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乗員帰還機（CRV ）、または保証乗員帰還機（ACRV）とも呼ばれるこの機体は、国際宇宙ステーション（ISS）専用の救命艇または脱出モジュールとして提案されたものです。20年以上にわたり、さまざまな機体や設計が検討され、開発試験用の試作機がいくつか飛行しましたが、いずれも実用化には至りませんでした。 2000年にISSに最初の常駐乗員が到着して以来、緊急帰還能力はソユーズ宇宙船、そして最近ではスペースXのクルードラゴンによって担われており、それぞれ6か月ごとに交代しています。
当初の宇宙ステーション設計では、緊急事態に対処するため、乗組員が避難できる「安全区域」をステーション内に設け、アメリカのスペースシャトルによる救助を待つことになっていた。しかし、1986年のスペースシャトル・チャレンジャー号の事故とそれに続くシャトル機の運航停止により、ステーションの計画担当者はこの構想を再考せざるを得なくなった。 [ 1 ]計画担当者は、次の3つの特定のシナリオに対応するためにCRV （宇宙船）が必要であると予測した。
ISSには、一定レベルの医療状況に対応するための健康維持施設（HMF）が備えられており、その状況は主に3つの分類に分けられます。
しかし、HMFは一般的な外科手術能力を備えるように設計されていないため、HMFの能力を超える医療状況が発生した場合に乗組員を避難させる手段が不可欠である。[ 2 ]
宇宙ステーションでの長期滞在に伴う医学的リスクを評価しようとする研究が数多く行われてきたが、疫学的データが不足しているため、結果は決定的ではない。しかし、宇宙滞在期間が長くなるほど深刻な問題のリスクが高まることは理解されている。最も正確な推定では、病気や怪我の発生率は年間1:3で、1%がCRVによる緊急避難を必要とすると推定されている。8人のISS乗組員の場合、CRV飛行は4～12年に1回必要になると予想される。これらの推定は、ソ連のミール宇宙ステーションでの経験によって部分的に裏付けられている。1980年代には、ソ連で宇宙飛行士が緊急医療状態のため帰還しなければならなかった事例が少なくとも3件あった。[ 2 ]
医療搬送手段としての潜在的な用途のため、CRVの設計には、標準的な有人宇宙船では考慮されない多くの問題に対処する必要がありました。その中でも最も重要なのは、再突入プロファイルや減速/着陸方法によって出血性ショックの患者にかかるG負荷です。患者の安全確保は、負傷していない人員よりも負傷した宇宙飛行士にとってより重要です。さらに、負傷の性質によっては、患者を環境的に密閉された宇宙服やミニカプセルに入れることができない場合があるため、CRVは「シャツの袖」程度の環境を提供できる必要があります。空気の清浄度は医療状況や有毒物質への曝露状況において特に重要であるため、空気清浄度の問題に対処する能力もこの要件に含まれています。[ 2 ]
ヴェルナー・フォン・ブラウン博士は1966年の論文で宇宙救命艇の概念を初めて提起し[ 3 ]、その後NASAの計画担当者は宇宙ステーション救命艇の初期概念をいくつか開発しました。
HL -20 乗員救助機は、NASA が以前のリフティングボディ研究の発展として開発していた人員打ち上げシステム (PLS) コンセプトに基づいていた。1989 年 10 月、ロックウェル インターナショナル(スペース システムズ部門) は、ラングレー研究センターが管理する 1 年間の契約作業を開始し、HL-20 コンセプトを研究のベースラインとして PLS の設計と運用に関する詳細な研究を行った。1991 年 10 月、ロッキード アドバンスト デベロップメント カンパニー (スカンク ワークスとしてよく知られている) は、プロトタイプと運用システムの開発の実現可能性を判断するための研究を開始した。NASA、ノースカロライナ州立大学、ノースカロライナ A&T 大学間の協力協定により、このコンセプトに関するさらなる人間工学研究のために HL-20 PLS の実物大モデルが構築された。[ 1 ] [ 6 ]すべての選択肢の中で、リフティングボディは、制御された環境と再突入および着陸時の低G負荷の観点から最も理想的な医療環境を提供する。[ 2 ]しかし、HL-20プロジェクトの費用は20 億ドルで、議会は1990年にNASAの予算からこのプログラムを削減した。[ 1 ]
