貨物船: 私を「配達人」と呼ばないでください

つい先日、我が国は文昌宇宙発射センターの長征7号ロケットを使用して、天舟4号貨物宇宙船を所定の軌道に乗せることに成功し、今年最初の一連の物資を天宮宇宙ステーションに届けました。実際、宇宙ステーションへの物資輸送に加えて、貨物宇宙船には他にも多くの機能があります。では、貨物宇宙船の他の用途は何でしょうか?

天舟4号貨物宇宙船が宇宙に打ち上げられる（写真：屠海超）

特定の宇宙実験を実施する

「ステーション建設のために船を建造し、応用のためにステーションを建設する。」宇宙ステーションは有人制御と大規模なプラットフォームサイズを特徴としています。これは、宇宙飛行士が軌道上で宇宙科学の研究や応用を行うための理想的なプラットフォームです。

宇宙ステーションは強力なサポート能力を備えていますが、広範囲にわたる宇宙科学の研究と応用には数多くの要求が伴います。宇宙ステーション本体に加え、貨物宇宙船も宇宙実験プラットフォームの一員です。これは宇宙ステーションの宇宙科学研究と応用にとって重要な補足となります。それは場合によってはかけがえのない役割を果たします。

世界の多くの国が開発している貨物宇宙船は、独立した飛行能力と軌道姿勢制御能力を備えています。いずれも大容量の与圧貨物室を備えており、一部の宇宙船には非与圧貨物室も備わっています。これらの貨物宇宙船の中には、大型の太陽電池翼を搭載したタイプや、表面を太陽電池で覆ったタイプもあり、宇宙科学の実験や応用を行うための十分かつ多様な材料基盤を提供しています。

さらに、宇宙打ち上げのコストは非常に高額です。宇宙に打ち上げられた宇宙船は、同じ重さの金よりも高価です。貨物宇宙船が物資の輸送にのみ使用される場合、それは必然的に少し無駄になります。

貨物宇宙船は短命の小型宇宙ステーションとみなすことができ、宇宙実験を行うための合理的な使用は日常的な運用となっている。

貨物宇宙船は独立飛行能力を有しており、独立して実施する必要のある宇宙実験、特により高い微小重力環境を必要とする実験に適しています。例えば、日本のHTV貨物宇宙船は密着型太陽電池を使用しており、大気抵抗や太陽圧などの外力による加速が比較的小さいため、宇宙微小重力実験プラットフォームとして最適です。

貨物宇宙船を最初に開発し実用化したのがソ連であり、ソ連とその後継国ロシアはともに貨物宇宙船を使った宇宙実験の実施を積極的に検討してきた。ロシアはかつて、プログレス貨物宇宙船を使用して、エンジン尾部の炎のプラズマ特性を研究したことがある。この宇宙船は迅速なランデブーとドッキングのテストにも使用され、その後のソユーズ有人宇宙船の迅速なドッキングの基礎を築きました。

米国の貨物宇宙船「シグナス」は、直径3メートル、容積27立方メートルの貨物室を備えており、宇宙実験を行うのに最適な場所となっている。 NASA は、シグナス宇宙船で多くの「放火」実験を行ってきました。つまり、その広々とした貨物室に火をつけて、実際の宇宙火災を観察し、微小重力下での炎の広がりを研究する実験です。

私はトラックコントロールの一部を持っています

有人宇宙ステーションの工学技術が成熟したのは比較的遅く、宇宙実験における貨物宇宙船の広範な使用は今世紀の出来事でした。貨物宇宙船のより実用的で広範な用途は、宇宙ステーションの軌道制御と姿勢制御です。

周知のとおり、地球の軌道上にはほとんど空気がありませんが、第一宇宙速度に近い速度で飛行する宇宙ステーションにとって、高高度の薄い大気抵抗は無視できない要素となります。国際宇宙ステーションを例にとると、その軌道高度は空気抵抗により毎日約100メートル低下します。太陽活動が活発になり、地球の上層大気の密度が増加すると、軌道高度はさらに低下します。

宇宙ステーションが地球表面から約400キロメートルの軌道上で運用されていたとしても、軌道高度を定期的に上げなければ、すぐに大気圏に落ちて燃え尽きてしまいます。

さらに、宇宙ステーションは、有人宇宙船と貨物宇宙船のドッキングミッションのために、より良い打ち上げ時間枠を提供するために、軌道位相を積極的に調整しなければならないことがよくあります。一方で、地球の軌道上には大量の宇宙ゴミや、「スターリンク」に代表される複数の低軌道巨大通信衛星群が散在している。宇宙飛行士の安全を確保するため、宇宙ステーションは軌道上の宇宙ゴミや衛星を避けるために定期的に軌道を変更します。

宇宙ステーションの軌道姿勢を制御することも、貨物宇宙船の主な機能の 1 つです。宇宙ステーションのコアモジュールには軌道制御エンジンが搭載されていますが、燃料は貨物宇宙船によって補給する必要があります。そこで研究者たちは、軌道を上げるために貨物宇宙船を使うというアイデアを思いついた。

