宇宙船の漏洩にはさまざまな原因があり、緊急修復方法は素晴らしい

最近、ロシアのプログレスMS-21貨物宇宙船は国際宇宙ステーションを離れる前に漏れの兆候を示した。

この事故は、昨年末にロシアのソユーズMS-22有人宇宙船で起きた事故に似ている。ロシア側は、爆発は外部からの衝撃によって発生した可能性が高いと考えている。

実際、宇宙船の漏洩事故にはスリリングな事例が数多くあります。その理由は何でしょうか?科学研究者や宇宙飛行士は、的を絞った是正措置をどのように講じるべきでしょうか?

ロシアのソユーズMS-22有人宇宙船の冷却剤漏れ

偶発的な漏洩は危険です

宇宙船の作業環境は過酷です。宇宙環境の摂動、極端な温度変化、騒音、電磁干渉、振動、隕石の衝突など、さまざまな要因の影響を受けます。個々の部品は故障しやすく、動作中に問題が発生しないことを保証することは困難です。さらに、宇宙船は数十万、あるいは数百万の部品から構成されていることが多く、システム構造は非常に複雑で、信頼性は厳しい課題に直面することになります。

近年、各国で打ち上げられた宇宙船の数が急増し、さまざまな新技術やプロセスの継続的な試行が行われているため、宇宙船のミッションや構造はますます複雑になり、予期せぬ事態に遭遇することが増えています。宇宙で運航する宇宙船は、修理のために地上に戻ることはできません。障害が発生した場合、従来の人間による介入手段には限界があります。なかでも、有人宇宙船が故障すると、宇宙飛行士の安全が脅かされ、大惨事を引き起こすおそれがあります。

例えば、1971年、ソ連のソユーズ11号宇宙船がサリュート1号宇宙ステーションとのドッキングミッションを完了し、地球に帰還する途中、軌道モジュールと帰還モジュールが分離した際に爆発ボルトが故障し、ハッチの密閉装置が破壊され、帰還モジュール内の空気が急速に漏れ、残念ながら3人の宇宙飛行士が死亡しました。

例えば、2003年に米国のスペースシャトルコロンビア号が軌道に向かっていたとき、外部燃料タンクの断熱フォームが剥がれて左翼に当たり、密閉性が損なわれたが、監視チームはこれを無視した。スペースシャトルが大気圏に再突入した際、高温のガスが翼の内側に流れ込み、一連の故障を引き起こし、スペースシャトルは分解して7人が死亡した。

国際宇宙ステーションは宇宙飛行士が長期間滞在する場所であり、そこでは多くの危険性の高い事態が発生しています。 2018年8月、国際宇宙ステーションでガス漏れが発生しました。検査の結果、宇宙飛行士はロシアの有人宇宙船の壁に直径1.5ミリの穴を発見した。適切な対処をしないと、宇宙ステーション内の酸素が 18 日以内に枯渇し、致命的な結果を招く可能性があります。

最近、国際宇宙ステーションにドッキングしているロシアの宇宙船で漏洩事故が相次いで発生し、海外から懸念を引き起こしている。昨年12月、有人宇宙船ソユーズMS-22に微小隕石が衝突し、太陽翼付近に直径約0.8ミリの小さな穴が開いた。冷却剤が漏れ出し、宇宙船は乗客を運ぶ能力を失った。今年2月11日、プログレスMS-21貨物宇宙船の密閉不良と温度制御システムの故障が発覚した。

ソユーズMS-22有人宇宙船が微小隕石に衝突した後に現れた小さな穴。通常、成熟した宇宙船が連続して事故を起こす可能性は非常に低いため、ロシア宇宙機関はこれを非常に重視している。

2機の宇宙船の事故調査はまだ完了していない。ロシアの技術者は地上で障害を再現し、分析結果を検証し、宇宙船の保護と信頼性を向上させるための的を絞った対応策を策定する予定。次に、ソユーズMS-23有人宇宙船が宇宙飛行士を帰還させるために空のまま打ち上げられるが、間違いは許されない。

軌道上の状況を改善する方法はたくさんある

有人宇宙船が故障して漏れが発生すると、危険性は極めて高くなるため、できるだけ早く発見して対処する必要があります。国際宇宙ステーションの宇宙飛行士はおそらくこの分野で最も経験豊富であり、故障の具体的な状況に応じて対処方法が大きく異なります。

危険な空気漏れに遭遇した場合、国際宇宙ステーションの宇宙飛行士はハッチを一つずつ閉じて、障害の範囲を縮小します。キャビン内のどこかに穴が開くと、漏れ箇所からキャビン外に流れ出る空気によって異常な超音波信号特性が発生します。宇宙飛行士は、手持ち式の超音波スキャン装置を使用して、客室の外壁を素早くスキャンし、漏れ箇所を特定する必要があります。 2004年、宇宙飛行士はデスティニー実験モジュールの舷窓に漏れがあることを発見し、気圧のバランスをとるためのU字型チューブと舷窓の接続部分の密閉が壊れていることを確認した。

アナリストらは、U字管に「引っ張らないでください」という表示がなく、舷窓の近くに手すりもなかったため、宇宙飛行士が近くを移動する際にU字管を頻繁に引っ張って変形や緩みを引き起こし、時間が経つにつれて空気漏れにつながったと考えている。その後、国際宇宙ステーションはU字型のチューブを交換し、舷窓の近くに特別な手すりを追加しました。

2018年、宇宙飛行士はロシアのソユーズ宇宙船の客室壁に漏れがあることを発見し、まずテープで仮止めし、次にエポキシ樹脂接着剤とガーゼで恒久的に密封するという緊急密封措置を取ることを決定しました。

