軌道離脱帆：宇宙ゴミの「清掃人」

将来的には、花火は地面から上がるだけでなく、空から落ちるようになるかもしれません。

オランダ人アーティスト、ダーン・ローズガールデはESAと協力して宇宙ゴミ研究室を建設している。宇宙ゴミが人工流星となり、花火のように空を照らすと予想されている。この計画は、破片を地球の大気圏に誘導し、あらかじめ決められた時間に燃え尽きさせることを目指している。

この「花火ショー」を完成するための前提条件は、破片を大気圏に誘導する方法です。実は、このテーマは国内外の航空宇宙科学者やエンジニアがすでに研究を始めているテーマです。中でも、宇宙ゴミを処分する比較的便利で経済的な方法として、軌道離脱帆が注目され始めている。

つい先日、中国第八航天科学技術研究所が独自に開発した、現在中国最大、ロケットモジュールに搭載されるものとしては世界初となるデオービットセイルが初めて軌道上で展開され、ミッションを終えたロケットの最終段が地球の大気圏に戻って燃焼することに成功した。では、オフオービットセイルの主な利点は何でしょうか?

第八アカデミーが独自に開発したデオービットセイルが宇宙に展開されている実際の写真

宇宙ゴミの新たな殺し屋

2021年には世界中で100機以上の軌道級ロケットが打ち上げられた。ミッションが完了すると、ロケットの残骸は地上に落下するか、地球の大気圏に落ちて燃え尽きるか、あるいは宇宙空間をさまよう「宇宙ゴミ」となる。

統計によると、人類が宇宙活動を始めて以来、宇宙には大小数百億個の宇宙ゴミが残されている。彼らは静止しているのではなく、非常に速い速度で飛んでいます。例えば、低軌道上のスペースデブリの飛行速度は秒速7～8キロメートルに達することがあります。これらが宇宙船に衝突すると、少なくとも宇宙船のシステム障害を引き起こし、完全な崩壊や爆発を引き起こす可能性もあります。

軌道高度600キロメートル以下の小型衛星にとって、ミッション終了後に抗力を高めて宇宙ゴミの自動清掃を実現する「デオービットセイル」を使用するのは非常に便利で経済的な方法であると一般に考えられている。

軌道離脱セイルは、広い面積の薄膜セイルを使用して空気抵抗を増加させ、宇宙船の軌道離脱プロセスを加速します。これらは、低軌道宇宙船に適したシンプルで受動的な軌道離脱方法であり、使いやすさと低コストという利点があります。

第8アカデミーの軌道離脱セイルの地上試験

打ち上げロケットのペイロードキャビンを例にとると、長期間にわたって軌道上にありますが、推進システムがなく、電気および化学エネルギーの供給もありません。このとき、微弱な電流を与えるだけで、オフオービットセイルの帆を展開し、ペイロードキャビンを軌道外に運び出して大気圏に突入し、燃え尽きることができる。

キャリアロケットの打ち上げ段階では、軌道離脱システムの軌道離脱セイル装置は常に折り畳まれて圧縮された状態にあります。衛星が軌道に入った後、地上からの遠隔制御コマンドによりデオービットセイルがロック解除され、自律的に展開されます。宇宙船は「帆」を広げることで力を受ける面積を増やし、薄い大気の抵抗の力でゆっくりと減速し、最終的には地球の重力によって大気圏に引き込まれて燃え尽きる。簡単に言えば、宇宙船に「傘」を与えるようなものです。ミッションを完了すると傘が開き、抵抗が増加し、宇宙船は減速して軌道を離れます。

軌道離脱セイルが便利で経済的である理由は、スラスタなどの能動的な軌道離脱装置と比較して、軌道離脱セイルの開発コストが宇宙船の 5% 未満であるためです。さらに、軌道が低く質量が小さい衛星の場合、装置をさらに小型化してコストを削減することができます。

宇宙ゴミの軌道外への進路

一般的に、宇宙船を軌道から外すには、アクティブとパッシブの 2 つの方法があります。

2019年7月19日、約3年間宇宙を旅してきた天宮2号は軌道から外れ、制御された状態で大気圏に再突入した。少量の残骸が南太平洋の指定された安全海域に落下した。これは、宇宙船が寿命を迎える際に、自らの動力装置を使って軌道操作を行い、飛行速度を落とし、軌道を離れて徐々に大気圏に落下するという、能動的軌道離脱の成功例です。

パッシブ脱軌道とは、動力のない宇宙船が膜帆、電気テザー、インフレータブルボールなどの装置の助けを借りて軌道高度を下げるプロセスです。軌道速度が通常の動作速度を下回ると、宇宙船は自動的に大気圏に落ちます。

衛星打ち上げを終えたロケットの軌道区画をいかに迅速に軌道から外すかは、宇宙デブリ軽減の分野における重要な研究方向の 1 つです。

先日、第八研究院は「長征2号D」の軌道離脱システム試験を実施し、初めてロケットの軌道区画に軌道離脱セイルを適用した。これにより、後続のロケットの最終段、ペイロードコンパートメント、ペイロードアダプタなどがミッション終了後に速やかに軌道離脱するための有効な手段が提供され、同時に、ライフサイクル末期の大型宇宙機の自律デブリ除去技術の開発に向けた技術的基盤が築かれました。

