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軌道上燃料貯蔵庫は、宇宙船または宇宙船の転送段に宇宙で燃料を補給できるようにするために、地球または他の天体の周りの軌道上に配置される燃料貯蔵庫です。これは、インフラストラクチャベースの宇宙探査を可能にするために提案されている宇宙資源貯蔵庫のタイプの1つです。[1]供給される燃料の種類、場所、または貯蔵庫のタイプに応じて多くの貯蔵庫の概念が存在し、これには、指定された軌道上の位置で宇宙船に単一の負荷を供給して出発する燃料タンカーも含まれる場合があります。宇宙内の燃料貯蔵庫は、必ずしも宇宙ステーションの近くまたは宇宙ステーション内に配置されるわけではありません。
軌道上燃料補給・貯蔵施設の潜在的な利用者としては、宇宙機関、防衛省、通信衛星、その他の民間企業などが挙げられる。
衛星整備基地は、軌道操作燃料をほぼ使い果たし、静止軌道に配置される可能性が高い衛星の寿命を延ばすことになる。宇宙船は基地と宇宙ランデブーを行い、あるいはその逆を行い、その後の軌道操作に使用する燃料を移送する。2011年、インテルサットは静止軌道上の複数の衛星に燃料を補給する最初の実証ミッションに興味を示したが、その後すべての計画は廃案となった。[2]
低軌道 (LEO) の補給基地の主な機能は、月、火星、あるいは静止軌道に向かう輸送ステージに燃料を供給することです。輸送ステージの燃料のすべてまたは一部を降ろすことができるため、ペイロードや乗組員を乗せて別々に打ち上げられる宇宙船は、より大きな質量を持つか、より小型の打ち上げ機を使用することができます。LEO 補給基地またはタンカーに燃料を補給すると、打ち上げ機のサイズを縮小して飛行速度を上げることができます。あるいは、地球周回軌道外の宇宙船が第 2 ステージとしても機能する新しいミッション アーキテクチャを使用すると、はるかに大きなペイロードを積載できるようになります。これにより、固定費がより多くの飛行に分散され、通常、より小型の打ち上げ機では固定費が低くなるため、総打ち上げコストを削減できます。補給基地は、地球-月ラグランジュ点1 (EML-1) または月の後ろの EML-2 に配置して、月や火星への移動コストを削減することもできます。火星軌道に補給基地を配置することも提案されています。[3]
2024年、スターシップの3回目の統合飛行で、軌道上での宇宙船内燃料移送が実証されました。[4]宇宙船内燃料移送の実証ミッションは2025年に計画されています。[5]この能力は、スターシップHLS車両で乗組員を月面に着陸させるために重要です。[5]
LEOデポ燃料
ロケットや宇宙船の場合、推進剤は通常、総質量の 2/3 以上を占めます。
大型の上段ロケット エンジンは、通常、大きな比推力が得られることから、酸化剤として液体水素や液体酸素(LOX)などの極低温燃料を使用しますが、「ボイルオフ」と呼ばれる問題、つまり極低温推進剤の蒸発を慎重に考慮する必要があります。わずか数日の遅延によるボイルオフでは、より高い軌道への噴射に十分な燃料が供給されず、ミッションの中止につながる可能性があります。月や火星へのミッションでは、数万から数十万キログラムの推進剤を蓄積するのに数週間から数か月かかるため、ボイルオフを軽減するために転送ステージまたはデポに追加の機器が必要になる場合があります。
RP-1（灯油）、ヒドラジン、四酸化窒素（NTO）などの非極低温の地上貯蔵可能な液体ロケット推進剤、および液体メタンや液体酸素などの弱極低温の宇宙貯蔵可能な推進剤は、極低温燃料よりも沸騰が少なく液体の状態で保存できますが、比推力も低くなります。[6]さらに、イオンスラスタで使用されるような気体または超臨界推進剤には、キセノン、アルゴン、[7] [8]およびビスマスがあります。[9]
推進剤打ち上げコスト
元NASA長官のマイク・グリフィンは、2005年11月にテキサス州ヒューストンで開催された第52回AAS年次総会で、「LEOでの1kgあたり1万ドルという控えめな政府価格を考えると、年間2回のミッションに必要な250トンの燃料は、政府価格では25億ドルの価値がある」とコメントした。[10]