これらの一見単純な方法はうまく機能し、宇宙船が国際宇宙ステーションから分離するまで漏れの問題は発生しませんでした。

有人宇宙船と比較すると、無人宇宙船は一度故障すると主に経済的損失を引き起こし、これらの故障を修理する価値があるかどうかは疑問です。事後のメンテナンスが基本的に不可能な深宇宙探査機は言うまでもなく、低軌道の無人宇宙船だけでも、メンテナンスのために宇宙飛行士を送ったりロボットを打ち上げたりするコストは、予備機を打ち上げるよりも高くなる可能性がある。

多機能な小型衛星が普及するにつれ、「修理するより作るほうが悪い」という考え方が広まりそうだ。もちろん、特別で価値の高い無人宇宙船に故障が発生した場合には、修理のために人を宇宙に送る必要があります。

スペースシャトルの時代、すべての飛行には修理ミッションが含まれていました。結局、この宇宙船は7人の宇宙飛行士を乗せることができ、ロボットアームやさまざまな修理装置も備えており、理想的な「宇宙診療所」となった。

数十年にわたって、宇宙飛行士たちは多くの重要な宇宙船を救ってきました。その中で最も有名なのはハッブル宇宙望遠鏡です。ハッブル宇宙望遠鏡は、軌道上で30年以上良好な作動状態を保つために5回の修理を受けました。残念ながら、ほとんどの無人宇宙船にはそのような優れた「処理」がなく、主にコンポーネントの冗長設計とシステム再構築制御モードに依存して障害を排除しようとしています。単純な障害が発生した場合、地上エンジニアはリモート制御コマンドとアップロードされたデータを使用して、バックアップコンポーネントを切り替え、システムの動作モードを切り替え、重要な制御パラメータを変更し、無人宇宙船の修復に努めます。複雑な障害が発生した場合、修復不可能になる可能性があります。

技術の進歩により、無人宇宙船の異常な漏れが必ずしも死を意味するわけではないかもしれない。宇宙船の寿命は燃料の枯渇により終了することが多いため、一部の国や民間宇宙軍は修理衛星や燃料補給衛星を打ち上げています。これらは基本的に、燃料を貯蔵し、スペアパーツや修理ツールを運び、軌道上でメンテナンスや燃料補給サービスを提供できる宇宙ロボットです。

軌道上保守・補給作業のための衛星ドッキングの概略図

2007年、米国は初の無人宇宙整備試験宇宙船「オービタル・エクスプレス」を打ち上げた。 2 つの衛星で構成されており、1 つは修理を担当し、もう 1 つはさまざまなツールを運ぶ貨物室です。通常、2 つの衛星は相互に接続されています。ミッションを受けた後、目標軌道に入り、分離して、修復衛星の「手術」を行う。貨物室では、故障した衛星を正常な状態に戻すために、さまざまなスペアパーツや燃料を補給します。

新しい技術が安全性を確保

各国の航空宇宙産業は長年の発展を経て、豊富な経験と教訓を蓄積し、宇宙船の開発能力と技術レベルが継続的に向上し、信頼性と安全性が保証されています。同時に、新しい技術や新しい材料の応用により、宇宙船の故障検出能力や自己修復能力も絶えず向上しています。

故障検知の面では、米国は国際宇宙ステーション用の新たな空気漏れ検知技術を開発した。宇宙ステーションの客室の内壁に完全なセンサーシステムを設置し、客室の異常な振動信号を分析します。宇宙ステーション内で漏れが発生した場合、センサーが信号を捕捉して集約し、漏れ箇所を迅速かつ正確に特定します。

公開情報によると、わが国の次世代有人宇宙船試験船は2020年に軌道上に打ち上げられ、高速再突入、制御、回収など一連の重要な技術試験と検証を実施しました。重要な内容の一つは、漏洩・衝突検知システムのテストでした。

我が国の新世代有人宇宙船試験船の帰還カプセル

衝突漏れ検出システムは、1 つのホストと 8 つの高感度アコースティック エミッション センサーで構成されています。破片の衝突や客室内のガス漏れにより音波が発生します。システムは、各センサーに到達する音波の時間差に基づいて衝突または漏れの位置を計算できます。音波のエネルギーに基づいて衝突や漏れの程度を判定できます。このシステムは、宇宙船の構造の微細な変化をリアルタイムで感知することで、潜在的な障害を迅速に検出し、宇宙飛行士の安全を確保するための解決策を提供することができます。

自己修復の面では、インテリジェントな自己修復材料が航空宇宙研究の焦点となっています。この素材はヤモリなどの生物の自己治癒原理を利用しています。中空繊維を使用して「血管」の経路をシミュレートし、2つの非反応性の液体を「血液」にして材料に蓄えます。材料が外力を受けて亀裂欠陥が発生すると、時間の経過とともに一部の「血管」が破裂し、2つの液体が流出して亀裂に浸透し、周囲の構造と化学反応を起こして材料の自己修復を実現し、最終的に宇宙船の構造的損傷の自己修復を実現します。

アメリカの研究者たちは、宇宙船の外層を保護するための別の自己修復素材を研究している。 3層構造になっており、外側の2層は固体の硬いポリマーで、中間の層は液体樹脂です。宇宙ゴミが宇宙船の外殻を貫通すると、その内部から液状の樹脂が流れ出ます。同時に、宇宙船から漏れたガスによって樹脂が急速に固まり、穴が塞がれます。強化プロセスは最速で数ミリ秒しかかからないため、緊急時の即時修復が可能になります。

将来的には、新しい材料や新しい技術が継続的に導入されることにより、宇宙船はより安全で信頼性が高くなり、人類がより深い宇宙へ飛行することに貢献するでしょう。 （著者：楊 思瑞）