インドの宇宙ドッキングテストは3回の失敗を経てついに成功しました。宇宙で「針の穴を通す」のはどれほど難しいのでしょうか?

1月16日、インドの2機の小型衛星がランデブーとドッキングに成功し、インドは宇宙でのランデブーとドッキングを達成した4番目の国となった。これは、宇宙ステーションの建設と有人月面着陸という同国の夢を実現するための重要な一歩でもある。計画によれば、ドッキングとロックが成功した後、2つの衛星は相互の電力伝送をテストし、その後分離して独立して運用され、寿命は最大2年と予想される。

インドは2024年12月30日、同国初の宇宙でのランデブー・ドッキング試験のため、「チェイサー」と「ターゲット」という2機の小型衛星を打ち上げた。当初、2つの衛星は2025年1月7日に高度470キロの軌道上で20キロの距離から最初のランデブー・ドッキング試験を開始する予定だった。

しかし、1月7日、インド初のランデブー・ドッキング試験は準備不足のため延期を余儀なくされた。その後、インドは1月9日に2回目の試験を実施したが、2つの衛星が225メートル離れたところで、衛星の1つが予期せず逸れたため、再度延期を余儀なくされた。 3日後、インドは3回目のドッキングテストを実施したが、2つの衛星がわずか3メートルしか離れていなかったため、技術的な問題によりドッキングの試みは再び中止された。

紆余曲折を経て、インドのランデブー・ドッキング試験は1月16日にようやく成功した。これは、宇宙でのランデブーとドッキングが簡単な作業ではないことを示しています。

これを、宇宙に針を置き、数百キロ離れた地上から糸を操作して針の穴を通すような「非常に難しい」行為だと表現する人もいる。宇宙でのランデブーとドッキングの目的は何ですか?技術的な問題は何ですか?

インドの小型衛星2機のランデブーの模式図

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非常に多用途

宇宙でのランデブーとドッキングの技術は非常に重要であり、宇宙ステーションの正常な運用の前提条件です。この技術を習得することによってのみ、宇宙船やスペースシャトルを介して人や貨物を宇宙ステーションに送ることができるようになります。

しかし、この技術は極めて複雑であり、これまでは米国、ロシア、中国のみが独自にそれを習得していました。現在、このミッションを通じて、インドは宇宙ドッキング技術を独自に習得した世界で4番目の国となった。

宇宙ランデブーおよびドッキングとは、2 機の宇宙船が宇宙軌道上の所定の位置と時間に出会った後、1 つの宇宙船として機械的に接続されることを指します。現在、主な用途は次の 2 つです。

一つは、宇宙ステーションなどの長期宇宙施設への人員輸送や物資供給サービスを提供することです。宇宙ステーションは、サイズが大きく、寿命が長く、機能が強力であるなど、一連の利点があるものの、宇宙に打ち上げられた後は、地球と空を行き来することはできません。宇宙ステーションに人や貨物を送ったり、地球に帰還させるには、宇宙船やその他の地球から宇宙への輸送手段が宇宙ステーションとランデブーしてドッキングする必要があります。

神舟宇宙ステーションと天宮宇宙ステーションの軌道上ランデブーの概略図

2つ目は、大型宇宙船構造物の軌道上組み立てです。現在の打ち上げロケットの容量には限りがあるため、数百トンの宇宙船を一度に地球の軌道に輸送することは不可能です。そのため、建造には宇宙ランデブー・ドッキング方式が採用されています。つまり、建造される宇宙船はいくつかの部分に分割され、一定高度の軌道に次々に打ち上げられ、その後、ランデブーとドッキングの技術によって結合されて一つの全体となる。

宇宙でのランデブーとドッキングは、2 機の宇宙船が宇宙で相互にサポートできるようにしたり、システムの最適化などを実現するために宇宙船を再構成したりするためにも使用できます。

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2つの制御方法

現在、宇宙船が宇宙でのランデブーやドッキングを行うには、主に自動制御と手動制御の2つの方法があります。それぞれに長所があります。

2 つの宇宙船間の距離が遠い場合、通常は地上遠隔制御または自動制御が使用されます。距離が近い場合は、ランデブーやドッキングに自動制御と手動制御の両方を使用できます。

