HL-20 有人発射システム

HL-20 有人発射システム

HL-20 モックアップ
オペレーター	米航空宇宙局（NASA）
アプリケーション	有人宇宙飛行機
仕様
打ち上げ質量	10,884 kg (23,995 ポンド)
政権	ローアース
生産
状態	キャンセル
発売	0
関連宇宙船
デリバティブ	HL-42、ドリームチェイサー

HL -20 有人打ち上げシステムは、NASA のラングレー研究センターが1990 年頃に研究した有人軌道ミッション用のNASA スペースプレーンのコンセプトでした。ソ連のBOR-4スペースプレーン設計に似た揚力体再突入体として構想されました。^[1]その目標は、運用コストの削減、飛行安全性の向上、従来の滑走路への着陸の可能性を実現することでした。^[2]飛行ハードウェアは製造されませんでした。

宇宙への日常的なアクセスの実現に対する国民の関心が高まる中、1980年代半ばには地球から軌道への輸送システムが数多く研究された。その1つは人員打ち上げシステム（PLS）と呼ばれ、HL-20と使い捨ての打ち上げシステムを利用して、スペースシャトルを補完する有人アクセスを提供するものだった。1990年には、ノースカロライナ州立大学とノースカロライナA&T大学の学生と教員によって、乗組員の座席配置、居住性、機器のレイアウト、乗組員の出入りを研究するために、HL-20の実物大の工学研究モデルが製作された。この全長9メートル（29フィート）の工学研究モデルは、利用研究のためにHL-20の実物大の外部および内部の定義を定めるためにラングレーで使用された。

PLSミッションは、低地球軌道への人や少量の貨物の輸送、つまり小型の宇宙タクシーシステムでした。開発は承認されませんでしたが、PLSコンセプトのスペースプレーンはスペースシャトルを補完するものとして設計され、主に3つの理由から米国の有人打ち上げ能力への追加として検討されていました。^[3]

• 宇宙への有人アクセスの保証。スペース ステーション フリーダムとそれに続く宇宙探査イニシアチブのミッションの時代において、スペース シャトルが利用できない場合に備えて、米国が人や貴重な小型貨物を低地球軌道まで送り、戻すための代替手段を確保することが不可欠です。
• 乗員の安全性が強化されます。スペース シャトルとは異なり、PLS にはメイン推進エンジンや大型ペイロード ベイはありません。人員輸送ミッションから大型ペイロードの搭載要件がなくなるため、PLS は小型でコンパクトな乗り物になります。そのため、打ち上げと軌道からの帰還の重要な段階で乗員を安全に回収するための脱出機能を設計することがより現実的になります。
• 手頃なコスト。既存の技術で設計された小型車両である PLS は、開発コストが低くなることが予想されます。サブシステムの簡素化と PLS 地上および飛行運用への航空機アプローチにより、PLS の運用コストも大幅に削減できます。

PLS 用に検討された 2 つの設計は、空力特性とミッション能力が異なります。

• ジョンソン宇宙センターの接近には鈍い円錐形（さまざまな月帰還ミッションの宇宙船に類似）が使用され、停止するためのパラシュートシステムが組み込まれていました。
• ラングレー研究センターは、軌道からの帰還時に従来の滑走路着陸が可能な揚力体を提案した。 ^[3]

スペースシャトルの設計に先立って影響を与えた、M2-F2、M2-F3、HL-10、X-24A、X-24Bなどのいくつかのリフティングボディ機が、1966年から1975年にかけてテストパイロットによって飛行された。M2-F2とHL-10は、サターンIBで打ち上げられた後、12人を宇宙ステーションに運ぶために1960年代に提案された。HL-20 PLSコンセプトはこれらの初期の形状から発展したもので、ソ連のMiG-105、特にBOR-4の影響をさらに受けている。「HL」は水平着陸機を意味し、「20」はノースロップHL-10を含むリフティングボディコンセプトへのラングレーの長期にわたる関与を反映している。

