軌道推進剤貯蔵庫

かつて提案された、太陽シールドを備えたユナイテッド・ローンチ・アライアンス推進剤貯蔵所のアーティストによる概念図。

軌道上燃料貯蔵庫は、宇宙船または宇宙船の中継段に宇宙で燃料を補給するために、地球または他の天体の周りの軌道上に配置される燃料貯蔵庫です。これは、インフラベースの宇宙探査を可能にするために提案されている宇宙資源貯蔵庫の一種です。[ 1 ]供給される燃料の種類、場所、貯蔵庫の種類に応じて多くの貯蔵庫のコンセプトが存在し、貯蔵庫には、指定された軌道上の位置にいる宇宙船に1回の積荷を供給して出発する燃料タンカーも含まれる場合があります。宇宙燃料貯蔵庫は、必ずしも宇宙ステーションの近くまたは宇宙ステーション内に設置されているわけではありません。

軌道上燃料補給・貯蔵施設の潜在的な利用者としては、宇宙機関、防衛省、通信衛星会社、その他の民間企業などが挙げられる。

衛星サービスデポは、軌道制御燃料がほぼ消費され、静止軌道に投入される可能性が高い衛星の寿命を延ばすのに役立ちます。宇宙船はデポと宇宙でランデブーを行い、その後、次の軌道制御に使用する燃料をデポに積み替えます。2011年、インテルサットは静止軌道上の複数の衛星に燃料を補給する初期実証ミッションに興味を示しましたが、その後、すべての計画は中止されました。[ 2 ]

低軌道（LEO）デポの主な機能は、月、火星、あるいは静止軌道に向かうトランスファーステージに推進剤を供給することです。トランスファーステージの推進剤の全部または一部を補給できるため、ペイロードや乗組員を搭載して別々に打ち上げられる宇宙船は、より大きな質量を持つか、より小型の打ち上げ機を使用できます。LEOデポまたはタンカーへの燃料補給により、打ち上げ機のサイズを縮小し、飛行速度を向上させることができます。あるいは、地球周回軌道外宇宙船が第二段も兼ねる新しいミッションアーキテクチャを採用すれば、はるかに大きなペイロードを搭載することが可能になります。これにより、固定費がより多くの飛行に分散され、小型打ち上げ機では固定費が通常より低くなるため、総打ち上げコストを削減できる可能性があります。また、月や火星への移動コストを削減するために、地球-月ラグランジュ点1（EML-1）または月の裏側のEML-2にデポを設置することもできます。火星軌道にデポを設置することも提案されています。[ 3 ]

2024年、スターシップの3回目の統合飛行では、軌道上での宇宙船内燃料移送が実証されました。[ 4 ]宇宙船内燃料移送の実証ミッションは2025年に計画されています。[ 5 ]この能力は、スターシップHLS車両で乗組員を月面に着陸させるために重要です。[ 5 ]

LEOデポ燃料

ロケットや宇宙船の場合、推進剤は通常、総質量の 2/3 以上を占めます。

大型の上段ロケットエンジンは、高い比推力を得るために、一般的に液体水素や液体酸素（LOX）などの極低温燃料を酸化剤として使用しますが、「ボイルオフ」と呼ばれる極低温推進剤の蒸発の問題を慎重に考慮する必要があります。わずか数日の遅延でボイルオフが発生すると、より高い軌道への投入に必要な燃料が不足し、ミッション中止につながる可能性があります。月や火星へのミッションでは、数万キログラムから数十万キログラムの推進剤を蓄積するのに数週間から数ヶ月かかるため、ボイルオフを軽減するために、移送段やデポに追加の装置が必要になる場合があります。

RP-1（ケロシン）、ヒドラジン、四酸化窒素（NTO）などの非極低温の地上貯蔵可能な液体ロケット推進剤、および液体メタンや液体酸素などの弱極低温の宇宙貯蔵可能な推進剤は、極低温燃料よりも蒸発が少なく液体の状態で保存できますが、比推力も低くなります。[ 6 ]さらに、イオンスラスタで使用されるような気体または超臨界推進剤には、キセノン、アルゴン、[ 7 ] [ 8 ] 、ビスマスなどがあります。[ 9 ]

推進剤打ち上げコスト

元NASA長官マイク・グリフィンは、2005年11月にテキサス州ヒューストンで開催された第52回AAS年次総会で、「低軌道での1kgあたり1万ドルという控えめな政府価格を考えると、年間2回のミッションに必要な250トンの燃料は、政府価格では25億ドルの価値がある」と述べた。[ 11 ]

