宇宙交通管理には何が含まれますか?

いわゆる宇宙交通管理とは、もちろん、地球の軌道上を飛行するさまざまな物体の管理のことです。しかし、宇宙環境において、物体とは何かを説明するのは容易なことではありません。宇宙物体とは何かについては、さまざまな文書や法律、規制で説明されています。基本的には同じですが、いくつか違いもあります。

宇宙交通管理の対象

広義の宇宙物体には、自然に形成された天体と人工天体が含まれます。自然天体は、星団、銀河、星雲、星間物質、恒星、惑星、衛星、彗星、隕石、小惑星、流星体など、宇宙のさまざまな天体の総称と考えることができます。もちろん、これらのほとんどは、これから説明する宇宙交通管理の対象ではありません。地球近傍小惑星と微小隕石だけが宇宙交通に影響を与えます。

宇宙交通管理の対象は狭義の宇宙物体である。月その他の天体を含む宇宙空間の探査及び利用における国家活動を律する原則に関する条約では、「宇宙物体」とは、宇宙空間に打ち上げられる物体そのものとその部品、打ち上げロケット、および打ち上げロケットの部品を指すとされています。この条約の名前は覚えるのが難しすぎるでしょうか?実は、これがよく知られている「宇宙条約」なのです。条約によれば、各国が宇宙に打ち上げたすべての物体は、国連宇宙空間平和利用委員会に登録されなければならない。

我が国が2001年に制定した「宇宙物体登録管理弁法」第2条には、次のように記載されています。「本弁法でいう宇宙物体とは、人工衛星、有人宇宙船、宇宙探査機、宇宙ステーション、打ち上げロケットとその部品、および宇宙空間に入るその他の人工物体を指します。」

SAICがNASA向けに作成した報告書「軌道交通管制報告書」では、宇宙交通管理分野における「宇宙物体」は軌道上のデブリと宇宙船に限定されるべきであり、つまり人工物のみを考慮すべきであると提案されている。

しかし、他の学者の中には、そのような狭い区分には同意せず、自然物も「宇宙物体」として考えるべきだと考える者もいる。自然環境が交通に与える影響を無視できないことは誰もが知っています。地球上では、航空、陸上輸送、航行のいずれにおいても、気象災害や地質災害など、自然の影響を強く受けます。では、宇宙にはこの2種類の災害があるのでしょうか?もちろんありますよ。宇宙天気に影響を与える要因は、大気圏の要因に劣りません。それだけでなく、宇宙には小惑星や微小隕石といった独自の地質学的問題があります。短期的には、地球近傍小惑星が地球軌道上の交通に破壊的な影響を及ぼす可能性は低いが、微小隕石の影響は無視できない。国際宇宙ステーションの太陽電池は微小隕石によって何度も損傷を受けています。実際の作業には影響はありませんが、穴があいてしまうことも多々あります。

海外の関連研究では、宇宙での衝突に対する懸念が提起されているものの、軌道飛行の安全に対する脅威については、宇宙ゴミというテーマで議論されることが多い。

宇宙ゴミについて私たちはどれくらい知っているでしょうか?

宇宙ゴミに関しては、さまざまな組織による定義はそれほど違いはありません。

宇宙ゴミの想像力

国連宇宙空間平和利用委員会と機関間宇宙デブリ調整委員会は、宇宙デブリを、軌道上にあるか地球の大気圏に再突入している機能しない人工物体とその破片や部品と定義しています。ドイツ、スイス、オーストリアの宇宙機関といくつかの宇宙研究機関が共同で発表した「欧州宇宙交通管制システムの実施に関する白書」に記載されている宇宙ゴミの定義は、「破片や部品を含む、地球のさまざまな軌道上に存在する、もはや正常に機能していない人工物体」です。これを踏まえて、ホワイトペーパーではさらに「追跡可能なオブジェクト」と「追跡不可能なオブジェクト」の概念が示されています。 「追跡可能なオブジェクト」とは、検出可能であり、その軌道が既知で予測可能なオブジェクトとして定義されます。 「追跡可能な物体」には、軌道上のゴミや通常の衛星が含まれます。 「追跡不可能な物体」は、宇宙状況認識システムでは検出も感知もできません。