揚力体宇宙船は、他の形状に比べていくつかの利点があります。軌道から帰還する際の大気圏飛行中の揚力特性が高いため、宇宙船はより広い陸地に到達でき、特定の場所に着陸できる機会が増えます。突入時の減速荷重は約 1.5 G に制限されます。^{[4]これは、病気、負傷、または体調不良の宇宙ステーションの乗組員を地球に帰還させるときに重要です。車輪付きの滑走路着陸が可能になり、}ケネディ宇宙センターの発射場を含む世界中の多くの場所で、簡単かつ正確な回復が可能になります。^[3]

もともと、宇宙ステーションフリーダムへの乗客の輸送がPLSの主な任務だった。基本的な宇宙ステーションのミッションでは、設計に応じて乗組員の規模は8人または10人になる予定だった。^{[5] [6]}

典型的な HL-20 ミッションの運用はケネディ宇宙センターで開始され、HL-20 は機体処理施設で水平に処理され、使い捨ての打ち上げ機は別の施設で垂直に処理されます。打ち上げ機と HL-20 は発射台で結合され、宇宙ステーションが発射場上空を通過すると、打ち上げシーケンスが開始されます。

打ち上げ後、HL-20はまず宇宙ステーションを追跡するために100海里（200km）の低軌道に入り、その後宇宙ステーションの軌道高度220海里（410km）まで上昇する。フリーダム宇宙ステーションでランデブーとドッキングを行った後、乗組員が交換され、HL-20は地球への帰還に向けて減速する。

HL-20はスペースシャトルの帰還時と同様に滑走路に水平着陸する。ミッションの総所要時間は72時間と短い。^[3]

PLSに定義されている他の潜在的なミッションには、軌道上で取り残された宇宙飛行士の救助、優先配送および観測ミッション、衛星の整備を行うミッションなどが含まれています。これらの他のミッションでは、HL-20の基本的な設計は変更されませんが、内部のサブシステムと配置は、特定のミッションに必要な乗組員の宿泊施設、期間、および機器に応じて変更されます。^[3]

PLSのHL-20コンセプトは、いくつかの打ち上げロケットコンセプトに適応可能です。タイタンIVは既存のブースターシステムであり、無人プロトタイプの打ち上げに使用できたか、または改造すれば有人システムとして使用できました。^{[6]将来の打ち上げシステムの選択肢としては、1990年代に空軍とNASAが研究していた}国家打ち上げシステムがありました。HL-20 PLSの打ち上げシステムの選択は、最初のPLS運用の必要な日付と、ブースターの開発と打ち上げのコストの両方に依存します。

HL-20 PLSのコンセプトは、最低コストで安全で信頼性の高い有人輸送手段をスペースシャトルに提供することでした。^{[3] HL} -20の設計では、打ち上げ中止時や機体回収時の乗組員保護を重視し、乗組員の安全が最も重要視されました。[3] その他の要件は、シンプルな操作、低コストの製造、高い利用率を確保することで、システムのライフサイクルコストを最小限に抑えることに重点が置かれていました。^[3]ミッションの時間を除くと、ターンアラウンドタイムは43日と予想されていました。^[5]

全長約29フィート（8.8メートル）、翼幅23.5フィート（7.2メートル）のHL-20は、スペースシャトルオービターよりもはるかに小型の機体で、翼を折りたたんだ状態でシャトルのペイロードベイに収まる。HL-20の計画自重は23,000ポンド（10トン）で、スペースシャトルオービターの自重185,000ポンド（84トン）に比べて軽い。コックピットはシャトルよりは小さいが、今日の小型企業向けビジネスジェット機のコックピットを上回る。^[6]

メンテナンスのしやすさに重点を置くことで、HL-20 PLS の運用コストを削減できます。機体は水平状態で準備され、大きな外部アクセス パネルからサブシステムに簡単にアクセスできるため、簡単に修理や交換を行うことができます。これらのサブシステムの選択と設計では、シンプルさを重視し、メンテナンス要件を削減します。たとえば、油圧システムは全電気制御に置き換えられます。さらに、スペース シャトルとは異なり、HL-20 にはペイロード ベイやメイン エンジン推進装置がなく、その熱保護システムは、スペース シャトルのタイルとアブレーション コーティングの組み合わせに似ていますが、HL-20 はサイズがはるかに小さいため、検査とメンテナンスがはるかに迅速になります。これらの設計変更とサブシステムの簡素化、および航空機のメンテナンス フィロソフィーの採用により、HL-20 の準備工数は、スペース シャトル オービターの要件の 10% 未満に削減される可能性があります。