極低温貯蔵庫の構造と種類

デポ中心型アーキテクチャでは、燃料タンクで燃料タンクを充填し、軌道投入前に上段ロケットに燃料を移送します。これは、自動車の燃料タンクを充填するガソリンスタンドに似ています。デポを利用することで、ロケットの小型化と飛行速度の向上が可能になります。燃料タンクの蓄積には数週間から数ヶ月かかる場合があるため、燃料の蒸発による燃料の減少（ボイルオフ）を慎重に考慮する必要があります。

簡単に言えば、パッシブ極低温デポとは、伸張型推進剤タンク、追加の断熱材、そしてサンシールドを備えた移送ステージです。あるコンセプトでは、水素の沸騰も液体酸素の沸騰を低減または除去するために再配分され、姿勢制御、電力供給、あるいは再起動に利用されます。アクティブ極低温デポとは、パッシブなデポに追加の電力と冷凍装置／クライオクーラーが備わっており、推進剤の沸騰を低減または除去します。[ 12 ]その他のアクティブ極低温デポのコンセプトとしては、最終ペイロードの燃料を節約するための電動姿勢制御装置などがあります。

重量物運搬とデポ中心のアーキテクチャ

大型ロケットアーキテクチャでは、ミッション全体の質量の3分の2以上を占めることもある推進剤を、補給所中心のアーキテクチャよりも少ない打ち上げ回数で、場合によってはより短い期間で補給できます。通常、トランスファーステージは直接充填され、アーキテクチャには補給所は含まれません。極低温ロケットおよび極低温補給所の場合、通常、トランスファーステージに追加のボイルオフ緩和装置が組み込まれているため、ペイロードの割合が減少し、緩和装置が消耗しない限り、同じペイロードに対してより多くの推進剤が必要になります。

アラン・ウィルハイト博士がFISOテレコンで行ったパワーポイントでは、大型ロケット打ち上げと商業打ち上げおよび燃料貯蔵所の使用が比較されています。[ 13 ]

推進剤貯蔵庫の実現可能性

現在進行中の理論研究と資金提供を受けた開発プロジェクトは、推進剤貯蔵庫の実現可能性に関する知見を提供することを目的としています。研究によると、小型ロケットを用いた貯蔵庫中心のアーキテクチャは、大型ロケットを用いたアーキテクチャよりも20年間で570億米ドルのコスト削減が可能であることが示されています。 [ 14 ]大型ロケットのコストは非常に高いため、2機以上の中型ロケットで打ち上げた推進剤を貯蔵できる貯蔵庫は費用対効果が高く、地球周回軌道外の軌道上でより多くのペイロードを搭載できる可能性があります。

2010年のNASAの研究では、ハイドロロックス推進剤の蒸発率を1日あたり0.1％と仮定すると、70トンの蒸発が発生するため、米国政府の火星基準ミッションを実行するために、アレスV大型打ち上げロケットの追加飛行が必要でした。[ 15 ]この研究では、設計上の蒸発率を1桁以上減らす必要があることがわかりました。

低軌道（LEO）燃料貯蔵庫の設計アプローチは、 2009年にNASAに提出されたオーガスティン報告書でも議論されており、「宇宙空間での燃料補給に関する当時の最新の概念を検討した」ものである。[ 16 ]この報告書では、 LEOにおける宇宙船の燃料補給には基本的に2つのアプローチがあるとされている。 [ 16 ]

  • 燃料タンカーによる輸送。この方法では、1機のタンカーが軌道上の宇宙船とランデブー・ドッキングを行い、その後、燃料を輸送して離陸します。この方法は「空中タンカーが航空機に燃料を補給するのとよく似ています」。
  • 宇宙デポ。代替案として、多数のタンカーがランデブーし、軌道上のデポに推進剤を積み込む方法があります。その後、宇宙船がデポにドッキングし、地球軌道を離脱する前に推進剤を補給します。

どちらのアプローチも2009年の宇宙飛行技術では実現可能と考えられていましたが、ミッションでこれらの技術を活用できるようになるまでには、更なる技術開発と宇宙での実証が必要となることが予想されました。どちらのアプローチも、長期的なライフサイクルコストの削減につながる可能性があると考えられていました。[ 16 ]

