2020年4月24日(2020年) 松尾芳郎
NASAとスペースX(Space X) 社は共同で、2011年以来途絶えていた米国による国際宇宙ステーション (ISS) への有人宇宙飛行を再開する。これはNASAの「Commercial Crew Program・民間宇宙飛行計画」に基づくもので、米国製のロケットで米国製の宇宙船を打ち上げ、宇宙飛行士を[ISS]に送る。
(A new era of human spaceflight is set to begin as American astronauts once again launch on American rocket from American soil to the ISS as part of NASA Commercial Crew Program.)
NASAの宇宙飛行士ロバート・ベンケン(Robert Behnken)氏とダグラス・ハーレイ(Douglas Hurley)氏は、スペースXの「クルー・ドラゴン(Crew Dragon)宇宙船に乗り、5月27日東部夏時間(EDT)4:32 p.m.にフロリダ州ケープカナベラル空軍基地39A発射台からファルコン9(Falcon 9)ロケットで打ち上げられる。そして宇宙飛行士はISSに「Demo-2」ミッションとして滞在する。滞在期間は後日決定される。
スペースX社では、同社が開発を目指している有人宇宙飛行計画、すなわち発射台、打上げロケット、宇宙船、全体の運用、などシステム全体を検証するミッションとして、「Demo-2」を位置付けている。
宇宙飛行士、ベンケン氏とハーレイ氏は、現在スペースXで訓練を受けているが、両氏共に十分な飛行経験を持ち、これまでスペース・シャトルにも数回搭乗している。
ベンケン氏は、今回のミッションの機長で、ランデブー、ドッキング作業をするが、宇宙船をISSに結合したまま行う「Demo-2」ミッションの業務も担当する。2000年にNASAに入って以来スペース・シャトルで２回飛行している。ミゾーリ(Missouri)州出身、ワシントン大学で物理・機械工学を学び、カリフォルニア工科大学で機械工学修士および博士を取得、米空軍でFlight Test Engineerを務めた。
ハーレイ氏は、「Demo-2」ミッションの責任担当者だが、打上げ、着陸、回収の任務を担当する。2000年にNASAに加わって以来宇宙飛行を２回体験した。ニューヨーク(New York)州出身、ルイジアナ(Louisiana)州チューレーン(Tulane)大学で土木工学科を修了、メリーランド(Maryland)州の海軍Test Pilot Schoolを卒業、米海兵隊の戦闘機パイロット、試験飛行パイロットを務めた。
2名の宇宙飛行士を載せたクルー・ドラゴンとたファルコン9ロケットは、39A発射台から出発すると、時速17,000 mphに加速され、国際宇宙ステーションの地球周回軌道に到達する。軌道に乗ると、乗員と地上のスペースXミッション管制部門は、宇宙船の室内空調装置、各種デイスプレイ、操縦装置、姿勢制御/移動用スラスター、その他の装置の機能を試験し、異常のないことを確認する。軌道到着後、約24時間でクルー・ドラゴンはランデブーおよびドッキング可能な位置に着く。宇宙船のこれらの過程は全て自動化されているが、宇宙飛行士と地上管制部門は自動化されているランデブーおよびドッキング動作を念入りに監視し、必要な場合には直ちに手動に切り替える体制を整えている。
図１：（NASA）フロリダ州ケープ・カナベラル(Cape Canaveral)空軍基地で「Demo-2」ミッションとして発射準備中のスペースX「クルー・ドラゴン(Space X Crew Dragon)」宇宙船。ベンケン、ハーレイの両宇宙飛行士が搭乗し、ファルコン9 (Falcon 9)ロケットで打ち上げられ、国際宇宙ステーション(ISS)に向かう。
