宇宙ステーションが「時計のように静止し、風のように動く」秘密は何でしょうか?

7月24日、文天実験モジュールが文昌宇宙発射センターで無事に打ち上げられた。文天が宇宙ステーションに加わった後、現在の宇宙ステーションの複合施設は、天河コアモジュール、文天実験モジュール、神舟14号有人宇宙船、天舟4号貨物宇宙船で構成されています。今年は、孟天実験モジュール、天舟5号、神舟15号も迎える予定だ。軌道上で100トンを超える重量になるこの宇宙ステーション複合施設は、我が国の宇宙飛行ミッションでは前例のないほどの姿勢制御の難しさがある。 「天体についての疑問」第 6 話では、宇宙ステーションが「鐘のように座り、風のように動く」秘密に答えます。

宇宙船の姿勢制御のための「魔法の武器」はあるのでしょうか？

制御モーメントジャイロがその威力を発揮

宇宙船の姿勢制御の従来の方法は、RCS姿勢制御電源システム（反応制御システム）を介して姿勢を調整することですが、上向きの移動が必要であり、大量の推進剤を消費します。コスト効率が非常に低く、大型宇宙船の姿勢制御には適していません。

宇宙ステーションの日常的な運用中、地球の上層大気、太陽の電磁放射、重力場など多くの要因の影響により、その姿勢は変化します。搭載されている多くのペイロードにも特定の指向要件があり、特に大型の柔軟なソーラー ウィングには動的な太陽の向きの要件があります。

⬆️宇宙ステーション用の大型フレキシブルソーラーウィング

したがって、宇宙ステーションの安定した動作には、それを安定化できる高性能の「人工物」、つまり制御トルクジャイロスコープが必要です。宇宙船の姿勢制御用の慣性アクチュエータです。高速回転するフライホイールを通じて角運動量を得て、角運動量の方向を変えることで外部にトルクを出力します。 RCS姿勢制御システムと比較すると、燃料消費がゼロという本来の利点に加え、宇宙船の柔軟な部品への干渉を最小限に抑えるという利点もあります。大型宇宙ステーションにとっては欠かせない中核技術設備です。

⬆️トルクジャイロを制御する

かつては技術開発の「障害」でした！

今では私たちは自立し、スマートな製品を作っています

これなしでは、1,000 マイル以上の距離を針に糸を通すことも、宇宙ステーションを建設することも、高速で操縦可能な宇宙船を開発することも不可能です。制御トルクジャイロスコープの技術研究と製品開発は、かつて中国の宇宙技術の発展において遭遇した「障害」であった。 1991年、我が国は宇宙実験室と宇宙ステーションのプロジェクトの実証を開始し、制御トルクジャイロスコープが「重火器」として提案されました。中国は「コア技術は買えない」と確信していたため、デモ開始当初は断固として自力更生を選択した。

私の国で宇宙に打ち上げられた最初のジャイロは、200Nms（ニュートンメートル秒）の制御トルクジャイロでした。 2011年に軌道への打ち上げに成功した天宮1号には、このようなトルクジャイロスコープが6個搭載されていた。その軌道上での応用は、我が国の宇宙電気機械部品の開発における画期的な出来事となり、我が国は米国とロシアに次いで世界で3番目にこの技術を習得した国となりました。

⬆️200Nms制御トルクジャイロ

天宮1号以来、科学研究チームは角運動量0.1Nmsから1500Nmsまでの製品を次々と開発し、中国のさまざまなタイプの宇宙船の姿勢操縦と姿勢制御のニーズを満たすフルレンジの制御トルクジャイロ製品を形成してきました。第一世代の製品と比較して、新しく開発された制御モーメントジャイロは、高精度、高速応答、長寿命、高信頼性などの利点があり、中国のさまざまなタイプの宇宙船の姿勢制御要件を満たすことができます。

宇宙ステーションのミッションにより、中国の宇宙船における制御モーメントジャイロスコープの使用は新たなレベルに達した。他の宇宙船のコントロールモーメントジャイロスコープはキャビン内に設置されており、動作環境は比較的単純ですが、宇宙ステーションのコントロールモーメントジャイロスコープはキャビンの内外両方に適応する必要があります。大きな温度差や真空レベルの変化などの要因により、製品の主要部品の潤滑と機械全体の放熱が大きな課題となります。特に、キャビン外部の温度差が 200 度を超える場合、開発者は特別な熱制御設計を実行する必要があり、同時にキャビン内の製品の振動と騒音の低減作業を実行して、キャビン騒音指数の要件を満たす必要があります。

⬆️宇宙ステーションのコアモジュールに6つの大型制御トルクジャイロスコープが設置されました

制御トルクジャイロスコープは、複雑な宇宙電気機械製品であるため、過酷な作業環境と長い寿命を備えています。毎分数千回転で何年も連続稼働する必要があり、軌道上で故障する確率が比較的高い。したがって、宇宙ステーションの寿命と信頼性を確保するためには、制御トルクジャイロも軌道上で交換できる能力を備えている必要があります。

中国の宇宙ステーションで使用されている制御トルクジャイロは、現在最大の角運動量である1500Nmsを持ち、2キャビンの「6+6」構成を採用しています。そのうち6基はコアモジュールの大柱と小柱を結ぶ円錐の外壁に設置されており、残りの6基はウェンティアン実験モジュールに設置される予定だ。この構成は、統合システム レベルの高度な機能であり、ネットワーク全体を通じて必要に応じて統合および再構成できます。

⬆️神舟14号の宇宙飛行士が軌道上で制御トルクジャイロを設置

「障害」から技術の頂点へ、制御トルクジャイロシリーズ製品の開発と応用は、我が国の宇宙船の姿勢操縦性と姿勢安定制御能力を大幅に向上させ、我が国の宇宙慣性アクチュエータの急速な発展を促進しました。複数の制御トルクジャイロスコープを併用することで、宇宙ステーションが「鐘のように座り、風のように動く」ようになり、有人宇宙工学の着実な発展が促進されます。

（中国宇宙科学院北京制御工学研究所）