収率と放射率)、放熱器と断熱材の効き方、熱の通り道の「関所」、評価の物差しを、公的資料の数字と小さな計算で説明します。地上の熱材料の基礎は、本シリーズ「熱制御材料と放射冷却」編に譲り、ここでは宇宙に固有の内容に集中します。
- 3行でわかる/読む前に知っておくこと/シリーズの中での位置
- 熱は「出入りの釣り合い」で決まる
- 表面の材料:太陽光吸収率 α と放射率 ε
- 放熱器:熱を宇宙へ捨てる
- 多層断熱材(MLI):熱を止める「毛布」
- 熱の通り道:伝導と「関所」
- 熱を運び、切り替える:ヒートパイプ・熱スイッチ
- 電力を使う熱制御:ヒーターと冷却
- 小型衛星の熱制御:MLI を入れる余地がない
- 限界と、確認できなかったこと
- 評価・標準の読み方
- 用語集/参考資料/出典対応表
事実=公表資料に記載のある内容(出典リンクあり)
本稿の計算=明示した前提をもとに本記事が算出した値
未確定/将来=計画・草案・改訂中など、確定していない事項
このほか、素材分野への読み取りは「解説」として区別しています。推測は太字で示します。たとえ話には、必ず「たとえの限界」を書きます。
第3〜6章の放熱量・熱流・温度差は、本稿が計算した説明用の値で、実在の宇宙機の設計値ではありません(地球の熱、日射の角度、継ぎ目などを含めていません)。塗料やフィルムの吸収率は、メーカーの代表値(寿命の始まりの値)と、地上試験や飛行実験の報告の値で、寿命の終わりには変わります。規格は題名・適用範囲・状態の確認にとどめ、この分野は変化が速いため確認日(2026年10月17日)を付けています。
1. 3行でわかる/読む前に知っておくこと/シリーズの中での位置
- 宇宙機の温度は、熱の出入りの釣り合いで決まる:日射、地球からの反射光と赤外線、機器の発熱が入り、放射で出ていきます。真空には対流がないので、熱は放射と伝導でしか動きません事実[参考資料1]
- 鍵は表面と断熱と放熱の材料:表面の塗料・フィルムの吸収率 α と放射率 ε、多層断熱材(MLI)の実効放射率、放熱器の面積が、温度を決めます。例えば、吸収率が0.05上がると、日射を受ける放熱器の正味の放熱は約4割減る計算になります本稿の計算
- 小型衛星では、MLI を入れる余地がないことが多い:NASA の報告は、CubeSat では熱の解決を「コーティングの問題」として解くことが多いと書きます。熱は、電子部品から放熱面までの伝導の道(ボルトの接触を含む)でも決まります事実[参考資料1]
前提知識はありません。「熱容量」「放射」などの言葉は出てきたときに説明します。地上の熱伝導率・熱スイッチ・放射冷却(大気の窓を使うもの)の基礎は、本シリーズ「熱制御材料と放射冷却」編で扱っています。宇宙では大気の窓は関係せず、放熱器が「宇宙・地球・太陽」のどれを見ているか、が問題になる点が違います。
先に「宇宙環境と材料への影響」編(真空・温度変化の全体像)と「人工衛星の構造と小型衛星」編を読むと分かりやすくなります。MLI に使うポリイミドの宇宙での劣化は「宇宙用ポリイミド」編、熱をためる・流す材料の基礎は「熱制御材料と放射冷却」編、熱電冷却は「熱電変換材料」編で扱っています。
2. 熱は「出入りの釣り合い」で決まる
宇宙機は、地上のように空気で冷やされません。どうやって温度が決まるのでしょうか。答えは、入ってくる熱と、出ていく熱が釣り合う温度に落ち着く、です。NASA の報告は、釣り合いの式を次のように書いています。入るのは、日射、惑星で反射した日射(アルベド)、惑星の赤外線、機器自身の発熱。出るのは、放射で宇宙へ逃げる熱。差はためられます(熱容量)事実[参考資料1]。
元のSVG・数値・出典を確認する
元SVGの説明:概念図(ベクター作図)。宇宙機の熱の出入り。式と項の名前は NASA の報告[参考資料1]によるもので、矢印の太さは大きさを表しません。日射は地球の軌道で約1,361 W/m²(NASA の地球ファクトシート)、地球のボンドアルベドは0.294です[参考資料6]。
日射の量は、太陽に面した表面に1 m² あたり約1,361 W です事実[参考資料6]。地球は、その約29 %(ボンドアルベド 0.294)を反射します。この中で、材料が決められるのは2つの数字です。表面が日射をどれだけ吸うか(太陽光吸収率 α)と、赤外線としてどれだけ熱を捨てるか(放射率 ε)です。
宇宙の背景は冷たいのですが、熱を運ぶ空気がありません。真空では、熱は放射と伝導でしか動かないため、機器の熱は、放熱面まで伝導で運び、そこから放射で捨てるしかありません事実[参考資料1]。さらに、日向では日射で温まり、日陰では冷えます。宇宙機の熱制御は、「冷やす」「温める」「温度の振れを抑える」の3つの仕事です。
3. 表面の材料:太陽光吸収率 α と放射率 ε
熱の出入りのうち、外の世界とのやり取りは表面で起きます。NASA の報告は、熱の解析では、熱の波長を、日射の波長帯(3 µm より短い)と赤外線の波長帯(3 µm より長い)の2つに分けて扱う、と書きます。日射をどれだけ吸うかが α、赤外線をどれだけ捨てるか(と、地球などからの赤外線をどれだけ吸うか)が ε です事実[参考資料1]。
では、α と ε の組み合わせで、何ができるのでしょうか。NASA の報告は、次のように整理しています。つや消しの黒い塗料は、α も ε も大きく、日射を吸い、熱も捨てます。つや消しの白い塗料は、α が小さく ε が大きいので、日射を反射し、熱を捨てるため、放熱器に向きます。銀を蒸着したFEP のテープ(裏面の銀で日射を反射する「セカンドサーフェス」の構造)も、放熱器に優れます。
