HL-42（宇宙船）

HL-42

NASA 宇宙へのアクセス研究の概略図
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	29トン（アダプターを含む）
政権	低軌道
生産
状態	キャンセル
発売	0
関連宇宙船
由来	HL-20 有人発射システム

HL -42 は、1983 年から 1991 年にかけて NASA のラングレー研究センターで開発され、飛行は実現しなかったHL-20再利用可能な有人宇宙飛行機の設計の拡大版として提案された。HL-20 (「水平着陸機 20」) と同様に、HL-42 は 2 段式の使い捨てロケットの上に搭載されて低地球軌道に打ち上げられる予定だった。ミッションの最後には再突入し、滑走路に着陸する予定だった。

HL-42 は、1994 年の NASA 宇宙アクセス研究において、スペース シャトルの後継機の 1 つとして提案されました。しかし、さらなる開発のために別の代替案である単段軌道投入設計が選択され、HL-42 の開発は中止されました。

1980 年代初頭、NASA はほぼすべての民間および軍事打ち上げにスペース シャトルの使用を推進する方針だった。シャトル ミッションがほぼ毎週のように打ち上げられるようになって初めて、スペース シャトル プログラムは経済的に意味を成すようになった。しかし、 1986 年のチャレンジャー号の事故により再検討を余儀なくされ、その後数年間、多くの研究が今後の方向性を定めようと試みたが、「より速く、より良く、より安く」がよいアイデアだという気持ちが高まっただけで、合意には至らなかった。提案されたスペース ステーションフリーダムの設計 (および目的) についても意見の相違があった。

最終的に、1993年1月にクリントン大統領が初めて就任すると、NASAの新長官ダニエル・ゴールディンは、打ち上げシステムの多数の可能性を3つの明確に定義された選択肢に絞り込むための大規模な調査を委託した。^[1]

1993年11月、その研究がまだ進行中だったが、フリーダムの設計を国際宇宙ステーションに発展させることでロシアと合意に達したため、宇宙ステーションの運用については、研究著者らは「最悪のケース」を想定して設計するように指示された。つまり、フリーダムのような4人乗りのステーションを米国単独で建造・維持管理し、軌道傾斜角51.6度のミール軌道に配置するというものである（ケープカナベラルから到達するのがより困難になり、シャトルのペイロードが3分の1に減少するため、これは大きな変更である）。^{[a] [2] ：7}一方、ロシアとの協力の新時代により、将来有望なロシア製の第1段エンジンRD-170 / RD-180ファミリーや革新的な三元推進剤RD-701 の購入と使用が容易になる。

NASAの宇宙システム開発局は1994年1月にこの宇宙へのアクセス研究を発表し、その後10年間の宇宙政策に大きな影響を与えた。この研究は、現在のシャトルが退役に近づく2005年から、選ばれた新しい打ち上げハードウェアを導入し、2030年まで使用し続けることを目指していた。3つの専門家チームがそれぞれ、今後の可能性のある道筋を描き出した。^{[3] [4]}

オプション1は最も保守的で、既存のシャトル艦隊を段階的にアップグレードし、より軽量で強度の高い材料を使用してさらに数機のシャトルを建造する可能性がある。航空電子機器が大幅に改善されれば、無人自律飛行が実用的になり、一部のミッションでは望ましいものになる可能性がある。^{[4] : 8–23}

オプション 2 は、やや冒険的で経済性と効率性を重視したもので、新しい車両を使用しますが、既存の材料と方法にわずかな進歩しか加えません。チーム 2 は、1997 年にすぐに利用可能になると予想される技術のみを使用し、新しいハードウェアを 2005 年にサービスに備えることを計画しました。

オプション2の推奨バージョンでは、すべての打ち上げロケットは使い捨てとなる。デルタIIは保持され、アトラスIIはロシアのRD-180エンジンでアップグレードされ、重いタイタンIVとシャトルは新しい大型ロケット（RD-180エンジンとJ-2S駆動の上段ロケットを使用）に置き換えられ、使い捨ての無人自動移送機（貨物用）またはHL-42再利用可能スペースプレーン（乗員用）のいずれかを使用してすべての宇宙ステーションの運用をサポートする。^{[4] : 24–39}

オプション 3 は野心的でしたが、チーム 3 は、大型で完全に再利用可能な単段式軌道投入(SSTO) ロケットの新世代の時代が来たと感じていました。彼らは、1993 年 4 月のマクドネル ダグラス DC-Xのロールアウトと、その大幅に簡素化された「航空会社のような運用」という基本理念に感銘を受けていました。実際、彼らは研究の自分の部分を、次のようなイタリック体の信条で締めくくりました。「肝心なのは、運用性は単なる目標であってはならず、設計の原動力でなければならないということです。」^{[3] [4] : 40–58}

チーム3は、ロックウェルX-30 （NASP）プロジェクトの経験を基に、空気呼吸式の水平離陸方式の代替案をいくつか調査したが、将来的にはロケットのみで垂直離陸し、水平着陸するSSTO設計が有力であると結論付けた。彼らの基準設計では、提案されていたがまだ実現されていないロシアのRD-704三元推進剤エンジン、小型の翼、中央にシャトル風のペイロードベイを備えた円筒形の胴体を採用した。これは貨物または乗客を運ぶことができるが、どちらの場合も操作は完全に自動化される。^{[4] : 48}チームは、最初の運用機は2007年に納入され、2011年までに4機の機体がデルタ、アトラス、シャトルの運用をすべて引き継ぐ準備が整うと計算した。^{[4] : 53}

この最終的な参照設計は、1993年8月にNASAのマーシャル宇宙飛行センターのグループによって提案されたX-2000先進技術デモンストレーターに非常によく似ていました。^[5]

