中国の宇宙ステーションが建設中に宇宙空間で「ひっくり返った」ことをご存知ですか?なぜこれをするのですか?

2022年9月30日、地上と宇宙間の約1時間の調整を経て、ウェンティアン実験モジュールの移送が完了し、中国の宇宙ステーション複合施設は一時的に「I」構成から「L」構成に変更されました。 11月3日、孟天実験モジュールは同様の移送手順を経て宇宙ステーションの「T」字型構成を形成した。では、宇宙ステーションのモジュールを移転する際には、どのような技術的な困難を克服する必要があるのでしょうか? 2 つのキャビン移動のハイライトは何ですか?調べてみましょう。

ドリームスカイキャビンは無事に移転しました

宇宙ステーションを組み立てるにはなぜ「ひっくり返す」必要があるのでしょうか?

文天実験モジュールの打ち上げ当初、文天実験モジュールは天河コアモジュールノードモジュールの真正面のインターフェースにドッキングし、「I」構成を形成しました。 10月31日、孟天実験モジュールが打ち上げられ、翌日には天河コアモジュールの前部ポートに正常にドッキングした。

ウェンティアンキャビンの移送プロセスのレンダリング

疑問に思わざるを得ない人もいるでしょう。なぜ 2 つの実験キャビンをノード キャビンのサイド インターフェイスに直接ドッキングして、1 つのステップで最終状態を実現しないのでしょうか。

これは主に、宇宙ステーションの組み立て部品が第一宇宙速度で飛行するためです。計算によれば、実験モジュールが天河コアモジュールに側面から直接接近した場合、2つの軌道間の角度がわずかであっても、両側の相対速度はかなり大きくなり、制御エラーによる衝突のリスクを排除できないことが示されています。

孟天モジュールは天河コアモジュールの前方ポートにドッキングされている

このような衝突は明らかに科学研究者にとって受け入れられないものである。宇宙ステーションの各モジュールの強度は設計・製造の過程で十分に考慮されていますが、宇宙船は運搬ロケットの打ち上げ能力によって制限されており、意図的に無制限に強化することはできず、当然ながら高速衝撃に耐えることはできません。さらに、たとえ車内が安全だとしても、急激な姿勢の変化は隠れた危険をもたらします。

そのため、2つの実験モジュールは、最初は天河コアモジュールの前方に打ち上げられ、同じ平面と軌道に位置し、徐々に非常に小さな相対速度で接近してドッキングを実行しました。

軌道力学の基本原理によれば、ドッキングプロセス中、2 つの軌道高度は相対的に変化しますが、速度差が適切に制御されている限り、軌道高度の変化は非常にわずかであり、ドッキング機構の補償能力を超えることはありません。

初期ドッキングが完了した後、一定期間のテストを経て、天河チームは実験モジュールの状態が正常であることを確認し、ロボットアームを使用して実験モジュールを天河コアモジュールの側面ドッキングポートに移送する作業を支援します。

ウェンティアンモジュールが回転した後、宇宙ステーションは「L」字型の構成を形成しました。

宇宙は無重力状態なので、ロボットアームが 20 トン以上の重さの物体を扱うのは難しくないはずだと考える人もいるかもしれません。

実際、大きなセクションの動きによって生成される慣性は無視できません。搬送中に速度が適切に制御されないと、ロボットアームのトルク範囲を超えてしまい、危険が生じます。したがって、実験キャビンの移動プロセスは非常に慎重になり、トルク ジャイロスコープの支援が必要になります。

トルクジャイロの「貢献」はどこにあるのでしょうか?角運動量保存の原理によれば、ロボットアームが実験モジュールを少し横に動かすと、天河コアモジュールは対応する角度の変化を起こし、反対方向に少し回転します。この過程で、宇宙ステーションの軌道方向は実際には変化しませんが、ヨー角は大きく変化し、ソーラーウィングセイル、ヒートシンク、データ伝送アンテナなどの機器の動作に悪影響を及ぼします。したがって、宇宙ステーションアセンブリの天河コアモジュールを軌道接線と平行に保つには、この部分の角運動量を「消化」するためにモーメントジャイロスコープに頼る必要があります。

ドリームスカイキャビンのトランスファーアセンブリの効果図

宇宙の薄い大気は宇宙ステーションにどのような「バタフライ効果」をもたらすのでしょうか?