2010年にユナイテッド・ローンチ・アライアンス（ULA）は、ボーイングが2006年に取り組んだコンセプトに遡る先進極低温進化型段階（ACES）タンカーを提案した。 [ 17 ]最大73トン（161,000ポンド）の燃料を輸送できるサイズで、初期設計では、初飛行は2023年以降と提案され、燃料タンカーとしての最初の使用は2020年代半ばに始まる可能性がある。[ 18 ] [ 19 ] ACESには資金が提供されなかったが、アイデアのいくつかはバルカン・セントールロケットのセントール段に採用された。

SpaceXは、理論的な研究を超えて、少なくとも2017年以来、惑星間技術セットの資金提供を受けた開発に取り組んできました。惑星間ミッションのアーキテクチャは、SpaceXが、火星に運ばれる1トンあたりのコストをNASAのアプローチが達成したものよりも数桁削減することで、地球外軌道（BEO）の長期宇宙飛行を可能にする鍵となると考えるいくつかの要素の組み合わせで構成されていますが、[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]軌道上での推進剤の補充は4つの重要な要素の1つです。新しいミッションアーキテクチャでは、SpaceXの設計は、長距離宇宙船がSpaceX Starshipの第2段として機能している間に低地球軌道への打ち上げ中に推進剤のほぼすべてを消費し、その後、複数のStarshipタンカーによって軌道上で補充した後、宇宙船を惑星間軌道に乗せるために必要な大量のエネルギーを提供できるようにすることを意図しています。スターシップタンカーは、約100トン（22万ポンド）の燃料を低地球軌道に輸送するように設計されています。[ 23 ] 2021年4月、NASAは軌道上燃料補給機能を備えたSpaceX Lunar Starshipを最初の月面有人着陸システムとして選択しました。 [ 24 ]

利点

打ち上げ時点ではロケットの大部分が推進剤であるため、推進剤貯蔵庫構造を採用する利点を支持者はいくつか指摘している。宇宙船は燃料を積まずに打ち上げられるため構造質量が少なくて済む。[ 25 ]また、貯蔵タンカー自体が再利用可能であれば打ち上げ時に第二段燃料として利用できる。[ 23 ]軌道上で燃料補給市場が生まれ、そこでは推進剤を最低価格で供給するための競争が行われる。また、既存のロケットをより頻繁に飛行させて貯蔵庫に燃料を補給できるようにすることで規模の経済が実現する可能性がある。[ 25 ]月面の採掘施設と組み合わせて使用​​すれば、水や推進剤を貯蔵庫に送り返すことができ、推進剤のコストをさらに削減できる。[ 26 ] [ 27 ]デポアーキテクチャに基づく探査プログラムは、SLS [ 14 ] [ 25 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]のような特定のロケットや大型ロケットを必要とせず、月、ラグランジュ点、小惑星、火星などの複数の目的地をサポートできるため、より安価で高性能になる可能性があります。[ 31 ]

2011年のNASAの研究では、ヘビーリフト・ローンチ・システムよりも低コストで高速な代替手段が示され、次のような利点が挙げられている。[ 28 ]

  • 予算プロファイルに合わせるために数百億ドルのコスト削減
  • 保守的な予算で2024年までに初のNEA/月探査ミッションを許可
  • 12～18か月に1回ではなく、数か月ごとに発売する
  • 複数の競技者が推進剤を供給できるようにする
  • クリティカルパスミッションの複雑さの軽減（AR&D、イベント、固有要素の数）

歴史と計画

アメリカ合衆国

1960年代半ばに、宇宙輸送システムの一部として推進剤貯蔵所（LEOから他の目的地までペイロードを輸送するための原子力「タグ」とともに）が提案されました。 [ 32 ]

2009年10月、アメリカ空軍とユナイテッド・ローンチ・アライアンス（ULA）は、DMSP-18打ち上げにおいて、改良型セントール上段ロケットを用いた軌道上実験実証を実施しました。これは、「推進剤の沈降とスロッシング、圧力制御、RL10の冷却、およびRL10の二相停止操作に関する理解を深める」ことを目的としています。「DMSP-18の軽量化により、軌道上実証にはセントールの容量の28%に相当する12,000ポンド（5,400 kg）の液体酸素と液体水素の推進剤が残っていました」。宇宙船ミッションの延長は、軌道離脱噴射を実行する前に2.4時間行われました。[ 33 ]