分析の結果、この研究は選択肢3「先進技術の完全再利用可能な単段式軌道ロケットの開発を宇宙機関の目標として採用する」を決定した。^{[4] : 72} 「これは年間運用コストとライフサイクルコストを削減する最大の潜在力を持つ...国際競争に関して米国を非常に有利な立場に置き、米国を次世代の打ち上げ能力へと飛躍させるだろう。」^{[4] : 69}

商業衛星打ち上げに関しては、オプション 2 でも「外国のシステムの中で最も効率的」とされるアリアン 4およびアリアン 5と競争するのは困難であると考えられていました。「一方、オプション 3 では打ち上げコストが劇的に下がるため、米国の業界はすべての競合相手よりも低価格で打ち上げることができます。米国は、これらの独自の高度な技術を備えた乗り物を利用して、かなりの期間、国際衛星打ち上げ市場を獲得し、再び支配する可能性があります。」^{[4] : 68}

オプション3は「中程度から高い技術的リスク」を伴うと認識されていたが、「必要な技術を少なくともレベル6の技術準備レベル（運用環境で実証済み）まで開発し実証する4～5年の技術成熟段階があるため、管理可能であると考えられた」^{[4] ：68}

SSTO に集中するという決定が下されると、NASA は HL-42 に興味を失い、使い捨ての打ち上げ機で有人宇宙飛行機を打ち上げるというコンセプト自体にも興味を失いました。NASA のラングレー研究センターを拠点とする最後の HL-20 研究は 1991 年に行われ、その後は継続されませんでした。

NASAはペンタゴンからDC-Xを引き継ぎ、DC-XAクリッパーグラハムと改名した。^[6] また、技術実証機として、オービタルサイエンシズX-34 ^[7]とロッキードマーティンX-33という2つの新しいプロジェクトも開始された。技術が実証されれば、次のステップは商用SSTOスペースプレーンであるベンチャースターになるはずだった。

しかし、「4年から5年の技術成熟段階」は失敗に終わった。DC-XAは、プロトタイプが着陸事故でひどく損傷したため1996年にキャンセルされ、X-34とX-33は意見の相違と技術的問題により2001年にキャンセルされた。ベンチャースターの作業も2001年に中止され、SSTOへの取り組みは事実上終了した。^[8]

チーム2は、84の航空機ファミリーから始めて28に絞り込み、さらに4つに絞り込み、そのうち3つにHL-42有人宇宙機を含むという、多くの可能性を徹底的に検討した後、結論に達しました。^{[4] : 24} 最終的な詳細な推奨事項（調査のオプション2D）は次のとおりでした。

• 5 トンから低地球軌道(LEO) へのミッションでは、 Delta II (信頼性が高く、コストパフォーマンスに優れていると考えられています) を引き続き使用します。
• 10トンのLEOミッションでは、アトラスIIを、第1段に「低コスト、低リスク」のロシア製RD-180エンジン1基を使用し、上段に2基ではなく1基のRL10エンジンを搭載した新開発のセントールロケットに置き換える。^[9]

• より重いタイタンIVやシャトルクラスのペイロードを運ぶには、高価なタイタンを退役させ、新しい2段式の使い捨て大型ロケットを開発する。第1段にはロシアのRD-180エンジン3基、第2段にはJ-2Sエンジン1基を搭載する（実質的にはS-IVBの改良版となる）。この新しいロケットは、上段（第3段）なしで約38トンをLEOまで打ち上げることができる。^{[4] : 27}

大型ランチャーは、次のものを搭載できます。

• 新型23トン単発エンジンのCentaur上段ロケットと静止衛星または惑星間宇宙船。
• 8 トンの使い捨てアダプターと脱出システム、および LEO への 21 トンの完全搭載 HL-42。
• ESA が製造した使い捨ての 7 トン ATV と最大 30 トンの貨物または構造物を LEO の宇宙ステーションに送ります。

この段階では、ATVは、後に運用されるESAの自動移送車両（Automated Transfer Vehicle）のサービスモジュールセクションに似た、保管スペースのない短くてずんぐりとした軌道タグボートになる予定でした。 ^[10]このタグボートは以下のものを推進できました。

• 大型CBMサイズのドッキングポートを備えた加圧物流モジュール（PLM）
• 燃料タンクとガスタンクを備えた非加圧物流船（ULC）
• 宇宙ステーション自体の新しいモジュールとトラス構造を完成させる。

チームは、4人乗りのフリーダムクラスのステーションの維持には、毎年70トンの打ち上げ貨物が必要であると想定するように言われていた。オプション2では、このほとんどが5回のATVミッション（3回のPLMと2回のULC）で実行される。^{[4] : 29}廃棄用の廃棄物はATV/PLMまたはATV/ULCに積み込まれ、再突入時に軌道から外れて燃え尽きる。必要に応じて、ATVは損傷した、または古くなった宇宙ステーションのモジュールや構造物全体を軌道から外すこともできる。

打ち上げシステムは、可能な限り共通のコンポーネント（RD-180エンジン、セントール上段ロケット）を使用し、経済性と効率性を追求した。ATVは、宇宙ステーションの一部使用と引き換えに欧州の費用で提供されることになっていた。この費用対効果の高い方法で、ESAは1991年にコロンバス計画が中止された後も宇宙での足場を維持することができた。 ^{[4] : 32} ATVの打ち上げフェアリングさえもタイタンIVから借りたものである。^{[4] : 36}

6 つの新しい手段、つまり「プログラム要素」が必要になります。

注目すべきは、オプション2の推奨事項の多くが、このオプションが選択されなかったにもかかわらず、後年実行されたことです。提案された新しい車両のうち3台が製造され、広く使用されました。^[b]

