スペースシャトルの設計を研究した
打ち上げ時の直径 35 フィート (10.6 メートル) のハンマーヘッド構成のアーティストによる概念図。

スペースシャトルの寿命期間中、ロックウェル・インターナショナルをはじめとする多くの組織が、様々なスペースシャトルの設計を研究しました。これらの設計には、貨物と乗組員の収容能力を増強する様々な方法や、さらなる再利用性の検討が含まれていました。これらの設計の大きな焦点は、新しいシャトルブースターの開発と中央燃料タンクの改良でしたが、NASAの深宇宙ミッションの打ち上げ能力やモジュール式宇宙ステーションの建設能力の拡大も検討されました。これらのコンセプトや研究の多くは、コンステレーション、軌道宇宙飛行機計画、アルテミス計画といった2000年代のコンセプトやプログラムの基盤となりました。[ 1 ]

シャトル由来の乗り物

直径25フィート（7.6メートル）のフェアリングのアーティストによる概念図

シャトルC

大型ロケット打ち上げ機は、スペースシャトルの打ち上げスタックを専用の無人貨物打ち上げ機に変えるというNASAの研究でした。外部燃料タンクとスペースシャトルの固体ロケットブースター（SRB）は、スペースシャトルオービターの代わりとなる貨物モジュールと組み合わせられ、スペースシャトルのメインエンジンが搭載されます。弾道帰還ポッドがメインエンジン構造として使用され、2～4基のSSMEを搭載し、ペイロード/ブースターステージを搭載します。オーストラリアの奥地またはメキシコ北部でパラシュートで回収されます。より正確な着陸を可能にするために、小さな揚力翼が追加されました。1984年から1995年にかけて、さまざまな大型ロケット打ち上げ機のコンセプトが研究され、最終的には再使用型エンジンと弾道帰還ポッドのないシャトルCとして知られるようになりました。

シャトルC構想は、理論上、シャトル計画のために開発された技術を再利用することで、大型打ち上げ機の開発コストを削減するものでした。また、使用済みとなったスペースシャトルの機材も活用される予定でした。ある提案では、コロンビア号またはエンタープライズ号を使い捨ての貨物打ち上げ機に改造するというものもありました。

シャトルCでは、無人機のメンテナンスと安全要件が低いため、より高い飛行頻度が可能になると考えられていました。スペースシャトルチャレンジャー号の喪失以前、NASAは年間約14回のシャトル飛行を想定していました。チャレンジャー号の事故後、この打ち上げ頻度は様々な理由から実現不可能であることが明らかになりました。

シャトルCは無人月着陸船と推進モジュールも打ち上げ、2機目の機体は月面ミッションを実行する有人探査機（CEV）を打ち上げる予定でした。シャトルCは、1993年に提案された国際月資源探査構想における有人コンポーネントとしても機能しました。

1990年代初頭、NASAのエンジニアたちは火星有人ミッションを計画しており、スペースシャトルCの設計案として、再利用できない80トンのセグメント6つを打ち上げて地球周回軌道上に2機の火星探査機を建設する計画も検討していました。しかし、ジョージ・W・ブッシュ大統領が2010年までにスペースシャトルの運用を終了すると表明したことで、この提案は棚上げされました。[ 2 ]

HLLV

マグナム

マグナムは、1990年代半ばにNASAのマーシャル宇宙飛行センターで設計された大型の超重量級打ち上げ機である。マグナムは、サターンVと同等の高さ約315フィート（96メートル）のブースターで、当初は火星への有人ミッションを運ぶために設計された。スペースシャトルの固体ロケットブースター（SRB）に似た、ストラップオン式のサイドブースターを2つ使用する予定だったが、代わりに液体燃料を使用する予定だった。一部の設計では、翼とジェットエンジンを使用したスト​​ラップオン式ブースターがあり、飛行中に切り離された後、発射エリアまで飛行して戻ることができた。マグナムは、約80トンのペイロードを低地球軌道（LEO）に運ぶように設計された。[ 3 ]

