無人宇宙船

無人補給船プログレスM-06M
1989年に地球軌道から出発する前に、慣性上段ブースターに搭載されたガリレオ宇宙探査機
無人宇宙船ブランは1988年に打ち上げられ、地球を周回し、無人宇宙船として着陸した（ここでは航空ショーで展示されている）
ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の模型
上：無人補給船プログレスM-06M（左）。1989年に地球周回軌道を離脱する前のガリレオ宇宙探査機（右）。 下：1988年に打ち上げられ、地球を周回した後、無人宇宙船として地球に着陸したスペースプレーン・ブラン（左）。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の模型（右）。

無人宇宙船またはロボット宇宙船は、人が搭乗していない宇宙船です。無人宇宙船は、遠隔操作や遠隔誘導など、人間による操作によって様々なレベルの自律性を持つ場合があります。また、事前にプログラムされた一連の操作を実行する自律宇宙船もあり、これは別途指示がない限り実行されます。科学測定用のロボット宇宙船は、しばしば宇宙探査機または宇宙観測所と呼ばれます。

多くの宇宙ミッションは、コストとリスク要因が低いため、有人運用よりも遠隔ロボット運用の方が適しています。さらに、金星や木星付近などの一部の惑星の目的地は、現在の技術では人類が生存するには過酷すぎます。土星、天王星、海王星などの外惑星は、現在の有人宇宙飛行技術では到達するには遠すぎるため、遠隔ロボット探査機が唯一の探査手段です。遠隔ロボットでは、宇宙船を滅菌できるため、地球の微生物による汚染に対して脆弱な領域の探査も可能になります。人間は多数の微生物と共存しているため、宇宙船と同じ方法で滅菌することはできません。また、これらの微生物を宇宙船や宇宙服の中に封じ込めるのも困難です。

最初の無人宇宙ミッションはスプートニクで、1957年10月4日に地球周回軌道に打ち上げられました。ほぼすべての衛星、着陸機、探査機はロボット宇宙船です。すべての無人宇宙船がロボット宇宙船というわけではありません。例えば、反射球はロボットではない無人宇宙船です。人間ではなく他の動物が搭乗する宇宙ミッションは、無人ミッションと呼ばれます。

多くの居住可能な宇宙船は、様々なレベルのロボット機能を備えています。例えば、サリュート7号とミール宇宙ステーション、そして国際宇宙ステーションのモジュールザーリャは、補給船と新しいモジュールの両方を用いて、遠隔誘導によるステーションキーピングとドッキング操作を行うことができました。無人補給宇宙船は、有人宇宙ステーションでますます利用されるようになっています。

歴史

アメリカ国立航空宇宙博物館にあるスプートニク1号のレプリカ
エクスプローラー1号のレプリカ

最初のロボット宇宙船は1951年7月22日にソビエト連邦（USSR）によって打ち上げられ、2匹の犬のデジクとツィガンを乗せた弾道飛行が行われた。[ 1 ] 1951年の秋までに同様の飛行が4回行われた。

最初の人工衛星であるスプートニク1号は、1957年10月4日にソ連によって215×939キロメートル（116×507海里）の地球周回軌道に投入された。1957年11月3日、ソ連はスプートニク2号を軌道に乗せた。重さ113キログラム（249ポンド）のスプートニク2号は、最初の動物である犬のライカを軌道に乗せた。[ 2 ]衛星は打ち上げ機の上段から切り離すように設計されていなかったため、軌道上の総質量は508.3キログラム（1,121ポンド）であった。[ 3 ]

ソ連との熾烈な競争の中、アメリカ合衆国は1958年1月31日に初の人工衛星エクスプローラー1号を357×2,543キロメートル（193×1,373海里）の軌道に打ち上げた。エクスプローラー1号は長さ205センチメートル（80.75インチ）、直径15.2センチメートル（6.00インチ）の円筒形で、重さは14.0キログラム（30.8ポンド）であった。一方、スプートニク1号は長さ58センチメートル（23インチ）の球形で、重さは83.6キログラム（184ポンド）であった。エクスプローラー1号は、当時の科学的大発見であったヴァン・アレン帯の存在を確認するセンサーを搭載していたが、スプートニク1号には科学的センサーは搭載されていなかった。 1958年3月17日、米国は2番目の衛星ヴァンガード1号を打ち上げた。ヴァンガード1号はグレープフルーツほどの大きさで、2016年現在、670×3,850キロメートル（360×2,080海里）の軌道上に留まっている。