チーム 2 は、ダウンマス、つまり安全に地球に帰還しなければならない貨物 (主に機器と完了した実験)の問題について熟考しました。これはオプション 1 と 3 では問題になりませんでした。シャトルは、たとえばペイロード ベイの多目的ロジスティクス モジュール(MPLM) でダウンマスを簡単に運ぶことができ、ベンチャースターにも同様のシステムがあります。ただし、オプション 2D では、すべてのダウンマスを HL-42 で運ぶ必要があり、貨物容量と乗員席を確保するには HL-20 よりも大きい HL-42 が必要になります。しかし、実際にはどの程度の容量 (容積と質量) が必要になるのでしょうか。

フリーダムはこれまで紙の上だけで存在していたため、実際の経験がなかったため、これを見積もることは困難でした。使い捨てのプログレス貨物モジュールは再突入時に燃え尽きるように設計されており、窮屈な3人乗りのソユーズ再突入モジュールには余裕がほとんどなかったため、ロシアの宇宙ステーションはほとんど帰還質量を送り出していませんでした。^[c]しかし、フリーダムとISSプログラムははるかに野心的で、大規模な生物学的、特に産業処理のユーザー実験を定期的に帰還させることを想定していました。

これらの実験の多くは、ISS のかさばる国際標準ペイロードラック(ISPR)に搭載される予定だが、これはプログレスやソユーズの探査機とドローグのドッキングポートを通すには大きすぎる。1 つの ISPR を搭載するだけでも、HL-42 には、最終的に米国製のステーションのモジュールを相互接続する 1300 mm (51 インチ) の共通結合機構ポートと同じサイズのドッキングポートが必要になる。そして、1 回の飛行で ISPR をいくつ搭載する必要があるのだろうか?

当初、チームには年間 58 トンのダウンマス (アップマスは 70 トン) という基準値が与えられましたが、これはオプション 2 にとって大きな問題を引き起こしたでしょう。「しかし、宇宙へのアクセスに関する中心的な問題は、帰還質量です。」^{[4] : 28}後から考えると、58 トンは不必要に大きいように思われ、実際、ラングレー研究センター (LaRC) による即時の分析では、「スペアパーツ、ユーザー、および乗組員のシステムを慎重に帰還させることで」30 トンまで削減できることが示されました。

これはオプション2にとってはまだ不便なほど大きかったため、LaRCは再度作業を開始し、ユーザー実験を優先し、不要になった他のほとんどすべてを廃棄することで、年間のダウンマスを10トン、つまりアップマスの約15％にまで削減できると判断しました。この数値は、HL-42に必要なサイズを計算するために使用されました。^{[4] : 28}

乗組員は年間3回交代で搭乗し、各搭乗員は3～4トンの貨物を積載する必要がある。チーム2は、HL-20の設計を1.42倍に拡大することでこれを実現できると計算し、偶然にも全長42フィート（HL-42と命名）とした。乗組員と貨物の合計重量は4.2トンに設定された。^{[4] : 31}

ベースラインの年間貨物積載量目録は次のようになります。

下降の旅では、この積荷目録には78個のミッドデッキロッカー、すべての船外活動用スーツ、および約65%のユーザー与圧ラック（ISPR）が返却される予定でした。^{[4] : 28}

図19によれば、HL-42は定期的な上昇飛行で1個または2個のISPRを搭載するが、その内部配置図では3個のISPRを搭載できることが示されている。^{[11] : 10}

このシステムは柔軟性を考慮して設計されました。経験上、ダウンマスの追加の必要性が明らかになった場合は、HL-42 の追加飛行をスケジュールしたり、シーケンスを変更したりできます。3 機すべてが同じ新しい大型発射装置を使用しているため、発射処理の中断は最小限に抑えられます。

チーム2は、最小限のダウンマス規定が批判を招く可能性があることを十分に認識していました。「このレベルの帰還（配送された質量の約15パーセント）が受け入れられるかどうかは、最終的なスペースステーションフリーダムのロジスティクスシナリオで対処する必要がある問題を表しています。」^{[4] ：28}しかし、その後のISSでの経験から、これは問題ではなかったことが示唆されました。

HL-42の貨物積載量は、後の無人スペースXドラゴンとほぼ同じで、2011年7月のシャトル退役後少なくとも5年間は、ドラゴンはISSから大量のダウンマスを運ぶことができる唯一の宇宙船だった。^{[12]最初の4回の商業補給サービスミッション}CRS-1からCRS-4 の実際のダウンマスの数値は、2012年から2014年の3年間で、0.9トン、1.4トン、1.6トン、1.5トンだった。これは、特に年間3回の飛行であれば、HL-42は確かに十分な容量があったことを示唆している。^[d]また、ダウンカーゴの乗り心地はドラゴンよりも穏やか（1.5gの減速に対し、ドラゴンは3.5g）で、滑走路への着陸もはるかに便利だっただろう（ドラゴンの太平洋着水よりも）。

1986年のチャレンジャー号の事故以来、シャトルは安全性が十分でないことが認識されていた。この研究では、現在の「乗組員生存率」を0.98と推定した。^[e] この研究の目的の1つは、これを0.999に高めることだった。^{[4] : 4}

しかし、2030年まで延長したシャトルのアップグレードの可能性を数多く検討したにもかかわらず、チーム1は乗組員の脱出を提供する実用的な方法を見つけることができませんでした。システム全体を大幅に安全にする唯一の効果的な方法は、基本的に貨物の配達だけのミッションで人命を危険にさらさないように、シャトルの航空電子機器をアップグレードして自律操作を可能にすることだったでしょう。「追加の乗組員脱出機能を提供することは、コスト、重量、重心の影響、および技術的リスクのため推奨されませんでした。コストをさらに削減し、飛行の安全性を高めるいくつかの方法が特定されました。1つは無人のオービターで、これにより人間の安全に影響を与えることなく飛行率を上げることができます...」^{[4] ：23}しかし、たとえミッションの半分が無人であったとしても、リスクは半分になり、「生存率」は0.99にしか増加せず、目標の0.999よりは桁違いに悪くなります。