ドッキング後、２人はISSに移乗し63番目の乗員となる。そしてISS内で行う研究業務の傍ら、クルー・ドラゴンに関わる試験を行う。
この飛行でクルー・ドラゴンはおよそ110日間軌道上に滞在するが、この期間は、次の有人宇宙船のISS行きの日程が決まるまでとなる。NASAは、民間有人宇宙船の宇宙滞在可能な期間を210日以上、と定めている。
ミッションの終わりでは、クルー・ドラゴンは２人の飛行士を乗せて自動的にISSから切り離され地球に向かい、大気圏に再突入、フロリダ州大西洋沿岸に着水、スペースX社の回収船「ゴー・ナビゲーター(Go Navigator)」により回収され、ケープ・カナベラルに帰還する。
「Demo-2」ミッションは、NASAの「Commercial Crew Program・民間宇宙飛行計画」により、クルー・ドラゴンが宇宙基地での長期運用に耐え得ることを証明する最初の重要なステップとなる。いわば航空機に対する型式証明に相当する証明を取得する第一歩である。クルー・ドラゴンが証明を取得すれば、NASAがISSで実施中の「研究技術開発(Research & Technology)」が今後も続けられるし、「アルテミス(Artemis)」計画と呼ぶ2024年目標の月面有人着陸探査、それに続く火星への有人飛行計画への道筋が開くことになる。
「Commercial Crew Program・民間宇宙飛行計画」
NASAは、米国の航空宇宙産業の協力を得て、新世代の有人宇宙船と打上げロケットを開発し、宇宙飛行士を低地球周回軌道上あるいは国際宇宙ステーション(ISS)に輸送する計画を始めた。これでNASAは、深宇宙飛行用の宇宙船とロケットの開発と云う負担から離れ、持てる力を宇宙探査に集中できるようになる。一方パートナーに選定された民間企業は、深宇宙探査用の宇宙船とその打上げロケットの開発に集中することになる。
これまでNASAは、国際宇宙ステーション(ISS)の建設と、人員資材を輸送する「スペース・シャトル(Space Shuttle)計画、の両方に資金と人材を投入してきた。「Commercial Crew Program・民間宇宙飛行計画」では、これを改め、人員・資材の輸送は民間企業に委託、NASAが費用を拠出して、これを利用することになる。ここではNASAは、乗員の安全確保に焦点を当て、打上げ・ISS滞在・地球への帰還、と云う一連のミッションが、低コストで高い信頼性で実施できるよう、企業側と密接に協力する。一方、企業側は宇宙船、打上げロケットなどのハードウエアを所有し運用することになる。
「Commercial Crew Program・民間宇宙飛行計画」の経緯は次の通り。
・2010年：NASAは「Commercial Crew Program」を開始。
・2014年：「ボーイング」・「スペースX」両社を、NASA所属の宇宙飛行士をISSに輸送するシステムを開発・運用する企業に選定、総額68億ドル（7,400億円）で契約を締結。
・2015年：両社が開発する宇宙船の完成に協力・助言する宇宙飛行士４人名を指名。
・2016年：両社はそれぞれ宇宙船の設計・製作を開始、国際宇宙ステーション(ISS)側に両社の宇宙船をドッキングさせるための「ドッキング・アダプター(IDA=International Docking Adapter)を設置。
・2017年：両社共通の最新型宇宙服を発表。
・2018年：両社の宇宙船、ボーイング/スターライナー(Starliner)とスペースX/クルー・ドラゴン(Crew Dragon)、に乗務する宇宙飛行士9名を指名。
・2019年：試験飛行スケジュールを決定・実施。
クルー・ドラゴンの[Demo-1]……2019年3月2-8日
スターライナーの非常脱出試験(Pad Abort Test)……2019年11月4日
スターライナーの軌道周回飛行試験……2019年12月20-22日/部分的に失敗