欧州の「自動移送機」貨物宇宙船と「国際宇宙ステーション」間の自動ランデブーの概略図

自動制御を使用する利点は、より便利で効率的であることです。欠点は、機器が複雑で柔軟性が低く、緊急事態にタイムリーに対処できず、ランデブーやドッキングに失敗することがあることです。このアプローチは主にロシアで使用されています。

手動制御の利点は信頼性が高く、ランデブーやドッキングの際に宇宙飛行士がタイムリーな対策を講じて問題を解決できることです。欠点は、宇宙飛行士の労働強度が非常に高く、宇宙環境条件の影響を受けることです。このアプローチは主に米国で使用されています。

神舟9号の宇宙飛行士、景海鵬と劉王が手動ランデブーとドッキングの訓練を実施

さらに、手動でのランデブーとドッキングは、宇宙飛行士に非常に高い負担をかけます。宇宙飛行士は、2機の宇宙船の相対的な速度と姿勢を正確に判断し、精密な制御ハンドルで継続的に調整する必要があります。

また、宇宙飛行士は燃料消費や時間の制約もあり、一定時間内にドッキングを完了させる必要があるため、宇宙飛行士の心理的資質が試されるものでもある。無重力環境は、手動ランデブーおよびドッキング中に宇宙飛行士に不快な生理的反応を引き起こし、手動ランデブーおよびドッキングの運用品質にも影響を及ぼします。

2012年、劉王宇宙飛行士は神舟9号宇宙船を手動で操縦し、我が国で初めて天宮1号目標宇宙船との手動ランデブー・ドッキングに成功しました。

ランデブー・ドッキングに使用する機器の品質が安定するにつれて、現在、宇宙でのランデブー・ドッキングは主に自動制御をベースに、手動制御が補助的に行われるようになっています。自動制御が失敗した場合は、代わりに手動制御が使用されます。これにより、ランデブーとドッキングの経済性と信頼性が向上します。

したがって、手動ドッキング方式と自動ドッキング方式の両方を完全に習得する必要があります。これらの方式は相互にバックアップし、宇宙船間のドッキングを成功させるための重要な「安全弁」を追加できます。

私たちの宇宙飛行士はこれら 2 つの制御方法を習得しています。我が国の有人宇宙船がランデブーやドッキングを行う際には、自動制御が主であり、補助的に手動制御が行われます。

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4つの大きな技術的困難

宇宙でのランデブー・ドッキング技術は非常に複雑なため、海外では20回近くの宇宙でのランデブー・ドッキングの失敗が発生しており、宇宙船同士が追突する事故も起きている。

1997年、ロシアのプログレスM-34貨物宇宙船がミール宇宙ステーションにドッキングしていたとき、宇宙船は制御を失い宇宙ステーションに衝突し、宇宙ステーションのスペクトルモジュールと太陽電池パネルが損傷しました。

ランデブーとドッキングには、ランデブーとドッキングの 2 つの部分が含まれます。ランデブーとは、宇宙軌道上であらかじめ決められた時間と位置に 2 機以上の宇宙船が出会うことを指します。ドッキングとは、ドッキング機構を介して 2 つの宇宙船が宇宙軌道上で一体となって接触し接続することを指します。したがって、宇宙船は宇宙空間でドッキングする前にランデブー、つまり互いに接近しなければなりません。

宇宙でのランデブーやドッキングにおける2機の宇宙船のうち、1機はターゲットビークルと呼ばれ、通常は宇宙ステーションなどの大型宇宙船です。ドッキングのターゲットとして機能し、ランデブーおよびドッキング時に安定した動作状態を維持します。もう 1 つは追跡機と呼ばれ、通常は地上から打ち上げられる宇宙船またはスペース シャトルです。ランデブーおよびドッキング中は、目標の車両に追いつき、両者のランデブーおよびドッキングを実現するために軌道を変更する必要があります。

宇宙でのランデブーとドッキングの技術には、主に 4 つの困難があります。

難しさの一つは、速度が極めて速いことです。ドッキングされる２機の宇宙船の速度は時速２万８０００キロメートルである。うまく制御されないと非常に危険で、簡単に衝突したり、「かすめたり」、「すれ違ったり」する可能性があります。