NASAの打ち上げサービスプログラムは、パートナーと共同でCRYOTEと呼ばれるスロッシュ流体力学実験を進行中です。2010年現在、ULAは、主要ペイロード分離後のセントール上段ロケットを用いた極低温流体管理技術の更なる開発のため、宇宙実験室での更なる実験も計画しています。CRYOTE（CRYogenic Orbital TEstbed）と名付けられたこの実験室は、極低温推進剤貯蔵庫に必要な様々な技術を実証するためのテストベッドとなり、2012年から2014年にかけて小規模な実証実験が複数回計画されています。[ 34 ] 2011年8月時点で、ULAはこのミッションは資金が確保されれば早ければ2012年にも打ち上げられる可能性があると発表していました。[ 35 ] ULAのCRYOTE小規模実証実験は、 2015年にULAが実施する大規模極低温衛星フラッグシップ技術実証実験につながることを目指しています。 [ 34 ]

NASA、産業界、学界の参加者からなるコンソーシアムである将来の宇宙活動（FISO）ワーキンググループは、2010年に数回にわたって燃料貯蔵所の概念と計画について議論し、[ 36 ]低地球軌道を超えた有人宇宙探査に最適な貯蔵所の場所、[ 37 ]よりシンプルな（単一の車両）第一世代の燃料貯蔵所の提案[ 34 ]と再利用可能な地球周回輸送のための6つの重要な燃料貯蔵所関連技術のプレゼンテーションを行いました。[ 38 ]

NASAはまた、「極低温推進剤貯蔵・移送（CRYOSTAT）ミッション」において、推進剤貯蔵庫を用いた宇宙飛行を可能にし、強化するための技術を成熟させる計画も立てている。CRYOSTATは2015年に低軌道軌道（LEO）に打ち上げられる予定である。[ 39 ]

クライオスタットアーキテクチャは、以下のカテゴリーの技術で構成されています。[ 39 ]

  • 極低温推進剤の保管
  • 極低温流体移送
  • 計装
  • 自動ランデブー・ドッキング（AR&D）
  • 極低温推進

「シンプル・デポ」ミッションは、2011年にNASAによって初の推進剤移送および貯蔵実証ミッションの可能性として提案され、2015年以降にアトラスV551で打ち上げられることになっていた。シンプル・デポは、使用済みの（ほぼ空になった）セントール上段液体水素2タンクをLO 2の長期貯蔵に使用し、液体水素はシンプル・デポLH 2モジュールに貯蔵され、モジュールには常温のヘリウムガスのみが詰められて打ち上げられる。SD LH 2タンクは直径3メートル（9.8フィート）、長さ16メートル（52フィート）、容積110立方メートル（3,900立方フィート）で、5 トンの液体水素を貯蔵することになっていた。 「6:1の有効混合比（MR）では、この量のLH2は25.7 [トン] [ 40 ]のLO2と組み合わせることができ、そのうち0.7 [トン]のLH2を蒸気冷却に使用して、合計有効推進剤質量を30 [トン]にすることができます。…上記の貯蔵所では、完全に水素で構成され、1日あたり0.1％近くの蒸発率になります。」[ 41 ]

2010年9月、ULAはAIAA Space 2010会議で、他の宇宙船が低地球軌道（LEO）以降のミッションの場合は低地球軌道、惑星間ミッションの場合はラグランジュ点L 2で停止して燃料補給するための中継ステーションとして使用できる燃料デポを提案するデポベースの宇宙輸送アーキテクチャのコンセプトを発表しました。このコンセプトでは、宇宙の放射熱環境での長期液体水素貯蔵の避けられない副産物である廃棄ガス状水素を、太陽熱推進システムのモノプロペラントとして使用できると提案しています。廃棄水素は、軌道上のステーションキーピングと姿勢制御の両方に生産的に使用されるだけでなく、デポから燃料を受け取るために近づいている他の宇宙船とよりよくランデブーするための軌道操作に使用するための限られた推進剤と推力も提供します。[ 42 ]デポベース宇宙輸送アーキテクチャの一環として、ULAはACES（ Advanced Common Evolved Stage）上段ロケットを提案している。ACESのハードウェアは、当初から宇宙空間における燃料デポとして設計されており、他のロケットがLEO外や惑星間ミッションに向かう途中で停止して燃料補給を行う中継地点として、また宇宙ゴミの除去のための高エネルギー技術能力を提供する目的で使用できる。[ 17 ]

