衛星が制御不能になった場合、追跡できますか? 30 年前の今日、私たちの科学者たちはそれを成し遂げました!

衛星の打ち上げはもはや珍しいことではありませんが、時には何らかの理由で一部の衛星が「制御不能」になることがあります。しかし、今から30年前の1993年12月25日、中国の科学者たちは、2か月以上前に制御不能になっていた回収可能な衛星を追跡し、捕獲することに成功し、我が国の宇宙技術における奇跡を起こしました。衛星が「制御不能」であっても「追跡」することは可能でしょうか?この質問に答えるには、まず回収可能な衛星について理解する必要があります。

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回収可能な衛星：宇宙ミッションの「実行者」として、宇宙へ出かけて戻ってくる

回収可能衛星とは、その名の通り、宇宙飛行のミッションを終えた後に、その部分構造が大気圏に再突入して地上に帰還できる衛星のことです。衛星回収技術は有人宇宙飛行の先駆者です。米国は1960年に回収可能な衛星ディスカバラー13号の回収に初めて成功した。中国は1975年にリモートセンシング衛星パイオニア1号の打ち上げと回収に成功し、米国とソ連に次いで衛星帰還技術を習得した3番目の国となった。

ディスカバラー13号は1960年10月8日にアメリカのヴァンデンバーグ空軍基地から打ち上げられた（出典：Wikipedia）

1975年11月26日、中国初の回収可能な衛星の打ち上げに成功した（出典：CCTVニュースビデオのスクリーンショット）

回収可能な衛星の出現は、もともと軍事偵察や土地調査のニーズを満たすことを目的としていました。当時、写真技術にはフィルムの使用が必要でした。宇宙で撮影した写真を地上に送り、現像・分析するために回収型衛星が誕生しました。

現在、デジタル写真やデータ伝送など複数の分野の急速な発展により、衛星で撮影した画像データを宇宙から地上に直接送信できるようになり、回収可能な衛星が宇宙科学技術の実験にますます利用されるようになっています。例えば、回収可能な衛星は微小重力科学実験室を搭載し、実験終了後に地上に戻り、試験サンプルを回収することができます。これらの実験の結果は、新素材、新薬、新作物、その他の製品の研究開発に広く活用されています。

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回収可能な衛星はなぜ「制御を失った」のか？

衛星の帰還には通常、モジュールの分離、軌道離脱、遷移、再突入、着陸などのプロセスが必要です。宇宙を飛行する衛星は、機械の故障、ソフトウェアの故障、通信の中断、電源の問題など、さまざまな要因が重なって、命令に従わなくなることがあります。たとえば、フランスの SPOT-3 衛星は、ジャイロスコープの故障により制御不能に陥り、太陽電池パネルが太陽光を受信できず、衛星が正常に動作するのに必要な電力を生成できなくなりました。日本の衛星「きくか」６号機もジェット推進システムの故障により予定の軌道から外れた。さらに、宇宙環境も衛星の正常な動作に影響を及ぼす可能性があります。例えば、太陽嵐や宇宙線は衛星の通信機能や衛星上の電力システムに干渉し、衛星が制御を失い軌道から外れる可能性が非常に高くなります。

我が国が初めて追跡した回収型衛星を例に挙げると、1993年10月8日、我が国は15番目の回収型衛星を打ち上げました。しかし、衛星が帰還した際に、運用セグメントのピッチ赤外線チャネルが故障し、姿勢が所定の角度に到達できなかった。そのため、地上から帰還指令が出された後、衛星が誤った姿勢で指令を受信し、所定の軌道から外れてしまい、「帰還」に失敗したという。

1993年12月25日、中国の科学者たちは、2か月以上前に制御を失った回収可能な衛星の捕捉に成功した。この写真は、1993年10月8日に酒泉発射センターから発射された長征2号Cロケットが衛星を宇宙に打ち上げたときの様子です（出典：論文のスクリーンショット）