最初の月探査の試みは、 1958年9月23日に打ち上げられたルナE-1号1号でした。月探査の目標は、1959年1月4日にルナ1号が月、そして太陽の周りを周回する まで、何度も失敗しました。

これらの初期のミッションの成功をきっかけに、米国とソ連はより野心的な探査機で互いに競い合うようになった。マリナー2号は1962年に金星以外の惑星を調査した最初の探査機で、科学者たちに金星の非常に高い温度を明らかにした。一方、ソ連のベネラ4号は金星の大気を調査した最初の探査機だった。マリナー4号は1965年に火星に接近し、クレーターだらけの地表を初めて撮影した。ソ連は数ヵ月後、ルナ9号から月面の画像を送信してこれに応えた。1967年には、アメリカのサーベイヤー3号が月面情報を収集したが、これは2年後に人類を月に着陸させたアポロ11号ミッションにとって極めて重要であることが証明された。 [ 4 ]

最初の恒星間探査機は1977年9月5日に打ち上げられたボイジャー1号である。2012年8月25日に恒星間空間に入り、[ 5 ]双子のボイジャー2号が2018年11月5日に打ち上げられた。 [ 6 ]

他に9カ国が自国の打ち上げロケットを使用して衛星の打ち上げに成功している：フランス（1965年）[ 7 ] 、日本[ 8 ]、中国（1970年）[ 9 ]、イギリス（1971年）[ 10 ]、インド（1980年）[ 11 ]、イスラエル（1988年）[ 12 ]、イラン（2009年）[ 13 ] 、北朝鮮（2012年）[ 14 ]、韓国（2022年）[ 15 ] 。

デザイン

アメリカ空軍は、宇宙船の設計において、機体をミッションペイロードとバス（またはプラットフォーム）で構成すると考えています。バスは、物理的な構造、熱制御、電力、姿勢制御とテレメトリ、追跡、そしてコマンド送信の機能を提供します。[ 16 ] JPLは宇宙船の「飛行システム」をサブシステムに分割しています。[ 17 ]これらには以下が含まれます。

構造

物理的なバックボーン構造は、

  • 宇宙船の全体的な機械的完全性を提供する
  • 宇宙船のコンポーネントがサポートされ、打ち上げ時の荷重に耐えられることを保証する

データ処理

これはコマンドおよびデータサブシステムと呼ばれることもあります。多くの場合、以下の処理を担当します。

  • コマンドシーケンスの保存
  • 宇宙船の時計を維持する
  • 宇宙船のテレメトリデータの収集と報告（例：宇宙船の状態）
  • ミッションデータ（写真画像など）の収集と報告

姿勢決定と制御

このシステムは主に、外部からの擾乱（重力勾配効果、磁場トルク、太陽放射、空気抵抗）にもかかわらず、宇宙船の宇宙空間における正しい向き（姿勢）を維持する役割を担っています。さらに、アンテナや太陽電池アレイなどの可動部品の位置を変更する必要がある場合もあります。[ 18 ]

進入、降下、着陸

統合センシングは、画像変換アルゴリズムを組み込んでおり、直近の陸地画像データを解釈し、安全な着陸を妨げる可能性のある地形上の危険をリアルタイムで検知・回避し、ランドマーク位置特定技術を用いて目的の地点への着陸精度を向上させます。統合センシングは、事前に記録された情報とカメラを用いて機体の位置を把握し、現在位置が正しいか修正が必要かを判断することで、これらのタスクを完了します（位置特定）。カメラはまた、燃料消費量の増加や、クレーターや崖の側面など着陸に適さない場所など、物理的な危険（ハザード評価）など、潜在的な危険を検知するためにも使用されます。

危険な地形への着陸

ロボット宇宙船を用いた惑星探査ミッションでは、惑星表面への着陸プロセスにおいて安全かつ成功裏に着陸するために3つの重要な要素がある。[ 19 ]このプロセスには、惑星の重力場と大気圏への突入、その大気圏を通過して科学的価値のある意図した／目標領域への降下、そして宇宙船の機器の完全性が保たれることを保証する安全な着陸が含まれる。ロボット宇宙船がこれらの段階を踏んでいる間、自身の確実な制御と良好な操縦能力を確保するために、表面に対する自身の位置を推定できなければならない。また、ロボット宇宙船は、危険を回避するために、危険評価と軌道調整をリアルタイムで効率的に実行する必要がある。これを実現するために、ロボット宇宙船は、宇宙船が表面に対してどこに位置しているか（自己位置特定）、地形からどのような危険をもたらす可能性があるか（危険評価）、そして宇宙船が現在どこに向かうべきか（危険回避）について正確な知識を必要とする。位置特定、危険評価、回避の操作能力がなければ、ロボット宇宙船は安全ではなくなり、地表衝突、望ましくない燃料消費レベル、安全でない操縦などの危険な状況に簡単に陥る可能性があります。

