スペースシャトルの設計プロセス

1969年のアポロ11号の 月面着陸に先立ち、NASAは1968年10月という早い時期にスペースシャトルの設計研究を開始した。初期の研究は「フェーズA」と呼ばれ、1970年6月にはより詳細で具体的な「フェーズB」と名付けられた。フェーズAのスペースシャトルの主な用途は、将来の宇宙ステーションの支援、最低4人の乗組員と約20,000ポンド（9,100 kg）の貨物の輸送、将来の飛行のために迅速に方向転換できることであり、宇宙ステーションのモジュールのようなより大きなペイロードはサターンVで持ち上げられる。

2つの設計が最有力候補として浮上した。1つは有人宇宙飛行センターのエンジニアが設計し、特にジョージ・ミューラーが推進したもの。これはデルタ翼の宇宙船を備えた2段式システムで、全体的に複雑だった。再度簡素化する試みが、マーキュリーカプセルやその他の乗り物を設計したマキシム・ファジェが設計したDC-3の形で行われた。さまざまな民間企業からも多数の提案があったが、NASAの各研究所が独自のバージョンを推進したため、一般的には廃案となった。

このすべてが、NASAの他のチームがアポロ後のさまざまなミッションを提案する中で起こっていた。そのうちのいくつかは、アポロと同等かそれ以上の費用がかかるものだった。^[要出典]これらの各プロジェクトが資金獲得を争う一方で、NASAの予算は同時に厳しく制限されていた。最終的に3つのプロジェクトが1969年に米国副大統領スピロ・アグニューに提示された。シャトルプロジェクトは、主に支持者のたゆまぬ運動のおかげで、トップに躍り出た。^[要出典] 1970年までに、シャトルはアポロ後の短期的な期間における唯一の主要プロジェクトとして選ばれた。

プログラムの資金調達が問題になったとき、プロジェクトが中止されるかもしれないという懸念があった。サターンVが今後生産されないことが明らかになったため、この懸念は特に切迫したものとなった。つまり、計画されている惑星間探査機や宇宙ステーションのモジュールに必要な重量物運搬能力を補うために、軌道に乗せるペイロードの質量を60,600ポンド（27,500 kg）まで増やし、サイズも大きくする必要があり、フェーズBではより大きくて高価な乗り物が必要になった。そのため、NASAは、米国空軍やその他のさまざまな顧客に、シャトルをミッションに使用するよう興味を持ってもらおうとした。提案された設計の開発コストを下げるために、ブースターが追加され、使い捨ての燃料タンクが採用され、再利用性が大幅に低下し、乗り物と運用コストが大幅に増加する他の多くの変更が行われた。

1969年、アメリカ合衆国副大統領のスピロ・アグニューは、アポロ計画後の有人宇宙活動の選択肢を議論した国家航空宇宙会議の議長を務めた。 ^{[1]会議の勧告は}政権の決定に大きな影響を与えた。会議は4つの主要な選択肢を検討した。

• 火星への有人ミッション
• 後続の月面計画
• 低軌道インフラ計画
• 有人宇宙活動の中止

宇宙評議会の助言に基づき、ニクソン大統領は低軌道インフラオプションを追求することを決定しました。このプログラムは主に、宇宙ステーションの建設とスペースシャトルの開発で構成されていました。しかし、資金の制約により、両方のプログラムを同時に開発することはできませんでした。NASAは、まずスペースシャトル プログラムを開発し、その後、シャトルを使用して宇宙ステーションを建設および保守することを計画しました。

初期のシャトル研究では、能力、開発費、運用費のバランスが最も取れた最適なシャトル設計について議論がありました。当初は、完全に再利用可能な設計が好まれました。これには、非常に大きな有翼の有人ブースターが、より小さな有翼の有人オービターを運ぶというものでした。ブースターはオービターを一定の高度と速度まで持ち上げ、その後切り離します。ブースターは戻ってきて水平に着陸し、オービターは低地球軌道に進みます。ミッションを完了すると、有翼オービターは再突入して滑走路に水平に着陸します。完全な再利用が可能であれば、運用コストが下がると考えられていました。

しかし、さらに調査を進めると、必要な積載能力を持つ軌道船を打ち上げるには巨大なブースターが必要であることが判明しました。宇宙および航空システムでは、コストは質量と密接に関係しているため、これは車両全体のコストが非常に高くなることを意味しました。ブースターと軌道船の両方に、ロケット エンジンと大気圏内で使用するジェット エンジン、および各推進モード用の個別の燃料および制御システムが搭載されます。さらに、プログラムの開発にどれだけの資金が利用可能かについても同時に議論されました。

もう一つの競合アプローチは、サターン V の生産ラインを維持し、その大きなペイロード容量を使用して、多数の小さなシャトル ペイロードではなく、少数のペイロードで宇宙ステーションを打ち上げるというものでした。関連するコンセプトは、空軍のタイタン III-M を使用して、より大きなジェミニカプセル (「ビッグ ジェミニ」と呼ばれる) またはメイン エンジンがなく 15 フィート × 30 フィート (4.6 m × 9.1 m) のペイロード ベイを備えたシャトルの小型「グライダー」バージョンを打ち上げるというものでした。

