宇宙船の衝突回避とは、軌道上の宇宙船が他の軌道上の物体と意図せず衝突する可能性を最小限に抑えるプロセスの実装と研究です。宇宙船の衝突回避の研究開発の最も一般的な対象は、地心軌道上の人工衛星です。この対象には、軌道上のスペースデブリの蓄積を防ぐための手順、衝突の可能性を予測するための分析手法、そして衝突を引き起こす宇宙船を危険から遠ざけるための回避手順が含まれます。
地球のような大きな天体の周りの軌道速度は速いため、軌道上での衝突には大きな運動エネルギーが関与します。例えば、低地球軌道速度が約7.8 km/sの場合、垂直に衝突する2機の宇宙船は約12.2 km/sの速度で衝突します。このようなエネルギーの衝突に耐えられる構造的に固体の材料は、ほとんど存在しません。衛星の大部分は衝突によって瞬時に蒸発し、無数の破片に砕け散り、あらゆる方向に勢いよく飛び散ります。そのため、軌道上で他の物体と衝突した宇宙船は、致命的な損傷を受けるか、完全に破壊される可能性が高いです。
必要性
地球周回軌道上に宇宙デブリが臨界質量まで蓄積すると、軌道上の衛星と他の物体との間で連鎖的な衝突が発生する可能性があります。これはケスラー症候群と呼ばれています。衝突が繰り返されると新たな小さな破片が生じ、それがまた衝突を引き起こし、これが繰り返されます。結果として生じる正のフィードバックループにより、衝突の危険性から軌道上に立ち入り禁止区域が形成され、最終的には打ち上げ時にデブリが散乱する軌道を危険な上昇経路で通過することになるため、宇宙へのアクセスが完全に遮断されることになります。
現在地球軌道上に残っている人工衛星のうち、現在も機能しているものはごくわずかです。2021年9月現在、ESA（欧州宇宙機関）のスペースデブリオフィスは、宇宙空間にある衛星の半数強が依然として運用可能であると推定しています。[1]
| 地球軌道に投入された衛星 | まだ宇宙にいる | まだ機能している |
|---|---|---|
| 約12,070 | 約7,500 | 約4,700 |
地球周回軌道上の利用可能な空間の広さと比較すると、軌道上に打ち上げられる衛星の数は比較的少ないものの、危険なニアミスや衝突は時折発生します。2009年の衛星衝突では、両方の宇宙船が完全に破壊され、10cm（4インチ）を超える宇宙ゴミが推定1,000個、さらにそれより小さなゴミも多数発生しました。[2]
地球の周回軌道上には、衛星に重大な損害を与える可能性のある、他にも小さな物質が存在します。これらは、微小隕石、衛星衝突の残骸、小型天然衛星など、比較的小さな物体です。
| 定期的に追跡される破片 | 断片化につながる出来事 | 軌道上にあると推定されるデブリ物体 | ||
|---|---|---|---|---|
| 10cm以上 | 1～10cm | 1mm～1cm | ||
| 約22,300 | >500 | >34,000 | 約90万 | 1億2800万以上 |
これらの物体は一見無害に見えますが、塗料の破片のような小さな粒子でも宇宙船に損傷を与える可能性があります。[3]スペースシャトルの飛行 後、塗料の破片が原因で窓の交換が必要になったことが何度もありました。[4]
多くの企業が、低軌道からの高速通信とインターネットアクセスを提供するために、大規模な衛星群を打ち上げています。具体的には、SpaceXのStarlinkやAmazonが計画しているProject Kuiper衛星群です。これらのシステムはいずれも数万基の衛星を使用する予定であり、衛星の総数が大幅に増加し、宇宙ゴミの問題を悪化させるでしょう。
リスク軽減方法
打ち上げられた物体が制御不能なスペースデブリとなる数を最小限に抑えるために、いくつかのベストプラクティスが用いられています。その手法は物体の軌道に応じて異なります。ほとんどの防護措置は、衛星やその他の人工物体が機能し制御可能な状態にある限り、運用軌道上に留まるようにするものです。これらの責任は衛星運用者に課せられており、運用者は軌道上の物体の処分方法に関する国際協定に拘束されています。
弾道軌道
探査ロケットのペイロードや弾道ミサイルの弾頭など、弾道軌道上に打ち上げられた物体は、軌道速度を達成せず、飛行の最後に地球に落下するため、オペレーター側で再突入と廃棄を確実にするために何らかの意図的な注意を払う必要はありません。
スペースシャトルの外部燃料タンクは、打ち上げ後速やかに廃棄されるように設計されています。この大型の外部燃料タンクは、打ち上げからスペースシャトルオービタとオービタが軌道速度をわずかに下回る高度約113km（70マイル）に達するまで、オービタに取り付けられたままです。その後、外部燃料タンクは切り離され、弾道軌道を描いて急速に大気圏に再突入します。外部燃料タンクの大部分は再突入時の熱によって分解しますが、オービタは反応制御スラスタを使用して軌道投入を完了します。[5]