欧州宇宙機関（ESA）は、有人宇宙飛行計画の可能性に関する広範な研究の一環として、 1992年10月に6か月間の第1段階ACRV研究を開始した。この研究の主契約者は、アエロスパシアル、アレーニア・スパツィオ、およびドイツ・エアロスペースであった。[ 7 ]
ESAはCRVに関していくつかのコンセプトを検討した。
ESAの17 億ドルのACRVプログラムは1995年に中止されたが、フランスの抗議により、さらなる研究を行うための2年間の契約が締結され、その結果、縮小された大気圏再突入実証カプセルが開発され、1997年に飛行した。[ 7 ] [ 11 ] ESAは代わりに、NASAのX-38 CRVプログラムがフェーズAの研究を終えた後、1996年5月に同プログラムに参加することを選択した。[ 7 ]
ロシア製の宇宙船をCRVとして使用するというアイデアは、1993年3月にビル・クリントン大統領がNASAに対し、フリーダム宇宙ステーションの再設計とロシアの要素の組み込みを検討するよう指示したことに遡る。その夏に設計が修正され、アルファ宇宙ステーション（後の国際宇宙ステーション）が誕生した。再設計の一環として検討されたロシアの要素の1つが、ソユーズ「救命ボート」の使用であった。CRV目的でソユーズカプセルを使用することで、フリーダム の予想コストに比べてNASAは5億ドル節約できると推定された。[ 12 ]
しかし、1995年にエネルギア、ロックウェル・インターナショナル、クルニチェフの合弁事業が、ザーリャ再突入機を基にしたライフボート・アルファ設計を提案した。再突入モーターは固体推進剤を使用し、姿勢制御スラスタは冷ガスを使用していたため、宇宙空間での寿命は5年となるはずだった。しかし、この設計は1996年6月にNASAのCRV/X-38計画に取って代わられ、却下された。[ 13 ]
乗員帰還機という名称は、ISSプログラムにおける一般的な役割を指すだけでなく、NASAが開始しESAが参加した特定の設計プログラムも指している。そのコンセプトは、CRVの役割のみに特化した宇宙機を開発することであった。そのため、医療帰還、ISSが居住不可能になった場合の乗員帰還、ISSへの物資補給が不可能になった場合の乗員帰還という3つの特定のミッションが予定されていた。[ 14 ]
HL-20 プログラムの後継として、NASA は、ダン・ゴールディン長官の「より良く、より速く、より安く」というコンセプトをこのプログラムに適用することを意図していました。[ 15 ] CRV の設計コンセプトには、リフティングボディ再突入機、国際係留/ドッキングモジュール、および軌道離脱推進ステージの 3 つの主要要素が組み込まれていました。この機体は、シャツの袖で過ごせる環境で最大 7 人の乗組員を収容できるように設計されることになっていました。乗組員が機能不全になった場合でも運用できるようにする必要があるため、飛行および着陸操作は自律的に実行されることになっていました。[ 14 ] CRV の設計には、宇宙操縦推進システムは搭載されていませんでした。[ 16 ]
NASAとESAは、CRVはアリアン5のような使い捨てロケット（ELV）の上に搭載して打ち上げられるように設計することで合意した。[ 16 ]この計画では、4機のCRVと2つのドッキングモジュールの建造が想定されていた。これらの機体とドッキングモジュールはスペースシャトルによってISSに運ばれ、それぞれ3年間ドッキング状態を維持することになっていた。[ 14 ]
実施されるミッションの種類に応じて、最大ミッション期間は9時間までと想定されていた。緊急医療帰還に関連するミッションの場合は、ISSからの離脱と軌道離脱/再突入噴射の最適な順序付けにより、ミッション期間を3時間に短縮できる。[ 14 ]通常の運用では、ドッキング解除プロセスには最大30分かかるが、緊急時にはCRVはわずか3分でISSから分離できる。[ 17 ]
CRVは全長29.8 フィート（9.1メートル）、キャビン容積416.4 立方フィート（ 11.8立方メートル） となる予定だった。最大着陸重量は22,046ポンド（10,000キログラム）となる予定だった。自律着陸システムは、目標地点から3,000フィート（0.9キロメートル） 以内に着陸させることを目的としていた。 [ 14 ]