透明なフィルム(FEP など)の裏に銀を蒸着し、日射がフィルムを通り抜けて銀で反射する構造です。表側が透明なフィルムなので、赤外線はフィルムが放射し、日射は銀が反射する、という役割分担ができます。放熱器にとって理想の「α 小さく、ε 大きく」を作ります。たとえの限界:フィルムは宇宙で劣化します。透明さを保てなければ、α が上がります(次の項)。
寿命の始まり(BOL)と終わり(EOL)は別の数字
ここで、素材技術者が最も気をつけたいのは、カタログの α は寿命の始まりの値だということです。NASA の報告は、コーティングは低軌道では原子状酸素、高い軌道では紫外線や宇宙線で暗くなり、α が上がる、と書きます。熱の解析では、寿命の始まり(BOL)の値は低温側の見積りに、終わり(EOL)の値は高温側の見積りに使い、BOL の値を EOL の計算に使ってはいけない、とも書いています事実[参考資料1]。
白い無機塗料 Z-93(酸化亜鉛の顔料とケイ酸カリウムの結合材)では、次のような報告があります。
| 条件 | α の変化 | 出典の記述 |
|---|---|---|
| 寿命の始まりの値 | α = 0.150、ε = 0.920 | 厚さ0.15 mm 以上で得られる代表値。低軌道の紫外線と原子状酸素の同時試験(原子状酸素 7.2×10²⁰ 原子/cm²、8,000等価太陽時間)の後も、0.150 と 0.920 のまま変わらなかった |
| 紫外線だけ | +0.010(800 ESH)、+0.028(5,000 ESH) | 赤外の放射率は変化なし |
| 紫外線+電子線+陽子線(高度1,375 km・傾斜85°で12年を模擬) | +0.022(Z-93P) | 紫外線のみでは+0.011〜0.013。空気中での回復はなかった |
| 紫外線+電子線(Z-93) | +0.044〜0.050 | 劣化は最初に大きく、約2,000 ESH で頭打ちになる傾向 |
| AZ-93(MLP-300 プライマー)の軌道上 | 測定できる変化なし | ミールの237日、ISS の MISSE で3.956年の曝露 |
| 月周回機 Lunar Orbiter V の飛行データからの見積り | 約+0.06 | 汚染の不確かさあり。10年規模の月環境の目安 |
すべて事実(Jaworske ら、NASA/TM—2008-215173[参考資料2])。条件・試験機関・材料の版が違う値で、並べて優劣をつけるものではありません。
別の報告(NASA の ISS の熱制御材料の汚染・紫外線・原子状酸素の試験)は、Z-93 が真空紫外線で暗くなり、原子状酸素で漂白されるが元の明るさまでは戻らず、シリコーン(RTV)や Tefzel のアウトガスによる汚染のあるものは、より暗くなったと要旨に書いています事実[参考資料3]。つまり、アウトガスは「汚染して α を上げる」形で、熱制御にも跳ね返ります(本記事による解説)。
地上の塗料やフィルムは、出荷時の色と反射率で評価しがちです。宇宙では、同じ塗料が、紫外線・粒子線・原子状酸素・汚染で、α が0.05程度(Z-93 の例)上がります。その0.05が、日射を受ける放熱器の放熱を約4割減らす(第4章)ことを考えると、材料の評価は「劣化後の α」で決まります。MLI の外側のポリイミドが紫外線で暗くなること(「宇宙用ポリイミド」編)も、同じ話です(本記事による解説)。
4. 放熱器:熱を宇宙へ捨てる
放熱器は、熱を放射で宇宙へ捨てるための面です。NASA の報告は、放熱器を、赤外の放射率が高く、日射の吸収率が低い面(「放熱器の性質」)と説明します事実[参考資料1]。では、1 m² の放熱器は、どれくらい熱を捨てられるでしょうか。放射の法則(ステファン・ボルツマンの法則)で、面が放つ熱は ε × σ × T⁴ です(σ は 5.670×10⁻⁸ W/m²K⁴、T は温度[K])事実[参考資料7]。
日陰で、背景を0 K と仮定すると、ε × σ × T⁴ = 0.92 × 5.670×10⁻⁸ × 293⁴ ≒ 385 W/m² を捨てられます。日射が真上から当たると、吸収する熱 α × 1,361 W/m² を差し引いた分が正味です。α = 0.15(Z-93 の寿命の始まり)なら 385 − 204 ≒ 180 W/m²、α = 0.20(吸収率が0.05上がった場合)なら 385 − 272 ≒ 112 W/m² です。吸収率が0.05上がると、正味の放熱は約38 %減ります。100 W を捨てるのに必要な面積は、日陰で約0.26 m²、α=0.15 の日向で約0.55 m²、α=0.20 の日向で約0.89 m² です本稿の計算。
前提と限界:放熱器は一様に293 K、背景は0 K、裏面は断熱、地球のアルベドと赤外線は含めない単純化です。実際は、放熱器の向きを、日射が当たらない向きに選ぶことが、最も効く設計です。
放熱器の性能は、塗料の α と ε(材料)、向き(日射・地球の見え方)、面積の積で決まります。素材だけで解決しようとすると、α を下げ続けることになりますが、α は寿命とともに上がります。NASA の報告は、向きを変えて放熱器を宇宙に向けることが、他の方法と併用されると書いています事実[参考資料1]。設計の自由度が小さい小型衛星では、表面材料の選択が、そのまま熱設計の大部分を占めます(本記事による解説)。
5. 多層断熱材(MLI):熱を止める「毛布」
放熱器とは逆に、熱を出入りさせたくない部分には、多層断熱材(MLI)を巻きます。NASA の報告は、MLI を、IR の放射率が低い薄い材料の内側の層(普通10〜20枚)と、丈夫な外層でできていると説明します。反射する層の数が、放射の熱の通りを制限します。層は、エンボス加工をするか、薄い網(ネット)と交互に重ねて、層の間の伝導を抑えます。たまった気体が逃げるよう、穴をあけることもあります。MLI は、日射や赤外線の流入を防ぎ、不要な放熱も防ぎます事実[参考資料1]。