通信

通信サブシステムのコンポーネントには、無線アンテナ、送信機、受信機が含まれます。これらは、地球上の地上局や他の宇宙船との通信に使用される場合があります。[ 20 ]

電力

宇宙船への電力供給は、一般的に太陽光発電セルまたは放射性同位元素熱電発電機から行われます。サブシステムの他のコンポーネントには、電力を蓄えるバッテリーと、コンポーネントを電源に接続するための配電回路が含まれます。[ 21 ]

温度制御と環境からの保護

宇宙船は断熱材によって温度変動から保護されることが多い。一部の宇宙船では、太陽熱からの保護を強化するために鏡やサンシェードが使用されている。また、微小隕石や軌道デブリからの遮蔽も必要となることが多い。[ 22 ]

推進

宇宙船の推進は、推力を発生させて宇宙船を前進させることで宇宙空間を移動できるようにする方法です。 [ 23 ]しかし、一液推進剤、二液推進剤、イオン推進など、普遍的に使用されている推進システムは1つではありません。各推進システムは異なる方法で推力を発生させ、各システムには長所と短所があります。

今日の宇宙船の推進力は、ほとんどがロケットエンジンに基づいています。ロケットエンジンの基本的な考え方は、酸化剤が燃料源と接触すると、エネルギーと熱が爆発的に高速で放出され、宇宙船を前進させるというものです。これは、ニュートンの第三法則として知られる基本原理に基づいています。ニュートンによれば、「すべての作用には、等しく反対の反作用がある」のです。宇宙船の後方からエネルギーと熱が放出されると、ガス粒子が押し出され、宇宙船は前進します。今日、ロケットエンジンが使用される主な理由は、ロケットが最も強力な推進力であるためです。

モノプロペラント

推進システムが機能するには、通常、酸化剤ラインと燃料ラインがあります。このようにして、宇宙船の推進力が制御されます。しかし、一液推進剤推進では、酸化剤ラインは必要なく、システムに必要なのは燃料ラインだけです。[ 24 ]これは、酸化剤が燃料分子自体に化学的に結合しているために機能します。しかし、推進システムを制御するには、燃料の燃焼は触媒の存在によってのみ起こります。これは、ロケットエンジンをより軽く、より安価にし、制御を容易にし、より信頼性を高めるため、有利です。しかし、欠点は、化学物質の製造、保管、輸送が危険であることです。

二液推進剤

二液推進システムは、液体推進剤を使用するロケットエンジンです。[ 25 ]つまり、酸化剤と燃料ラインの両方が液体状態です。このシステムは、点火システムを必要とせず、2つの液体が接触するとすぐに自然発火し、宇宙船を前進させる推進力を生み出すという点で独特です。この技術の主な利点は、この種の液体は比較的密度が高いため、推進剤タンクの容積を小さくすることができ、宇宙効率が向上することです。欠点は、一液推進システムと同じで、製造、保管、輸送が危険であることです。

イオン

イオン推進システムは、電子衝撃またはイオンの加速によって推力を発生させるエンジンの一種です。[ 26 ]高エネルギー電子を推進剤原子（電荷が中性）に照射することで、推進剤原子から電子を取り除き、推進剤原子を正に帯電させます。高電圧で動作する正に帯電したイオンは、正確に整列した数千の穴がある正に帯電したグリッドを通って誘導されます。整列した正に帯電したイオンは、負に帯電した加速グリッドによってさらに速度が上がり、最大秒速40キロメートル（90,000マイル）に達します。これらのイオンの運動量が宇宙船を推進する推力となります。この種の推進力の利点は、深宇宙への移動に必要な一定速度の維持に非常に効率的であることです。ただし、生成される推力は非常に低く、動作にはかなりの電力が必要です。

機械装置

機械部品は、打ち上げ後または着陸前に展開するために移動させる必要があることがよくあります。モーターの使用に加えて、多くの一時的な動きは花火装置によって制御されます。[ 27 ]