国家発射システム

国家発射システム

ナショナル・ローンチ・システム（またはニュー・ローンチ・システム）は、1991年にジョージ・H・W・ブッシュ大統領によって承認された、地球周回軌道へのアクセス手段としてスペースシャトルに代わる手段を検討する調査でした。その後まもなく、NASAはロッキード・ミサイルズ・アンド・スペース、マクドネル・ダグラス、TRWに10ヶ月間の調査を依頼しました。

さまざまなブースター、外部燃料タンク、推進剤の選択肢が検討された

液体燃料ロケットエンジンとして提案されていたSTME（Space Transportation Main Engine）をベースにした、一連の打ち上げ機が提案された。STMEはRS-25エンジンを簡素化した使い捨て型となるはずだった。NLS-1は提案された3機の中で最大のもので、改造されたスペースシャトルの外部燃料タンクをコアステージに使用していた。このタンクは、タンクの底部に取り付けられた4つのSTMEに液体酸素と液体水素を供給することになっていた。ペイロードまたは第2段はコアステージの上に搭載され、スペースシャトルと同様に、2つの取り外し可能なスペースシャトル固体ロケットブースターがコアステージの側面に取り付けられる予定だった。当時の図面から、NLS-1コアステージの倍数を使用して、NLS-1よりもはるかに大きなロケットが検討されていたことがうかがえる。[ 4 ]

アップグレードされたブースター

初期の研究では、次のような代替ブースターと外部タンクの構成が検討されました。

  • SRBを外部燃料タンク（ET）の後方かつ直列に配置するSRMオプション
  • SRBに代わる水素とプロパンの液体ロケットブースター
  • SRBに代わる双胴船型および双胴船型のフライバックブースター
  • ETの後方にあるエンジンポッドは、SRBが通常配置される場所に2つの燃料タンクから燃料を供給する。
  • 回収可能な後部エンジンポッドを備えた直列統合型ブースター/ET
  • 回収可能な様々なコンセプトのタンデムブースターとET
  • 複数のET（使い捨て・回収可能）を搭載した単一のブースター[ 5 ]

先進固体ロケットモーター（ASRM）プロジェクト

NASAは、チャレンジャー号以降のSRBを、エアロジェット社が製造する新型先進固体ロケットモーター（ASRM）に置き換える計画だった。ASRMは、ミシシッピ州イエロークリークにあるテネシー川流域開発公社原子力発電所の跡地に、下請け業者であるRUSTインターナショナル社が設計した新施設で製造される予定だった。ASRMは、シャトルのペイロードを増強し、ISSにモジュールや建設部品を運ぶための推力を増加させる予定だった。ASRMプログラムは、ロボット組立システムとコンピュータが現地に設置され、約20億ドルが費やされた後、NASAが既存のSRBに軽微な修正を加えることを選択したため、1993年に中止された。[ 6 ]

NASA/MSFCの回収可能液体ブースターの設計

回収可能な液体ブースター

NASA/ MSFCシャトル成長研究契約の大きな焦点は、回収可能な液体燃料ブースターのアップグレードでした。このブースターは固体ロケットモーターと同様の飛行経路を持ち、大西洋上で分離・パラシュート展開して回収します。また、水中回収が可能で、エンジンを海水浸水から保護するためにクラムシェルドアが採用されました。

液体フライバックブースター

液体燃料フライバックブースターのコンセプトは1970年代初頭に遡ります。当初のシャトルブースターは、有人式の大型フライバックブースターでした。このコンセプトは1980年代を通して研究されましたが、チャレンジャー号の事故によりシャトルのアップグレードがほとんど中止されたため、棚上げされました。フライバックブースターのコンセプトは、1997年にNASAの液体燃料フライバックブースター研究で再浮上しました。しかし、複雑さが増し、リターンも少なかったため、このコンセプトは放棄されました。シャトル成長研究は、この背景を踏まえ、液体燃料ロケットブースターの詳細な設計コンセプトを開発しました。[ 7 ]