ランデブー・ドッキング軌道の模式図

2つ目の難しさは、地球を周回しながらランデブーすることです。宇宙でのランデブーを実現するには、ドッキングする2つの宇宙船が互いの距離を縮めながら地球を周回する必要があります。どちらの宇宙船も三次元空間を飛行しています。ある宇宙船が別の宇宙船に向かって飛行する場合、2 つの宇宙船間の距離を短くするために、それぞれの軌道に沿って飛行する必要があります。地上のように加速することはできません。そうしないと、元の軌道から外れてしまいます。

そのため、追跡宇宙船は通常、目標宇宙船よりもわずかに低い軌道に打ち上げられ、その後、複数回の軌道調整を経て徐々に目標宇宙船に追いつきます。

3つ目の難しさは、超高精度の計測・制御機器を備えることです。ドッキングする2つの宇宙船の軌道、距離、速度を正確に測定し計算することによってのみ、2つの宇宙船は同じ軌道上で動作することができます。

さらに、2 つの宇宙船はドッキング中に姿勢を正確に制御し、2 つの宇宙船のドッキング面の中心軸が同じドッキング軸上になるようにする必要があります。

最後に、2 つの宇宙船が接近する際の相対速度がゼロに近く、激しい衝突が起きないことも必要です。 2 機の宇宙船がドッキングする際、横方向の誤差は 18 cm 未満、姿勢誤差は 5° 未満、相対速度は 0.2 m/s 未満でなければなりません。

4 番目の難しさは、複雑で洗練された信頼性の高いドッキング メカニズムを開発する必要があることです。

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2つの重要な機器の種類

2機の宇宙船のランデブーとドッキングを実現するためには、主にランデブー用の計測装置とドッキング用のドッキング機構という2つの重要な装置に依存します。

2 機の宇宙船が宇宙でランデブーする場合、主に宇宙船に搭載されたランデブー測定装置に頼ります。この装置は、宇宙船がランデブーして接近するための「目」として機能します。測定装置には主に 4 つの種類があります。

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1つ目はマイクロ波レーダーで、測定範囲は相対距離で100kmから100メートルで、距離が100メートル未満になると誤差が大きくなります。

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2つ目はレーザーレーダーで、測定範囲は相対距離20キロメートルから10メートルで、測定精度が比較的高いです。

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3つ目は光学画像センサーで、測定範囲は相対距離100～1メートルで、測定精度が高くなります。

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4 番目はドッキング センサーで、測定範囲は相対距離で 10 ～ 0 メートルです。さらに、全地球衛星航法測位システムも広く利用されています。

宇宙船が撮影した宇宙ステーションのコアモジュールの前端

したがって、2 つの宇宙船が離れている場合、マイクロ波レーダー、ライダー、衛星ナビゲーションおよび測位受信機が使用されます。近接している場合には、光学画像センサーとドッキングセンサーが使用されます。さらに、ランデブー計測機器の突然の故障によるランデブーおよびドッキングの失敗を防ぐために、各飛行フェーズでランデブー計測機器のバックアップを行う必要があります。

2 機の宇宙船が宇宙でドッキングする場合は、宇宙船のドッキング機構に頼る必要があります。現在使用されている主なタイプは 2 つあります。

1 つ目は「ロッドコーン」ドッキング機構で、構造がシンプルで軽量という利点があります。欠点は、ドッキング機構が宇宙船の殻の中に完全に設置されており、ドッキング後に大きな内部空間を占有し、耐荷重能力が比較的低いことです。現在、ロシアのソユーズシリーズの有人宇宙船とプログレスシリーズの貨物宇宙船は、国際宇宙ステーションとのドッキングに「ロッドコーン」ドッキング機構を使用しています。

ロシアのプログレスMM貨物宇宙船はドッキングロッドを伸ばしてドッキングの準備をしている

ロシアの宇宙船が国際宇宙ステーションのロシアモジュールにドッキングした後、ロッドコーンドッキング機構がハッチ付近の通路を占拠したため、取り外す必要があった。

2つ目は「周囲に同じ構造を持つ異種物体」のドッキング機構で、ドッキング後にチャネルが閉塞されないという利点があります。ドッキング接続リングは、直径が大きく、耐荷重が大きいため、さまざまな質量の宇宙船間のドッキングに適しています。欠点は、構造が比較的複雑で質量が大きいことです。