低軌道
人工衛星と宇宙ステーションの大部分は、平均高度が2000km（1200マイル）未満の低軌道（LEO）[6]を周回しています。LEO衛星は大気圏の厚い部分に近いため、LEOからの減速に必要なデルタvが小さいため、安全な再突入が可能です。ほとんどのLEO衛星は、搭載されているステーションキーピング燃料（軌道を徐々に乱す大気抵抗などの力に対抗して衛星の軌道を維持するために使用される）を使い切って、軌道離脱噴射を行い、自らを廃棄します[7] 。
寿命を迎えた LEO 衛星の軌道離脱のアクセスが容易なため、これは LEO における宇宙ゴミのリスクを制御する効果的な方法となります。
中軌道以上
LEOよりも平均高度が高い軌道（中軌道（MEO）、静止軌道（ GSO/GEO）、その他）は、大気圏の高密度部から遠く離れているため、完全な軌道離脱噴射は極めて非現実的です。寿命末期にこのような軌道離脱操作を行えるだけの燃料余裕を持つ衛星設計はほとんどありません。
中軌道（MEO）の下限高度付近にある衛星は、「25年ルール」を適用し、搭載推進装置を用いて減速することで25年以内に軌道から離脱することができる。ただし、この規定は、衛星運用者が統計分析によって、大気圏再突入による人的被害や物的損害の発生確率が1/10,000未満であることを証明できる場合にのみ認められる。このように廃棄された衛星は、南太平洋の居住地から遠く離れた海域に大気圏に再突入する。この海域は「宇宙船の墓場」と呼ばれる。[8]
墓場軌道
LEOと高軌道（HEO）の間の高高度を周回する宇宙船、特に高度が極めて限定的で混雑したGSO/GEO（高度制限）を周回する宇宙船は、「25年ルール」を適用するには遠すぎます。GSOとGEOでは、軌道面がほぼ完全な赤道面であること、高度が35,786 km（22,236 mi）の真円にできるだけ近いことが求められます。つまり、スペースが限られており、衛星は耐用年数を過ぎても留まることができません。これらの高度にいるほとんどの衛星は、再突入のために減速する代わりに、わずかに加速してより高い墓場軌道に入り、そこで運用中の衛星との干渉から永久に遠ざかります。
軌道上に残る空のロケット段
歴史的に、多くの多段式ロケットの設計では、軌道に到達するために燃料を完全に使い果たし、使用済みのロケット段を軌道上に残しました。これは旧ソ連のゼニットロケットシリーズに当てはまります。[9]これらの上段は大型の人工衛星であり、軌道によっては再突入に何年もかかることがあります。
現代の設計の多くは、ペイロードを軌道投入した後、軌道離脱燃焼を行うための十分な燃料余裕を備えています。SpaceXのFalcon 9は、上段ロケットが宇宙ゴミに与える影響を最小限に抑えるように設計された打ち上げ機です。このロケットは2段構成で、1段目は弾道飛行です。打ち上げ後数分以内に再突入しますが、段階回収用に確保された燃料を意図的に使用して着陸させ、再利用するか、弾道軌道をそのまま飛行を続け、大気圏再突入時に分解するかのいずれかの方法で再突入します。
ファルコン9の第二段は、軌道に応じて異なる技術を用いて運用される。低軌道では、第二段は残りの燃料を用いて軌道離脱燃焼を行い、大気圏で崩壊する。静止トランスファ軌道（GTO）や静止軌道（GEO）などの中軌道に取り残された段は、通常、軌道離脱に必要な燃料が不足している。GTOの軌道は、第二段の軌道が数ヶ月後に自然に減衰して大気圏に再突入するように設計されているが、GEOへの直接投入を目的としたミッションの段は、それよりもはるかに長い期間、大気圏に留まる。[10]
衝突予測方法
衝突リスク予測のほとんどは、地上観測によって測定された位置や速度などの軌道パラメータを持つ軌道物体のデータベースを用いて計算されます。米国国防総省の宇宙監視ネットワークは、ソフトボール程度の大きさかそれ以上の大きさの既知の軌道物体のカタログを保有しています。より小さなスペースデブリに関する情報は、精度が低いか、不明です。[4]
物体の正確な軌道が判明すると、国防総省のSSN（社会保障番号）は既知のパラメータを公開し、Wayback Machineのspace-track.orgとNASAのSpace Science Data Coordinated Archiveで公開分析を行う。その後、物体の軌道を将来予測し、その位置や周回する他の物体と接近遭遇する可能性を推定することができる。長期的な軌道予測には、軌道を徐々に摂動させる複雑な重力の影響（三体問題に類似）や地上追跡装置の測定誤差のため、大きな誤差が生じる。こうした理由から、より正確な測定と推定を行う手法が活発に研究されている。
