複数の衛星を宇宙に打ち上げる競争によってロケットの共有を実現するにはどうすればよいでしょうか?

あっという間に2023年が終わりに近づいていますが、中国の宇宙産業は依然として高密度の打ち上げを維持し、継続的に進歩を遂げ、何度も印象的な成果を上げています。わが国は26日、西昌衛星発射センターで長征3号Bロケットと元正1号上段ロケットを使用し、北斗衛星57号、58号の打ち上げに成功した。しかし、1つのロケットで2つの衛星を打ち上げるのは、あくまでも「小さなシーン」に過ぎません。中国は今年6月、太原衛星発射センターで長征2Dロケットを使い、吉林1号高分06A衛星を含む41機の衛星打ち上げに成功し、中国で一度に打ち上げた衛星数の最多記録を更新し、非常に意義深いものとなった。

画像提供：新華社通信（撮影：鄭斌）

1つのロケットで複数の衛星を打ち上げるとは、運搬ロケットを使用して複数の衛星を同時または順次所定の軌道に送り込む技術を指します。衛星はどのようにしてロケット上に「一列に並ぶ」のでしょうか。また、目的地に到着した後、どのようにして整然と「離陸」できるのでしょうか。今日は「ロケット作り」の裏話についてお話しましょう。

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高級な「食材」は、シンプルで優れた「調理法」で調理されることが多い

従来の単一衛星打ち上げと比較して、「1つのロケットに複数の衛星を搭載する」ことで、ロケットの搭載能力をより有効に活用し、打ち上げ効率を向上させることができます。大手航空宇宙企業の「ハイエンドな運用」のように思われるが、実際は競争が激化する商業宇宙打ち上げ市場に対応して、運搬ロケットの打ち上げコストを節約し、打ち上げコストを下げるために取られる従来の選択肢である。

1つのロケットで複数の衛星打ち上げを達成した最初の国はアメリカでした。 1960年にアメリカは初めて1基のロケットで2基の衛星を打ち上げ、1961年には1基のロケットで3基の衛星を打ち上げるという目標を達成した。その後、ソ連は1基のロケットで8基の衛星を数回にわたって打ち上げました。その後、欧州宇宙機関もこの打ち上げ技術を習得しました。 1981年9月、中国は「嵐1号」ロケットを使用して3基の「練習2号」衛星を地球周回軌道に乗せることに成功し、1基のロケットで複数の衛星を打ち上げる技術を独自に習得した4番目の国となった。インドと日本はそれぞれ2008年と2009年に1基のロケットで複数の衛星打ち上げを達成した。

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これらの初期の複数衛星打ち上げミッションは、基本的に政府向けの特別なペイロードでした。基本的な特徴は、開発の初期段階で衛星ペイロードが打ち上げロケットと詳細に通信および調整されていたことです。両当事者は、追加のブラケット、耐荷重構造など、ミッションの完全な成功のために対応する適応設計を実行しました。ただし、これらの構造は一般に汎用的ではなく、ミッションが完了した後は役に立たなくなります。

通信衛星群の台頭により、航空宇宙分野ではイリジウムやグローバルスターなど、1つのロケットで同じ複数の衛星の打ち上げを繰り返し行う必要性が生じています。数量が多いため、これらの大口顧客に十分なサービスを提供するために、打ち上げロケットでは通常、特別な衛星ブラケットや上段ステージをカスタマイズします。例えば、イリジウム衛星を打ち上げるために、中国の長征2Cロケットが開発され、上段並列2星インテリジェントディストリビューターが搭載されました。

その後、超小型衛星が登場しました。これらの衛星は軽量で小型であり、投資もほとんど必要ありません。ほとんどは技術研究に使われており、低価格で宇宙に行けるようになると期待されている。そのため、打ち上げロケットは、主ペイロードの衛星ブラケットまたはロケットの最終段に、それらを宇宙に「運ぶ」ための追加のスペースを残すことがよくあります。このアプローチは「ピギーバック」と呼ばれます。搭載される衛星は、開発の進捗、打ち上げ軌道、環境要件の点で、主なペイロードに完全に従属しており、一切の発言権を持たない。宇宙に入るためには、人は「謙虚な小さな透明な存在」になる必要があるとも言えます。

近年、小型衛星市場の活発な発展に伴い、小型衛星の打ち上げ需要が急速に増加しており、小型衛星の打ち上げ数は毎年の衛星打ち上げ総数の大部分を占めています。欧州のコンサルティング会社が2021年に作成した予測によると、2021年から2030年にかけて世界中で合計13,912機の超小型衛星が打ち上げられると予想されており、衛星1機あたりの平均打ち上げ質量はわずか180キログラムです。こうした中、ロケットの共同購入が普及し、1基のロケットで複数の衛星を打ち上げる規模がますます大きくなっています。インドは2017年に1機のロケットで104機の衛星を打ち上げ、米国のスペースX社は2021年に1機のロケットで143機の衛星を打ち上げるという記録を樹立した。

共同購入により多数の小型衛星の打ち上げを組織することが困難になったため、「共同購入」を専門とする仲介会社が数多く誕生した。一部の顧客の遅延や変更が全体の進捗に与える影響を解決するために、多くの顧客調整作業を実行する必要があります。その中で有名な打ち上げ仲介会社としては、ドイツ・ベルリンのExolaunch、イタリアのD-Orbit、米国シアトルのSpaceflightなどがあります。

現地時間12月23日、SpaceXは23機のV2mini Starlink衛星（G-32）の打ち上げと回収に成功した。再利用可能なロケットが使用されたのは今回が初めてであり、これまでの記録を破った。

