私たちはどのようにして来て、どこへ行くのでしょうか？天舟シリーズ貨物宇宙船の開発構想を発表

神舟宇宙船が宇宙に打ち上げられると、宇宙飛行士はせいぜい数百キログラムの機内持ち込み手荷物しか運ぶことができない。 2013年、神舟11号の飛行士2人が天宮2号宇宙実験室に1か月滞在した後、物資はほぼ枯渇した。中国が独自の「天宮」宇宙ステーションの建設と運用を長期にわたって決定したとき、宇宙ステーションの燃料をどうやって補充するかという疑問が生じました。宇宙飛行士は長期滞在時に生活必需品が不足したらどうすればいいのでしょうか？

貨物宇宙船が誕生しました。今日、中国の天舟シリーズ貨物宇宙船5機が出航し、空と大地を旅し、有人宇宙プロジェクトのための生命線を築いている。天地輸送路を頻繁に訪れる者として、それはどこから来てどこへ行くのでしょうか？

先駆的：天州が宇宙推進技術の飛躍的進歩を達成

遺伝的差異によって異なる生命体が生まれます。貨物宇宙船はゼロから作られます。その設計と開発は、その独自の特性に基づいて完了し、宇宙ステーションのミッション要件を満たす必要があります。これは、段階的な発見、探索、突破、改善のプロセスです。

2011年、中国航空宇宙科学技術公司第五研究院は貨物宇宙船プロジェクトの実現可能性調査を開始し、貨物室と推進室の構成に関する全体的な技術計画を策定し、我が国初の実験用貨物宇宙船である天舟1号を使用して、宇宙船プラットフォーム設計自体の合理性を検証しました。

天舟1号貨物宇宙船の概略図

天舟シリーズ貨物宇宙船の副主任設計者である党栄氏は、貨物宇宙船は大型であるため、各ミッションの貨物積載量の違いにより質量中心の位置が変わり、また軌道上の廃棄物を貨物宇宙船に積載することで質量中心の制御にも影響が出ると紹介した。姿勢制御スラスタを他の宇宙船のように質量中心付近や後端面に設置すると、各ミッションの要求にうまく適応できず、姿勢安定性が悪くなりやすく、ランデブーやドッキングにも影響を及ぼします。

これは貨物宇宙船を開発する際に考慮する必要がある最初の問題です。貨物宇宙船が異なる重心位置や高精度の制御要件に適応できるようにするため、天舟1号には宇宙船の前部コーンと後端面に4種類のエンジン36基が搭載されています。

「できるだけ多くの貨物を輸送する」ことが設計者が追求する主な目標です。天州貨物宇宙船システムの副主任設計者である張振華氏は、これには宇宙船の積載量を増やし、自重を減らすことが必要だと語った。

積載能力の向上に関しては、船上の高効率荷重支持棚はハニカムパネルと炭素繊維垂直梁に基づく梁スラブ構造を採用し、優れた力伝達効果を持つ多数の標準積載ユニットを形成し、構造対貨物重量比はわずか8％です。自重軽減の面では、宇宙船の主要電子ユニットすべてに国産の100ボルト厚膜電源モジュールが採用されており、配電設備やケーブルの重量が軽減されるだけでなく、100ボルト高電圧送電の基盤も築かれている。

天州が輸送する重要な貨物は推進剤であり、軌道上での推進剤補給技術の進歩が必要となる。これまで、軌道上での燃料補給技術を習得していたのはロシアと米国だけだった。外国の一部の相手も中国に技術協力する意向を表明したが、研究開発チームは「宇宙燃料補給技術は自国で習得しなければならない」と主張し、一連の主要技術の習得に10年を費やした。そして、2017年には、天舟1号貨物宇宙船が天宮2号宇宙実験室への軌道上燃料補給を完了し、我が国の宇宙推進分野における技術的飛躍を達成しました。