乗員と貨物を分離することで安全性を向上させる（貨物ミッションで人命を危険にさらさない）という一般原則は、この研究の数年前からNASAによってすでに研究されており、オプション2は最初からこの方法で設計されていました。HL-42は、乗員の交代が必要な場合にのみ飛行します。これはまた、貨物専用のハードウェア（ATV、PLM、ULC）を人間に適合させる必要がないことを意味し、システム全体を安価にします。^{[4] : 28}

HL-42はシャトルよりはるかに小型であるため、発射台の上に搭載することができ、発射台上では飛行の最初の1分間は、単純な発射脱出システム（LES）が「高推力の衝撃を与えてHL-42を壊滅的なブースター事故から急速に遠ざけ」、発射台近くの滑走路まで滑走させることができた。^{[4] : 32  [f]}

飛行の次の数分間に起こる「壊滅的な出来事」に対処するために、より大きな固体ロケット モーターを備えた発射アダプター (HL-42 の後部と発射機の第 2 段の上部の間) を取り付けて、ブーストバックと発射地点への復帰 (RTLS) による無傷の中止を提供するオプションがあります。

事故が RTLS の範囲外で発生した場合、LES が HL-42 を押しのけて投棄し、HL-42 自体は下層大気圏に滑り込むことになります。適切な長い滑走路 (大規模な商業空港でさえも) が近くにない場合は、パラシュートを展開して海に着水します。HL-42 自体の操縦エンジンはすべて、非毒性のメタン燃料と液体酸素 (シャトルの有毒なハイパーゴリック燃料ではなく) を使用しているため、これらの緊急着陸の後に滑走路を「安全化する」手順は必要なく、不時着時の危険性も低くなります。

HL-42 は、1986 年にシャトルチャレンジャー号、2003 年にコロンビア号を破壊した状況でも生き残ったはずです。1986 年には、LES がそれをブースターの爆発から遠ざけ、発射台の上にいたため、コロンビア号の断熱材に致命的な損傷を与えた落下破片の進路から安全に逃れていたはずです。

これらの考慮から、チームはHL-42で安全目標を達成したという結論に至った。「乗組員の安全性（乗組員の生存確率）は、スペースシャトルの0.98から少なくとも0.999に向上し、オプション2と3の新しい乗り物によって達成または上回った。」^{[4] ：67}

HL-42 は、リフティングボディスペースプレーンの 30 年間の経験を間接的に活用しましたが、主にその直前の HL-20 に依存していました。チーム 2 は、設計の背景を次のように説明しています。「HL-42 の設計は、1983 年以来ラングレー研究センターで研究されている HL-20 リフティングボディ ビークルのコンセプトから直接派生したものです。HL-20 の 42% の寸法拡大であり、HL-20 設計の主要な設計および運用上の特徴を保持しています。適用可能な HL-20 設計データベースには、NASA の広範な空気力学、フライト シミュレーションとアボート、およびヒューマン ファクターの研究、および効率的な製造および運用設計を定義するためのロックウェル、ロッキード、およびボーイングとの契約研究の結果が含まれています。」^{[4] : 30}

オプション2は1997年に実用化されていた技術に基づいていたため、HL-42はシャトルと同じ材料を多く使用し、アルミニウム合金の構造骨組みと非常によく似た熱保護システムを備えていました。

HL-42 の構造的中核は円筒形のアルミニウム製与圧キャビンで、2 つのアクセス ハッチがありました。後部にある大きなハッチは、打ち上げアダプターが投棄された後に宇宙ステーションとドッキングするためのもので (また、打ち上げ前の水平方向の貨物積み込み用)、キャビンの屋根にあるはるかに小さなハッチは、発射台に垂直に立っているときに乗組員がアクセスするためのものです (また、特に緊急時の海上着水のためにパラシュート降下した後の着陸後の代替出口として)。この強力な円筒形コアの両側からアルミニウム フレームが伸び、構造の残りの部分を支えています。

リフトボディの下面全体は、シャトルのHRSIタイルのより頑丈で耐衝撃性に優れたバージョンである強化ユニピース繊維断熱材（ TUFI ）タイルによって再突入時の熱から保護されていました。改良されたTUFIタイルは1996年に使用されるようになりました。シャトルのタイルと同様にマットブラックのこれらのタイルは、アルミニウムフレームに取り付けられたマルチピースのチタン耐熱外板に直接接着されていました。^[g]

はるかに低い温度にさらされる上面スキンは、アルミニウムのハニカム パネルで作られており、フレーム間の非加圧機器ベイにアクセスできるように取り外すことができました。上面スキンは、シャトルの上面と 同じ断熱性の白い布 ( AFRSI 、Nomex Advanced Felt Reusable Surface Insulation) で覆われていました。

フィンは完全にチタン製で、TUFI タイル (高温部分) と AFRSI ファブリック (低温部分) の両方が皮膚に直接接着されています。

最も高温になる部分であるノーズキャップとフィンの前縁は、シャトルと同様に 強化カーボン-カーボンで作られました。

HL-42 の軌道上推進システムは、表面的にはシャトルのものと似ていましたが、規模が小さいものでした。後部、アクセス ハッチの両側に 1 つずつ、2 つのスペース シャトル軌道操縦システム(OMS) エンジンがあり、軌道の調整、他の宇宙船とのランデブー、そして最終的に軌道から外れるために使用されます。燃料が満タンの OMS は、HL-42 に 290 m/s の総速度変化 (デルタv ) を与えることができました。これは、シャトルの 300 m/s の数値とほぼ同じです。