回収可能な衛星が制御を失うことを防ぐために、航空宇宙技術者は一連の標準化された手順を設計しました。まず、回収型衛星の設計・製造に高い基準が設定され、ソフトウェアとハ​​ードウェアの信頼性が総合的に向上します。 2つ目は、衛星の通信・監視システムの技術的な最適化を実施し、衛星の健康状態や運用状況をタイムリーに把握し、迅速に対応できるようにすることです。近年では、機械学習や人工知能などの先進技術も導入され、衛星のインテリジェント制御が実現されています。

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制御を失った後、回復中の衛星を追跡するにはどうすればよいでしょうか?

広大な宇宙空間で制御不能になった衛星を追跡するのは、干し草の山から針を探すようなものです。これらの失われた衛星をどうやって見つけるかは、航空宇宙技術者が解決しなければならない困難な問題の一つです。

まず、衛星との無線通信を回復することを試みることができます。ドップラー効果、位相差測定、コード追跡などの技術を通じて、衛星の位置、速度、移動方向などの重要な情報を得ることができます。

さらに近年では、人工知能やビッグデータなどの技術の発展により、衛星の継続的かつ自動的な追跡において高い効率と精度を両立できるようになりました。

レーダー検出技術を使用して衛星を探すことも、衛星を追跡する最も信頼性が高く効果的な方法の 1 つです。例えば、2017年にNASAは先進的な陸上レーダーを使用して、8年間行方不明になっていたインドのチャンドラヤーン1号探査機を発見した。

インドの探査機チャンドラヤーン 1 号 (出典: Wikipedia)

さらに、衛星にインテリジェントなハードウェアとソフトウェアをインストールすることで、衛星が制御を失った場合にタイムリーに自己救助を実行し、地上との通信を積極的に回復できるようになります。

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追跡に失敗した場合、制御不能になった衛星はどこへ行くのでしょうか？

制御不能となった回収可能衛星は、追跡できない場合、エネルギーを使い果たして自ら大気圏に落下したり、長期間宇宙空間に留まって宇宙ゴミになったりする可能性がある。回収可能な衛星にはさまざまな試験装置が搭載されていることが多いため、これらの試験装置には有害な化学物質や放射性物質が搭載されている可能性があります。したがって、それらが地球の大気圏や地中に入ると、必然的に空気、土壌、水資源を汚染し、人間の健康と生態環境に計り知れない害をもたらします。さらに、制御不能になった衛星は他国によって制御・利用される可能性があり、国際安全保障や地域の安定を脅かすことになる。 2008年、米国は、搭載されていた先進的な画像センサー機器から技術上の機密が漏洩するのを防ぐため、制御不能になった偵察衛星を破壊した。

宇宙ゴミの模式図（出典：Wikipedia）

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追跡が成功した場合、制御不能になった衛星はどのようにして帰還するのでしょうか？

衛星が制御を失った場合、いくつかの技術的手段で制御を取り戻そうとすることができますが、その中で最も重要なのは遠隔操作、つまり地上管制センターを通じて衛星を遠隔操作し、その姿勢と軌道を制御することです。しかし、衛星を安全に地上に戻すには、まだ多くの障害を克服する必要があります。

最初のステップは姿勢調整、つまり衛星の姿勢を帰還姿勢に正確に調整し、安定させることです。

2つ目はブレーキングで、ブレーキロケットを正確に点火して、衛星が元の誤った軌道から脱出し、所定の帰還軌道に入ることができるようにすることである。

しかし、回収可能な衛星の電力には限界があるため、上記のプロセスを実現することは困難です。しかし、宇宙空間に取り残されたとしても、衛星通信が正常であれば、自身の動作データや試験監視データを地上に送信し、「残留熱の利用」を継続することができる。

著者: 朱磊、南京航空航天大学、航空宇宙推進理論および工学博士

査読者: Deng Xiaotao、AECC 湖南省動力機械研究所 シニアエンジニア

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社