軌道離脱推進段は、マーシャル宇宙飛行センターとの契約に基づき、エアロジェット・ジェンコープ社によって設計された。このモジュールは宇宙船の後部に6箇所で取り付けられ、長さは15.5フィート（4.72メートル）、幅は6フィート（1.83メートル）である。燃料満載時のモジュールの重量は約6,000ポンド（2,721.5キログラム）となる。このモジュールには、ヒドラジンを燃料とする推力100ポンド（0.44キロニュートン）のロケットエンジンが8基搭載されており、CRVを軌道離脱させるために10分間燃焼する。その後、8基の姿勢制御スラスタが軌道離脱中の船の姿勢を制御する。燃焼が完了すると、モジュールは切り離され、大気圏再突入時にその質量の大部分を燃焼する。[ 17 ]
CRVのキャビンは「窓のないコックピット」として設計されました。窓や風防は設計にかなりの重量を加え、宇宙船に飛行上のリスクをさらに高めるためです。代わりに、CRVには合成視覚ツールを使用した「仮想コックピットウィンドウ」システムが搭載され、乗員に全天候、昼夜を問わずリアルタイムの3D視覚表示を提供する予定でした。[ 18 ]
他の宇宙船に比べてはるかに低いコストで運用可能なCRVの設計と技術を開発するために、NASAはX-38先進技術実証機と名付けられた一連の低コストで迅速なプロトタイプ機を開発するプログラムを開始しました。[ 19 ] EAS Bulletin 101に記載されているように、X-38プログラムは「国際宇宙ステーション（ISS）の運用可能な乗員帰還機（CRV）の先駆けとして最初の応用が見出された、複数の用途の技術実証およびリスク軽減プログラム」です。[ 14 ] [ 20 ]
NASAはX-38計画の主契約者として自ら行動し、ジョンソン宇宙センターがプロジェクトを主導した。特定の作業は外部委託されたものの、建設と開発のすべての側面は内部で管理された。[ 20 ]量産型CRVについては、NASAは機体を製造する外部の主契約者を選定する予定だった。[ 21 ]
4機の試験機が計画されたが、実際に製造されたのは2機のみで、いずれも大気圏試験機であった。機体は主に複合材料で作られており、Scaled Composites社との契約に基づいて製造された。最初の機体は1998年3月12日に初飛行を行った。X-38は、Pioneer Aerospace社が設計した独自のパラフォイル着陸システムを採用していた。飛行試験プログラムで使用されたラムエア膨張式パラフォイルは、表面積が7,500平方フィート（700平方メートル）で、世界最大であった。パラフォイルは、GPSナビゲーションに基づく機上誘導システムによって能動的に制御された。[ 22 ]
NASAの開発計画には、実際のCRVの運用試験は含まれていなかった。運用試験では、CRVをISSに打ち上げ、最大3か月間ドッキングさせた後、「空の」状態で地球に帰還させる予定だった。代わりに、NASAはX-38の軌道試験の結果に基づいて宇宙船の「有人性評価」を行う予定だった。3つの独立した審査グループとNASA監察総監室は、この計画の妥当性と安全性について懸念を表明した。[ 21 ]
設計、開発、テスト、エンジニアリング評価を順次行うアプローチとは対照的に、迅速なプロトタイピングによる開発手法は、プログラムのリスクについても懸念を引き起こした。[ 20 ]
1999年、NASAはX-38計画の費用を9600 万米ドル（宇宙飛行先進プロジェクト資金）、実際のCRV計画の費用を11 億米ドル（ISS計画資金）と見積もった。[ 21 ] 1年後、X-38の費用は1億2430万米ドルに増加し 、増加した費用はISS資金で賄われた。[ 20 ]費用増加の一因は、少なくとも1回、場合によってはそれ以上のシャトル打ち上げでCRVの運用試験を行う必要があったことにある。[ 23 ]
ESAはCRVプログラムに直接資金提供するのではなく、1999年からESA参加各国政府が個別に資金提供することを決定した。[ 16 ]ベルギー、フランス、ドイツ、オランダ、イタリア、スペイン、スウェーデン、スイスはいずれも多額の拠出を行う意向を示した。[ 14 ]
NASA/ESA CRVへの米国の資金提供は、決して決着のついた問題ではなかった。2002会計年度の予算案において、議会は2億7500 万ドルの資金提供を勧告したが、これは条件付きであることを明確にした。
委員会は、政権と国際パートナーが国際宇宙ステーションを研究施設として維持することに尽力していることが明確に示されない限り、この目的のために追加資金を提供する予定はない。そのため、法案に含まれる条項では、政権が2003会計年度のNASA予算要求において、乗員帰還機のために少なくとも2億ドルを要求しない限り、2億7500万ドルの予算は取り消されることになる。
