表示するには高度すぎる!話題になっている「再利用可能な宇宙船」とは一体何でしょうか?

「再現性」は宇宙打ち上げのコストを削減する上で重要な手段であり、関連する技術は長い期間にわたって研究されてきました。近い将来、中国の宇宙飛行機が宇宙に飛び立つのを目にすることができるかもしれない。

記者：段然****執筆：丁林編集：新メディア編集者：王山<br /> 最近、宇宙愛好家たちが天舟6号貨物宇宙船の衝撃的なデビューに注目していたちょうどその時、「再使用試験宇宙船」と呼ばれる小型宇宙船が静かに地上に帰還した。このタイプの宇宙船は長征2Fロケットによって打ち上げられ、276日間の軌道上飛行を経て無事に帰還したと報告されている。

短いテキストレポートから、多くの航空宇宙愛好家はそれを米国のX-37Bや一連の「スペースプレーン」の概念設計と関連付け、さらに将来の宇宙旅行の無限の想像力へと広げました。しかし、ほとんどの人は「再利用可能な宇宙船」という概念に疑問を抱いています。私たちがよく知っている有人宇宙船やスペースシャトルとどう違うのでしょうか?

宇宙打ち上げの高コスト

有人宇宙飛行の使命は、宇宙飛行士をスムーズに宇宙に送り出すだけでなく、ミッション完了後に安全に地上に帰還させることです。これまでのところ、米国のスペースシャトルとまだ試験中のいくつかの新しい宇宙船を除いて、運用中の宇宙船の大部分は使い捨ての乗り物である。ガガーリン時代の宇宙船の特徴を今も引き継いでおり、ミッションが完了すると宇宙船は廃棄されると宣言されます。宇宙飛行士を無事に地上に送り返した後、部品のほとんどは大気圏再突入時に燃やし尽くされるしかなく、唯一回収可能な帰還カプセルは人々が訪れる展示物としてのみ使用されることになる。これにより、深刻な問題が発生します。ミッションが完了した後は宇宙船を再利用できないため、有人宇宙ミッションごとに新しい宇宙船を製造しなければなりません。その結果、打ち上げコストが非常に高くなり、有人宇宙ミッションの効率にも大きな影響を及ぼします。コストの高さと煩雑な手続きにより、人々は新たな車両ソリューションを求めるようになりました。こうして、「再利用可能な宇宙船」のコンセプトが形になり始めました。 1960 年代初頭、アメリカ航空宇宙局 (NASA) は複数の再利用可能な宇宙船プログラムの実証を開始し、最終的に「宇宙輸送システム」プログラムに資金が提供されました。航空機の打ち上げレイアウト設計を統合したこのプログラムは、後にロケットのように離陸し、飛行機のように着陸する、おなじみの「スペースシャトル」へと発展しました。

▲2007年、スペースシャトルディスカバリー号がSTS-120打ち上げミッションを遂行（写真提供：NASA）

従来の有人宇宙船と比較すると、スペースシャトルの利点は非常に大きい。国際宇宙ステーションの主力機である第4世代の「ソユーズ」宇宙船MS型は、一度に最大3人の乗員または限られた貨物しか運ぶことができず、年間平均3.5回の打ち上げ頻度で国際宇宙ステーションの輸送ニーズを満たすことができる。スペースシャトルは一度に 7 人の宇宙飛行士を軌道上に送り出すことができ、その巨大な貨物室により膨大な輸送能力を発揮します。最も重要なことは、スペースシャトルが打ち上げられ、再び使用可能になることです。例えば、スペースシャトル「ディスカバリー」は、27年間の運用期間中に39回の打ち上げが行われ、252人の宇宙飛行士を輸送しており、従来の有人宇宙船に比べて非常に高い効率を実証しています。それにもかかわらず、人類初の再使用型宇宙船であるスペースシャトルは、やがて歴史の舞台から退き、国際宇宙ステーションの輸送ミッションは、現在でもソユーズMSなどの「古い同志」によって担われている。何が起こっているのか？実際、問題は依然としてコストです。全体として、スペースシャトルの平均的な打ち上げには約 8 億ドルの費用がかかり、当初期待されていた高い出席率は達成されていません。メンテナンス作業の複雑さから、スペースシャトルの打ち上げ回転サイクルは非常に長く、史上最短の打ち上げ間隔は54日にも達します。このように高価で低速な宇宙船は、徐々に時代の要求に追いつけなくなっています。

▲2008年、アトランティススペースシャトルは打ち上げミッションを終えた後、メンテナンスのために工場に押し込まれた（写真提供：scienceblogs.com）

安価で効率的なドラゴン宇宙船

スペースシャトルはもはや全盛期ではありませんが、再利用可能な宇宙船の開発は、依然として宇宙打ち上げミッションのコスト問題を解決する主な方法と見なされています。イーロン・マスク氏が率いるスペース・エクスプロレーション・テクノロジーズ・コーポレーション（スペースX）は、打ち上げコストを削減するための再利用可能な打ち上げロケット「ファルコン」シリーズの開発に加え、新世代の再利用可能な宇宙船の開発にも注力している。 2006年、SpaceXはドラゴン貨物宇宙船を打ち上げました。その形状は、従来の宇宙船の鈍円錐弾道カプセルの形状に基づいて設計されています。 1回の打ち上げコストはソユーズよりも高額だが、貨物容量はソユーズの2倍である。さらに、スペースシャトル以来、ドラゴン宇宙船は再び宇宙船の再利用を実現し、コストのさらなる償却にさらに貢献しています。ドラゴン宇宙船はファルコン9とペアになってから10年間で23回の打ち上げを実施し、そのうち18回は国際宇宙ステーションへの貨物ミッションでした。全体として、ドラゴン宇宙船の打ち上げコストはスペースシャトルの10分の1以下です。