まず最初に：飛行検証プラットフォームとしての天州

天舟1号は貴重な飛行機会を捉え、自らの使命を遂行するとともに、宇宙ステーション建設や有人宇宙船に向けた膨大な予備技術検証を実施する必要がある。

宇宙ステーションに使われる主要部品を事前に検証し、自立制御の実現を加速するため、天舟1号は飛行検証プラットフォームとして、7つの分野にわたる44個の国産コア部品を大胆に活用した。 100ボルトの高電圧完全分散型配電システムと高電圧リチウム電池の応用、あるいは貨物宇宙船の内部イーサネット高速情報システムからペイロードへの電力供給と情報フローの個別計画まで、研究開発チームは真新しい電子情報システムを確立しました。 「当時、私たちはすべてのメーカーを訪問し、さまざまなテストを実施しました」とダン・ロン氏は語った。

天州2号に関しては、開発チームはいくつかの大きな成果も達成しました。

まず、自律的な高速ランデブーおよびドッキング技術を検証します。貨物輸送の場合、迅速性に対する要求は高くないが、有人宇宙船の緊急人命救助の要求を考慮すると、「天舟」は先駆者としての責任を負わなければならない。天舟2号は8時間に及ぶ自律ランデブー・ドッキングを完了しただけでなく、軌道を離れる前に2時間の軌道上急速ランデブー・ドッキング試験も実施した。

第二に、ランデブーとドッキングの信頼性を向上させるために、天舟2号は宇宙飛行士と協力して手動遠隔操作テストを完了しました。ダン・ロン氏は、これまでの宇宙飛行士は運用中の宇宙船から目標の宇宙船を監視しながら操縦していたが、現在は宇宙飛行士が宇宙ステーションから貨物宇宙船を遠隔操縦して宇宙ステーションにドッキングさせていると述べた。貨物船はまず画像を取得し、それを宇宙ステーションに送信する必要があります。宇宙飛行士は受信した画像に従って操作するため、この往復は時間遅延の影響を受けることになります。この目的のため、研究開発チームは宇宙船間の双方向通信用の「空対空通信機」をアップグレードし、その伝送性能をキロバイトからメガバイトに向上させました。

3つ目は、天州と宇宙ステーション間の双方向の系統接続電力供給能力が開拓されたことです。宇宙ステーションプロジェクトは大規模なシステムです。このような複雑なシステムが軌道上を飛行している場合、太陽電池パネルが太陽から遮られることは避けられず、その結果、宇宙船の電源が特定の動作モードの電力要件を一時的に満たせなくなります。宇宙ステーションは貨物宇宙船に電力を供給することができ、宇宙ステーションの電力が不足した場合、天舟は「母船に電力をフィードバック」して母船に電力を供給することもできる。

第4に、ロボットアームを用いた宇宙ステーションモジュールの移送操作の実現可能性と有効性を試験し、宇宙ステーションモジュール移送技術とロボットアーム大荷重制御技術を検証し、その後の宇宙ステーションの軌道上組み立てと建設に向けた経験を蓄積しました。

現段階では、天州は技術の先駆者です。

改善: 天州のユーザーエクスペリエンスを継続的に向上

「天舟1号」と「天舟2号」のミッションが成功裏に完了したことで、技術状況はますます安定してきました。 「天舟3号」を皮切りに、貨物宇宙船は正式にバッチ開発モードに入った。

より人間工学的に設計され、ユーザーエクスペリエンスを徐々に向上させることができる人道的な貨物宇宙船を設計することは、当時の航空宇宙関係者が最も遵守したかった設計コンセプトでした。

貨物パッケージから判断すると、天舟2号が運んだ160個以上の貨物パッケージはすべてベージュ色です。有人宇宙船「神舟12号」の宇宙飛行士3人は、物資がすべて同じ色だったため、すぐに種類を識別できなかったと報告した。貨物バッグに使用されている特殊素材の色を変えることは難しいため、研究開発チームは貨物バッグに「リボンを結ぶ」ことを始め、異なる色のストラップで異なる種類の貨物を表現しました。