実際の MLI の構成の例は、「宇宙用ポリイミド」編の第6章にあります。LDEF に載った MLI は、厚さ0.076 mm の外層と、0.0076 mm の両面アルミ蒸着 Kapton 15層を、ポリエステルのネットで隔てた構成でした事実[参考資料10]。
MLI の効きは、実効放射率 ε*(MLI 全体を、1つの面のようにみなしたときの放射率)で表します。NASA Goddard の論文は、熱解析で MLI を、面積と ε* の積で結んだ放射の結合として扱い、ε* は歴史的な試験データから導く値で、典型的に0.001〜0.1の範囲と述べています事実[参考資料4]。この ε* を使い、293 K の面から0 K の背景へ逃げる熱を ε* × σ × T⁴(σT⁴ ≒ 418 W/m²)で計算すると、ε* = 0.1 で約42 W/m²、0.01 で約4.2 W/m²、0.001 で約0.42 W/m² です。むき出しの黒い面(ε=0.9、説明用の仮定)は約376 W/m² なので、約9分の1、約90分の1、約900分の1になります本稿の計算。
前提と限界:ε* で表す単純なモデルで、継ぎ目、端、取り付け、貫通部の影響を含みません。
NASA の報告は、MLI は繊細で、圧縮されると性能が大きく落ちる(熱的な「ショート」)、小さい毛布ほど縁からの熱の通りが効いて効率が下がり、取り付け方も熱の通り道を作る、と書きます。そのため、CubeSat のように、放出機にぴったり入る衛星の外側には、MLI は向きません事実[参考資料1]。JPL の報告は、推進剤配管用の MLI の実効放射率が、主に工作のばらつきのために大きくばらつき、それが配管の温度の最大の要因になっていると述べています事実[参考資料5]。
MLI の材料(アルミ蒸着のフィルム、ネット)は規格品でも、毛布としての ε* は、縫い目、層の圧縮、取り付けで桁が動きます。JPL の報告のとおり、ばらつきの主因が工作なら、材料の改良だけでは ε* は安定しません。素材から見ると、MLI は「フィルムの性能」でなく「層の間の接触を作らない手順」の製品で、手順の再現性と、検査で確かめる工夫が価値になります(本記事による解説)。また、ハッブル宇宙望遠鏡の MLI の外層(アルミ蒸着テフロン FEP)は、約19年でもろくなりました事実[参考資料11]。外層の寿命は、MLI 全体の寿命になりえます。
6. 熱の通り道:伝導と「関所」
衛星の内部は、真空ですが、熱はおもに伝導で動きます。NASA の報告は、密閉された小型衛星の内部は伝導の熱移動が支配的で、外部との熱のやり取りは放射が担う、と書きます事実[参考資料1]。電子部品の熱は、基板、ボルト、筐体、放熱面と、固体を伝わって運ばれます。この道の途中に「関所」があります。部品どうしの接触面です。
NASA の報告のボルトの熱コンダクタンスの目安は、ねじのサイズで 0.21〜3.51 W/K(硬い面・小さい接触)、0.105〜1.054 W/K(大きく薄い面)です事実[参考資料1]。例えば 4-40 のねじ4本で10 W を通すと、硬い面で約9.6 K、大きく薄い面で約19 K の温度差がボルトの接触だけで生じ、10-32 のねじなら約1.9 K と約4.7 K です本稿の計算。前提と限界:表の値は設計の目安で、接触面・トルク・仕上げで変わります。
金属の熱伝導率は高いのに、部品と筐体の間の接触が、熱の流れを大きく制限します。NASA の報告は、接触の熱伝導を上げる手段として、熱界面材料(シート、グリス)、導電性のガスケット、基板の銅層を厚くする設計を挙げ、熱ストラップには銅やアルミだけでなく、高熱伝導の黒鉛(熱分解黒鉛シートなど)が使われ、同じ形状のアルミ・銅・黒鉛の熱ストラップの比較では、黒鉛の熱コンダクタンスが高い、と書いています事実[参考資料1]。素材から見ると、宇宙機の熱管理は「高熱伝導の材料」と同じくらい「界面の材料と締結の設計」の仕事です(本記事による解説)。
7. 熱を運び、切り替える:ヒートパイプ・熱スイッチ
熱を遠くへ運びたい、あるいは寒いときは熱の道を閉じたい、というときに、道具が増えます。NASA の報告の、熱制御の道具箱を整理します。
元のSVG・数値・出典を確認する
元SVGの説明:概念図(ベクター作図)。NASA の報告が整理する、受動(電力を使わない)と能動(電力を使う)の熱制御技術。右下の囲みは報告の記述の要点です。
ヒートパイプのしくみ
ヒートパイプは、金属の容器に液体と、多孔質のウィック(毛細管の構造)を入れた、電力のいらない装置です。熱が加わった端で液が蒸発し、蒸気が冷たい端へ動いて凝縮し、液はウィックの毛細管現象で熱い端へ戻ります事実[参考資料1]。
元のSVG・数値・出典を確認する
元SVGの説明:概念図(ベクター作図)。ヒートパイプのしくみ(NASA の報告の説明)と、熱を切り替える部品の数字。数字は条件の違う別々の出典の値で、並べて優劣をつけるものではありません。
NASA の報告は、従来の定コンダクタンスのヒートパイプを、2001年に打ち上げられた92 kg の衛星 BIRD が、衛星の区画をつなぐのに使った例、JAXA が開発した平板ヒートパイプの軌道上実験(FOX)を、2012年に打ち上げられた50 kg の SDS-4 が搭載した例として挙げています。熱スイッチ(熱の通りを強弱に切り替える部品)の熱伝導の比は、一般に10:1で、技術目標は100:1です事実[参考資料1]。LDEF では、アンモニアを使った可変コンダクタンスヒートパイプの実験が、少なくとも45日間、設定温度の±0.3 ℃以内を保ちました事実[参考資料10]。