理論的には、真空環境では、あらゆる形状の物体が姿勢や方向を変えることなく、元の運動状態を維持できます。しかし、現実はそれほど理想的ではありません。宇宙ステーションの軌道高度は数百キロメートルに達し、大気はすでに非常に薄いですが、弱い大気抵抗が蓄積し続け、徐々に宇宙船の姿勢と軌道に大きな影響を及ぼすため、低軌道宇宙船は依然として姿勢制御に注意を払う必要があります。

例えば、ウェンティアン実験モジュールをノードモジュールの側面ドッキングインターフェースにドッキングする場合、大気抵抗の問題を無視することはできません。ウェンティアン実験モジュールの長さは17.9メートル、大きな柱の断面の直径は4.2メートルです。ソーラーウイングセイルと組み合わせると、宇宙ステーションの真正面に巨大な風上面を形成するのと同じことになります。

大型コンパートメント転送の詳細

国際宇宙ステーションは、同様の外国の宇宙船に比べ、大気抵抗などの問題で軌道高度が毎月約2キロメートル低下しており、宇宙船の軌道を上げることでそれを補わなければならない。すると、中国の宇宙ステーション実験モジュールが遭遇した抵抗問題も、宇宙ステーション複合施設全体に一定のトルクを発生させるなど、さまざまな結果をもたらすことになるだろう。トルクを修正しないと、宇宙ステーションのアセンブリが回転するように押され、一方に過度に回転します。

文天モジュールの回転過程を例にとると、「L」の直角頂点が最終的​​に軌道飛行の方向を安定して指し、文天モジュールと天河コアモジュールが軌道方向の両側でそれぞれ45度の角度になっている場合、それは太陽光発電、放熱、無線通信にとって良い位置ではありません。さらに、宇宙ステーションアセンブリは孟天実験モジュールを迎える準備をする必要があり、宇宙ステーションアセンブリは通常の位置に戻り、天河コアモジュールの前面ドッキングポートを準備する必要がありました。

これを実現するには、不均衡な空気抵抗によって生じるトルクを、トルク ジャイロとスラスターの複合動作によって再バランスさせる必要があります。一般的に、この種の計画された作業では、宇宙ステーションに搭載される燃料が貴重かつ限られており、経済的に使用する必要があるため、トルク ジャイロの使用が好まれます。貨物宇宙船は宇宙ステーションに定期的に物資を届けていますが、宇宙環境は複雑かつ危険であり、宇宙ステーションはいつでも予期せぬ事態に対処できるように準備しておかなければなりません。宇宙ゴミや小天体、宇宙船などが異常接近した場合、宇宙ステーションは貴重な燃料を消費し、宇宙飛行士や機器の安全を確保するために軌道を変更する必要があります。

11月初旬、孟天実験モジュールは宇宙ステーションアセンブリと最初にドッキングした後、移送作業を完了し、最終的に別の方向で天河コアモジュールの側面インターフェイスとドッキングしました。これもトルクジャイロとロボットアームの緊密な連携の結果です。

11月3日に孟天実験モジュールの移送が完了したことで、中国の宇宙ステーション複合体は比較的バランスの取れた状態を形成した。天河コアモジュールのドッキングインターフェースの放射状に神舟有人宇宙船があり、その両側に文天モジュールと孟天モジュールがそれぞれあり、後部のドッキングインターフェースに天舟貨物宇宙船が配置されている。