NASAは軌道予測を行い、4インチ（10cm）を超える既知の物体の衝突リスクを評価しています。国際宇宙ステーションのような重要な資産については、宇宙船の軌道上および左右両側から、上半マイル（1.25km）、下半マイル（1.25km）の長方形領域内を通過する物体のリスクを評価します。この高リスクゾーンは、その形状に似ていることから「ピザボックス」と呼ばれています。[4]
衝突回避方法
現在の回避技術は、衝突リスクを最小限に抑えるために軌道をわずかに変更し、リスクイベントが過ぎ去った後に宇宙船を以前の軌道に戻すというものです。軌道調整に用いられる具体的な方法は、宇宙船にどのような制御手段が搭載されているかによって異なります。衝突回避操作は、問題となる物体がスペースデブリである場合、デブリ回避操作（DAM）と呼ばれることもあります。
搭載推進装置を備えた宇宙船
NASAは、衝突の危険性が十分に事前に特定され、かつその危険性が高い場合、回避操作を行う。スペースシャトルや国際宇宙ステーション（すべての国際パートナーによって合意されている）のような、機内推進装置を備えた有人宇宙船に対するNASAの方針では、衝突の確率が[4]
- >1/100,000で、その操作はミッションの目的と矛盾しない
- >1/10,000で、この操縦は乗組員をさらに危険にさらすことはない
2020年8月現在、ISSは1999年の最初の打ち上げ以来、27回の衝突回避操作を実施しており、その数は時間とともに増加傾向にあります。米国軌道セグメントにとって最も危険なデブリの種類は、1～10cmです。[3]このサイズ範囲のデブリの数は膨大であり、現在の方法では正確な追跡が困難であるため、更なる研究が必要です。
これらの回避操作は、ほとんどの場合、搭載されている反動制御スラスタの噴射によって行われますが、磁気トルク発生装置、反動ホイール、制御モーメントジャイロスコープといった他の衛星や宇宙船の姿勢制御システムが使用される場合もあります。ISSは、ドッキングしている貨物宇宙船（通常はプログレス宇宙船または自動移送機）のメインエンジンを使用することもできます。これらの操作は軌道をわずかに変更するもので、通常は軌道変更の効果が現れるまで、リスク事象の発生数時間前に実施されます。[4]
2つの衛星運用会社が衝突の可能性を通知された場合、一方または両方の運用会社が衛星の操縦を決定することがあります。例として、2019年のESAとSpaceXが挙げられます。[11]
最近の研究では、大規模な衛星群内での衝突回避を支援するアルゴリズムが開発されているが[12] 、そのような研究が実際に稼働中の衛星群GNCに実装されているかどうかは不明である。
ドッキング中止
衝突回避操作のもう一つの用途は、自動ドッキングを中止することです。この手順は、 ISSへの自動移送機（ATV）のドッキングを制御するソフトウェアに組み込まれています。これは、ドッキング中に問題が発生した場合、宇宙ステーションの乗組員が緊急オーバーライドとして開始することができます。[13]この操作は、最初のATV「ジュール・ヴェルヌ」の打ち上げ直後に実演され、その後、2008年3月下旬に行われたISSへのデモアプローチでも実演されました。
搭載推進装置を持たない宇宙船
搭載推進装置を持たない有人打ち上げ衛星のほとんどは小型のキューブサットであり、姿勢制御には代替装置が用いられています。キューブサットのような小型物体の規模では、質量に比例した相対表面積の大きさに関連する力が重要になります。キューブサットは、大気圏が依然としてわずかな空気抵抗をもたらす 低軌道に打ち上げられることが多いです。
低軌道上の小型衛星の空気抵抗を利用して、大気抵抗にさらされる表面積を変え、低抵抗構成と高抵抗構成を交互に繰り返し減速を制御することで、軌道をわずかに変更し、デブリとの衝突を回避することができる。[14]
複雑な要因
衝突の可能性を軽減する試みは、次のような要因によって複雑化します。
- 問題となっている物体のうち少なくとも1つは、機能していないためリモートコントロール機能がありません。
- 問題となっている物体の少なくとも1つは小惑星のような自然衛星である
- リスクイベントが予測されず、行動を起こすのに十分な時間がない
こうした事態はすべて、衝突リスク低減のための戦略的選択肢をそれぞれ異なる形で制限します。両方の物体が制御能力を持たない場合、予測される衝突を防ぐことはほとんど不可能です。物体の一方だけが運用可能な衛星である場合、その衛星が回避操作の唯一の手段となり、残りの燃料を大幅に削減するか、完全に使い果たしてしまう可能性があります。また、衛星の燃料が不足して操作を適切に完了できない場合、その効果は低下します。
衝突回避操作には相当の計画と実行時間が必要であり、リスクが事前に十分に予測されていない場合、問題となる可能性があります。宇宙船の推進力は弱い場合が多く、軌道変更には長時間の噴射に頼らざるを得ません。また、速度変更には、必要な効果を生み出すために、軌道の1周分に相当する時間が必要となることも少なくありません。