8. 電力を使う熱制御:ヒーターと冷却
日陰の間に冷えすぎると困る部品(特に電池)には、ヒーターが使われます。NASA の報告によると、小型衛星で最も多いのは Kapton ヒーターで、ポリイミドのフィルムにエッチングした金属箔の回路を作り、電流で熱を出します。圧力で貼れる粘着剤(PSA)つきのものが多く、温度センサーや温度スイッチで制御し、電池など温度範囲の狭い部品を温めます。TRL は低軌道で7〜9です事実[参考資料1]。NASA のアウトガスデータベースにも、用途が「ヒーター」の Kapton 製品の記録(1974年、記録 GSFC06212)があります[参考資料13]。
- ヒーターの限界:表の製品では、粘着剤つきのポリイミドヒーターの上限が149 ℃程度(粘着剤の制約)と、メーカーの資料に書かれています(メーカー公称)。1U の CubeSat の Compass-1 などは、日陰の間の電池のためにヒーターを使いました事実[参考資料1]。
- 熱電冷却(TEC):電流で局所を冷やす固体の熱ポンプで、可動部がなく静かですが、130 K 以下では効率が低く、機械的にもろく熱膨張の応力に敏感、と NASA の報告は書きます事実[参考資料1]。材料としての熱電変換は、本シリーズ「熱電変換材料」編で扱っています。
- 極低温冷凍機・流体ループ:赤外センサーの冷却などに使われますが、小型衛星では電力・質量・体積の制約が大きく、まだ新しい概念と、報告は述べています事実[参考資料1]。
9. 小型衛星の熱制御:MLI を入れる余地がない
小型衛星は、熱の面でも特有の難しさがあります。NASA の報告は、熱容量が小さく、環境の変化に敏感に反応すること、外表面の面積が限られ、太陽電池・放熱面・窓の場所の取り合いになること、体積が小さく、部品が熱的に結合しやすいこと、電力が限られること、電子機器が密に積まれて放熱面への直接の道がないことがあること、をまとめています事実[参考資料1]。
実例として、九州工業大学の Ten-Koh(高度約600 km)では、CF/PEEK の試料の温度が各周回でおおよそ −40〜20 ℃、近くの太陽電池パネルのセンサーが上限50 ℃・下限 −45 ℃でした事実[参考資料12]。小型衛星では、NASA の報告のとおり、多くの場合、MLI の代わりに、シルバー FEP などの接着テープや、陽極酸化、アロジン処理などの標準の表面仕上げが選ばれてきました。BioSentinel(6U、2022年に Artemis I で打ち上げ)は、メタライズドテープとセカンドサーフェスの銀 FEP テープで表面の放射の性質と熱の釣り合いを制御し、Picard(150 kg)は、太陽に向ける面に白い塗料を使いました事実[参考資料1]。
小さい衛星ほど、熱容量が小さく、温度が速く振れ、電子機器が密集して熱が逃げにくくなります。NASA の報告が挙げる難しさは、むしろ小型衛星に集中しています。熱の問題は、小さくなっても減りません。
10. 限界と、確認できなかったこと
- 大型衛星・探査機の熱制御:この記事は、NASA の小型衛星の報告と、材料の報告が中心です。静止衛星の大型の放熱器、ループヒートパイプ、探査機の熱防御、有人機の流体ループなどの一次情報は扱っていません
- 赤外の放射率の数値:図3の表(NASA の報告の表7-4)は α(寿命の始まり)のみで、ε は載っていません。Z-93 の ε(0.92)以外は、本稿では扱っていません
- MLI の実効放射率:範囲(0.001〜0.1)は NASA Goddard の論文の記述で、個別の製品の ε* の測定値は、本稿では確認できませんでした
- 寿命の終わりの値:図3の α は寿命の始まりの代表値です。各材料の寿命の終わりの値は、材料・軌道・期間で異なり、本稿では Z-93 の例のみ扱いました
- 計算:放熱器・MLI・ボルトの計算は、単純化した式による説明用の値で、実在の機体の温度の予測ではありません
- 標準の本文:ISO 15104(有料)、ECSS の各標準の本文の要求は確認していません
- ASTM:ASTM のサイトは開いていません
11. 評価・標準の読み方
熱制御の材料と設計は、「地上で測った数字」と「宇宙の条件での解析」を組み合わせて評価します。ものさしは、①表面の光学特性(α、ε)とその劣化、②MLI の実効放射率、③熱の通り道の接触熱抵抗、④熱真空環境での温度(熱真空試験・熱平衡試験)、⑤熱サイクルに耐えるか、⑥放熱の解析モデルの妥当性、です。これらは試験条件と解析モデルの前提の上での値で、軌道上の温度を直接保証するものではありません。
| 評価項目 | 代表的な試験・評価手法(名称・出典) | 標準・指針(ECSS・ISO・NASA など) | 読み方の注意 |
|---|---|---|---|
| 熱制御の要求全般 | 設計・解析・製造・検証・運用(熱制御系の一連の要求)事実[参考資料8] | ECSS-E-ST-31C "Thermal control"(2008年11月15日)[参考資料8] | どの要求を適用するかは契約で決まる。本文は未確認 |
| α と ε の測定 | 分光器による太陽光吸収率、赤外の放射率の測定法事実[参考資料15] | ECSS-Q-ST-70-09C "Measurements of thermo-optical properties of thermal control materials"(2008年)[参考資料15] | 測るのは「その時点の」値。劣化後の値は照射試験のあとに測り直す |
