天宮を「夢見る」：夢天実験モジュールとその開発プロセスを公開

「、1、L、T...」
「空白」から「I」構成、L 構成、そしてこれから形成される T 構成まで、これらのシンプルなシンボルは、有人宇宙工学における 30 年にわたる努力の成果です。 「921プロジェクト」の立ち上げから今日の孟天創カプセルの打ち上げ成功まで、中国の有人宇宙計画はついに第3の物語の最終章を書き始めようとしている。

長征5号Bロケットがドリーム宇宙船を宇宙に打ち上げた。写真：蘇東

「孟天」は最後に登場する主人公の一人です。

「カタツムリの殻の中に寺院を建てる」

孟天実験室は、作業室、貨物エアロック室、ペイロード室、リソース室の 4 つの区画で構成されています。キャビンの長さは17.88メートル、最大直径は4.2メートル、打ち上げ時の質量は約23トンです。最大13.5キロワットの発電能力と138平方メートルの展開面積を持つ大型フレキシブル太陽電池を搭載しています。キャビン内には13台の標準ペイロードキャビネットがあり、キャビン外には37台のペイロード設置ステーションがあり、宇宙ステーションでの科学実験の実施をより強力にサポートします。

これは「夢天」の公式紹介ですが、「夢天」にはあまり知られていない物語があります。
2012年5月23日、国家は宇宙ステーションシステムの分業を承認する中で、中国第八科学院航空宇宙科学技術公司が宇宙ステーション実験モジュールIIの全体的な開発を担当することを明確に表明した。プロジェクトの開始当初、実験キャビン II は調査光学キャビンと呼ばれ、調査望遠鏡は実験キャビンのコンポーネントの 1 つに過ぎませんでした。しかし、宇宙ステーションの運用中は、余分な物体、振動、姿勢調整、軌道制御などの要因が望遠鏡の動作を妨害します。調査望遠鏡の観測方向は宇宙ステーションの運用に干渉することになります。この二つは矛盾している。

その後、我が国の航空宇宙能力の向上とさまざまな検討を経て、調査望遠鏡は実験室から分離され、宇宙ステーションとともに飛行しました。

これは双方にとって有利な状況だが、孟天研究所のキャビンチームにとっては不意を突かれたものだった。これは、以前の設計に大規模な変更が必要になったり、場合によっては覆して最初からやり直さなければならないことを意味します。埋没コストとタスクの期限の迫りという二重のプレッシャーにより、チーム全員が深く考え込むようになりました。
「再設計後、私たちは『夢天』を宇宙飛行士が作業する場所として位置づけ、キャビンの内外でのさまざまな科学実験をサポートする」と、第八科学院805研究所の上級エンジニア兼主任設計者のファン・ピン氏は語った。

科学研究チームがドリームスペースカプセルと一緒に写真を撮影しました。画像提供：第八病院

新しい計画では、従来の構造構成とプラットフォーム機能はそのままに、「貨物エアロック」機能を革新的に提案し、貨物出入口エアロック区画を追加し、巧みに入れ子構造構成を採用して、「3つの区画」を「4つの区画」に変えています。

再設計された「Mengtian」作業モジュールは前端にあり、ドッキング機構を介してコアモジュールに接続されています。微小重力科学研究を目的としており、流体物理学、材料科学、燃焼科学、基礎物理学、航空宇宙技術実験など、複数の分野の実験キャビネット13台を備えています。また、宇宙飛行士向けに約32立方メートルの「ドリームファクトリー」スタジオも提供されます。ペイロードキャビンと貨物エアロックは、独自の「ダブルキャビンネスト」形式で接続されています。つまり、貨物エアロックはペイロードキャビン内に隠されており、貨物がキャビンから出る専用のチャネルとして機能します。先端のリソースキャビンには、太陽光配向装置とフレキシブルソーラーパネルが設置されています。