天州4号に到着すると、貨物パッケージには色とりどりの「身分証明書」が直接貼られた。カラーはライトブルー、ダークブルー、グリーン、パープル、ライトブラウン、ダークブラウンの6色です。緑色は宇宙飛行士系食糧、薄茶色は写真撮影機材パッケージ、紫色は医療実験分野の資材を表しています。開発者は、地上からクラウドまでミッションサイクル全体にわたる資材のデジタル管理システムを確立し、貨物の自動情報入力と資材のピッキングと配置の動的な情報管理を実現しました。 「このシステムはまた、VR技術を使用して宇宙飛行士に視覚的な操作指示を提供し、貨物を見つけやすくしている」と天舟シリーズの貨物宇宙船のチーフコマンダーであるFeng Yong氏は述べた。

この設計コンセプトは、あらゆる面に反映されています。宇宙飛行士が触れる可能性のある場所はすべて鈍角になっており、可能な限り柔らかい光と色が選ばれ、床タイルはまぶしさを避けるために粗い表面に作られ、さまざまな色が使用され、「天と地」の視覚体験が作られ、宇宙ステーションのアラームの種類を区別するためにさまざまな周波数と音が使用され、貨物バッグのクッションフォームはブロックに分割され、宇宙飛行士がより多くのダウンリンク物資を運ぶのを容易にするために小型化されています...触覚、嗅覚、味覚、視覚、聴覚の五感に関連するものはすべて、開発者が考慮する必要があります。

天舟3号のミッション中、開発者らは花柄の子牛の人形を貨物バッグに吊るした。 「宇宙飛行士は宇宙空間で視覚疲労を感じることがあります。これが彼らに違った体験を与えてくれることを願っています」とフェン・ヨン氏は語った。

その後、この「小花牛」は宇宙飛行士の唐紅波氏の「家」のドアに掛けられました。

アップグレード：天州は遺伝子に「変化」を刻み込んでいる

宇宙ステーションでより多くの科学実験ミッションが実施されるにつれて、貨物宇宙船に対する新たな要件が提示されます。現在のフィードバックから判断すると、天州が毎回宇宙ステーションに持ち込む推進剤は十分であり、さらにいくらか余っている。今後、より多くの貨物を運ぶ必要があり、天舟6号貨物宇宙船は構造調整に直面することになる。

張振華氏は、貨物宇宙船の貨物室は前部コーン、柱部、後部コーンの3つのセクションに分かれていると紹介した。後部コーンセクションは非密閉構造で、宇宙船独自のプラットフォーム電子機器を収容します。改良された宇宙船では、推進剤タンクの数が当初の 8 個から 4 個に削減され、プラットフォームの電子機器用のスペースが確保され、後部コーンセクションのスペースも解放され、貨物容量が増加しました。

これまでの天州の発展において唯一変わらないのは変化です。馮勇氏は、「天舟」の設計段階はすでに過ぎており、現在の貨物宇宙船はバッチ生産に入っていると考えている。彼らの地位は比較的安定しており、有人宇宙プロジェクトのスピードと品質を最大限に保証することができますが、これはもはや変化しないことを意味するものではありません。

「当社は常に新しい製品、新しい技術、新しいプロセス、新しい材料を使用しています。」馮勇氏は、単一点のイノベーションが、ある日突然変異を引き起こすことはよくあると語った。その前に、十分な技術的検証を行い、信頼性を確保し、細部まで厳密に管理し、「過剰設計」や「不足設計」にならないようにするとともに、コストの問題も考慮する必要があります。なぜなら、商用貨物宇宙船、帰還型貨物宇宙船、あるいは他の新しいタイプの貨物宇宙船がすべて中国に登場する可能性があるからです。

天舟5号貨物宇宙船とフェアリングアセンブリが工場内に設置されている。写真：蘇東記者

2022年11月12日、天舟5号貨物宇宙船が打ち上げられた。これは、中国の宇宙ステーションが基本的な「T」字型の構成を形成した後に迎えられた最初の貨物宇宙船である。今後、天州は輸送速度の高速化、積載量の増大、輸送効率の向上、より高度な技術検証も達成する予定です。