2011年8月、NASAは4つの航空宇宙企業に資金を提供し、 「深宇宙探査のための大型打ち上げ機の必要性を減らすために、極低温推進剤を宇宙に貯蔵するという概念を検証する実証ミッションを定義する」という、推進剤貯蔵庫技術の開発に関する重要な契約を締結した。[ 1] [ 43 ]極低温推進剤と極低温貯蔵庫の貯蔵・移送に関するこれらの研究契約は、アナリティカル・メカニクス・アソシエイツ、ボーイング、ロッキード・マーティン、ボール・エアロスペースと締結された。各社は契約に基づき60万ドルを受け取ることになっていた。 [ 43 ]

2021年4月、NASAは軌道上燃料補給機能を備えたSpaceX Lunar Starshipを最初の月面有人着陸システムとして選定した。 [ 24 ] 2022年には、より大型の燃料貯蔵庫を備えたStarshipがLunar Starship HLS用に計画されていた。

その他の国

中国宇宙機関（CNSA）は2016年6月に初の衛星間軌道上燃料補給試験を実施した。[ 44 ]

エンジニアリング設計の問題

推進剤貯蔵庫には多くの設計上の問題があり、また、軌道上整備ミッションにおいてこれまで宇宙で試験されていないタスクもいくつか存在します。設計上の問題には、推進剤の沈降と移送、姿勢制御と再起動のための推進剤の使用、冷凍装置／極低温冷凍機の成熟度、そして冷凍装置を備えたボイルオフ低減またはゼロボイルオフ貯蔵庫に必要な電力と質量などが含まれます。

推進剤の沈降

微小重力下での液体推進剤の移送は、タンク内の液体とガスの分布が不確実であるため複雑です。そのため、宇宙空間の燃料貯蔵所における推進剤の沈降は、わずかな重力場よりも困難です。ULAは、将来の燃料貯蔵所で使用される可能性のある極低温燃料管理技術として、 DMSP -18ミッションを用いて遠心力による推進剤の沈降の飛行試験を行う予定です。[ 45 ]提案されているSimple Depot PTSDミッションでは、推進剤移送に適した沈降を実現するために、複数の技術が用いられます。[ 41 ]

推進剤の移送

重力がない場合、液体が入口から漂い去ってしまう可能性があるため、推進剤の移送はやや困難になります。

2007年のオービタル・エクスプレス・ミッションの一環として、 2機の専用技術実証宇宙船間でヒドラジン推進剤の移送に成功しました。ボーイング社のサービス宇宙船ASTROは、ボール・エアロスペース社のサービス可能なクライアント宇宙船NEXTSatに推進剤を移送しました。どちらの宇宙船にも乗組員がいなかったため、これは宇宙船間の初の自律的な流体移送として報告されました。[ 46 ]

補充

燃料が顧客に引き渡された後、燃料貯蔵所のタンクは補充が必要になります。新しい燃料を搭載したタンカーロケットの建造と打ち上げの調整は、燃料貯蔵所の運営者の責任です。NASAのような宇宙機関は所有者ではなく購入者となることを望んでいるため、運営者としては貯蔵所を建設した航空宇宙企業、ロケット製造会社、専門の宇宙貯蔵所会社、あるいは燃料を精製する石油・化学会社などが考えられます。複数のタンカーロケットを使用することで、タンカーは貯蔵所よりも小型で、補給対象の宇宙船よりも大型になります。貯蔵所に所属する短距離化学推進タグは、タンカーロケットと火星探査機（MTV）のような大型機のドッキングを簡素化するために使用できます。

地球からロケットで到達可能なLEO補給基地と、ラグランジュポイントやフォボス補給基地のような深宇宙の補給基地との間の推進剤の移送は、太陽電気推進（SEP）タグボートを使用して行うことができる。[ 47 ]

現在、推進剤貯蔵庫の補充をサポートするために 2 つのミッションが開発中または提案されています。

  • SIS車両は、 MDA宇宙インフラサービス車両で最初に打ち上げられた燃料で静止通信衛星に燃料補給と整備を行うだけでなく、打ち上げ荷重の2000kgの燃料を移送した後、交換用燃料容器とランデブーするために軌道上で操作する能力を持つように設計されており、最初の複数衛星整備ミッションが完了した後、追加の衛星にさらに燃料補給することができます。[ 48 ]
  • 提案されているシンプル・デポ極低温PTSD（推進剤移送・貯蔵実証）ミッションでは、「遠隔係留アームとドッキングおよび流体移送ポート」を使用して、他の宇宙船への推進剤移送と、デポの30トンの推進剤容量まで補充を行う。[ 41 ]このミッションは2010年に提案され、2015年に打ち上げられた。