さらに、CRVプログラムへの資金提供は、ISSのミッションに対する政権の正当性を示すものと結びついていた。
2002年3月1日までに、大統領は下院歳出委員会および上院歳出委員会に対し、以下の条件を満たす包括的な計画を提出しなければならない。第一に、国際宇宙ステーション計画における研究の役割に関する明確かつ曖昧さのない声明。第二に、6名以上の常駐クルーのための居住施設を提供するための取り組みの詳細な概要。…第三に、会計年度ごとのクルー帰還機計画の予想費用。…第四に、国際宇宙ステーションの文脈におけるクルー帰還機開発計画の相対的な優先順位。委員会は、すべての条件が完全に満たされるまで、追加資金を提供したり、この法案で提供される2億7500万ドルのいずれかの支出を承認したりする意図はない。[ 24 ]
2002年4月29日、NASAはISSの他の要素に関連する予算圧力のため、CRVとX-38プログラムを中止すると発表した。[ 25 ]同機関は40 億ドルの不足に直面していたため、ISSの範囲を根本的に再設計し、新しいバージョンをUS Core Completeと呼んだ。この縮小されたステーションには、X-38をベースとしたCRVは含まれていなかった。2002会計年度の下院予算ではCRVに2億7500万ドルが提案されていたが 、これは最終予算案には含まれなかった。しかし、下院と上院の協議者は、NASAの再設計とそれに伴うCRVの削除は時期尚早であると考え、CRVの選択肢を残しておく必要性を認識し、NASAに X-38プログラムを維持するために最大4000万ドルを支出するよう指示した。[ 26 ]
CRV計画の中止はそれ自体が論争を巻き起こし、ラルフ・ホール下院議員（テキサス州選出、民主党）は公開書簡[ 27 ]でNASAを厳しく批判し、3つの批判点を詳述した。
NASAの統合宇宙輸送計画（ISTP）の一環として、宇宙打ち上げイニシアチブ（SLI）が再編され、2002年に軌道宇宙機（OSP）（当初は乗員輸送機、またはCTVと呼ばれていた）[ 29 ]の開発に重点が移った。OSPは乗員輸送とCRVの両方の役割を果たすことになる。再編に伴い、プログラムの優先順位が変更され、NASAは次のように宣言した。「宇宙ステーションへの米国人乗員の輸送に対するNASAのニーズは、宇宙輸送の推進力となる要件であり、機関の優先事項として対処しなければならない。ISS乗員の緊急帰還能力を確保することはNASAの責任である。当初は乗員帰還能力を提供し、その後乗員輸送機へと進化する、進化可能で柔軟な機体アーキテクチャの設計と開発が、現在SLIの短期的な焦点となっている。」[ 29 ]
2002年にSLIプログラムによって実施された乗員輸送機/乗員救助機の研究では、宇宙ステーションの乗員輸送と乗員帰還の両方の機能を実行できる多目的軌道宇宙機が実現可能であり、NASAの投資に対して最大の長期的な利益をもたらす可能性があると結論付けられました。2002年にNASAによって定義されたOSPの主要ミッションの1つは、「可能な限り速やかに、遅くとも2010年までに、少なくとも4人の宇宙ステーション乗員の救助能力を提供すること」でした。OSPで使用される技術を調査および検証するための飛行評価プログラムの一環として、NASAはX-37プログラムを開始し、ボーイング統合防衛システムズを主契約者として選択しました。[ 30 ]
しかし、OSPは任務が限定的すぎる（「…OSPの主な欠点は、現状の構想では宇宙ステーション以外にはどこにも繋がらないことである」[ 31 ]）ことと、費用が30億ドルから50億ドルにも上ることから、議会から厳しい批判を受けた 。
そして2004年、NASAの焦点はOSPから有人探査機（CEV）へと再び変わり、X-37プロジェクトはDARPAに移管され、技術開発の一部は継続されたものの、大気圏試験機としてのみ行われた。[ 32 ]
OSPの中止に伴い、アポロ宇宙船は再びCRV（乗員帰還船）としての利用が検討されることになった。今回は2003年3月にNASAが検討を行った。この構想の初期調査において、「チームは、4～6名の乗員を乗せたアポロ由来の乗員帰還船（CRV）構想が、OSPのCRVレベル1要件のほとんどを満たす可能性を秘めていると満場一致で結論付けた。アポロ由来の乗員輸送船（CTV）も、サービスモジュールを追加することで、OSPのCTVレベル1要件のほとんどを満たすことができると思われる。チームはまた、共通のCRV/CTVシステムとしてアポロ司令船・機械船（CSM）構想を検討する選択肢もあると推測した。さらに、アポロ司令船（CM）とサービスモジュール（SM）をISSのCRVおよびCTVとして使用することは、同じレベル1要件を満たす他のOSPアプローチと比較して、このアプローチの性能、コスト、スケジュールについて本格的な詳細調査を行うに値する十分なメリットがあると結論付けた。」[ 33 ]