画像出典: SpaceX公式アカウント

小型衛星市場を獲得するため、SpaceXは「飛行化」という策略にも頼ってきた。つまり、高速鉄道のように、チケットを購入した顧客が全員揃っているかどうかに関わらず、列車は時間通りに出発し、打ち上げの確実性を高めるのだ。また、出発便の便数も増加したため、遅れたお客様は慌てる必要がなく、少し余分にお金を払って次の便に乗ることができます。このようにして、SpaceX は小型衛星の顧客の大多数にとって第一の選択肢となり、優位な地位を確立しました。多数の顧客も飛行業務を真の保証とみなしており、それがこの有利な立場をさらに強化しています。考えてみてください。時間通りに出発するバスを選びますか、それとも満員になるまで出発を待たなければならない「黒い車」を選びますか?

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衛星は乗客を収容するだけでなく、座り心地も良くなければならない

1 つのロケットで複数の衛星を実現するには、衛星の数が重要ではありません。重要なのは、すべての衛星「乗客」が快適な座席に座り、打ち上げ中に衝撃や圧迫感を避け、安全に宇宙に到達できるようにすることです。これが技術的な内容を強調するものです。

一度にこれほど多くの衛星を安全かつスムーズに軌道に乗せるためには、まずフェアリング内での衛星の配置をどうするかが課題となります。衛星が「座る」だけでなく「快適に座る」ことも確保しなければなりません。そのためには、衛星の構造やミッション要件に応じて「シート」レイアウトを最適化する必要があります。

衛星をしっかりと支え、ロケットの推力をしっかりと衛星に伝えるために、ロケットには通常、円錐形の衛星ブラケットが装備されています。下部の直径が大きい方の端はロケット最終段の円筒状の外殻に接続され、上部の直径が小さい方の端は衛星のロケット・スター・ドッキング・フレームに接続されます。

ロケット打ち上げミッションを単独で楽しむ場合、衛星はロケットの衛星ブラケット、ストラップ、その他のロック解除および分離装置を排他的に使用できます。しかし、複数の衛星を打ち上げるには、人が多すぎてお粥が足りず、ドッキングフレームが 1 つでは到底足りません。これらの衛星はサイズ、重量、形状が異なり、衛星を正常に搭載および分離できるように、ロケットフェアリング内のスペースを効果的に制限、割り当て、および利用する必要があります。

これには、すべての衛星をドッキングしてインストールするために、複数の異なる衛星インターフェースを変換するための変換デバイスを使用する必要があります。この装置は一般に「マルチスターディストリビューター」と呼ばれます。販売代理店にはさまざまな形態があります。同様のタイプの衛星を打ち上げる場合、中央荷重支持シリンダーディストリビューターまたはディスクディストリビューターを使用したり、衛星を外側に放出しやすくするためにコーンディストリビューターを使用したりできます。

マルチ衛星分配器では、衛星はそれぞれの特性に応じて配置されます。いくつかは上部に直立し、いくつかは壁に横向きに吊り下げられ、いくつかはリリース装置にパッケージ化されており、すべてが適切な位置にあり、ロケット打ち上げ時の飛行環境に耐え、安全に宇宙に突入できることを保証します。

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別れの瞬間：「シートベルトを外して安全に車から降りてください！ 」

ロケットが衛星を安全に宇宙に送り出した後、衛星を「降ろして」約束の地に送り込むという最後の重要なステップを完了する必要がある。そのためには、安定した信頼性の高い「衛星ロケット分離」技術を習得する必要があります。衛星はマルチ衛星ディストリビューターから分離されている必要があり、互いに衝突することはできません。また、多数の衛星がそれぞれの軌道上で運用できるよう、最適な飛行ルートを選択し、最適な分離時間を決定することも必要です。また、ロケット自身の姿勢が制御不能となり衛星に衝突することがないよう、ロケットが衛星から徐々に離れていく際のロケットの構造や重心の変化による影響も考慮する必要があります。

衛星の数が増えるほど、衛星がロケットから分離した後に軌道上で衝突するリスクが高まります。混雑した衝突を避けるため、マルチ衛星分配器上の衛星は一般的に層ごとにグループ化され、衛星はグループごとに1つずつ分離されます。各衛星群が分離した後、ロケットは逆推力ロケットを作動させて、放出されたばかりの衛星との距離を広げ、次の衛星群の分離を開始して最後まで続けます。このようにして、互いの分離の安全性が保証されます。

長征2Dロケットが約840秒間飛行した後、41基の衛星が次々とロケットから分離し始めた。

画像出典: CCTVニュースのスクリーンショット

1 つのロケットで複数の衛星を分離する方法の選択は、衛星分離の精度と安全性に大きな影響を与え、異なる衛星を分離する順序、時間、角度、速度など、多くの要素を考慮する必要があります。同時に、分離プロセスは姿勢安定性、地球の重力、空気抵抗などの複数の要因によって乱されるため、分離プロセスを実現するには大量のシミュレーション計算が必要であり、実際のプロセスでは分離後の衛星の空間位置と軌道パラメータの正確性と安全性を確保するためにさまざまな動作を正確に制御する必要があります。

世界各国で衛星技術の発展が進む中、「衛星エクスプレス」という新たな商業的活力が活性化し、将来的にはより多くの人類が宇宙に進出する姿も描かれつつある。

著者: Yu Yuanhang、北京航空宇宙システム工学研究所上級エンジニア

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社