1962年、STデメトリアデス[ 49 ]は大気ガスを収集して補充する方法を提案した。高度約120kmの低軌道を移動するデメトリアデスの提案した貯蔵所は、大気圏外縁部から空気を抽出し、圧縮・冷却して液体酸素を抽出する。残りの窒素は原子力電磁流体エンジンの推進剤として使用され、大気抵抗を相殺しながら軌道を維持する。[ 49 ]このシステムは「PROFAC」（ PROpulsive Fluid ACcumulator ）と呼ばれた。[ 50 ]しかし、低軌道に原子炉を設置することには安全性に関する懸念がある。

デメトリアデスの提案は、クリストファー・ジョーンズらによってさらに改良された[ 51 ]。この提案では、複数の収集機が高度約120kmで推進ガスを蓄積し、その後、より高い軌道へと輸送する。しかし、ジョーンズの提案では、軌道上に原子炉を設置することを避けるため、軌道上電力送信衛星のネットワークが必要となる。

小惑星は液体酸素を生成するために加工することもできる。[ 52 ]

軌道飛行機と打ち上げ窓

LEOにおける燃料貯蔵庫は、貯蔵庫が目標軌道とは異なる軌道面にある場合、2つの低地球軌道間の燃料輸送にはほとんど役に立ちません。必要な軌道面変更を行うためのデルタvは通常非常に高いからです。一方、貯蔵庫は探査ミッションに提案されることが多く、貯蔵庫の軌道の時間変化を出発ベクトルと一致するように選択できます。これにより、非常に正確なタイミングでの出発を必要とする燃料消費を最小限に抑えながら、1回のよく一致した出発時刻を実現できます。同じ貯蔵庫から同じ目的地への、よく一致した出発時刻の前後で効率の低い出発時刻は存在しますが、効率が急速に低下するのか、それとも緩やかに低下するのかを示すには、さらなる研究が必要です。対照的に、軌道上燃料補給や既に軌道上にある他の宇宙船とのドッキングを必要とせず、地上から1回だけ直接打ち上げると、毎日打ち上げの機会が得られますが、より大型で高価な打ち上げ機が必要になります。[ 53 ]

出発時間帯の制限は、低軌道が大きな摂動の影響を受けやすいために生じます。低軌道は短期間であっても交点回帰や、それほど重要ではないものの近地点歳差運動の影響を受けます。赤道上の補給基地はより安定していますが、到達がより困難です。[ 53 ]

LEOから惑星間軌道への移行において、3回の噴射による軌道遷移を用いる新たなアプローチが発見された。このアプローチでは、高度に楕円形の位相調整軌道の遠地点における軌道変更が用いられ、デルタvの増分は小さく（通常、総デルタvの5%未満）、LEOのデポ（補給基地）を活用して深宇宙の目的地への出発を可能にし、頻繁な出発機会を提供する。[ 54 ]具体的には、3回の噴射による出発戦略により、ISSの傾斜角（51度）の軌道上にある単一のLEOデポから、9機の宇宙船を「9つの異なる惑星間ターゲット（デポは、出発漸近線のいずれかに合わせるための位相調整操作を行う必要がない）へ」派遣することが可能となり、小型衛星専用打ち上げの経済的メリットを惑星間ミッションにも拡大することができる。[ 55 ]

極低温貯蔵庫特有の問題

ボイルオフ緩和

宇宙における極低温推進剤の沸騰は、技術的な解決策とシステムレベルの計画・設計の両方によって緩和できる可能性がある。技術的な観点から：受動断熱システムを備えた推進剤貯蔵庫が極低温流体を効果的に貯蔵するためには、太陽光やその他の熱源による沸騰を軽減、排除するか、[ 45 ] 、あるいは経済的な目的で利用する必要がある。[ 17 ]非極低温推進剤の場合、沸騰は重大な設計上の問題ではない。

沸騰率は、熱漏洩とタンク内の推進剤の量によって決まります。タンクが部分的に満たされている場合、損失率は高くなります。熱漏洩は表面積に依存し、タンク内の推進剤の元の質量は容積に依存します。したがって、立方二乗の法則により、タンクが小さいほど液体の沸騰は速くなります。一部の推進剤タンクの設計では、液体水素の沸騰率を約0.13%/日（3.8%/月）まで低減していますが、はるかに高温の極低温流体である液体酸素の沸騰率は、それよりもはるかに低く、約0.016%/日（0.49%/月）です。[ 56 ]