第八アカデミーが独自に開発したデオービットセイルが宇宙に展開されている実際の写真

第八学院805研究所ロケットペイロードモジュール軌道離脱システムチームの技術リーダーである鄭奇氏は、軌道離脱セイルは軽量の加速軌道離脱手段であり、ロケットの積載余裕度が低く、打ち上げミッションへの影響が小さいため、ロケットの標準的な軌道離脱装置となるのに非常に適していると紹介した。また、新技術検証の観点からは、軌道上ミッションサイクルが長い衛星に比べ、打ち上げミッション終了後も軌道上に残る最終段やペイロードモジュールを利用してこのような新宇宙技術実験を実施することで、タスクの編成や管理がより効率的になり、軌道上での技術検証をより迅速に実施し、新技術の継続的な反復改善を実現し、製品の成熟度を迅速に向上させることができます。これは新たな宇宙技術実験を実施するための新しいアイデアです。

2019年9月、チームはトーラスマイクロナノ衛星上でデオービットセイル技術の検証を実施しました。軌道上のデータによると、軌道離脱セイルの作用によりタウルスの軌道離脱率が10倍に増加したことが示され、これはシミュレーション計算結果と一致しています。

これと比較すると、長征2Dロケットが使用する軌道離脱セイルは大幅にアップグレードされている。帆の面積が2.25平方メートルから25平方メートルに拡大されただけでなく、適用可能な宇宙船のサイズも10キログラムから50〜500キログラムに増加しました。さらに、大面積の薄膜セイル表面の平坦性と完全性を確保するために、セイル展開方式を弾性ひずみ展開方式からアクティブドライブ展開方式にアップグレードしました。展開時間も0.5秒未満から20分に延長されました。

第八アカデミーが独自に開発したデオービットセイルが宇宙に展開されている実際の写真

25平方メートルの帆を折り畳んで、1インチのスペースも無駄にできないロケット室に収めるために、研究チームは薄膜材料に多大な労力を費やし、軌道離脱帆が強靭性と耐久性の要件を満たすことを保証しただけでなく、薄さを髪の毛の10分の1以下にまで減らしました。最後に、帆は高密度圧縮技術により、ほぼフットボールサイズの箱に収納されます。

第八科学院805研究所の軌道離脱セイル装置責任者である雲衛東氏は、第八科学院が今世紀初頭からさまざまな宇宙ゴミ除去技術の研究開発を開始したことを紹介した。軌道上検証を終えた2.25平方メートルと25平方メートルのデオービットセイルに加え、現在は500～3,000キログラムの低軌道宇宙船に適した、より大規模なデオービットセイル装置を開発中だ。近い将来には、機上検証も完了し、低軌道宇宙船用の軌道離脱セイル装置のスペクトルを形成する予定です。

国境を越えた「宇宙防衛戦争」

近年、商業宇宙旅行が急速に発展し、宇宙への進出コストがますます低下しているにもかかわらず、地球近傍空間の軌道資源はさらに圧迫されている。

中国の航空宇宙分野では、科学研究機関などの組織に加え、大学でも軌道離脱セイル技術に関する多くの試みがなされている。 2018年、南京科技大学が開発した恩来衛星「淮安」は、軌道離脱セイルを使用して能動的な軌道離脱試験を行う予定だった。

現在、米国、英国、ドイツなどの国々も、主に衛星の制御された軌道離脱を実現するために使用される抗力帆装置の研究プロジェクトを次々と立ち上げている。プロジェクトでは、サポートアームの設計、帆膜の設計、帆膜の折り畳みなどの重要な技術が検証されています。

英国の軌道外セイル「DeOrbitSail」を軌道上に展開するコンセプトイメージ

各国の科学者の努力のおかげで、軌道離脱セイルの関連技術は継続的に検証され、成熟してきました。 2017年6月、英国サリー大学サリー宇宙センターが開発した技術検証衛星「InflateSail」は、軌道投入後約1時間で軌道離脱セイルの展開に成功し、72日間で急速な軌道縮小を実現し、セイルの展開面積は約10平方メートルとなった。 2019年7月、惑星協会のLightSail-2が軌道上に展開され、帆の面積は約32平方メートルになりました。

今日、デオービットセイル技術は、低コスト、高い技術的成熟度、さまざまな仕様の低軌道宇宙船への適用性などの利点により、宇宙デブリ軽減のための最も容易に推進され適用される技術の 1 つになりつつあります。一連の飛行試験の成功により、低軌道宇宙船の軌道離脱にはデオービットセイルが実現可能であることが実証されました。

宇宙の保護を「ルールに基づく」ものにするために、世界の主要宇宙大国も宇宙ゴミの軽減について合意に達し、一連の規則や条約を策定した。

今日、宇宙ゴミの増加は政府や商業宇宙部門にとってますます深刻な問題となっており、宇宙ゴミを軽減し、除去するためには、軌道離脱帆を含む包括的なアプローチが必要です。