| 環境試験(粒子線・紫外線・原子状酸素・熱サイクル) | 地上の模擬照射と、前後の光学特性の測定事実[参考資料2・3] | ISO 15104:2025 "Space systems — Environmental testing for spacecraft thermal control materials"(熱制御材料の地上試験。2025年1月)[参考資料19]。ECSS-Q-ST-70-06C "Particle and UV radiation testing for space materials"(2008年)[参考資料17] | 地上試験は、軌道上の複合環境とは違う。ISO 15104 の本文は未確認 |
| 熱サイクル(真空) | 真空で温度変化をくり返し、接着・コーティング・金属化フィルムの耐性を見る試験事実[参考資料14] | ECSS-Q-ST-70-04C "Thermal testing for the evaluation of space materials, processes, mechanical parts and assemblies"(2008年)[参考資料14] | 本文の温度・回数は確認していない |
| コーティングの耐久 | コーティングの評価・認定・受入の試験の種類を分けて定める | ECSS-Q-ST-70-17C "Durability testing of coatings"(2018年2月1日)[参考資料16] | 塗料・金属蒸着・光学コーティングが対象。本文は未確認 |
| アウトガス(汚染) | NASA Goddard のデータベース、125 ℃・24時間の試験[参考資料13] | ECSS-Q-ST-70-02C(RML < 1.0 %、CVCM < 0.10 %)[参考資料18] | 出たガスは、光学面・放熱面に付いて α を変えうる(第3章) |
| 熱真空・熱平衡の試験 | 真空槽で、太陽を模した熱環境と温度を測る試験(概念図の例) | ECSS-E-ST-10-03C Rev.1 "Testing"[参考資料21]。GSFC-STD-7000 GEVS(版 B、2021年。NASA の必須の標準ではない)[参考資料20] | 試験の条件は、解析モデルの検証に使う。本文は未確認 |
| 熱解析データの交換 | 熱解析モデルを、ソフトウェア間で交換するためのプロトコル | ECSS-E-ST-31-04C "Exchange of thermal analysis data"(2018年。STEP-TAS プロトコルの要求)[参考資料9] | 材料の標準ではなく、解析ソフトの標準 |
表の整理は本稿の計算(本記事による並べ替え)。規格の番号・題名・状態は、ECSS・ISO・NASA の公式ページで確認(確認日 2026年10月17日)。ISO 規格の本文は有料のため、題名・適用範囲の確認にとどめています。ASTM のサイトは開いていません。
読み方の注意(素材技術者向け)
- 寿命の始まりの値と、終わりの値は別です:カタログの α は、寿命の始まりの値です。冷たい側の見積りには BOL、熱い側には EOL を使う、と NASA の報告は書きます
- 地上試験と軌道上の実績は別物です:白い塗料の地上の照射試験と、ミールや ISS の飛行データは、結果が違うことがあります(Z-93 の例)
- 標準は「推奨」か「要求」かを確認します:ISO 15104 は試験の方法の標準、ECSS は契約で適用されると要求になります
- 解析モデルの前提を読みます:実効放射率 ε* のような簡略化は、継ぎ目・端・工作で外れます(JPL の報告)
12. 用語集
- 熱容量
- 温度を1 K 上げるのに必要な熱。大きいほど温度が変わりにくい。
- アルベド
- 惑星が日射を反射する割合。地球のボンドアルベドは0.294。
- 太陽光吸収率 α
- 表面が日射をどれだけ吸収するか(0〜1)。
- 放射率 ε
- 表面が赤外線としてどれだけ熱を放つか(0〜1)。
- ステファン・ボルツマンの法則
- 面が放つ熱は εσT⁴。T は絶対温度。
- 放熱器(ラジエーター)
- 熱を放射で宇宙へ捨てる面。α が小さく ε が大きい。
- セカンドサーフェスミラー
- 透明なフィルムの裏に銀などを付け、日射を裏で反射する構造。
- OSR
- Optical Solar Reflector。ガラスに銀などを付けた、日射を反射する放熱面の材料。
- BOL/EOL
- 寿命の始まり/終わり。表面の光学特性は、EOL で劣化している。
- ESH
- 等価太陽時間。紫外線の量を、太陽に何時間当たったかで表したもの。
- MLI
- Multi-Layer Insulation。反射する薄い層を重ねた断熱の毛布。
- 実効放射率 ε*
- MLI 全体を1つの面とみなしたときの放射率。0.001〜0.1の範囲と報告される。
- 熱ストラップ
- 銅・アルミ・黒鉛でできた、柔らかい熱の橋。
- 熱界面材料(TIM)
- 部品の間に入れて、熱の通りを良くするシートやグリス。
- 接触熱コンダクタンス
- 接触面を熱がどれだけ通りやすいか(W/K)。
- ヒートパイプ
- 液体の蒸発と凝縮で熱を運ぶ、電力のいらない装置。
- ウィック
- ヒートパイプの中の多孔質の構造。毛細管現象で液を戻す。
- VCHP
- 可変コンダクタンスヒートパイプ。熱の通りを自動で変える。
- 熱スイッチ
- 熱の通りを強い結合と弱い結合で切り替える部品。
- PCM(相変化材料)
- 溶ける・固まるときの熱を使って、温度の変化をならす材料。
- TEC
- 熱電冷却素子。電流で局所を冷やす固体の熱ポンプ。
- 熱真空試験
- 真空槽の中で、宇宙を模した温度環境にさらす試験。
- ECSS