国際宇宙航行アカデミーの宇宙交通研究報告書では、軌道デブリを、人間が軌道上に置いたがもはや何の機能も持たない物体と定義しています。これらの物体には、廃棄されたロケットの段階や部品、材料、ゴミ、破片、および意図的または非意図的に廃棄または生成されたその他の物体が含まれます。

上記の定義では、いわゆる「機能しない」や「正常に動作しなくなった」という表現が何度も言及されており、宇宙物体の具体的な動作についての議論が必要になります。

宇宙船の最も重要な動作は、通常の軌道飛行と通常の操作です。例えば、通信衛星はネットワーク情報を正常に転送でき、リモートセンシング衛星は地上画像を正常に取得して地上局に送信でき、航法衛星は航法情報を正常に放送できます。さらに、これらの衛星はすべて、軌道パラメータと姿勢をあまり逸脱することなく正しく維持することができます。このプロセス中、衛星は他の宇宙船と衝突してはなりません。

2 番目の動作は軌道投入です。つまり、衛星はキャリア ロケットから分離した後、自力で作業軌道に入ります。この過程で、衛星は他の宇宙船の軌道を横切らなければならない可能性があり、このとき衝突や干渉を回避する問題を考慮する必要があります。

3 番目の動作はその逆で、軌道の減速です。衛星は寿命を終えると、軌道上でゴミにならないように大気圏に戻って燃え尽きる必要があります。衛星が軌道を下げる過程で、他の宇宙船の軌道を横切る可能性もあり、これも衝突の危険をもたらす。しかし、高軌道衛星の中には、大気圏に戻って燃え尽きる必要がないものもある。代わりに、特別に指定された墓場軌道に入ることになり、この操縦プロセス中にも同じリスクが存在します。

スターリンク衛星が中国の宇宙ステーションにもたらす脅威は、2番目と3番目のタイプの行動です。

最後のタイプの行動は、完全な制御の喪失です。衛星は墓場軌道に入ることはおろか、機能することも大気圏に戻ることもできない。宇宙空間ではゾンビのように慣性でしか飛べないので、非常に危険です。初期に打ち上げられた衛星は軌道減速の問題が考慮されていなかったため、そのほとんどがゾンビ衛星となってしまった。では、宇宙にはどれくらいのゴミがあるのでしょうか?人類の宇宙開発の60年以上の歴史の中で、合計3万トン以上の物質が宇宙に打ち上げられてきました。深宇宙に突入して地球に落ちた宇宙船を除いて、その大部分はスペースデブリとなっています。

米国宇宙監視ネットワークのデータによると、2017年までに米国は地球軌道上で4万2000個の宇宙物体を追跡し、宇宙ゴミの総質量は7500トンに達し、そのうち2700トンは低軌道領域（LEO、軌道高度200～2000キロメートル）にあった。地球の軌道上では、大きさが10cmを超えるスペースデブリの数は23,000個に達しています。大きさ1～10cmの破片の数はおよそ50万個。 1～10mmの大きさの破片の数は約1億個、1mm未満の破片の数は数百億個に上ります。今後、超低軌道衛星群が次々と打ち上げられると、上記の数字は確実に大きくなり、デブリも増えるでしょう。

宇宙デブリの平均質量密度は1立方センチメートルあたり2.7グラムで、主な成分はアルミニウム/アルミニウム合金（44％）、複合材料（37％）、ステンレス鋼（12％）、チタン合金、銅です。宇宙デブリの主な幾何学的形状は、板状、ブロック状、棒状、薄片状などであり、そのほとんどは不規則な形状です。

宇宙における宇宙ゴミの分布は均一ではありません。低軌道領域、中軌道領域、高軌道領域では、カタログ化された宇宙デブリの割合はそれぞれ 75.2%、8.3%、9.4% です。そのうち、最も多くのデブリは高度700kmから1100kmの軌道上に存在します。

ほとんどの宇宙船は軌道を離脱する手段を持っていないため、退役した宇宙船が軌道上で分解したり、機能しなくなった宇宙船同士の衝突が、宇宙ゴミの増加の主な原因となっています。 2018年12月には、SpaceXが一度に配備した64基のスターリンク衛星のうち19基がまだ特定されておらず、地上のオペレーターとの通信を確立できなかったという報告がありました。スターリンク衛星の故障確率は技術の進歩に伴ってますます低くなるものの、打ち上げ回数の多さを考えると、制御不能な衛星の絶対数は依然として相当な数であり、宇宙の持続可能な開発に新たな課題をもたらしています。