この研究では、このオプションの開発に関するいくつかの問題点が明らかになった。「一方では、アポロシステムはよく理解されており、非常に成功した堅牢なシステムであり、非常に優れた打ち上げ中止システムを備えていることが証明されている。ドキュメントは設計者を導く上で非常に役立つだろう。他方では、複製するとしても、ほぼすべてのシステムを再設計する必要があるだろう。既存のハードウェア（博物館にあるCMなど）は、経年劣化、陳腐化、トレーサビリティの欠如、水没などの理由で、使用できないと考えられた。燃料電池や極低温は必要なく、最新の誘導および通信はより軽量で安価になるだろう。飛行用ハードウェアは安価になり、使い捨てロケットへの影響は最小限になる（単なる軸対称ペイロードである）が、CRVの着陸地点がライフサイクルコストを高くする可能性がある。サービスモジュール（月に行くのに必要なモジュールよりも小さい）を追加することで、軌道横断距離は3000から5000になるだろう。」 ft/s (1,500 m/s)の速度が得られ、着陸地点の数を大幅に削減できる可能性がある。陸上着陸を安全にシステムに追加できれば、ライフサイクル コストの大幅な削減につながるだろう。なぜなら、チームはシステムを再利用可能にできると考えていたからである。」[ 33 ]
カプセルの空力特性により、g負荷は中程度の範囲（2.5～3.5g）に収まります。しかし、医学的な観点から見ると、アポロ型カプセルにはいくつかの欠点があります。アポロカプセルの内部大気圧は、宇宙ステーションの14.5PSIに対し、わずか5PSIです。さらに、急な水上着陸は、カプセルの回収にかなりの遅延をもたらします。[ 2 ]
2001年にX-38とCRV計画が中止されたことで、ソユーズカプセルの暫定的な使用が長期的に必要となることは明らかでした。ISSのニーズにより適合させるため、エネルギア社は標準のソユーズTMカプセルをTMA構成に改造する契約を結びました。[ 34 ] [ 35 ]主な変更点は、より大きなアメリカ人宇宙飛行士の人体計測基準に対応するために、新しい改良された座席を備えた内部レイアウトです。[ 36 ]改良されたカプセルの一連の試験投下が1998年と1999年にイリューシンIl-76貨物機から行われ、TMAの着陸能力が検証されました。[ 37 ]
ソユーズTMAカプセルは、緊急事態に備えて常に「スタンバイ」モードでISSに接続されていました。この構成で運用された場合、TMAの寿命は約200日で、反応制御システムに使用される過酸化水素の劣化により、交換する必要があります。[ 38 ]この制限のため、この機体は通常6か月の交換サイクルで計画されています。TMAのISSへの最初の飛行は、2002年10月29日のソユーズTMA-1の飛行で行われました。[ 39 ]
TMAの乗員が3人に制限されていたため、ISSの乗員も同様に制限され、ISSで実施できる研究量は週20人時と大幅に減少し、ステーションの設計時に想定されていたよりもはるかに少なくなっていました。[ 40 ] 2009年5月の第20次長期滞在では、同時にドッキングした2機のソユーズ宇宙船により、ISSの乗員数は3人から6人に増加しました。
ソユーズTMAは、2010年から2012年にかけてソユーズTMA-Mに、そして2016年にはソユーズMSに置き換えられた。
2008年、NASAは商業有人宇宙輸送技術の開発資金を提供するプログラム（CCDev）の運営を開始しました。このプログラムは、特定の技術開発のための入札に資金を提供し、マイルストーンが達成された際に助成金を交付しました。2010年初頭の第1ラウンドの受給者には、ボーイング社のCST-100カプセルとシエラ・ネバダ・コーポレーション社のドリームチェイサー宇宙機が含まれていました。2010年末に提出された第2ラウンドの資金提供のための提案には、オービタル・サイエンシズ社のプロメテウス宇宙機とスペースX社のドラゴン宇宙船の打ち上げ中止システムの開発が含まれていました。
の新たな費用とスケジュールの見積もりは、徹底的な技術分析に基づくものではなく、CTVの開発をより好ましい形で描写したいという願望に基づいていることは明らかだと思われる。