1 つのロケットで複数の衛星を打ち上げることが頻繁になる中で、克服しなければならない技術的な課題は何でしょうか?

最近、各国が1つのロケットで複数の衛星を打ち上げるケースが増えています。では、1 つのロケットで複数の衛星を打ち上げることの利点は何でしょうか?克服する必要がある技術的な課題は何ですか?将来、1 つのロケットで複数の衛星を打ち上げる技術を改善し強化するために、どのような新しい技術が使用されるのでしょうか。

コストを削減し、ネットワークを高速化

いわゆる「1つのロケットによる複数の衛星」とは、1つの搬送ロケットを使用して2つ以上の衛星を所定の軌道に打ち上げることを意味します。これは実は、弾道ミサイルの多弾頭技術に端を発する「軍民融合」の結果である。これは、ソ連のミサイル防衛システムを突破し、弾道ミサイルの貫通能力を向上させるために、1950年代後半に米国によって初めて提案されました。

1960年、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、翌年には1基のロケットで3基の衛星を打ち上げることに成功しました。その後、世界の主要な宇宙国家や組織がこの分野で画期的な進歩を遂げました。現在、米国、ロシア、ESA、中国、インド、日本はいずれも1つのロケットで複数の衛星を打ち上げる能力を持っている。

近年、中小型衛星の大量打ち上げや地球規模の通信・航法ネットワークシステムの構築に対する需要が高まり続け、衛星群ネットワークの規模も拡大し続け、1基のロケットで複数の衛星を打ち上げるケースが増え、単独衛星の打ち上げ数も新記録を更新し続けている。米スペースX社は2021年、ファルコン9ロケットを使って「143基の衛星を1つのロケットで」打ち上げに成功し、新たな世界記録を樹立した。

積層型フラットパネル衛星の分離と展開の概略図

では、1 つのロケットで複数の衛星を打ち上げることの利点は何でしょうか?

一方では、ロケットの搭載能力を最大限に発揮し、衛星打ち上げコストを削減することができます。従来のロケットは、1 つのロケットで 1 つの衛星を打ち上げる方式を採用しています。衛星の設計品質はロケットの積載量と正確には一致しないため、必然的にロケットの積載量が無駄になります。

1 つのロケットで複数の衛星を搭載するモデルでは、ロケットの搭載能力に基づいてペイロード オブジェクトを合理的に選択し、衛星の打ち上げ機会を増やし、単一の衛星の平均打ち上げコストを削減できます。特に超小型衛星や超小型ナノ衛星の場合、通常、単独打ち上げの主ペイロードとして使用することは不可能であり、他の打ち上げミッションのペイロードとしてのみ軌道に乗せることができます。 1 つのロケットで複数の衛星を打ち上げると、明らかに多くの小型衛星が「宇宙で相乗り」する機会が得られます。

一方、1 つのロケットで複数の衛星を打ち上げると、衛星群の構築をスピードアップできます。複数の衛星で構成されたコンステレーションの場合、従来の1ロケット1衛星の打ち上げ方式を採用すると、全体のネットワーク化が完了するまでに長い時間がかかり、タイムリーにその効率を十分に発揮することが困難になる可能性がある。特に近年では、数千の衛星からなる巨大な衛星群を構築する計画が多数提案されており、ネットワーク構築の時間と総合的な利益をより重視するようになっている。 1 つのロケットで複数の衛星を打ち上げることにより、小規模な衛星群では 1 回または複数回の打ち上げで全体的なネットワークが完成し、効率が大幅に向上します。巨大衛星群はネットワーク構築時間を大幅に短縮し、数万基の衛星からなる超大規模衛星群の構築を可能にします。

複数の衛星の展開は困難

展開方法に応じて、1 つのロケットで複数の衛星を打ち上げる方法は、すべてのペイロードを同じ軌道に打ち上げる方法と、もう 1 つは、異なる衛星をそれぞれの軌道に、または同じ軌道面の異なる位相に打ち上げることです。

明らかに、最初のタイプのミッションでは、軌道高度と軌道位相の高精度は必要ありません。ロケットの最終段階では、特定の軌道上で衛星を1回または1つずつ放出することができます。重要なのは、個々の負荷が解放された後に衝突を回避することです。これには、各衛星の分離時間と速度が異なるように、衛星が徐々に安全に「離れていく」ことができるように、合理的な分離戦略を設計する必要があります。一例として、2017年にインドのロケットが104基の衛星を一度に打ち上げたことが挙げられます。