▲2012年、CRS-11ミッションを遂行する「ドラゴン」貨物宇宙船が巨大な太陽電池パネルを開いた（写真提供：NASA）

これを基に、SpaceXは旅客バージョンであるDragon 2を打ち上げました。Dragon 2宇宙船は一度に最大7人の乗客を運ぶことができ、当時のスペースシャトルの基準に達していました。さらに、宇宙船は 10 回の打ち上げミッションを繰り返すように設計されており、これにより打ち上げコストがさらに削減されます。回収可能なファルコン9ロケット自体によって節約されたコストを考慮すると、ドラゴン2宇宙船で宇宙飛行士1人を運ぶ平均コストは2,000万ドル以上にまで下がります。この安価で効率的な宇宙船により、将来的には地上と宇宙ステーション間の定期飛行が可能になります。

▲2019年に国際宇宙ステーションにドッキングしたドラゴン2号（写真提供：NASA）

ドラゴン宇宙船は画期的な航空宇宙製品ですが、その限界を無視することはできません。結局のところ、その設計は従来の有人宇宙船から派生したものであり、打ち上げには発射台が必要であり、打ち上げ場所や天候に対する要件は依然として高い。さらに、ミッション終了時に大気圏に再突入した後、このタイプの宇宙船は操縦できなくなります。そのため、回収のためには地上の捜索救助要員を推定着陸地点に派遣する必要があり、それにかかる人的・物的コストも小さくありません。さらに、人々が想像する宇宙旅行では、地上に帰還するたびに捜索救助の現場を見るのは誰も望んでいないのではないかと思います。

中国は宇宙飛行機の開発に取り組んでいる

航空機の設計を宇宙船に取り入れるというアイデアは決して消え去ることはなかった。宇宙船が旅客機のように離着陸できれば、将来の宇宙旅行は普通の飛行機と同じくらい便利になるでしょう。こうして、再利用可能な宇宙船の別の形、スペースプレーンが登場しました。この宇宙船は飛行機と有人宇宙船の両方の特徴を備えています。再利用可能を基本とし、通常の飛行機と同様に離着陸が可能です。実際、スペースシャトルは、航空宇宙機の概念の「不完全な状態」と見ることができます。打ち上げ段階では、従来の方法で垂直にしか打ち上げられないからです。宇宙飛行機の開発における難しさは、飛行機がどうやって宇宙に突入するかという点にあります。理想的なスペースプレーンは、もちろん、外部のロケット推進の助けを借りずに通常通りに離陸し、宇宙に上昇するでしょう。しかし、現在の航空宇宙技術の限界を考えると、現在さまざまな国でテストされているスペースプレーンは、離陸に依然としてロケット推進に依存しています。たとえば、NASA の「ドリームチェイサー」マイクロスペースシャトルや X-37B 宇宙船などです。

▲X-37B宇宙船は2010年に無人軌道飛行に成功した（画像提供：NASA）

もちろん、人々は新たな妥協案、つまり2セクションのスペースプレーンも試みています。つまり、大型の航空機型の乗り物が宇宙飛行機を一定の高度まで運び、その後切り離して自律的に軌道に乗せるというわけだ。米国は「ホワイトナイト」で同様の計画をテストした。このジェット推進輸送機はかつて「スペースシップ1号」と呼ばれる宇宙船を高高度に打ち上げたことがある。軌道上を飛行することはなかったものの、航空宇宙機の将来に新たなアイデアをもたらしました。我が国はますます台頭する宇宙大国として、再利用可能な宇宙船の研究開発でも大きな成果を上げており、徐々に世界のリーダーになりつつあります。 2018年、CCTVは我が国の2セクションの航空宇宙飛行機の模型を公開しました。 2021年珠海航空ショーの航空宇宙技術展示ホールでは、「騰雲プロジェクト」と名付けられた航空宇宙機の模型が大きな注目を集めた。外観からして、やはり2セクションの航空宇宙機プランです。この商用宇宙船は、複数の宇宙打ち上げミッションを遂行できる新世代の地球間往復航空機であり、2025年に技術検証飛行を完了する予定であると報じられている。

▲2021年珠海航空ショーで、中国航空科学工業集団は「騰雲プロジェクト」航空宇宙航空機模型を一般公開した（写真提供：網易軍事）

今回正式に発表された「再使用型実験宇宙船」は、実は2020年にも打ち上げられており、2日間の軌道上飛行を経て無事帰還している。公式情報によると、この宇宙船は航空宇宙機に似た設計である可能性がある。今回、宇宙船は276日間軌道上にいたが、これは技術が比較的成熟していることを示すものだ。公式のニュースはほんの数語だが、「再利用可能な宇宙船」という新たな道筋において、中国の宇宙飛行士たちが徐々に努力を重ね、成果を上げ始めていることが想像できる。おそらく近い将来、中国の航空宇宙機が空を突き抜けて宇宙へと突入する様子を私たちは自分の目で見ることができるだろう。

制作：サイエンス・セントラル・キッチン

制作：北京科学技術ニュース |北京科学技術メディア

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出典: サイエンス・セントラル・キッチン