現在、米国のクルードラゴンと国際宇宙ステーション、我が国の有人宇宙船「神舟」、貨物宇宙船「天舟」と天宮宇宙ステーションのドッキングはすべて「異種同一構造周辺」ドッキング機構を採用している。

我が国の「異質構造と周辺」ドッキングメカニズム

インドの「異質構造と周辺」ドッキングメカニズム

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2つのドッキングモード

宇宙船間の宇宙ランデブーおよびドッキングには、標準ドッキング モードと高速ドッキング モードが存在します。標準ドッキングモードは、おおまかに次の 4 つの段階に分かれています。

地上誘導フェーズ

2機の宇宙船が1万～100キロメートル離れている場合、追跡機は地上管制センターの制御下で、追跡機のランデブー測定装置が目標の宇宙船を捕捉できる範囲に入るために、数回の軌道変更操作を実行する必要があります。

追跡機が目標機に追いつくために軌道を変える模式図

自動ホーミングステージ

二つの宇宙船が100キロメートルから100メートル離れると、追跡車両は双方が持つランデブー測定装置を通じて自動的に目標の宇宙船の近くまで誘導し、ドッキング通路に入ります。

最終アプローチ

2機の宇宙船が100～1メートル離れると、追跡車両は測定システムを使用して2機の距離、相対速度、姿勢を正確に測定し、同時に小型エンジンを始動してドッキング通路に沿って操縦し、目標に最終接近します。このとき、2機の宇宙船の相対速度は毎秒3～1メートル程度です。

突合せ継手段階

2 機の宇宙船が互いに 1 メートル以内に接近すると、それらの軸が一直線になり、追跡車両はエンジンを停止し、ドッキング信号を送信してドッキング機構を伸ばします。目標機は衝突ロックを解除し、追跡機は0.2m/sのドッキング速度で目標機に接触し、パイプライン、電源、通信回線接続などの構造上のハード接続を実現します。

一部の外国の貨物宇宙船はドッキングに「ドッキング」方式を採用しており、つまり宇宙船と宇宙ステーションの距離が10メートルに近づき、両者の相対速度がゼロに近づいたときに、宇宙ステーションのロボットアームがそれを捕らえて宇宙ステーションにドッキングする。このドッキング方法により、宇宙船のドッキング システムの質量、コスト、複雑さを軽減できます。

日本の貨物宇宙船はアメリカの技術を活用し、宇宙ステーションのロボットアームを介して国際宇宙ステーションにドッキングする。

標準ドッキング モードを使用する場合、追跡航空機はターゲット航空機とドッキングするまでに約 2 日間飛行する必要があります。近年、中国やロシアなどの国々は有人宇宙活動において、宇宙船が宇宙ステーションにドッキングするまでに6.5時間以内の飛行しか必要としない高速ドッキングモードを使い始めている。

迅速なランデブーとドッキングを実現するための鍵は、地上からの介入を必要とした当初の長距離誘導セグメントの作業を、2機の宇宙船に搭載されたコンピューターの自律操作に移行することです。つまり、本来の「地上遠隔誘導部分」を「自律型」に変更するということです。宇宙船と宇宙ステーションのリアルタイム位置情報を提供する衛星航法システムに基づいて、宇宙船の搭載コンピューターは自律的に軌道を決定し、軌道変更データを計算し、軌道制御エンジンを制御して自律的な軌道変更を実行し、長距離の完全自律的な航法計算と誘導制御を実現します。

長距離誘導フェーズを完了した後のアクションは、これまでのドッキングミッションとまったく同じです。 6.5 時間の迅速なランデブーとドッキングには、地球を 4 周するだけで済み、最初の 3 周では各周回で 2 回の軌道変更が必要です。従来、標準的なドッキングモードが使用されていた場合、宇宙船は目標の宇宙船とドッキングするまでに地球を30回以上飛行する必要がありました。