例えば、国際宇宙ステーション（ISS）で衝突を回避するために一般的に行われる操作では、約150秒間の噴射[15]が必要となることが多く、推進装置による損傷を避けるため、太陽電池パネルをゆっくりと再構成する必要があるため、乗組員の作業に大きな支障が生じます。概ね、ISSが通常運用から復帰するまでの最速の反応時間は、約3時間のステーション再構成の準備期間と、噴射後の速度変化が反映されるまでの約2時間のリードタイムを考慮すると、約5時間20分と推定されています[16]。
打ち上げ時期への影響
衝突回避は、宇宙飛行の打ち上げウィンドウにおける懸念事項です。通常、衛星を打ち上げる前に、打ち上げ時衝突評価（COLA）を実施し、承認を受ける必要があります。打ち上げウィンドウには、 COLAブラックアウト期間と呼ばれる期間が設けられており、この期間は衛星が離陸できず、軌道が既に宇宙にある他の物体に近づきすぎないようにする必要があります。[17]
参考文献
- ^ abc 「数字で見る宇宙デブリ」www.esa.int . 2021年10月10日閲覧。
- ^ “なんて厄介なんだ！専門家が宇宙ゴミ問題を考察 - USATODAY.com”. usatoday30.usatoday.com . 2020年10月27日閲覧。
- ^ Phillip, Anz-Meador; Shoots, Debi (2020年8月). 「Orbital Debris Quarterly News」(PDF) . NASAジョンソン宇宙センター. 2020年11月12日閲覧。
- ^ abcde Garcia, Mark (2015年4月13日). 「宇宙デブリと有人宇宙船」NASA . 2020年11月16日閲覧。
- ^ ウィルソン、ジム. 「NASA - 外部タンク」. www.nasa.gov . 2023年2月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年10月27日閲覧。
- ^ Sampaio, JC; Wnuk, E.; de Moraes, R. Vilhena; Fernandes, SS (2014). 「低軌道領域における共鳴軌道ダイナミクス：宇宙デブリに焦点を当てて」. Mathematical Problems in Engineering . 2014 929810: 1– 12. doi : 10.1155/2014/929810 . ISSN 1024-123X.
- ^ 「衛星の寿命 | European Space Imaging」2019年3月11日。 2020年10月27日閲覧。
- ^ 「墓場軌道と衛星のその後｜NOAA国立環境衛星データ情報サービス（NESDIS）」www.nesdis.noaa.gov . 2020年10月27日閲覧。
- ^ 「最も危険な宇宙デブリのリストで上段がトップ」SpaceNews . 2020年10月13日. 2020年10月27日閲覧。
- ^ 「打ち上げ - ペイロード分離後、ファルコン9の第二段はどうなるのか？」Space Exploration Stack Exchange . 2020年10月27日閲覧。
- ^ ESAの宇宙船がスターリンク衛星との衝突を回避
- ^ 昌平、ダン;ボー、レン。ホン、ヤオ。プー、グオ。ウェイ、タン (2014-08-08)。 「編隊宇宙船の衝突回避戦略」2014 IEEE 中国語ガイダンス、ナビゲーション、および制御会議の議事録。中国煙台市：IEEE。 pp. 1961–1966 . doi :10.1109/CGNCC.2014.7007479。ISBN 978-1-4799-4699-0. S2CID 863378。
- ^ ジュール・ヴェルヌが完璧な衝突回避行動を披露
- ^ Omar, Sanny R.; Bevilacqua, Riccardo (2019-12-30). 「空気抵抗を用いた宇宙船の衝突回避」. Journal of Guidance, Control, and Dynamics . 43 (3): 567– 573. doi : 10.2514/1.G004518 . ISSN 1533-3884.
- ^ 「NASA、宇宙ステーションの位置を調整し、巨大デブリとの衝突を回避」nationalpost . 2020年11月15日閲覧。
- ^ 「NASA技術レポートサーバー（NTRS）」ntrs.nasa.gov . 2016年10月24日. 2020年11月16日閲覧。
- ^ 「ミッションステータスセンター - デルタ313打ち上げレポート」。Spaceflight Now。
外部リンク
- stuffin.space によるインタラクティブな破片の視覚化
参照