反応制御システム（RCS）も原理的にはシャトルのものと似ており、OMSと同じ燃料を使用してHL-42のピッチ、ロール、ヨーの姿勢を制御する小型ロケットエンジンシステムでした。これは、OMSエンジンが故障した場合に、残りの燃料を相互接続部を介して後方のRCSエンジンに送り、緊急軌道離脱燃焼を完了できることを意味していました。^[16]

しかし、シャトルとHL-42の間には、燃料の種類という大きな違いが1つありました。シャトルは、OMSとRCSの両方に、有毒で過酸化水素のモノメチルヒドラジン（MMH）と四酸化二窒素（N ₂ O ₄）を使用していました。新しい「より速く、より良く、より安く」という航空会社スタイルの運用原則に従って、チーム2は、OMSとRCSの両方にメタン（CH ₄）と液体酸素に切り替えることを決定しました。 ^{[4] : 31}これらは無毒で取り扱いがはるかに簡単ですが、1994年当時、メタン-液体酸素エンジン に関する研究はほとんど行われていなかったため、未知の世界への一歩でした。そのため、これはオプション2に必要な5つの先進開発タスクの4番目としてリストされました。^{[4] : 35}

HL-20と同様に、HL-42には7つの可動操縦面があった。各サイドフィンにエレボン、フィンの間にある全可動中央ラダー、そして4つのボディフラップ（後​​部の下面に2つ、ラダーとフィンの間の上面に2つ）である。シャトルと比較すると、HL-42はピッチとロールの制御に2つのボディ下フラップに大きく依存しており、特に動圧が高く迎え角が大きい再突入の中期段階ではその傾向が顕著であった。この点で、HL-20とHL-42は、シャトルと、2つのボディ下フラップを持ち他の操縦面を持たない後のESA IXVのような機体の中間であった。^{[4] : 31}

再突入の初期段階では、HL-42 はシャトルと同様に姿勢制御を RCS に完全に依存していました。シャトルの場合、周囲の空気が濃くなり動圧が増加すると、翼の外側後縁にあるエルロンが最初に気流を捉え、RCS からロール制御を引き継ぎます。その後、少し遅れて内側後縁にあるエレボンがピッチ制御を引き継ぎます。(シャトルの単一の後部ボディフラップは姿勢制御にはあまり重要ではなく、ピッチトリムタブとして、および再突入時の熱からメインエンジンノズルを保護するためだけに機能しました。) ^[16]

HL-42の場合、サイドフィンのエレボンは機体に近すぎてこの段階では安定した気流に遭遇できなかったため、代わりに機体下部の2つのフラップが連動してピッチを制御し、ロールは差動的に制御することになった。しかし、シャトルとHL-42の場合、高い迎え角によってラダーが気流から保護されるため、降下中ずっと後までRCSがヨーを制御することとなった。^{[h] [18] : 4}

最後に、シャトルとHL-42の両方において、空気の密度が増し迎え角が低くなり、対気速度がマッハ3.5を下回ると、ラダーが気流に当たり始め、RCSからヨー制御を引き継ぎます。ここから着陸まで、HL-42はより通常の航空機のように動作し、主にエレボンとラダーによって制御され、下半身フラップからいくらかのロール制御が行われます。低速では上半身フラップが一緒に動くため、エレボンのピッチ制御にも役立ちます（高速では気流から外れて効果がありません）。着陸後、上半身フラップは下半身フラップとともに展開され、エアブレーキとして機能します。^{[18] : 4}

HL-42の7つの操縦翼面はすべて、シャトルのような油圧式ではなく、電気機械式アクチュエーターで動かされた。車輪（従来のシャトルタイプの三輪式着陸装置）も、シャトルのような油圧式ではなく、電気機械式で降ろされた。これは設計方針の意図的な変更の結果である。ラングレー研究センターはHL-20に油圧システムを一切持たず、代わりに電気機械式アクチュエーターを使用することを決定し、HL-42も同じ原理に従った。^{[4] : 31}

シャトルは3つの独立した油圧システムを備えて設計されており、それぞれが有毒なヒドラジンで動くAPUで駆動するターボポンプで加圧されていた。これらのシステムは、打ち上げ、再突入、着陸時にのみ稼働し、短時間に大量の電力を供給するように設計されていた。また、1～2秒間、通常の3倍の電力需要の急増にも対応可能であった（例えば、車輪を下げながらすべての操縦翼面を急速に動かす場合）。^[19]

しかし、その後の数十年間で、一部の宇宙船エンジニアは油圧動力を不必要に複雑で、信頼性が低く、維持が難しいと考えるようになった。^[i]チーム 1 でさえ、シャトルのアップグレード候補のリストの中で、油圧システムの一部またはすべてを電気機械式に置き換えることを推奨していた。その理由の 1 つは、有毒なヒドラジン APU 燃料をなくすことで地上処理を簡素化することであり、これは新しい航空会社スタイルの運用方針によく適合していた。^{[4] : 11、17}

しかし、HL-42の電気系統は、着陸時に予測できない大きな電力需要の急増に対処しなければならなくなった。^[j]そのため、HL-42は2つの電源を持つように設計された。通常のベースライン電力は、軌道を周回するシャトルと同様に水素酸素燃料電池によって供給されたが、HL-42には、非常に高い需要が生じた短時間の予備電力を供給するために、充電可能な銀亜鉛電池も搭載されていた。（これは、アポロCSMで使用されたのと同じ電源の組み合わせであった。）^{[4] : 31}

チーム 2 は、この 2 つの電源システム、特に予備電力のオン/オフを切り替える手順について、さらに開発する必要があることを認識しました。そのため、このタスクを 5 つの高度な開発タスクのうちの 2 つ目に設定しました。「... アクチュエータとその電力駆動およびスイッチング システムは、電源システムに重点を置きながら成熟する必要があります。」^{[4] : 35}