・2020年：クルー・ドラゴンの非常脱出試験(In-flight Abort Test)……2020年1月18日
クルー・ドラゴンの非常脱出試験(In-flight Abort Test)
今年(2020) 1月18日、クルー・ドラゴン宇宙船を先端に取付けたファルコン9ロケットは、39A発射台にセットされた。予定通り発射の1分30秒前にクルー・ドラゴンの非常脱出操作が開始されると、ファルコン9の第1段マーリン・エンジン9基は直ちに作動を停止、同時にクルー・ドラゴンの脱出用エンジン「スーパー・ドレイコ(SuperDraco)スラスターが作動を開始・噴射し宇宙船を分離し、宇宙船は弾道飛行の頂部で「トランク」部を分離し、カプセル部分はパラシュートでフロリダ州大西洋沿岸に着水、回収された。
図２；(SpaceX) ファルコン9の組立ての様子。第１段ロケットはマーリン・エンジンを9基装備する。
図３：(SpaceeX) クルー・ドラゴン宇宙船の非常脱出テスト。打上げ時に異常が発生、脱出が必要になると宇宙船装着の「スーパー・ドレイコ」スラスターが作動・噴射し、宇宙船を本体から分離・上昇させ、パラシュートを展開、海上に着水する。スラスターは8基あり、２基ずつに束ね、４個のノズルからジェットを噴射する。各スラスターの推力は15,000 lbs。これまでの宇宙船の非常脱出装置は、宇宙船頂部に付くアボート・タワー(Abort Tower)方式が主流だったが、ドラゴンでは宇宙船本体に組込む方式に改めた。本体組込み方式は、分離の必要がなく安全であること、全航程で使えること、再利用ができること、などの利点がある。
図４：(SpaceX) クルー・ドラゴン・カプセルに組込まれた非常脱出ロケット「スーパー・ドレイコ(SuperDraco)」。２基1組の装置で合計４装置が取付けられる。冗長性が高く、再使用可能で、燃料を封入したまま数ヶ月以上保管できる。将来火星着陸の際には、着陸時の減速用エンジンとして使われる可能性がある。
Demo-2
[Demo-２]ミッションは、「39A発射台、ファルコン9ロケット、クルー・ドラゴン宇宙船、スペースXの運航管理能力」から成る「有人宇宙輸送システム」の最後の実証試験である。宇宙船には前述の飛行士2名が大量の補給物資と共に乗務する。予定軌道に到着すると乗員は前述の各種試験を行い、万一の事態に備える。ISSへの接近・ドッキングはすべて自動化されているので正常であればマニュアル操作は不必要である。
ドッキング後、乗員は5-30日間ISS内に滞在、その後はクルー・ドラゴン内で仕事をする。長期滞在（最大210日間）ののち、クルー・ドラゴンは、自動的にISSから分離、地球大気圏に再突入、大西洋に安全に着水し、回収される。
クルー・ドラゴン
クルー・ドラゴンは繰返し使用を前提に設計された人員・貨物輸送用の宇宙船。最大7名の搭乗が可能だが、NASAのミッションは4名以内で行う。
図５：(SpaceX) ファルコン9の頂部に取り付けられたクルー・ドラゴン宇宙船。宇宙飛行士は[TE]と呼ぶ搭乗橋を通り直接宇宙船に乗り込む。
「クルー・ドラゴン」は大分して二つの部分、すなわち乗員や与圧が必要な貨物を収納する「カプセル(Capsule)」と、非与圧室の「トランク(Trunk)」、から成る。「カプセル」はさらに「与圧室」と「ノーズ・コーン」に分かれる。「ノーズ・コーン」は軌道に乗ると開き、ISSへのドッキング口となる。そして大気圏再突入の前には再び閉じる。
「カプセル」の下部・外側には「ドレイコ」スラスターがあり軌道修正に使う。「ノーズ・コーン」の下にも「ドレイコ」スラスターが付いている。
「トランク」は「カプセル」をファルコン9に接続する役割をしているが、軌道に乗ると「トランク」の半分を占めるソーラー・パネルが展張しクルー・ドラゴンに電力を供給する。他の半分は熱を放散するラジエーターになっている。ソーラー・パネルとラジエーターは共に「トランク」の周囲に取付けれていて、再突入の前には分離される。