アレスIロケットは5セグメントSRBを使用する予定だった。

5セグメントブースター

2003年にスペースシャトル・コロンビア号が破壊される以前、NASAは現行の4セグメントSRBを5セグメントSRB設計に置き換えるか、あるいはアトラスVまたはデルタIV EELV技術を用いた液体燃料「フライバック」ブースターに完全に置き換えるかを検討していました。5セグメントSRBは、現在のシャトルのインフラにほとんど変更を加えることなく、51.6度の傾斜角で20,000ポンド（9,100 kg）の追加ペイロードを搭載し、危険な「発射地点への帰還」（RTLS）モードと「大洋横断アボート」（TAL）モードを排除し、いわゆる「ドッグレッグ機動」を用いてケネディ宇宙センターから南北の極軌道を周回する飛行を可能にしました。コロンビア号の破壊後、NASAはシャトル計画用の5セグメントSRBの開発を棚上げし、生き残った3機のオービター、ディスカバリー号、アトランティス号、エンデバー号は国際宇宙ステーションの完成後、2011年に退役した。5セグメントのエンジニアリングテストモーターETM-03は、2003年10月23日に点火された。

コンステレーション計画の一環として、アレス Iロケットの第 1 段では 5 セグメントの SRB を使用する予定でした。2009 年 9 月、ユタ州にある ATK の砂漠試験エリアで、5 セグメントのスペース シャトル SRB が地上で静的に発射されました。

2011年にコンステレーション計画が中止された後、新たなスペース・ローンチ・システム（SLS）は5セグメント・ブースターを使用するように指定されました。SLS用SRBの最初の試験は2015年初頭に完了し、2回目の試験は2016年半ばにオービタルATKのユタ州プロモントリー施設で実施されました。[ 8 ]

外部タンク貨物フェアリング

スペースシャトル7.6と10.6のフェアリング

DARPAは、現在の外部タンクの設計を改良し、低密度ペイロードを、現在酸素タンクがある場所に直径25または35フィート（7.6または10.6メートル）のフェアリングに入れて運ぶことを研究した。シャトルは平均してペイロード容量の66%しか飛行しないが、ペイロード容積はほぼ100%になる。外部タンクのペイロードフェアリングはこの問題を解決する。酸素タンクは円錐形ではなく円筒形のタンクとして再設計され、クラムシェル型のペイロードフェアリングがタンク上に直接取り付けられる。この構成では、オービタはペイロードを搭載せずに打ち上げられる。これらの研究は、新しい空力プロファイルでは発射場への帰還（RTLS）操作が不可能になるという事実により、最終的に中止された。この提案は、タンクの上部ではなく底部に向かって配置される後方貨物キャリア（ACC）として再構成された。このアイデアは開発が進められ、マーティン・マリエッタがコンテナの設計と製造を請け負った。 ACCの初飛行は1986年に予定されていた。しかし、チャレンジャー号の事故後、ACCとほとんどのペイロード関連のシャトルのアップグレードはキャンセルされた。[ 9 ]

改造オービター

以下は、カール・F・エーリッヒ・ジュニアが「シャトルの派生型とその派生型は実際には起こらなかった - 歴史的レビュー」[ 1 ]で言及または議論したすべての記述である。

引き伸ばされたオービター

シャトルのブースターのアップグレードを見据え、延長型オービターの設計が行われた。ペイロードベイは全長15フィート（4.6メートル）延長され、ペイロード容量は75フィート（23メートル）となり、最大10万ポンド（45,000キログラム）のペイロードを搭載可能と予想されていた。着陸時の追加重量に対応するため、新たな主翼根部と貫通構造が設計されたが、元の主翼の外側部分はそのまま残し、最小限の改造で済んだ。15フィート（4.6メートル）のバレル部分は、機体後部に向かって1305隔壁のすぐ前方に取り付けられる予定だった。

ザトウクジラ探査機

スーパーグッピーの「ザトウクジラ」デザイン

より多くのペイロードを搭載するという漠然としたニーズから、ペイロードベイの風下側セクション（迎角進入時）を拡張ペイロードベイとして使用するというアイデアが生まれました。これは、エアバス・ベルーガやエアロ・スペースライン・スーパー・ガッピーに似た「ザトウクジラ」型の特大貨物機の誕生につながります。再突入時の極超音速空力特性はほぼ変わりませんが、迎角が大きくない亜音速では問題が発生する可能性が高くなります。