2 番目のタイプのミッションでは、軌道高度または軌道位相に対する要件が高くなります。この場合、1 基のロケットで複数の衛星を打ち上げるというミッションを遂行するためには、搬送ロケットに高度な上段ロケットを搭載する必要があります。上段の複数回の点火と起動により、異なる軌道高度または同じ軌道面の異なる位相に移動して衛星の分離と軌道展開を完了し、異なる衛星が軌道に入るための高度または位相の要件を満たすことができます。

一般的に、上段ロケットを複数衛星の打ち上げや軌道展開に利用することで、上段ロケットの強力な操縦性を十分に活用し、複数衛星の展開時間を短縮し、衛星自体の操縦性に対する要件を軽減することができます。しかし、従来のロケットの上段と比較すると、上段は複数回の起動と長時間の軌道滞在が可能であることが求められ、開発チームは一定の技術的能力を習得する必要があります。

また、1 基のロケットで複数の衛星を打ち上げ、展開することに成功するためにも衛星配信装置は欠かせないものであり、その設計も重要な要素となります。いわゆる「衛星ディストリビュータ」は、主にロケットフェアリング内の衛星の設置レイアウト位置を提供するために使用されます。比喩的に言えば、衛星の「座席」を提供します。

航法衛星や通信衛星など、同程度の大きさの衛星を複数打ち上げる場合、各衛星の質​​量や大きさは基本的に同じです。大きな円筒の円周側壁に複数の衛星を吊り下げることができます。これを中央荷重支持シリンダ型サテライト分配器といいます。ディスク型衛星分配器である大型ディスク上に配置することもできます。

質量や大きさが大きく異なる複数の衛星を打ち上げる場合、1基が主ミッション衛星で、その他は小型の搬送衛星となることが多い。主ミッション衛星は通常、衛星分配器の上部に配置され、小型衛星は側壁または

下は周囲すべて。

開発チームは、複数の衛星の配置に基づいて合理的な分離計画を設計し、事前に決められた分離シーケンスに従って時間通りに衛星のロックを解除し、分離スプリングによって衛星をロケットの最終段または上段から1つずつ押し離し、安全な「離陸」を実現する必要があります。

さらに、宇宙船を使用して小型衛星を宇宙ステーションに輸送し、宇宙ステーションで複数の衛星を放出して展開するなど、1 つのロケットで複数の衛星打ち上げを実現する方法もあります。国際宇宙ステーションには、国際宇宙ステーションの放出操作とは逆方向に衛星を「飛び出させる」ことができる特殊な小型衛星放出装置が搭載されています。宇宙飛行士は、船外活動中にマイクロナノ衛星を素手で放出することもできる。

スタックドローンチの今後の方向性

近年、数万基の衛星からなるスターリンク衛星群を展開するため、米国企業スペースXは、1基のロケットで複数の衛星を積み重ねて打ち上げる新しい打ち上げモードを革新的に設計した。

Starlink 衛星は統一された標準化された平板構造を採用しているため、耐荷重サポート インターフェイスを使用して積み重ねて設置および接続することができ、ポテトチップスのように多数の衛星を密に積み重ねることができます。

さらに、スターリンク衛星は珍しい分離方法を採用しており、ロケットの最終段をゆっくり回転させることで、「パッケージ化された」スターリンク衛星の山全体が一定の角速度でロケットの最終段から徐々に分離し、宇宙軌道に投入されます。これらの衛星はもともと積み重ねられていたため、放出前の角速度は同じでしたが、回転半径が異なり、分離して放出されたときに各衛星間でわずかな速度差が生じました。上の衛星は初速度が速く、下の衛星は初速度が遅かった。時間が経つにつれて、衛星はテーブルの上に広げられたトランプのように離れていきます。

この積層型衛星打ち上げ方式は、1つのロケットで複数の衛星を打ち上げる技術開発における大きな進歩です。各衛星に衛星分配器を必要としないため、ペイロード質量を節約できます。また、ロケットフェアリングの内部空間をより有効活用できるため、打ち上げ効率も向上します。低軌道通信やリモートセンシング衛星群ミッションの需要が高まる中、将来的にはスタック型衛星打ち上げが複数衛星同時打ち上げ技術の重要な開発方向になると考えられています。 （著者：張 劉、レビュー専門家：中国航天科学技術集団科学技術委員会副委員長 江 凡）