インドが採用している宇宙ランデブー・ドッキングソリューションは、主に差分全地球航法衛星システムに基づく衛星測位システムに依存していると報告されている。

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中国ランデブーとドッキング

現在、我が国の宇宙ランデブー・ドッキング技術は比較的成熟しています。自動および手動のランデブー・ドッキング技術だけでなく、迅速なランデブー・ドッキング技術も習得しています。そのうち、天舟5号貨物宇宙船は、わずか2時間の飛行で「天宮」宇宙ステーションとのドッキングに成功し、宇宙ステーションへの世界最速のランデブー・ドッキング記録を樹立した。また、ラジアル自律ランデブーおよびドッキング技術も習得しています。

いわゆるラジアル・ドッキングとは、有人宇宙船が宇宙ステーションの「天河」コアモジュールの下にあるドッキングインターフェースを介して宇宙ステーションとランデブーし、ドッキングすることです。方向は90°しか変わっていないのに、ドッキングの難易度は大幅に上がりました。我が国における放射状のランデブーとドッキングの全プロセスは、誘導、航行、制御システムの指令の下、宇宙船によってインテリジェントかつ自律的に完了します。

神舟13号（下図）とコアモジュールのノードモジュール間の放射状ランデブーの概略図

中国は、宇宙ステーション運用における複数のインターフェースと迅速なランデブー・ドッキングの新たな要求に適応するため、宇宙ステーション段階でのランデブー・ドッキングミッションに新たな飛行特徴点、つまり中央照準点を追加しました。有人宇宙船、貨物宇宙船、宇宙ステーションがランデブー・ドッキングする前の「中継ステーション」です。宇宙ステーションの後方下部に位置します。この点を通じて、宇宙ステーションの前方、放射状、後方のドッキングインターフェースとのランデブーとドッキングを最も便利かつ迅速に完了することができ、時間（時間）と労力（推進剤の消費）を節約できます。

我が国は嫦娥5号のミッションを完了し、月周回軌道上で世界初の無人ランデブー・ドッキングを実施しました。つまり、嫦娥5号の着陸機と上昇機の組み合わせが月面のサンプル採取を完了した後、上昇機は月面から離陸して月のサンプルを運び、月周回軌道に向かい、そこで月周回軌道を飛行している周回機と帰還機の組み合わせとランデブー・ドッキングし、その後、月のサンプルを上昇機から帰還機に移送することになる。

月軌道でのランデブーとドッキングは、地球軌道でのランデブーとドッキングとは異なります。中国は地球軌道上での宇宙船のランデブーとドッキングに関して比較的成熟した経験を有しており、小質量の宇宙船が大質量の「天宮」を追いかける「小が大を追う」モデルを何度も採用してきた。

しかし、月周回軌道上でのランデブーとドッキングには、「大きなものが小さなものを追う」、つまり、より多くの燃料を搭載した大きな質量のオービターとリターナーの組み合わせを使用して、小さな質量のアセンダーを追跡する必要があります。さらに、地球からの距離は数十万キロメートルあり、少しでも操作を誤ると逸脱してしまうため、ランデブーやドッキングにはより高い精度が求められます。

月周回軌道上での昇降機と周回機・帰還機のランデブー・ドッキングの概略図（出典：中国宇宙技術研究院）

さらに、ドッキング時に大質量のオービタとリターナの組み合わせが小質量のアセンダをはじき飛ばしてしまうのを防ぐために、月周回軌道でのランデブーとドッキング時にはドッキングとキャプチャのランデブーとドッキング方式を採用しています。そこで、クロー型宇宙船と呼ばれる軽量小型の弱衝撃ドッキング機構を開発し、探査機に搭載します。ドッキングの際には、まずアセンダを「抱きしめ」、次にアセンダとドッキングします。これらのデザインコンセプトは世界初です。

これらの技術の成功により、我が国が2030年までに有人月面着陸を実現した際に、月軌道上で有人ランデブーやドッキングを実施するための基盤も築かれました。

著者: パン・ジーハオ

国立宇宙探査技術の主任科学コミュニケーション専門家

編集者: 董暁賢

レビュアー: 張超、李培源