シャトルが最初に計画されてから 20 年の間に、電子ハードウェアは飛躍的に進歩しました。HL-42 は、これらの進歩を最大限に活用するように設計されました。打ち上げ時に自己チェックを行い、その後は GPS でナビゲートし、継続的に状態を監視しながら、ミッション全体を自律的に飛行できます。「ミッション運用の重要な部分は、自動システムによって実行されます。打ち上げ、上昇、軌道上での運用、進入、着陸は自動化されており、乗組員の介入は不要です。そのため、施設や乗組員のトレーニングに対する主要な要件がなくなり、コストが削減されます。... 地上での機上システムの管理は、自動化と機上機体状態管理によって軽減されます。軌道とナビゲーションの管理は、全地球測位衛星システムを使用することで軽減されます。」^{[4] : 33}

自律的な操作は、有人機として設計されたアポロやシャトルの哲学からの大きな逸脱でした。飛行制御、誘導、ナビゲーションは他の航空機ではすでに自動化されていましたが、「機内機体健康管理」はより困難でした。実際の宇宙飛行の経験から、パイロットの仕事の大部分は、どの警報または警報の組み合わせを安全にまたは一時的に無視できるか、そして全体的な状況を考慮してどの警報を緊急に対処すべきかを判断することであることがわかりました。^[k]これらの決定は、ソフトウェアに書き込む必要があります。実際の飛行テストの機会が極めて限られているため (数時間、または打ち上げと再突入の場合は年間数分)、このソフトウェアのテストとデバッグは困難な作業になります。^[l]

航空電子機器のハードウェアの陳腐化は、他の問題も引き起こすでしょう。5年から10年ごとに電子機器をアップグレードするのは理にかなっているように思えるかもしれませんが、すべてのソフトウェアを新しい高速ハードウェアで再検証する必要があり、運用上の遅延と費用が発生し、ハードウェアの改善によるメリットをはるかに上回る可能性があります。^[m]

チーム2はこれらすべてをよく理解しており、航空電子工学とソフトウェアを、必要な5つの高度な開発タスクの最初のものとして選択しました。「アップグレード可能な航空電子工学システム、自動的に生成および検証されるソフトウェア、および飛行中の機能の健全性管理」^{[4] ：35}

1990 年代初頭、NASA の文化は官僚主義的になりすぎており、書類作業が多すぎ、中間管理職が多すぎるという意見がエンジニアの間で広がり始め、スリム化された「スカンクワークス」方式のほうが良い結果が出るかもしれないという意見が出た。研究チームの 2 つがこの意見を共有した。「オプション 2 と 3 のチームは、ロッキード社の「スカンクワークス」をモデルにした、合理化された管理と契約のアプローチを推奨した。このアプローチは、小規模だが専用の共同の政府監視、より効率的な請負業者内部組織、迅速なプロトタイピング、設計から飛行までのチームの継続性を備えている。」^{[4] : 61}

他のNASAチームも同じ気持ちだった。DC-X評価チームが1994年3月1日、研究概要が発表されてわずか数週間後にダン・ゴールディンにDC-Xプロジェクトについて報告したとき、彼らはDC-Xのさらなる開発に同じアプローチを推奨した。DC-Xはマクドネル・ダグラスによって製造されていたため、「迅速な管理」は決してロッキードに限られたものではなかった。^[24]

特にチーム 2 は、このアプローチによって大幅なコスト削減が期待されていました。「HL-42 の開発では、"スカンク ワークス" タイプのアプローチを使用できます。このアプローチは、ハーキュリーズ、U-2、SR-71 などの主要な軍事プログラムで効果的に使用されています。ラングレー研究センターとロッキードが HL-20 ペイロード システムについて実施した調査では、このアプローチを使用することで大幅なコスト削減が達成できることが判明しました。その結果に基づいて、HL-42 の新しいアプローチでは、従来の "通常業務" の見積もりと比較して、宇宙船の開発と製造の総コスト見積もりを最大 40 ～ 45 パーセント削減できます。^{[4] : 35}

チーム2は、「スカンクワークス」開発の特徴として、「厳格な要件、単一の管理権限、少数の技術スタッフ、現場の顧客、請負業者の検査、外部からのアクセス制限、タイムリーな資金調達、重要な作業のみの報告、シンプルな図面のリリース、迅速なプロトタイピングなど」を挙げた。^{[4] : 36}

通常運用では、HL-42 はケネディ宇宙センター(KSC)の3 つのOPFの 1 つに配送され、準備と積み込みが行われる。HL-42 は飛行可能な状態で到着し、製造施設で既に実行されているテストとチェックアウトの手順が重複することはない。

飛行貨物を積載した後、ロケットはVABに移動して垂直に回転し、大型ロケットの上部にある第2段ロケットと結合する。その後、ロケットは自律システムを使用して「最小限の人員時間と1～2シフト」で自己点検を行う。^{[4] : 32, 33}その後、ロケットスタック全体がシャトルと同様に2つの発射台39の1つに移動される。ATVを使用した貨物打ち上げにもまったく同じ手順が使用される。

シャトルの地上運用では、サポートスタッフと実際に機体を操作するスタッフの比率（「非接触対接触」比率）は6対​​1であった。HL-42では、チーム2はこれを民間航空会社でより一般的な比率である3対1に減らし、給与だけでなく宿泊費も半分に減らすことを望んでいた。^{[4] : 34}

KSC はすべての打ち上げを扱い、 HL-42 がロケットの第 2 段から分離するとすぐに、ヒューストンのジョンソン宇宙センターにある小さな (10 ～ 12 台のコンソール) ミッション コントロール ルームに引き継ぎます。「ブースターを分離点に向ける自律システムは、軌道上の乗り物の自律システムに制御を移します。このシステムは軌道投入を計算し、乗り物をその位置に誘導します。乗り物はその後、ミッションの次の事前定義されたフェーズに進みます。このシーケンスは、すべてのミッション イベントが完了するまで続きます。地上モニターは、任意のフェーズを終了し、新しい指示で自律飛行システムを再初期化する機能を備えています。」^{[4] : 34}