- European Cooperation for Space Standardization。欧州の宇宙標準化の協力組織。
13. 参考資料(一次情報)
- NASA(Small Spacecraft Systems Virtual Institute) "State-of-the-Art of Small Spacecraft Technology" 第7章 Thermal Control(2026年版。確認日 2026年10月17日) — nasa.gov/smallsat-institute/sst-soa/thermal-control/
- Jaworske D. A., Kline S. E.(NASA Glenn) "Review of End-of-Life Thermal Control Coating Performance", NASA/TM—2008-215173(2008年4月) — ntrs.nasa.gov/citations/20080018585
- Visentine J., Finckenor M., Zwiener J., Munafo P. "Effects of Contamination, UV Radiation, and Atomic Oxygen on ISS Thermal Control Materials"(2001年。要旨のみ確認) — ntrs.nasa.gov/citations/20010084631
- Peabody H. L., Evans C.(NASA Goddard) "Alternate Approach to Multi-Layer Insulation Modeling to Reduce Node Count", ICES-2023-77(2023年7月) — ntrs.nasa.gov/citations/20230005990
- Miller J. R. ほか(JPL) "MLI Blanket Effective Emittance Variance and Its Effect on Spacecraft Propellant Line Thermal Control"(要旨のみ確認) — ntrs.nasa.gov/citations/20190025589
- NASA NSSDC "Earth Fact Sheet"(太陽の放射照度 1361.0 W/m²、ボンドアルベド 0.294、GM。確認日 2026年10月17日) — nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html
- NIST "Stefan-Boltzmann constant"(5.670 374 419… ×10⁻⁸ W/m²K⁴) — physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?sigma
- ECSS ECSS-E-ST-31C "Thermal control"(2008年11月15日) — ecss.nl/standard/ecss-e-st-31c-thermal-control/
- ECSS ECSS-E-ST-31-04C "Exchange of thermal analysis data"(2018年2月1日) — ecss.nl/standard/ecss-e-st-31-04c-exchange-of-thermal-analysis-data-1-february-2018/
- Smith C. A., Hasegawa M. M., Jones C. A.(McDonnell Douglas Aerospace) "Space Station WP-2 application of LDEF MLI results", LDEF Materials Results for Spacecraft Applications(NASA Marshall、1993年12月の会議論文) — ntrs.nasa.gov/citations/19940026511
- de Groh K. K. ほか "Analyses of Hubble Space Telescope Aluminized-Teflon Multilayer Insulation Blankets Retrieved After 19 Years of Space Exposure"(2015年) — ntrs.nasa.gov/citations/20150002706
- Abdullah F., Okuyama K., Fajardo I., Urakami N.(九州工業大学) "In Situ Measurement of Carbon Fibre/Polyether Ether Ketone Thermal Expansion in Low Earth Orbit", Aerospace 7(4), 35 (2020), DOI 10.3390/aerospace7040035 — doi.org/10.3390/aerospace7040035
- NASA Goddard Outgassing Database(真空アウトガスの試験結果データベース。確認日 2026年10月17日) — outgassing.nasa.gov/
- ECSS ECSS-Q-ST-70-04C "Thermal testing for the evaluation of space materials, processes, mechanical parts and assemblies"(2008年11月15日) — ecss.nl/standard/ecss-q-st-70-04c-thermal-testing-for-the-evaluation-of-space-materials-processes-mechanical-parts-and-assemblies/