「新しく設計された実験室は、大型の積荷がエアロックから出られないという問題も解決している。上海方言で言うと、『カタツムリの殻の中に寺を建てる』ようなものだ」と孟天実験室の計画マネージャー、劉慧英氏は語った。また、ペイロードキャビンには、2つの展開式露出プラットフォームと、15平方メートルの面積をカバーする埋め込み式固定露出プラットフォームが装備されており、多数のキャビン外露出負荷ポイントを構成できます。
本日の「夢天」は我が国が世界をリードするレベルの国家宇宙実験室を建設する上で最大の後押しとなると言える。

「モノ中心」と「ヒト中心」

有人宇宙飛行の核となるのは人間です。

有人宇宙飛行の重要な目的の一つは、問題への主体的な対応や人間の高度な運​​用能力など、現場での人間の役割を最大限に発揮させることです。しかし、人々の作業能力、特に細かい操作能力は、キャビンの内外では大きく異なります。

船外活動中は、船外宇宙服や手袋の制限により、人の観察効果、作業空間、道具の使用能力が大きく制限されます。特別な設計と特別なツールを使用したとしても、キャビン内操作の精度レベルを達成するには程遠いです。キャビン内では、ツールが適切であれば、宇宙飛行士は地上で行える作業を軌道上で完了できると言えます。

ドリームスカイキャビンを間近で見る。画像提供：第八病院

そのため、「夢天」は貨物の自動出入りという独自の機能を提供し、宇宙飛行士にとってより適切な宇宙での作業環境を作り出し、「貨物中心でありながら人間中心」を実現します。

ウェンティアン実験モジュールとは異なり、メンティアン宇宙船のエアロックは、宇宙飛行士がキャビンから出るために使用されることはなくなり、キャビンから出る貨物専用の通路になりました。これまで、船内外への貨物の移送や設置は、宇宙飛行士が「船外に出て貨物を運ぶ」という形で行われるのが一般的でしたが、この方法は宇宙飛行士の船外活動の回数や搭載物の数や大きさなどによって制限されることが多く、また宇宙飛行士の頻繁な船外活動は宇宙環境においてより複雑な安全上の課題にも直面することになりました。

「夢天」の貨物用エアロックは「内扉＋外扉」の二重扉設計を採用しており、作業室に通じる内扉は、客室内外の宇宙環境を隔離するための重要な設備となっている。地面に面した外側のドアは、キャビンの外部への貨物の出口です。軌道上の宇宙飛行士の安全を確保するため、内側のハッチと外側のハッチは同時には開かれません。

貨物船外ミッションを例にとると、宇宙飛行士は客室内に積荷を設置し、自動移送機構に取り付けます。職員はエアロックから避難し、作業室に戻ってドアを閉める。エアロックが減圧される。キャビンのドアが開き、移送機構によって積荷がキャビンの外に送り出されます。ロボットアームが積荷を掴んで持ち去ります。移送機構がキャビン内に引き込まれる。職員はエアロック内に入って通常の作業を行えます。

「荷物移送機構の輸送能力は400キログラムに達し、単一貨物輸送の外形サイズは1.15メートル×1.2メートル×0.9メートルに達する」と劉慧英氏は述べた。

貨物エアロックの使用後は、宇宙飛行士は積荷を送ったり持ち帰ったりする際に船外宇宙服を着用する必要がなくなり、そのような作業の安全リスクが大幅に軽減され、宇宙服の耐用年数が延びます。

ドリームスカイキャビンの内部と現場スタッフ。

自動エアロックは、キャビンの内側と外側をつなぐ中継作業場となり、ここで大型の部品を組み立ててテストし、その後キャビンから丸ごと送り出すことができます。キャビン外の積載物も最初にここに移動できます。再加圧後は、宇宙飛行士は客室内と同じように分解、修理、メンテナンスを行うことができます。

さらに、宇宙飛行士は孟天モジュール内で超小型衛星を組み立て、モジュール外に移送して放出することもできる。

「孟天は、36U立方体の衛星や100キログラムの超小型衛星の軌道上での組み立てと自動放出をサポートできる」と宇宙ステーションの孟天実験モジュールの主任機械設計者、李立春氏は語った。 「1Uの体積は10cm×10cm×10cmで、手のひらに収まるサイズです。」