貨物宇宙船が宇宙ステーションにドッキングして滞在する場合、貨物宇宙船のエンジンは主に軌道を上げるために使用され、コアモジュールのエンジンと燃料は緊急時の使用に使用されます。

宇宙ステーションでは、軌道変更操作に加えて、姿勢制御エンジンを使用して飛行姿勢を調整する必要があります。大きな制御トルクジャイロスコープを日常的に使用することで、宇宙ステーションの姿勢制御のニーズを満たすことができますが、宇宙飛行中に姿勢調整を積み重ねると、ジャイロスコープの回転速度がどんどん速くなり、最終的にはトルクを出力できなくなり、姿勢調整能力が失われます。

制御トルクジャイロを復活させるには、姿勢制御エンジンを点火してジャイロの負荷を軽減し、速度を通常の範囲まで下げる必要があります。

一般的に、ジャイロアンロード操作はコアモジュールの姿勢制御エンジンによって実行できますが、一部の貨物宇宙船では、コアモジュールへの負担を軽減するために、このような操作を実行することもできます。

現在、国際宇宙ステーションの軌道上昇と姿勢制御は主にロシアのプログレス貨物宇宙船によって行われています。 2021年、ロシアの科学実験モジュールが国際宇宙ステーションにドッキングした際、過度の力が加わり、国際宇宙ステーションが540度回転した。最後に、ズヴェズダサービスモジュールとプログレスMS-17貨物宇宙船が逆推力用のエンジンを点火し、国際宇宙ステーションを正しい姿勢に戻すことができました。

我が国が打ち上げた「天舟4号」貨物宇宙船は、上記の貨物宇宙船に加え、宇宙ステーションの姿勢・軌道制御を行う能力も備えている。

天舟4号貨物宇宙船（写真提供：中国航空宇宙科学技術第五アカデミー）

下流に商品を輸送できるのは私だけだ

貨物宇宙船は大量の貨物や実験用積荷を宇宙に運び、宇宙ステーションにドッキングして宇宙飛行士の生活や宇宙科学研究の用途に役立ちます。しかし、宇宙ステーションは、ただ食べるだけで、出さない「グルメ」な場所ではありません。宇宙滞在飛行士の日常生活、宇宙実験や応用では、大量の実験結果や完成品が生み出されるだけでなく、大量の無駄な廃棄物も生み出されます。そのため、宇宙ステーションのゴミは定期的に処分する必要があります。

ゴミ箱やゴミ収集車、ゴミステーションなどゴミ処理施設が完備している地上と異なり、小型の宇宙ステーションではゴミを処理して再利用することが難しい。宇宙は広大ですが、軌道上に廃棄物を散乱させると、大量の宇宙ゴミが発生するだけでなく、宇宙ステーションを含む宇宙船の安全上の脅威にもなります。現時点では、廃棄物の除去を支援する貨物宇宙船が必要です。

貨物宇宙船は巨大な貨物室を備えており、宇宙ステーションまで上昇飛行する際に大量の貨物を積載できるほか、宇宙ステーションから分離して地球に帰還する際には廃棄された役に立たないゴミを保管するのにも使用できる。

寿命が尽きると、貨物宇宙船は宇宙ステーションから分離し、積極的に軌道を外れて大気圏に再突入し、宇宙ゴミになるのを避けるために燃え尽きる。

実際、貨物宇宙船は誕生したその日から、降下中にゴミを破壊する任務を担ってきました。これにより、宇宙軌道上のゴミが減るだけでなく、宇宙ステーション内にゴミが蓄積されることも回避され、一石二鳥と言えるでしょう。

宇宙飛行士は宇宙ステーションで科学実験を行う際にある程度の廃棄物を排出しますが、多くの有用な実験結果も生み出します。これらの貴重な実験結果は地上に持ち帰る必要があります。ダウンリンク輸送にはロシアのソユーズや我が国の神舟などの有人宇宙船を利用することも可能だが、これらの宇宙船の帰還カプセルのダウンリンク輸送能力には限界があり、大量の実験結果を地上に持ち帰るというニーズを満たすことができない。

近年、科学技術の進歩により、米国のスペースX社が開発したドラゴン貨物宇宙船は帰還機能を備え、国際宇宙ステーションでの大量の実験結果を地上に輸送することができるようになりました。このダウンリンク貨物機能は現在のところ唯一のものです。

我が国が開発した天舟貨物宇宙船のシミュレーション（写真提供：中国航空宇宙科学技術第五アカデミー）

しかし、我が国もこの点に関しては同様の計画を持っています。 5月15日、天舟貨物宇宙船の主任設計者、白明生氏は中国中央テレビの「対面」のインタビューで、将来、我が国の天宮宇宙ステーションが大量の物資を地上に輸送する必要が生じた場合、帰還型貨物宇宙船も設計される予定であると明らかにした。