「スペースエクスプレス」を送るには？最も完全な配送プロセス！ ｜若者は星を見上げて夢を追いかける

若者は星を見て、星を追いかけて夢を見る

気がつけば、2023年の扉が開かれようとしていました。これまでの300日と300夜を振り返ると、それは一連のステップのようで、それぞれのステップが中国の航空宇宙産業の発展を記録しています。新年が近づいてきましたので、読者の皆様のためにサイエンスタイムパーティー第9シーズン「星を見つめ、星を追い、夢を追う若者たち」を準備しました。星を追いかけ、夢を追うワクワクする旅にぜひご参加ください！

レビュアー: 趙良宇

北京理工大学航空宇宙学部飛行制御学科准教授

2022年11月30日、神舟15号の乗組員と神舟14号の乗組員は宇宙で「会う」ことに成功し、6人の宇宙飛行士が同時に軌道上にいるという新たな突破口を達成し、中国の宇宙飛行士の初の「宇宙シフト」を完了した。

神舟14号と神舟15号の宇宙飛行士集合写真 出典：CCTV

宇宙飛行士が宇宙で生活し、働くために必要なものはすべて、地球から宇宙ステーションに輸送されます。では、各「スペースエクスプレス」貨物宇宙船はどのようにして宇宙ステーションの住所を正確に見つけ、商品を玄関まで届けるのでしょうか?

この技術は宇宙船のランデブー・ドッキング技術と呼ばれ、2機の宇宙船を宇宙軌道上で出会い、構造的に1つの宇宙船として接続する技術です。これは、地球と宇宙ステーション間の往復輸送、マルチモジュール宇宙ステーションの組み立て、将来の月面着陸活動を実現するための重要な技術サポートです。

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軌道のルールを知る

ほとんどの宇宙船（衛星、宇宙ステーションなど）は、固定された軌道に沿って地球の周りを飛行します。軌道の種類には円軌道、楕円軌道などがあります。私たちの宇宙ステーションの飛行軌道は円軌道で、地球の周りをほぼ等速円運動します。宇宙船をうまくドッキングさせるには、宇宙船の「住所」を見つけるための基礎となる軌道運動の法則を理解する必要があります。

宇宙ステーションは地球から約400kmの軌道を飛行し、1時間半で地球を一周できる。一方、静止軌道衛星の飛行高度は約3万6000km。地球の重力の影響により、飛行軌道が地球に近づくほど、宇宙船が地球を周回するのにかかる時間は短くなります。同じ円軌道上の宇宙船の場合、相対速度はゼロのままになります。

宇宙船の軌道情報源：新華社

宇宙船が周回する平面を軌道面と呼びます。この平面では、宇宙船が軌道の半径を変更したい場合、速度を上げたり下げたりすることで変更できます。軌道面が同じでない場合、軌道が交差する 2 つの宇宙船の速度値は同じになる可能性がありますが、速度には方向性もあるため、2 つの宇宙船が出会うと「衝突」することになります。これを回避するには、宇宙船の 1 つの速度方向を変更するために大量のエネルギーを消費する必要があります。したがって、ランデブーとドッキングをより良く、より省力的に実行するために、2 つの宇宙船が同じ軌道面で出会うことが許可されることがよくあります。

軌道面が交差する2機の航空機の相対速度関係の模式図 出典：人民情報

これらの軌道運動の法則を理解することで、科学者はランデブーとドッキングに最適な軌道停止点を計算でき、「アドレス」は基本的に決定されます。

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宇宙船はどうやって互いを見つけるのでしょうか? 「住所」がわかったら、どうすれば「速達」をスムーズに送れるでしょうか？

最初のステップは宇宙船を宇宙に打ち上げることです。宇宙船が地表にあるとき、その速度は地球の自転速度と同じです。離陸後、宇宙ステーションに正常にドッキングするには、この偏差を修正する必要があります。エネルギー消費を削減するためには、宇宙ステーションの軌道を正確に測定し、予測して、宇宙船の理論的な打ち上げ時間を決定する必要があります。これは「ゼロ幅時間ウィンドウ」と呼ばれ、「ゼロ ウィンドウ」または「ポイント ウィンドウ」とも呼ばれます。

11月29日23時8分、神舟15号有人宇宙船の打ち上げに成功した。出典: CCTVニュース

次に、宇宙船は宇宙ステーションと同じ軌道面に送り込まれなければなりませんが、その位置は宇宙ステーションの下と後ろになることが多いです。この場所は駐車場と呼ばれます。