乗務員は乗客のみとなるため、訓練は大幅に簡素化され、完全にシミュレーションベースで実施できる。「すべての訓練は中央シミュレーション施設で実施される。訓練施設は飛行監視用の飛行制御施設を反映させる必要がある。訓練施設は飛行前分析の検証に用いられる。訓練の主なモードはコンピュータベースである。移動ベース、固定ベース、または飛行航空機施設は不要となる。」^{[4] : 34, 35}

しかし、1994年にSSTOオプションが選択されたため、これらすべての詳細な計画は棚上げされました。

2001 年までに、SSTO オプション 3 は実際には困難すぎることが明らかになり (少なくとも議会が割り当てる予定の資金を考えると)、X-33、X-34、および VentureStar はその年にキャンセルされました。シャトル システムを大幅にアップグレードするオプション 1 も放棄されました。この調査では、これが費用対効果の高いものにできないことが説得力を持って示されていました。「... この調査の目標として目標とされた主要なコスト削減は、新しい乗り物を採用したアーキテクチャでのみ発生することは明らかです。」^{[4] : 65}また、シャトルの「乗組員の生存率」を現在の 0.98 または 0.99 以上に上げることは実行不可能であることが証明されました。オプション 1 は「現在の乗組員の安全性分析を大幅に改善しませんでした。」^{[4] : 67}そのため、既存の軌道船は大幅にアップグレードされることはなく、2004年までに「スペースシャトルは任務を終え、10年後に予定されている国際宇宙ステーションの組み立てが完了した時点で段階的に廃止される」と決定された。^[25]

実際には、オプション 2 のみが最終的に採用されましたが、完全に採用されたわけではありませんでした。デルタ IIは保持されました。アトラス IIはロシアのRD-180エンジンでアップグレードされ、2000 年にアトラス IIIとして飛行しました。高価なタイタン IV は2005 年に退役し、2004 年に導入された新しい大型ロケットに置き換えられましたが、この新しいロケットはデルタIV ヘビー(ミール軌道まで 26 トン) であり、オプション 2 システム用に提案された、より強力な RD-180 トリプル バージョン (ミール軌道まで 38 トン) ではありません。これらのアップグレードにより、アトラスおよびデルタファミリーは、今後しばらくの間、アメリカの無人宇宙船の打ち上げを継続します。また、ESA ATV (欧州のアリアン 5で打ち上げ) は、シャトルが退役する 3 年前に国際宇宙ステーションへの貨物供給を引き継ぐ準備が整いました。

しかし、これらの乗り物はいずれもISSへの乗組員の輸送には適さない。

シャトル後の乗組員が国際宇宙ステーションにアクセスできるようにするという問題が今やより緊急性を増していたにもかかわらず、NASA は有人宇宙機と使い捨ての打ち上げ機の組み合わせというオプション 2 を再検討しなかった。提案されたX-38宇宙ステーション「救命ボート」は、表面的には HL-20 に似ているものの、シャトルのペイロード ベイに貨物として運ばれ、一度しか使用されないか、まったく使用されないはずだった。この案も 2002 年にキャンセルされた。一方、軍用のボーイング X-37 は2010 年から運用されているが、はるかに小型 (打ち上げ時 5 トン) で無人であり、宇宙ステーションの運用を支援することを意図したものではなかった。

NASA は、調査で提示されたシャトル後の ISS 乗組員アクセスに関する 3 つのオプションをすべて拒否することができました。これは、調査では考慮されていなかった可能性である、すべての乗組員の輸送にロシアのソユーズ プログラムのインフラストラクチャを使用するという 4 番目のオプションが最近利用可能になったためです。

1993年、宇宙へのアクセス調査が作成されていたとき、NASAとのロシアの協力を大幅に強化することにつながるいくつかの展開が立て続けに起こった。^[n]その結果、1993年1月から1994年1月にかけて調査が書かれていた間、ロシアの協力状況はまだ不確かだった。委託条件では、著者らがロシアの企業を機器サプライヤー（特にエンジン）として使用することが認められていたが、彼らは「最悪のケース」に備えることになり、新設されたロシア連邦宇宙局ロスコスモスに資金やサービスで頼ることはなかった。^[o]したがって、この調査では、乗組員のアクセスは、調査が委託された1993年1月当時の元のスペースステーションフリーダムコンソーシアム である米国、ヨーロッパ、カナダ、日本によってのみ提供されるものと想定されていた。 ^[p]

当初、ソユーズ・プログレス計画は信頼できるものとは考えられていなかった。「当初から、ロシアの参加には課題があった。ロシア政府高官らが多くの約束をしたが、そのほとんどは守られなかった。ロシアが十分なソユーズ『救命ボート』宇宙船とプログレス『再ブースト』宇宙船を提供できるかどうかも疑問視された。ロシアの宇宙計画への資金提供は深刻な圧力にさらされていた」^{[26] : 3}

しかし、その後数年間で、ソユーズ・プログレスに対するアメリカの信頼は着実に高まっていった。ロシアはミールの運用を継続することに成功し、野心的なシャトル・ミール計画(1994-98) は成功した。2000 年 7 月までに、最初の 3 つの ISS モジュール (ザーリャとズヴェズダの 2 つはロシア製) が運用を開始し、ミールが2001 年 3 月 23 日に軌道から外れた後は、ソユーズ・プログレス システムのすべてのリソースが ISS の運用をサポートするために利用可能になった。ISS の乗組員のアクセスをソユーズ・プログレスだけに頼ることは、もはやそれほどリスクが高いとは思われなくなった。