「1+1+1=1」

宇宙ステーションの統合された3モジュールシステムは、我が国の宇宙ステーションの独自の利点です。

「天河」と「文天」に続き、「夢天」がドッキングしてシステム統合を完了すれば、中国の天宮宇宙ステーションは質的にさらに飛躍することになる。

世界中の宇宙ステーションを見てみると、ミール宇宙ステーションのモジュールは複数の平面に配置されており、太陽翼の妨害の問題が顕著です。国際宇宙ステーション全体は、姿勢と軌道の制御をコアモジュールであるズヴェズダサービスモジュールに大きく依存しています。このモジュールに問題が発生すると、宇宙ステーション全体に大きな影響が及ぶことになります。

天宮宇宙ステーションは、ミール宇宙ステーションと国際宇宙ステーションの設計概念、経験、教訓を分析し、参考にして、宇宙ステーションの3つのモジュールのシステム統一を重視しています。船外活動は二重エアロックによってバックアップされ、姿勢および軌道制御は天河と文天によってバックアップされ、孟天も主要機能をバックアップできます。 3つのキャビンは、太陽電池パネルが遮られないように同じ平面上に分散されています。段階的な3回の打ち上げにより、軌道上で組み立てと構築が完了し、強力で完全な70トンの「天宮」が形成されます。中規模の条件下では、より高い研究開発効果が得られ、効率的なリソース利用とより強力なシステム冗長性が得られます。

中国の宇宙ステーションのT字型構成のレンダリング。画像提供：第八病院

「夢天」はドッキングと再配置の後、約1週間かけて自らの資源を宇宙ステーション複合施設に統合し、宇宙ステーションの他の2つのモジュールと制御、エネルギー、情報、環境などの機能のグリッド接続管理を実現する。その時までに、宇宙ステーションは「ウェンティアン」の組み立て後に別のシステム統合を完了することになる。

一方、システムが統合されると、3 つのキャビンのエネルギーはグリッドに接続され、統一的に管理されます。 2 つの実験用キャビンは、キャビン間でエネルギーを割り当てることができ、熱制御および放熱回路を介して接続され、エネルギー供給に一致する放熱容量の割り当てを実装します。

例えば、孟田で多くの負荷が開始され、この小屋での発電だけに頼っている場合、1キロワットの電力が不足する可能性があります。この場合、ウェンティアンから電力供給網に1キロワットの電力を割り当てることができます。同時に、「夢天」は発生した余分な熱を「文天」に伝達し、その熱は「文天」のラジエーターを通じて安全に放散されます。

一方、システム統合後は、3キャビンのプラットフォームとペイロード情報を一元的に管理できるようになります。各種情報ネットワークが統合され、プラットフォームバス、ペイロードイーサネット、および搭載されたWiFiがすべてグリッドに接続されているため、システムは区別なくどのコンパートメントの機器も監視および管理することができ、ステーション全体のペイロードリソースの統一された割り当てと動的管理に役立ちます。

ドリームライナーのカプセルが軌道上で組み立てられている様子のレンダリング。画像提供：第八病院

さらに、システムが統合された後は、宇宙飛行士用の3つのキャビンが提供する生活・作業環境を統一的に管理できるようになります。 3 つのキャビンの組み合わせの密閉された空間が接続され、完全な空気循環が形成されます。空気圧、組成、温度、湿度を空気の流れに合わせて均一に制御し、均等化することで、宇宙飛行士が各客室内で適切な環境にいられるようになります。

システム統合により、各モジュール内の機器を必要に応じて展開および再構築できます。制御システムやロボットアームのアプリケーションにも、さまざまな程度の変化が起こります。これはすべて、我が国の宇宙ステーションの高度なシステム設計によるものです。

現在、「夢天」は国家宇宙実験室の主要モジュールとして、我が国の宇宙ステーションの軌道上での科学実験の実施能力を大幅に強化します。技術開発と応用、生物学、物理学など、数多くの最先端分野で新たな重要なブレークスルーが起こり、科学技術の発展を促進し、遠い未来を「近づける」可能性があります。

その時、より深い空間に、中国人の痕跡が残るでしょう。