神舟9号と天宮1号のドッキングポイントが設置されました。出典: CCTV

その後、宇宙船は計算された軌道変更計画に従って姿勢と軌道高度を徐々に変更し、宇宙ステーションにより良く接近します。このプロセスには長い時間または短い時間がかかる可能性があり、軌道の変更により「停止と開始」が必要になります。距離が遠い場合、地上局とナビゲーション システムを通じて宇宙船と宇宙ステーションの軌道を測定および予測できるため、宇宙船は宇宙ステーションを「追跡」できます。距離が十分近い場合、宇宙ステーションと宇宙船はお互いを「感知」することができ、その後、宇宙船上のレーダーまたは光学測定機器が役割を果たし始め、両者の相対速度と位置を正確に測定できます。この段階での測定値は非常に正確であり、多くの場合、宇宙船のコンピューターによって自動的に計算されるため、リアルタイム処理機能も向上します。

神舟8号と天宮1号のランデブーとドッキングのための軌道制御の概略図 出典：新華社

両者の距離が100〜200メートルになると、手動モードと自動モードの両方で、移動と収束の最終段階に達します。現時点では、軌道の偏差はすでに非常に小さいですが、位置、角度、姿勢、相対速度が一貫していることを保証するために、最終的な方向と姿勢の調整がまだ必要です。なぜ手動モードを維持するのですか?人間の目による直接観察は、宇宙飛行士の操作習慣に合致する場合があり、機械が故障した場合、宇宙飛行士が手動で操作して対処する必要があるからです。

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どうすれば「商品の受け取り」にうまく繋がるのでしょうか？

2機の宇宙船が宇宙ステーションとランデブーすると、次のステップはドッキングです。このとき、宇宙船の宇宙ステーションに対する横方向の位置、速度、3軸姿勢、角速度はほぼ同期しており、軸方向の飛行方向のみが一定の速度を維持します。このとき、交差精度が高ければ高いほど良く、許容範囲が広いほど良く、ドッキングの成功につながります。

中国の宇宙ステーションのキーモジュールとコアモジュールを例にとると、他のモジュールや宇宙船はそのノードモジュールに接続されることになる。ノード モジュールには 4 つのドッキング ポートと 1 つの出口があります。 4 つのドッキング ポートのうち 2 つは実験モジュールのドッキングに使用され、残りの 2 つは宇宙船のドッキングに使用されます。

ノードキャビンの情報源: CCTV

ドッキングは主に3つのステップに分かれています。

1. 接触、受け入れ、および幾何学的位置の補正。

宇宙船と宇宙ステーションは両方とも姿勢を修正しましたが、まだわずかな偏差がありました。この手順は、各ネジを各ネジ穴に合わせるようなものです。位置が修正されると、キャプチャ機構が相手を「掴み」、再び外れないようにします。

2. 衝突エネルギーをバッファリングして消費します。

宇宙船と宇宙ステーションの相対速度がゼロに近い場合でも、衝撃力は依然として発生するため、このエネルギーを減速、消費、または吸収するようにバッファまたはエネルギー消散装置を構成する必要があります。

神舟8号宇宙船の緩衝減衰システム 出典：新華社

3. 機械的な接続。

宇宙船と宇宙ステーションが完全に接近した後、機械的なロックを介してそれらを接続する必要があります。有人宇宙ステーションでは、接続部の強度や積載量を確保するだけでなく、宇宙飛行士がスムーズに移動できるよう空間の密閉性を確保する必要があります。一般的に、宇宙ステーションには金属製のシーリング面が装備されており、宇宙船にはゴム製のシーリングリングが装備されています。

もちろん、一部の宇宙船は地球に帰還する必要があるため、ロックはロックと解除が可能でなければなりません。機械式ロックの特定の特別な位置には爆発装置も設置されており、故障の際に接続部を「爆発」させます。

ランデブーとドッキングは、時間と空間が強く結びついた複雑なエンジニアリング設計です。軌道法則と航空宇宙技術に基づいて開発された重要な宇宙技術です。それは、人類による月や深宇宙の探査に対する技術的な保証です。将来、ランデブーとドッキングの技術は、人類の宇宙探査のさまざまなニーズを満たすためにさらに発展していくでしょう。