無動力オービター

スペースシャトルエンタープライズの無動力試験機は無動力オービターのベースとなるはずだった。

ソ連のエンジンなしのブラン・オービターへの内部的な対応として、マーシャル宇宙飛行センターで無動力オービターが設計された。ペイロードベイセグメントが宇宙船の後部に追加され、スペースシャトル・エンタープライズと非常によく似た外観となったが、いくつかの違いがあった。搭載機器の大部分は、重量の減少とエンジン不足を補うために、宇宙船の後部に格納された。

ボーイングX-37BはCRVとOSPの設計の中で唯一生産されたものである。

乗組員緊急帰還車両

1980年代後半から2000年代初頭にかけて、NASAは様々な形で、緊急時に宇宙ステーションから乗組員を帰還させることができる小型の宇宙飛行機／カプセルであるCrew Return Vehicle （有人帰還機）の開発を進めました。評価対象となった候補機には、アポロ計画のカプセルをベースとしたもの、NASAのHL-20、HL-10、M2F2、そして空軍のX-24Aなどがありました。HLLV用に研究された弾道帰還ポッドをベースに、シャトルのサブスケール版が提案されました。与圧された乗組員区画は揚力体に改造される予定でした。この設計の主な利点は、シャトルの実績ある技術と再突入時のプロファイルです。

高容量オービター

大容量オービターの概念設計が策定されました。このコンセプトでは、ペイロードベイに複数のキャニスターを搭載し、ボーイング747に似た2階建て構造で68人から74人の乗客を運ぶことを目指していました。これにより重心が前方に移動するため、翼構造に若干の変更が必要となり、カナード翼のような翼面を追加することで揚力面を増やすことができました。この設計は、数百人規模の乗員を必要とするフォン・ブラウン型の宇宙ステーションに採用される予定でした。

参照

参考文献

  1. ^ a b「実現しなかったシャトルの派生型と変種 - 歴史的レビュー」(PDF)。Carl F. Ehrlich, Jr.、James A. Martin。
  2. ^シャトルC、大型ロケットへの進化(PDF) . 第25回統合推進会議. 1989年7月. Bibcode : 1989jpmc.confR....H . doi : 10.2514/6.1989-2521 .オリジナル(PDF)から2009年9月20日にアーカイブ。 2019年12月15日閲覧。
  3. ^ 「NASA​​、火星探査のための大型ブースター計画を策定」 Space.com 、 2009年5月23日。2009年5月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。2019年12月15日閲覧。
  4. ^ Duffy, James B.; Lehner, Jack W.; Pannell, Bill (1993-09-01). 「HL-20用ブースターとしての国家発射システムの評価」 . Journal of Spacecraft and Rockets . 30 (5): 622– 627. Bibcode : 1993JSpRo..30..622D . doi : 10.2514/3.25574 .
  5. ^ Ehrlich, Carl F. Jr.; Martin, James A (2004年7月).シャトルの派生型とその実現されなかったもの(PDF) . 第40回AIAA/ASME/SAE/ASEE合同推進会議・展示会. アメリカ航空宇宙学会. pp.  3– 4. doi : 10.2514/6.2004-3734 . 2022年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2022年4月18日閲覧。
  6. ^ Leary, Warren E. (1989年4月22日). 「NASA​​がロッキードとエアロジェットを選定」 .ニューヨーク・タイムズ. ISSN 0362-4331 . 2019年12月15日閲覧。 
  7. ^ Healy, TJ (1998年1月).シャトル液体燃料フライバックブースターの構成オプション(PDF) (レポート). 2022年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。
  8. ^ 「SLS固体ロケットブースターファクトシート」（PDF）。
  9. ^ Portree, David SF (2012年5月11日). 「後部貨物キャリア付きシャトル（1982年）」 . Wired . ISSN 1059-1028 . 2019年11月25日閲覧。 
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