シャトル支持者は、十分な打ち上げ回数があれば、再利用可能なシステムの方が使い捨てロケットよりも総コストが低くなると答えた。総プログラムコストを所定の打ち上げ回数で割ると、シャトルの打ち上げ率が高ければ、打ち上げ前のコストが低くなる。これにより、シャトルは使い捨てロケットとコスト面で競合するか、それを上回るものになる。一部の理論的研究では、年間55回のシャトル打ち上げが挙げられていたが、最終的に選ばれた設計ではその打ち上げ率をサポートしていなかった。特に、 NASAのミシュー組立施設では、外部燃料タンクの最大生産率が年間24個に制限されていた。

宇宙ステーションと空軍の積載量の合計では、望ましいシャトル打ち上げ率を達成するには不十分でした。そのため、計画では、将来の米国の宇宙打ち上げ (宇宙ステーション、空軍、商業衛星、科学研究) はすべてスペース シャトルのみを使用することにしました。その他の使い捨てブースターのほとんどは段階的に廃止される予定です。

再利用可能なブースターは、高価格（資金不足と相まって）、技術的な複雑さ、開発リスクなど、いくつかの要因により最終的に放棄されました。代わりに、部分的に（完全にではなく）再利用可能な設計が選択され、外部の推進剤タンクは打ち上げごとに廃棄され、ブースターロケットとシャトルオービターは再利用のために改修されました。

当初、探査機は独自の液体燃料を搭載する予定でした。しかし、研究により、燃料を外部タンクに搭載することで、はるかに小型の機体でもペイロードベイを大きくできることが分かりました。また、これは打ち上げのたびにタンクを廃棄することを意味しましたが、これは運用コストの比較的小さな部分でした。

以前の設計では、有翼オービターには大気圏再突入後の操縦を助けるジェットエンジンも搭載されると想定されていた。しかしNASAは、X-15やリフティングボディなどの以前のロケット滑空機の経験も一部考慮し、最終的に滑空オービターを選択した。ジェットエンジンとその燃料を省くことで複雑さが軽減され、ペイロードが増加する。

もう一つの決定は乗員の規模であった。シャトルは射出座席を使用できる最大人数である4人を超えてはならぬという意見もあった。司令官、パイロット、ミッションスペシャリスト、ペイロードスペシャリストの4人であれば、どんなミッションでも十分であった。NASAはペイロードスペシャリストとしてより多くの宇宙飛行参加者を運ぶことを予想し、より多くの人を乗せられるように機体を設計した。^[2]

最後に残った議論は、ブースターの性質についてでした。NASA はこの問題に対して 4 つの解決策を検討しました。既存のサターン下段の開発、新しい設計の単純な圧力供給式液体燃料エンジン、大型の固体ロケット 1 基、または小型の固体ロケット 2 基 (またはそれ以上) です。NASA のマーシャル宇宙飛行センター(サターン V の開発が管理されていた場所) のエンジニアは、有人ミッションにおける固体ロケットの信頼性について特に懸念していました。

1960年代半ば、アメリカ空軍は有人宇宙計画のX-20ダイナソアと有人軌道実験室の2つを中止した。これは、軍の宇宙飛行士とペイロードを軌道に乗せるためにNASAと協力する必要があることを示した。空軍は1959年から1970年の間に200回以上の衛星偵察ミッションを打ち上げており、軍の大量のペイロードはシャトルをより経済的にするのに有益であった。^{[3] : 213–216}逆に、空軍のニーズに応えることで、シャトルは真に国家的なシステムとなり、軍用ペイロードと民間ペイロードの両方を運ぶようになった。^[4]

NASA はシャトルのために空軍の支援を求めた。6日間戦争とソ連のチェコスロバキア侵攻で米国の衛星偵察ネットワークの限界が露呈した後、空軍の関与はヴァンデンバーグ空軍基地から南の極軌道にスパイ衛星を打ち上げる能力に重点が置かれた。これには低傾斜軌道よりも高いエネルギーが必要だった。しかし、地球が軌道より 1,000 マイル下を自転しているにもかかわらず、1 周回後に地球に帰還できるようにするには、以前の単純な「DC-3」シャトルよりも大きなデルタ翼が必要だった。さらに、マックス・ファジェットが好んだ直線翼構成では、再突入のほとんどの間、機体は失速飛行する必要があり、打ち上げ中止時に問題が発生する可能性があり、NASA はこれを好まなかった。^[5]デルタ翼は空軍の要求のみによるものだという誤解がよく見られるが、これは単なる神話に過ぎない。

空軍にとっての潜在的な利益にもかかわらず、軍は使い捨てのブースターで満足しており、NASAほどシャトルを必要としていなかった。宇宙機関は外部からの支援を必要としていたため、国防総省（DoD）と国家偵察局（NRO）が設計プロセスの主要権限を握った。例えば、NASAは40×15フィート（12.2×4.6メートル）の貨物室を計画したが、NROは将来の諜報衛星が大型化することを予想して60×15フィート（18.3×4.6メートル）の貨物室を指定した。ファジェットが再び12フィート（3.7メートル）幅の貨物室を提案したとき、軍はほぼ即座に15フィート（4.6メートル）の幅を維持することを主張した。^[3]空軍はまた、シャトルの開発や建造に費用を支払っていないにもかかわらず、シャトル1機を無料で使用できるのと同等の権利を得た。 NASAの譲歩と引き換えに、空軍は1971年3月にシャトルの代理として上院宇宙委員会に証言した^{。[3] : 216, 232–234  [6]}