2001 年 3 月に X-33 SSTO プログラムが中止された時点で、NASA は、シャトル退役後に ISS へのアクセスを保証するためだけに、全米製の乗員輸送車両を早急に開発しなければならないというプレッシャーを感じなくなっていました。少なくとも短期的には、ロシアのソユーズがそれを提供できるようになったのです。長期的には、NASA は再利用可能な車両に重点を置いた新しい取り組みに取り組んでいました。

2001年2月、宇宙へのアクセスコストを大幅に削減することを目標に、スペース・ローンチ・イニシアティブ（SLI、第2世代再使用型ロケット（RLV）プログラムとしても知られる）が正式に設立された。これには画期的な新技術、打ち上げ事業の商業化と競争が必要となる。「今日、NASAの宇宙輸送ニーズを商業ロケットに移行することは、NASAの宇宙輸送活動の主要目標であり続けている。」^[27]

SLIは、3つの明確に定義された代替案を持つ宇宙へのアクセス研究よりもはるかに構造化されていませんでした。SLIは「数百のコンセプト」から始まり、「プログラムの最初の2年間で、さまざまなリスク削減活動とマイルストーンレビューにより、実行可能な再利用可能な宇宙輸送システムが2つまたは3つの候補に徐々に絞り込まれます。」期待は高かった。「新しい技術と運用により、ペイロードを運ぶコストは、現在の1ポンドあたり1万ドルの価格から大幅に下がるでしょう。」^[27]

しかし、再利用性はいくつかの技術的ブレークスルーを経て初めて実現できることは誰の目にも明らかであり、そのブレークスルーを政府の費用で提供するのはNASAの責任である。この立場を最も明確に表明したのは、2000年4月11日の議会証言で影響力のあったNASA元長官イヴァン・ベキーであり、この証言はX-33の運命を決めるのに役立った。この姿勢は「最先端か、そうでないか」と要約できるかもしれない。ベキーは、X-33計画の目的が新技術の開発と実証にあるため、画期的だが扱いにくい複合水素タンクなしでX-33を建造することは「技術的観点からほとんど意味がない」と力強く主張した。^{[8] [28]}

これらの研究の優先順位は、HL-20 と HL-42 プログラムが NASA によって復活されなかった理由を説明しています。SSTO X-33 (エアロスパイク エンジンと革新的な全金属製の耐熱保護システムを搭載) でさえ、複合材タンクなしでは最先端の技術ではないと考えられていたのなら、HL-20 と HL-42 が政府の資金で建造される可能性はさらに低かったでしょう。

• 使い捨てのロケットでは、打ち上げコストを10分の1に削減するという目標には程遠いものでした。
• これらは、画期的な技術を使用しないように意図的に設計されていました。
• 彼らの仕事はすでにソユーズによって行われていました。

このような状況では、NASA によってさらに開発が進められる可能性はありませんでした。

しかし、商業宇宙輸送会社は、希望すれば HL-20 と HL-42 の設計を自由に開発できる。NASA は、現在、商業参加を歓迎している。しかし、そうする会社は、SLI 自身との競争に直面するリスクがある。NASA が資金提供した研究が、本当に 1 ポンドあたり 1,000 ドルの打ち上げコスト (10 分の 1 の削減) で画期的な技術を生み出したのであれば、使い捨ての打ち上げ機を備えたスペースプレーンが競争力を持つことは決してないだろう。

2004年までに、NASAには、ベキーが提唱したようなハイリスク・ハイリターンのプログラム、つまり「十分な資金による並行コンポーネント開発」に十分な資金が与えられないことが明らかになった。そのため、たとえいくつかの進歩が失敗しても（それは必然的に起こる）、そのうちの1つが成功し、莫大な利益をもたらす可能性があり、おそらくコストを1ポンドあたり100ドルまで削減することさえできる。^[28]議会が資金提供に消極的だっただけでなく、X-33とX-34が実証したように、そのようなプログラムの管理も予想外に困難であることがわかった。

NASAは2004年3月にこの開発路線を断念した。「NASA​​は、大型ロケットで対応できるような特殊な探査ニーズに対応するために必要な場合を除き、地球から軌道への新たな輸送能力を追求する予定はない。予算により、スペース・ローンチ・イニシアチブは中止される...」^[25]

NASA 独自の新しい宇宙船プログラムは、今後は LEO を超える探査にのみ集中することになる。すなわち、コンステレーション プログラム、そして最終的には大型ロケットのスペース ローンチ システムとオリオン(主に LEO を超える移動用に設計されるが、必要に応じて ISS をサポートするソユーズの役割でも使用される可能性がある) である。

NASA の資金援助による劇的な打上げコストの 1 桁 (あるいは 2 桁) 削減の見込みがなくなったため、HL-20 や HL-42 など、NASA が 10 年間「最先端ではない」として却下してきたより従来的なアイデアを商業ベンチャーが開発する道が開かれた。コストを半分にしたアイデアでも、成功し、利益を生む可能性が高まった。

2006年、ジム・ベンソン（1997年にスペースデヴを設立）は、ドリームチェイサー計画で使用するためにHL-20の設計をライセンスした。HL-42とは異なり、ドリームチェイサーは3トンまたは4トンの貨物を地球に運ぶ必要がなかったため、HL-20の小型サイズに戻ることができた。これはアトラス級ロケットの上に載せられるほど軽量であり、2007年にユナイテッド・ローンチ・アライアンスとアトラスVをドリームチェイサーの最初のロケットとして使用する合意に達した。 ^{[29] [30]}

この組み合わせにより、2016 年 1 月についに NASA との 6 回の打ち上げ商業補給サービス契約を獲得しました。

• 「HL-42」。Astronautix。2002年1月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。