アクティブ熱制御システムを用いた極低温推進剤貯蔵では、ゼロボイルオフ（ZBO）を達成することが可能です。1998年夏、 NASAルイス研究センターの補足多層断熱研究施設（SMIRF）で実施された試験では、ハイブリッド熱制御システムが極低温推進剤のボイルオフをなくせることが実証されました。このシステムは、34層の断熱材で断熱された50立方フィート（1,400リットル）の加圧タンク、凝縮器、そして15～17.5ワット（W）の冷却能力を持つギフォード・マクマホン（GM）クライオクーラーで構成されていました。試験流体は液体水素でした。試験タンクは真空チャンバー内に設置され、宇宙の真空を模擬しました。[ 57 ]

2001年、NASAエイムズ研究センター、グレン研究センター、マーシャル宇宙飛行センター（MSFC）の3機関は、宇宙極低温貯蔵のためのZBOコンセプトの開発に共同で取り組みました。プログラムの主な要素は、MSFC多目的水素テストベッド（MHTB）（18.10 m³/L H2タンク（約1300 kgのH2 ））を用いた大規模なZBO実証でした。市販のクライオクーラーを既存のMHTBスプレーバーミキサーおよび断熱システムに接続し、入熱と抽出熱のバランスをとるようにしました。[ 58 ]

NASAが2003年6月に実施した火星探査ミッションの概念研究によると、低軌道での酸素5日間、メタン8.5日間、水素64日間のミッション期間において、従来の受動型極低温貯蔵装置と比較して質量削減効果が示された。ミッション期間が長ければ長いほど、質量削減効果も大きくなる。極低温キセノンは、受動型貯蔵装置と比較してほぼ瞬時に質量削減効果を発揮する。ZBOを稼働させるための電力が既に供給されている場合、損益分岐点となるミッション期間はさらに短くなり、例えば水素の場合は約1ヶ月となる。タンクが大きいほど、低軌道でのZBOの質量削減日数は短くなる。[ 59 ]

極低温ロケット推進剤の過剰な沸騰という課題に対する技術的解決策に加えて、システムレベルの解決策も提案されている。システムの観点からは、液体水素極低温貯蔵の待機時間を短縮し、各顧客へのジャストインタイムの供給を効果的に実現することと、長期貯蔵可能な原料である水を必要な化学量論比の液体酸素/液体水素に分離するバランスの取れた精製技術を組み合わせることで、理論的には沸騰に対するシステムレベルの解決策を実現で​​きる。このような提案は、沸騰を低減するための優れた技術的手法を補完するものと提案されているが、効率的な貯蔵ソリューションの必要性に取って代わるものではない。[ 60 ]

日よけ

ユナイテッド・ローンチ・アライアンス（ULA）は、円錐状の太陽遮蔽板を用いて低温推進剤を太陽や地球からの放射熱から保護する極低温貯蔵庫を提案している。円錐の開放端は残留熱を深宇宙の低温に放射し、閉鎖層は太陽や地球からの放射熱を減衰させる。[ 61 ]

その他の問題

その他の問題としては、水素脆化があります。これは、鉄やチタンなどの一部の金属が水素に曝露されると脆くなり、破壊する現象です。その結果生じる漏洩により、無重力状態での極低温推進剤の保管が困難になります。[ 62 ]

宇宙燃料補給実証プロジェクト

2010年代初頭には、いくつかの宇宙燃料補給プロジェクトが開始されました。 2010年時点では、民間主導の2つのプロジェクトと政府主導の試験ミッションが、ある程度の開発または試験段階にありました。

ロボット燃料補給ミッション

NASAロボット燃料補給ミッション（RRM）は2011年に打ち上げられ、 2013年1月に国際宇宙ステーションの曝露施設プラットフォーム上でロボットによる燃料移送実験シリーズを成功裏に完了した。[ 63 ]

一連の実験には、多くの衛星で使用されているものと同様の多数の推進剤バルブ、ノズル、シール、そして宇宙ステーションのロボットアームの先端に取り付け可能な4つのプロトタイプツールが含まれていました。各ツールは、「将来の衛星整備ミッションで軌道上で宇宙船に燃料を補給するために使用できる装置のプロトタイプでした。RRMは、既存のほとんどの衛星に採用されているプラ​​ットフォームと燃料バルブを用いた、初めての宇宙空間での燃料補給実証です。これらの衛星は燃料補給用に設計されたものではありません。2007年の米軍のオービタル・エクスプレス・ミッションなど、他の衛星整備実証では、特別に設計されたポンプと接続部を用いて衛星間で推進剤を移送していました。」[ 63 ]