宇宙飛行士が「宇宙でシフトを引き継ぐ」とき、ノードモジュールのドッキングポートも神舟有人宇宙船を迎え入れる必要があり、不均衡な抵抗の問題にも直面することになる。しかし、神舟宇宙船の「風上領域」は比較的小さく、発生する不均衡なトルクは比較的軽微であり、トルクジャイロによる簡単な補正で解決できます。

中国の宇宙ステーション移転計画の利点は何ですか？

外国の宇宙ステーションではこれまで、垂直移送ソリューションを使用してモジュールの移送が行われており、移送後はアセンブリの姿勢が大きく変化します。実際、中国の宇宙ステーションは世界で初めて平面回転ソリューションを採用しており、より優れた効果を発揮しています。しかし、重量が20トンを超える大型キャビンに対し、2つのキャビンを連結するロボットアームの重量は100キログラムを超えており、かなりのリスクを伴います。そのため、実験キャビンの移動プロセスは「棒で2頭の象を運ぶ」と表現されます。

転置プロセス全体における最大の制限要因は慣性であるはずです。物体の運動エネルギーは速度の二乗に比例するため、搬送速度が速すぎると衝撃力が非常に大きくなり、搬送機構やロボットアームに大きなトルクが加わり、機器が損傷しやすくなります。特にキャビンを停止させる必要がある場合、ブレーキをかける状況が発生すると、慣性によりロボットアームが破損する危険があります。そのため、飛行機の移動には、地上チームと宇宙チームがキャビンとロボットアームの動作速度を正確に計算し、厳密に制御する必要があります。公表された報告によると、科学研究機関は地上施設で多くのコンピューターシミュレーションと空中浮遊プラットフォームシミュレーション作業を実施し、姿勢制御、中継測定と制御リンクの障害、エネルギーバランスなど多くの問題を解決した。さらに、昨年初めには天河コアモジュールが天舟貨物宇宙船への移送作業を実施した。天舟貨物宇宙船の大きさと重量は文天実験モジュールよりもはるかに小さいことを考慮すると、天河チームとロボットアームの「練習」に非常に適しています。

つまり、非常に複雑な操作を経て、実験キャビンは 2 度にわたって正常に移動されました。簡単に説明すると、重要なポイントは「遅い」ことと「正確」であることです。「遅い」とは、加速度をできるだけ減らし、ロボットアームと移送機構の支持能力を超えないことを意味します。 「正確」とは、実験用キャビンが「一回で所定の位置に」移動されることを保証することを意味します。

現在、中国の宇宙ステーションは水平対称の「T」字型の構成を形成している。航空宇宙の専門家は、これには 3 つの大きな利点があると考えています。 1 つ目は、全体の重心が中央に配置され、姿勢制御に必要なエネルギーを節約できるようにすることです。第二に、2 つの実験室のエアロックは、「T」の水平線の端に配置されています。そのため、通常の圧力解放時や異常遮断時には、他の密閉キャビンに影響を与えず、一貫した空間を形成し、安全性を確保します。最後に、宇宙ステーションがどのような姿勢で飛行しても、2つの実験モジュールの先端にある大型の太陽電池翼が太陽光で照らされることを保証し、宇宙ステーションが1日あたり約1,000kWhの電力を生成できるようにすることです。これは、一般家庭の約半年分の電力消費量に相当し、中国の宇宙ステーションの3つのモジュールの組み合わせに必要なエネルギーの80％を供給します。宇宙ステーションのさまざまな科学機器の正常な動作を満たすと同時に、軌道上の宇宙飛行士の日常生活も保証できます。

中国の宇宙ステーションの「T」構成の概略図

比喩的に言えば、宇宙ステーションは宇宙空間で安定して飛行しているように見えますが、実際には常に「アクロバット飛行」を行っています。宇宙船やモジュールがドッキングしたり離れたりすると、宇宙ステーションの構成、重心、力条件、軌道などが絶えず変化するため、宇宙チームと地上チームは規則に従い、正確で細心の注意を払って調整と改善を行う必要があります。おそらくこれが、航空宇宙制御科学が非常に困難でありながら、楽しさに満ちている理由でしょう。