軍がシャトルを使用するもう一つの動機として、議会は国防総省に対し、シャトルの貨物室に収まるように設計されていない衛星については資金を出さないと伝えたと伝えられている。^{[7] NROはシャトル用に既存の衛星を再設計しなかったが、この機体は}KH-9ヘキサゴンなどの大型貨物を軌道から回収して改修する能力を保持しており、同局は宇宙で衛星に補給することを検討した。^[8]

シャトルの軍事利用の可能性（ソ連のSALT II条約遵守を確認するために使用される可能性も含む）が、計画が何年も遅れ、予算を数億ドル超過していた1979年と1980年にジミー・カーター大統領がシャトルをキャンセルしなかった理由である可能性が高い。 ^[9]空軍は独自のシャトル艦隊を保有する計画を立て、キャンセルされたヴァンデンバーグの有人軌道実験室計画から派生した、スペース・ローンチ・コンプレックス6（SLC-6）と呼ばれる別の発射施設を再建した。しかし、1986年1月28日のスペースシャトルチャレンジャー号の喪失などさまざまな理由から、SLC-6での作業は最終的に中止され、その場所からのシャトルの打ち上げは行われなかった。 SLC-6 は最終的に、ロッキード マーティン社製の使い捨てロケットであるアテナの打ち上げに使用されました。これには、1999 年 9 月に成功した商業用地球観測衛星IKONOS が含まれていましたが、その後、ボーイング社の新世代デルタ IVを扱えるように再度再構成されました。SLC-6 からのデルタ IV ヘビーの最初の打ち上げは 2006 年 6 月に行われ、米国国家偵察局(NRO)の機密衛星である NROL-22 が打ち上げられました。

NASAは設計を完全に制御できていれば液体燃料ブースターを選択していた可能性が高いが、行政管理予算局は開発費の見積もりが低いことから、より安価な固体燃料ブースターの使用を主張した。^{[3] : 416–423  [10]}液体燃料ブースターの設計では性能が向上し、飛行1回あたりのコストが低く、環境への影響が少なく、開発リスクも低かったが、シャトル計画では限られた開発資金をめぐって多くの異なる要素が競合していたため、固体ブースターの開発資金は少なくて済むと考えられていた。最終的に選ばれた設計は、3基の液体燃料エンジン、これらのエンジン用の液体推進剤を保持する大型の使い捨て外部タンク、および2つの再利用可能な固体ロケットブースターを備えた有翼オービターであった。

1972年春、ロッキード・エアクラフト、マクドネル・ダグラス、グラマン、ノースアメリカン・ロックウェルがシャトル建造の提案を提出した。NASAの選定グループは、ロッキードのシャトルは複雑すぎて高価すぎると考えた。また、同社には有人宇宙船を建造した経験がない。マクドネル・ダグラスのシャトルは高価で技術的な問題もあった。グラマンは優れた設計を持っていたが、やはり高価すぎると思われた。ノースアメリカンのシャトルは最も低コストで、最も現実的なコスト予測を持ち、その設計は継続的なメンテナンスが最も容易であり、ノースアメリカンの司令船と機械船を巻き込んだアポロ13号の事故は、電気系統の故障に関する同社の経験を示した。NASAは1972年7月26日にノースアメリカンを選定したことを発表した。^{[3] : 429–432}

スペースシャトルの計画ではHAL/Sプログラミング言語が使用されました。^[11]最初に使用されたマイクロプロセッサは8088で、後に80386になりました。スペースシャトルの軌道船の航空電子機器コンピュータはIBM AP-101でした。

シャトルの教訓については意見が分かれている。シャトルは、1971年にリチャード・M・ニクソン大統領に提示された当初の開発費と期間の見積もりに基づいて開発されたが^[12] 、当初の見積もりは51億5,000万ドルだったのに対し、1971年のドル換算で67億4,400万ドル （2023年の価値で389億ドルに相当）^[13] と見積もられた。^[14]しかし、運用コスト、飛行率、積載量、信頼性は予想とは異なっていた。^[12]

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• ヴェルナー・フォン・ブラウン博士 - 「あなたを軌道に乗せることができるスペースプレーン」（ポピュラーサイエンス、1970 年 7 月）

• Astronautix スペースシャトルの記事
• NASA: スペースシャトルの決定
• 将来の打ち上げロケット計画の紹介 [1963–2001]、M. リンドルス
• 飛行しなかったスペースシャトル 10 機 (ロッキード スタークリッパー、クライスラー SERV、フェーズ B シャトル、ロックウェル C-1057、シャトル C、空中発射ソーティ ビークル (ALSV)、ヘルメス、ブラン、シャトル II、ロッキード マーティン ベンチャースター)