ロボット宇宙船と無人宇宙船

ロボット宇宙船は、特定の過酷な環境向けに特別に設計されたシステムです。[ 28 ]特定の環境向けの仕様のため、その複雑さと機能は大きく異なります。一方、無人宇宙船は、人員や乗組員を乗せず、自動操縦（人間の介入なしに動作を行う）または遠隔操縦（人間の介入を必要とする）で操作される宇宙船です。「無人宇宙船」という用語は、宇宙船がロボットであることを意味するものではありません。

ロボット宇宙船はテレメトリを用いて、取得したデータや機体のステータス情報を地球に無線送信します。一般的に「遠隔操作」または「テレロボティック」と呼ばれますが、スプートニク1号やエクスプローラー1号といった初期の軌道宇宙船は、地球からの制御信号を受信して​​いませんでした。これらの最初の宇宙船の直後に、地上からの遠隔操作を可能にするコマンドシステムが開発されました。光の移動時間によって地球からの迅速な判断や制御が困難な遠距離探査機では、自律性の向上が重要です。カッシーニ・ホイヘンスや火星探査ローバーなどの新しい探査機は高度な自律性を備えており、搭載されたコンピューターを用いて長期間にわたって独立して動作します。[ 29 ] [ 30 ]

宇宙探査機

宇宙探査機は、地球を周回するのではなく、宇宙空間を探査するロボット宇宙船です。宇宙探査機には様々な科学機器が搭載されています。宇宙探査機は、月に接近したり、惑星間空間を移動したり、他の惑星にフライバイ、周回、着陸したり、星間空間に進入したりします。宇宙探査機は収集したデータを地球に送信します。また、探査対象から物質を採取し、地球に持ち帰ることもできます。[ 31 ] [ 32 ]

探査機が地球近傍を離れると、その軌道は地球の軌道に似た太陽の周りを周回する軌道を描く可能性が高い。他の惑星に到達するための最も単純で実用的な方法は、ホーマン遷移軌道である。重力スリングショットなどのより複雑な技術は、探査機の移動時間が長くなる可能性があるものの、燃料効率が向上する可能性がある。一部の高デルタVミッション（傾斜角の変化が大きいミッションなど）は、重力スリングショットを使用することでのみ実行可能である。推進力は非常に小さいが、かなりの時間を要する技術として、惑星間輸送ネットワーク上の軌道をたどる方法がある。[ 33 ]

宇宙望遠鏡

宇宙望遠鏡または宇宙観測所は、天体を観測するために使用される宇宙空間の望遠鏡です。宇宙望遠鏡は、観測する電磁波のフィルタリングや歪み、そして地上の観測所が遭遇する光害を回避します。宇宙望遠鏡は、全天の地図を作成する衛星（天文調査）と、特定の天体または天空の一部とその先に焦点を当てる衛星の2種類に分けられます。宇宙望遠鏡は、気象分析、偵察、その他の情報収集に利用される衛星画像のために地球に向けられた地球画像衛星とは異なります。

貨物宇宙船

現在稼働中の宇宙ステーション貨物機6機。左上から時計回りに：プログレス、カーゴドラゴン2、HTV-X、シグナスXL、強化型シグナス、天州

貨物宇宙船または補給宇宙船は、食料、推進剤、機器などの物資を有人宇宙ステーションに輸送するために設計されたロボット宇宙船です。この点が、主に科学探査を目的とする宇宙探査機との違いです。

自動貨物宇宙船は 1978 年以来宇宙ステーションにサービスを提供しており、サリュート 6 号、サリュート 7 号、ミール、国際宇宙ステーション (ISS)、天宮宇宙ステーションなどのミッションをサポートしています。

現在、ISSは4種類の貨物宇宙船に依存しています。日本のHTV-X、ロシアのプログレス[ 34 ]、アメリカのカーゴドラゴン2 [ 35 ] [ 36 ]、シグナス[ 37 ]です。欧州の自動移送機は2008年から2015年まで使用されていました。[ 38 ]中国の天宮宇宙ステーションは天州宇宙船からのみ物資を供給されています。[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]

将来の貨物宇宙船

アメリカンドリームチェイサーは2004年から開発が進められている。2025年時点では、最初の軌道テスト飛行は2026年に予定されているが、ISSへの補給ミッションの契約は終了している。[ 42 ]

ESAは2023年以来、地球に帰還可能な1機以上の貨物宇宙船を開発するLEO貨物帰還サービス構想を推進している。 [ 43 ]

中国は、天宮宇宙ステーションの支援において天舟を補完するため、2機の新たな貨物宇宙船を開発している。青舟は耐熱シールドのない小型与圧宇宙船であり、皓龍は再利用可能な宇宙飛行機である。[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]

参照

参考文献

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