クルー・ドラゴンには窓が３つあり、乗員はそこから地上や月などを見ることができる。
室内は空調システムで調節され、18度から27度の間に調節できる。
非常脱出装置として、前述の「スーパー・ドレイコ」エンジン8基とパラシュートがあり、発射から軌道に乗るまで、いつでも即応できる状態になっている。
「Demo-2」飛行試験が成功し、NASAの“型式証明承認手続き”が完了すれば、スペースXはNASAの求めに応じ定期的なISSの乗員交代輸送を開始する。
図６：(SpaceX) クルー・ドラゴンが低地球周回軌道に入ると「トランク」に収納されていたソーラー・パネルが展張し、「カプセル」に電力を供給する。
図７：(SpaceX) ドラゴンは人員および貨物を軌道上に輸送・往復する宇宙船で、2019-03-02にISSへの最初の無人試験飛行でドッキングに成功した。「カプセル」は空調され最大７人を乗せ、与圧が必要な貨物を搭載する。下部にはスーパー・ドレイコ・スラスターと姿勢制御用のドレイコ・スラスターが付いている。「トランク」部は、普通貨物の搭載と、「カプセル」へ電力供給、空調放熱などの役目をする。地球帰還時には、大気圏再突入前に切り離される。直径4 m、高さ8.1 m、カプセル容積9.3 ㎥、トランク容積37 ㎥、打上げ時ペイロード6 ton、帰還時ペイロード3 ton。
図８：(SpaceX) 国際宇宙ステーション(ISS)のドッキング・アダプター(IDA)に近ずくクルー・ドラゴン。「カプセル」頂部の蓋が開いて、ドッキング口が見えている。
図９：（SpaceX）39A発射台にセットされたクルー・ドラゴン搭載のファルコン9ロケット。ファルコン9は2段式ロケットで、衛星やドラゴン宇宙船の打上げで、高い信頼性と安全性を示してきた。そして世界最初の再利用可能なロケットとして知られる。高さ70 m、直径3,7 m、打上げ時重量549 ton、打上げ能力は低地球周回軌道(LEO)に22.8 ton。「39A発射台」は「LC-39A = Launch Complex 39A」と呼ばれ、1960年代にサターンVロケットでアポロ宇宙船を打上げるため建設された。スペースXは、2014年にNASAから「LC-39A」の使用権利を譲り受け、ファルコン9およびファルコン・ヘビー・ロケットを使えるように改修した。改修では、飛行士が直接クルー・ドラゴン宇宙船に乗るための搭乗橋(TE=Trans-porter Erector)を設けた。スペースXは、2017年2月のISSへの貨物輸送(CRS-10 = Commercial Resupply Mission 10)からファルコン9発射に使っている。
ファルコン9は、2012年にドラゴン宇宙船（無人）を打上げ、ISSにランデブー、ドッキングに成功済みである。それ以来ファルコン9は、多くの衛星を地球周回軌道に乗せ、NASAに協力してきた。
ファルコン9の第１段には、9基のマーリン(Marlin)エンジンが装備され（図２参照）、地上では合計1,700 万lbsの推力を出す。内部は、アルミ・リチウム合金(Aluminum-Lithium alloy)製の液体酸素(LOX)タンクとロケット用ケロシン(RP-1)燃料タンクになっている。全エンジンが点火され上昇を開始、真空中に達すると推力は1800万lbsに増加する。第１段の飛行が終わりに近ずくと推力が減少、第２段と結合している中間段で第２段を分離する。分離機構は空気圧で作動するニューマチック式で衝撃が少なく信頼性が高い。
分離した第１段は降下し、海上に待機する船上に着陸・回収される。降下が始まると、減速のため上部にあるグリッド・フィンが開き、次いで一部エンジンが再着火・降下速度を減らし、着陸用脚が開き回収船上に静かに着地する。
宇宙服