- ECSS ECSS-Q-ST-70-09C "Measurements of thermo-optical properties of thermal control materials"(2008年7月31日) — ecss.nl/standard/ecss-q-st-70-09c-measurements-of-thermo-optical-properties-of-thermal-control-materials/
- ECSS ECSS-Q-ST-70-17C "Durability testing of coatings"(2018年2月1日) — ecss.nl/standard/ecss-q-st-70-17c-durability-testing-of-coatings/
- ECSS ECSS-Q-ST-70-06C "Particle and UV radiation testing for space materials"(2008年7月31日) — ecss.nl/standard/ecss-q-st-70-06c-particle-and-uv-radiation-testing-for-space-materials/
- ECSS ECSS-Q-ST-70-02C "Thermal vacuum outgassing test for the screening of space materials"(2008年11月15日。ECSS の公開ページと PDF で確認) — ecss.nl/standard/ecss-q-st-70-02c-thermal-vacuum-outgassing-test-for-the-screening-of-space-materials/
- ISO ISO 15104:2025 "Space systems — Environmental testing for spacecraft thermal control materials"(第1版、2025年1月。ISO の公式ページで確認) — iso.org/standard/84447.html
- NASA Goddard GSFC-STD-7000 "General Environmental Verification Standard (GEVS) for GSFC Flight Programs and Projects"(版 B、2021年4月28日。NASA Standards の公式ページで確認) — standards.nasa.gov/standard/GSFC/GSFC-STD-7000
- ECSS ECSS-E-ST-10-03C Rev.1 "Testing"(2022年5月31日) — ecss.nl/standard/ecss-e-st-10-03c-rev-1-testing-31-may-2022/
14. 主張と出典の対応表(監査)
| 本文の主張 | 根拠 | 区分 |
|---|---|---|
| 熱の釣り合いの式と項、真空では放射と伝導のみ、波長帯の分け方(3 µm)、黒・白の塗料と銀 FEP テープの性質、BOL と EOL の扱い、MLI の構成(10〜20層、ネット、穴)と圧縮・縁・取り付けの影響、CubeSat で MLI を入れにくいこと、熱ストラップと黒鉛、ボルトの熱コンダクタンスの表7-6、界面材料、ヒートパイプのしくみ、BIRD・SDS-4(FOX)、熱スイッチの比10:1と目標100:1、可変コンダクタンスの例、Kapton ヒーター、TEC、冷凍機、流体ループ、小型衛星の熱の難しさ、BioSentinel・Picard の例、表7-4の α の値 | NASA の報告 第7章 出典1 https://www.nasa.gov/smallsat-institute/sst-soa/thermal-control/ | 事実 |
| Z-93 の α 0.150・ε 0.920、紫外線・電子線・陽子線・原子状酸素による α の変化(+0.010、+0.028、+0.022、+0.044〜0.050)、AZ-93 の軌道上、Lunar Orbiter V の見積り(約+0.06) | Jaworske と Kline(NASA/TM—2008-215173) 出典2 https://ntrs.nasa.gov/citations/20080018585 | 事実 |
| Z-93 が紫外線で暗くなり、原子状酸素で漂白されるが元に戻らないこと、アウトガス汚染でより暗くなること | Visentine ら(要旨のみ) 出典3 https://ntrs.nasa.gov/citations/20010084631 | 事実 |
| MLI の ε* の典型的な範囲(0.001〜0.1)、熱解析で面積×ε* の結合として扱うこと | Peabody と Evans(ICES-2023-77) 出典4 https://ntrs.nasa.gov/citations/20230005990 | 事実 |
| MLI の実効放射率が工作でばらつき、配管温度の主因になること | Miller ら(JPL。要旨のみ) 出典5 https://ntrs.nasa.gov/citations/20190025589 | 事実 |