MDA宇宙燃料補給実証プロジェクト

2010年3月現在、反応制御システム（RCS）流体の小規模な燃料補給実証プロジェクトが開発中でした。カナダに拠点を置くMDAコーポレーションは、衛星サービス実証として、軌道上の他の宇宙船に燃料を補給する単一の宇宙船を設計していると2010年初頭に発表しました。「現在も発展途上にあるこのビジネスモデルでは、顧客に衛星に燃料を補給したキログラム当たりの料金を請求し、キログラム当たりの価格は、宇宙船の運用寿命延長によって事業者が期待できる追加収益に応じて決定されます。」[ 64 ]

計画では、燃料補給機は運用中の通信衛星まで移動し、目標衛星のアポジキックモーターにドッキングし、目標宇宙船の熱保護ブランケットの一部を取り外し、燃料圧力ラインに接続して推進剤を供給する。「MDAの職員は、ドッキング操作により通信衛星は約20分間使用不能になると見積もっている。」[ 64 ]

2011年3月時点で、MDAは初期実証プロジェクトのための主要顧客を確保していた。インテルサットは、MDA宇宙船が静止軌道に運ぶ2,000キログラム（4,400ポンド）の燃料ペイロードの半分を購入することに合意した。この購入により、インテルサットの衛星最大5基の寿命が2年から4年延長されることになる（各衛星に200キログラムの燃料が供給されると仮定した場合）。[ 65 ] 2010年3月時点で、宇宙船は2015年までに通信衛星への燃料補給を開始できる状態にある。[ 66 ] 2013年1月時点で、MDAの燃料補給ミッションに契約した顧客はいなかった。[ 63 ]

2017年、MDAはルクセンブルクに拠点を置く衛星所有者/運営会社SES SAを最初の顧客として、衛星サービス事業を再開すると発表した。[ 67 ]

直接燃料補給に代わる宇宙タグボート

宇宙空間におけるRCS燃料移送に代わる、競争力のある設計上の代替案が存在します。追加の推進剤を宇宙資産に持ち込み、その推進剤を目標の宇宙資産に移送することなく、姿勢制御や軌道速度変更に使用することが可能です。

2010年代初頭から開発が進められているViviSatミッション延長機（Mission Extension Vehicle）は、MDA SISと同様にキックモーターを介して目標衛星に接続するものの、燃料移送を行わない代替アプローチの一つである。ミッション延長機は、代わりに「自身のスラスタを用いて目標衛星の姿勢制御を行う」。[ 68 ] ViviSatは、このアプローチはMDAの燃料移送アプローチよりもシンプルで低コストであり、軌道上の約450基の静止衛星のうち、より多くの（90%）とドッキングしてサービス提供できる技術的能力を備えていると考えている。[ 68 ] 2013年1月現在、ViviSatを利用したミッション延長に契約した顧客はいない。[ 63 ]

2015年、ロッキード・マーティンはジュピター宇宙タグを提案した。実現すれば、ジュピターは低地球軌道上で国際宇宙ステーションとの間で貨物船を輸送し、軌道上に無期限に留まり、後続の貨物船モジュールを搭載した後続の輸送船から燃料補給を受けることになる。[ 69 ]

新たな宇宙への関与

2018年12月、2018年初頭に設立されたシリコンバレーのスタートアップ企業であるOrbit Fabは、宇宙での商業燃料補給を可能にする技術の試験・実証を行うため、一連の実験の最初の機体をISSに打ち上げました。これらの最初の試験では、水を推進剤模擬として使用しました。[ 70 ] 2021年6月、Orbit Fabは最初の推進剤貯蔵庫であるタンカー001号「テンジン」を太陽同期軌道に打ち上げ、過酸化水素を運びました。[ 71 ]

  • 1970年のNASAの推進剤貯蔵所の構想
    1970年のNASAの推進剤貯蔵所の構想
  • 1971年のNASAのコンセプト
    1971年のNASAのコンセプト
  • 2011年にNASAがGEOに倉庫を建設することを提案
    2011年にNASAがGEOに倉庫を建設することを提案
  • 進化した推進剤貯蔵庫のコンセプト
    進化した推進剤貯蔵庫のコンセプト

参照

参考文献

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