打ち上げ中止時に乗員を保護するため、HL-20 PLS にはいくつかの安全機能が組み込まれています。はしごやハッチを備えた内部レイアウトは、発射台での緊急事態の際に乗客と乗員が迅速に脱出できるように設計されました。乗員が直ちに脱出しなければならない緊急事態 (打ち上げロケットの火災または爆発) に備えて、HL-20 には、アポロ計画のロケットとよく似た方法で、PLS をブースターから押し出す緊急脱出ロケットが装備されます。安全な距離に達すると、3 つの緊急パラシュートが開き、ロケットが海に降下する速度が遅くなります。着水すると、膨張式浮遊装置によって、PLS の 2 つのハッチのうち少なくとも 1 つが水面上にあり、緊急乗員が脱出できる状態になります。

1989 年 10 月、ロックウェル インターナショナル(宇宙システム部門) は、ラングレー リサーチ 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いました。ロックウェルは、コンカレント エンジニアリング アプローチを使用して、サポート可能で効率的な設計と運用の対策を、製造計画と運用評価とともに詳細でコスト効率の高い設計の定義に組み込みました。この研究の主な発見は、設計と技術の要素によって新しい有人宇宙輸送システムのコストを削減できる一方で、PLS を研究開発用の宇宙船ではなく運用中の航空機と同様に扱う新しい運用哲学を採用した場合にのみ、さらに大幅なコスト削減が可能になるという認識でした。

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調査を開始しました。その目的は、技術的属性を評価し、飛行資格要件を決定し、コストとスケジュールの見積もりを作成することでした。

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、HL-20 PLSの実物大模型が製作され、このコンセプトに関する人的要因の研究がさらに進められることとなった。各大学の学生は、ラングレーから提供された要件と大学教員の指導のもと、1990年春学期に研究用模型を設計し、夏には製作が行われた。完成した模型は、乗組員の出入り操作、乗組員の容積と居住性、ドッキングおよび着陸操作中の乗組員の視界要件などの人的要因を評価するために使用された。^[3]

ドリームチェイサー宇宙船は、HL-20リフティングボディ設計に基づいています。2004年の商業軌道輸送サービス競争のためにSpaceDevによって開発され、商業乗組員開発プログラム（CCDev）のためにシエラネバダコーポレーションによって開発されていました。^[7]有人ドリームチェイサーは、商業乗組員開発（CCtCap）の最終段階にNASAによって選ばれませんでした。しかし、貨物ドリームチェイサーは、NASAの商業補給サービス2（CRS2）プログラムに選ばれました。

オービタル・サイエンシズ社は、 CCDev の第 2 ラウンドの資金提供として、HL-20 派生型であるプロメテウス宇宙船も提案しています。

両ロケットは、有人対応のアトラス V ロケットの上に無給油で打ち上げられることが提案された。

• マーティン X-23 プライム
• クリパー
• ミコヤン・グレヴィッチ MiG-105
• BOR-4
• NASA X-38
• ドリームチェイサー
• プロメテウス
• スペースシャトル
• スペースプレーン
• HL-42（宇宙船）

ウィキメディア・コモンズには、 HL-20に関連するメディアがあります。

• 「HL-20」。NASA。2006年10月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• HL-20 人員発射システム（YouTube）
• HL-10 と HL-20 のYouTubeでの公開
• 「HL-20」。Astronautix。2006年10月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• Scallion, William I (1999)。「マッハ 10 の空気中における HL-20 揚力体構成の空力特性と制御有効性」 ( PDF )。NASA。CiteSeerX 10.1.1.34.8652 。
• 「提案された人員発射システムコンセプトの亜音速性能の改善」（PDF）。
• 「NASA​​ HL-20 サポート クレードルと内部モックアップの設計と製造」(PDF)。NASA。
• 「HL-20 リフトボディの発射台からの脱出能力」(PDF) NASA。
• 「NASA​​ HL-20 実物大研究モデルの設計と製作」(PDF)。NASA。