| 日射 1361.0 W/m²、地球のボンドアルベド 0.294。ステファン・ボルツマン定数 5.670×10⁻⁸ W/m²K⁴ | NASA NSSDC の地球ファクトシート、NIST 出典6 https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html 出典7 https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?sigma | 事実 |
| LDEF の MLI の構成(0.076 mm の外層、0.0076 mm の両面アルミ蒸着 Kapton 15層、ネット)と、可変コンダクタンスヒートパイプが45日以上、設定温度の±0.3 ℃以内を保ったこと。ハッブルの MLI の外層がもろくなったこと | Smith ら(LDEF の会議論文集)、de Groh ら(2015) 出典10 https://ntrs.nasa.gov/citations/19940026511 出典11 https://ntrs.nasa.gov/citations/20150002706 | 事実 |
| Ten-Koh の試料温度(−40〜20 ℃)と太陽電池パネルのセンサー(−45〜50 ℃)。用途「ヒーター」の Kapton 製品の記録(GSFC06212) | Abdullah ら、NASA Goddard Outgassing Database 出典12 https://doi.org/10.3390/aerospace7040035 出典13 https://outgassing.nasa.gov/ | 事実 |
| ISO 15104:2025、GEVS(版 B)、ECSS-E-ST-31C、31-04C、10-03C、ECSS-Q-ST-70-02C・04C・06C・09C・17C の題名・適用範囲・状態 | ISO・NASA・ECSS の公式ページ 出典19 https://www.iso.org/standard/84447.html 出典20 https://standards.nasa.gov/standard/GSFC/GSFC-STD-7000 出典8 https://ecss.nl/standard/ecss-e-st-31c-thermal-control/ 出典9 https://ecss.nl/standard/ecss-e-st-31-04c-exchange-of-thermal-analysis-data-1-february-2018/ 出典21 https://ecss.nl/standard/ecss-e-st-10-03c-rev-1-testing-31-may-2022/ 出典18 https://ecss.nl/standard/ecss-q-st-70-02c-thermal-vacuum-outgassing-test-for-the-screening-of-space-materials/ 出典14 https://ecss.nl/standard/ecss-q-st-70-04c-thermal-testing-for-the-evaluation-of-space-materials-processes-mechanical-parts-and-assemblies/ 出典17 https://ecss.nl/standard/ecss-q-st-70-06c-particle-and-uv-radiation-testing-for-space-materials/ 出典15 https://ecss.nl/standard/ecss-q-st-70-09c-measurements-of-thermo-optical-properties-of-thermal-control-materials/ 出典16 https://ecss.nl/standard/ecss-q-st-70-17c-durability-testing-of-coatings/ | 事実 |
| 図4の放熱量(385、180、112 W/m²)、必要面積(0.26、0.55、0.89 m²)、正味の放熱の減少(約38 %)、図5の熱流(42、4.2、0.42、376 W/m²)と比(約9、90、900分の1)、図6の温度差(9.6、19、5.9、14、1.9、4.7 K) | 本稿の計算(前提は本文に明記)。実在の機体の値ではない | 本稿の計算 |
| 「熱制御の材料は寿命の終わりの数字で使う」「放熱器は材料×向き×面積」「MLI の性能は材料より工作で動く」「熱は接触でも決まる」「アウトガスが α を上げる形で熱制御に跳ね返る」という読み取り | 公表内容にもとづく本記事の整理・解説。各機関が表明した見解ではない | 解説 |
| 大型衛星・探査機の熱制御、赤外放射率の数値(Z-93 以外)、個別の MLI の ε*、各材料の寿命の終わりの値、ISO 15104 と各 ECSS 標準の本文 | 本稿の調査範囲で確認できなかったため記載していない | 解説 |
| 図1〜図9のうち、図1と図9(AI画像の枠)が説明用の概念画像であること。その他の図が実データの観察ではなく説明のための作図であること | 本記事による注記 | 解説 |
最終更新:2026年10月17日/出典は一次情報(NASA の小型衛星技術の報告、NASA の技術報告書、NASA NSSDC、NIST、ECSS・ISO・NASA の公式ページ、査読論文)に限定しています。放熱量・熱流・温度差は、本稿の説明用の計算で、実在の宇宙機の温度の予測ではありません。塗料やフィルムの α は寿命の始まりの代表値で、寿命の終わりには変わります。 大型衛星の熱制御、赤外放射率の数値、個別の MLI の実効放射率、規格本文の要求については、確認できなかったため記載していません。