宇宙飛行士が着る宇宙服は、船外活動時は勿論、安全のためクルー・ドラゴン内では常時着用する。宇宙服は各宇宙飛行士用に個別に作られ、機能的で、軽量、突然の気圧降下にも耐えられる仕様になっている。ライフ・サポート・システムとの結合部は一箇所で、空気と電力を供給する。ヘルメットも個々人に合わせて3Dプリント法で作られ、バルブ、バイザーの出し入れ装置が付いている。
図１０：(SpaceX) スペースXが設計した「スペース・スーツ(Space Suit)」、内部は与圧され、通話装置と冷却装置が組み込まれている。手袋はタッチ・スクリーン可能、スーツ全体は耐火性で、上昇および再突入時は騒音防止機能が働く。
「クルー・ドラゴン」の飛行
一部記述済みだが、「クルー・ドラゴン」の飛行経歴と今後の予定を示す。
・クルー・ドラゴン[Demo-1]飛行：2019-03-02にカプセル[C201]無人で打ち上げ、ISSにドッキング成功
・クルー・ドラゴン非常脱出試験：2020-01-19にカプセル[C205]無人で非常脱出試験を実施、成功
・クルー・ドラゴン[Demo-2]飛行：2020-05-17にカプセル[C-206]で宇宙飛行士2名が乗務、ISSにドッキングし２ヶ月間以上の宇宙滞在をする予定。
・[USCV-1]ミッション：[Demo-2]ミッションが成功すれば、NASAは6回の宇宙飛行を契約する予定。初回は2020年7~9月に「US Crew Vehicle-1」としてカプセル[C207]で宇宙飛行士4名をISSに送り込む。この中にJAXAの野口聡一氏が含まれる。[C207]は現在組み立て中。
ボーイング「CTS-100 スターライナー(Starliner)」
ボーイング「スターライナー」は、2019年11月に非常脱出試験をニューメキシコ州ホワイトサンド(White Sands, New Mexico)ミサイル試験場で実施、パラシュート４つの内１つが開かなかったが、無事に着陸した。
2019年12月20日に最初の無人地球周回軌道投入試験(OFT 1)を実施、低地球周回軌道へ打上げてISSとランデブー・ドッキングを目指した。しかし、ソフトウエアの過ちで、軌道投入までに燃料を使い過ぎたため軌道投入を諦め、2日後にホワイトサンドに無事着陸した。次回の軌道投入飛行試験(OFT 2)は、無人で2020年10月に行われる予定。
図１１：(Boeing) 「スターライナー」カプセルは、最大径が4.56 m、アポロ宇宙船よりやや大きく、ロッキードが製作中のオライオン(Orion)カプセルより小型。7人乗りで、10回のミッションに繰返し使用する。打上げロケットは、アトラスV、デルタIV、ファルコン9、バルカン、のいずれにも適合できる。2019-12-20の軌道投入試験(OFT 1)はアトラスVで行われた。写真は2019年12月22日、軌道投入に失敗し帰還したスターライナー・カプセル。カプセルはエアバッグを使い軟着陸する。
―以上―
本稿作成の参考にした主な記事は次の通り。
NASA Commercial Program April 17, 2020 “Launch Date Set for First Crew Flight from U.S. Soil Since 2011” by Anna Heiney
NASA Commercial Crew Program
SpaceX “Crew Dragon”
Boeing “CTS-100 Starliner”
日本経済新聞2020-04-17 “米、独自の有人飛行再び ” by 越川智瑛
TokyoExpress 2019-09-14 “スペースX、火星着陸用「スターシップ」の試作機「スターホッパー」の飛行試験に成功“
TokyoExpress 2018-06-24 “NASA主導の壮大な民間宇宙旅行計画が進展“
TokyoExpress 2018-05-24 ”スペースX、ファルコン9 Block 5打上げ回収に成功“
TokyoExpress 2018-02-18 “スペースX社、惑星間輸送機” BFR”の開発を加速“