極低温貯蔵庫の構造と種類
デポ中心のアーキテクチャでは、燃料タンクで燃料タンクを充填し、軌道投入前に燃料タンクを上段に輸送します。これは自動車の燃料タンクで燃料タンクを充填するガソリンスタンドに似ています。デポを使用することで、打ち上げロケットのサイズを縮小し、飛行率を上げることができます。燃料タンクの蓄積には数週間から数か月かかる可能性があるため、ボイルオフの緩和には細心の注意を払う必要があります。
簡単に言えば、パッシブ極低温貯蔵庫は、伸張した推進剤タンク、追加の断熱材、およびサンシールドを備えた転送ステージです。1つのコンセプトでは、水素の沸騰もリダイレクトされて液体酸素の沸騰を削減または排除し、姿勢制御、電力、または再ブーストに使用されます。アクティブ極低温貯蔵庫は、推進剤の沸騰を削減または排除するための追加の電力と冷凍装置/クライオクーラーを備えたパッシブ貯蔵庫です。[11]その他のアクティブ極低温貯蔵庫のコンセプトには、最終ペイロードの燃料を節約するための電動姿勢制御装置が含まれます。
重量物運搬と倉庫中心のアーキテクチャ
大型ロケットアーキテクチャでは、総ミッション質量の 3 分の 2 以上を占める推進剤が、デポ中心のアーキテクチャよりも少ない打ち上げ回数とおそらくはより短い時間枠で蓄積されます。通常、転送ステージは直接充填され、アーキテクチャにはデポは含まれません。極低温ロケットと極低温デポの場合、転送ステージに追加のボイルオフ緩和装置が含まれるのが通常で、緩和ハードウェアが消費されない限り、ペイロードの割合が減り、同じペイロードに対してより多くの推進剤が必要になります。
FISOテレコンでアラン・ウィルハイト博士が発表したこのパワーポイントでは、大型ロケット打ち上げと商業打ち上げおよび燃料貯蔵所の使用が比較されています。[12]
燃料貯蔵庫の実現可能性
現在進行中の理論的研究と資金提供を受けた開発プロジェクトは、どちらも燃料貯蔵庫の実現可能性に関する洞察を提供することを目的としている。研究によると、小型ロケットを使用した貯蔵庫中心のアーキテクチャは、20年間の期間で大型ロケットアーキテクチャよりも570億ドル安価になる可能性がある。 [13]大型ロケットのコストは非常に高いため、2機以上の中型ロケットで打ち上げた燃料を保持できる貯蔵庫は費用対効果が高く、地球外軌道の軌道上でより多くのペイロード質量をサポートできる可能性がある。
2010年のNASAの研究では、ハイドロロックス推進剤の蒸発量が1日あたり0.1%と仮定すると、70トンの蒸発が発生するため、米国政府の火星基準ミッションを実施するには、アレスV大型ロケットの追加飛行が必要でした。[14]この研究では、設計上の蒸発率を1桁以上下げる必要があることが特定されました。
低軌道（LEO）燃料貯蔵庫の設計へのアプローチは、 NASAへの2009年のオーガスティン報告書でも議論されており、「宇宙での燃料補給の[当時の]現在の概念を検討した」[15 ]。この報告書では、 LEOでの宇宙船の燃料補給には基本的に2つのアプローチがあると結論付けられている。 [15]
- 燃料タンカーによる輸送。この方法では、1 台のタンカーが軌道上の宇宙船とランデブーおよびドッキングを実行します。その後、タンカーは燃料を輸送して出発します。この方法は、「空中タンカーが航空機に燃料を補給するのとよく似ています」。
- 宇宙内の補給所。別の方法としては、多数のタンカーがランデブーして、推進剤を軌道上の補給所に輸送する方法があります。その後、宇宙船が補給所にドッキングして、地球の軌道を離れる前に推進剤を補給します。
どちらのアプローチも2009年の宇宙飛行技術では実現可能と考えられていましたが、ミッションでその技術を活用できるようになるまでには、さらに大幅なエンジニアリング開発と宇宙での実証が必要になると予想されていました。どちらのアプローチも、長期的なライフサイクルの節約の可能性を秘めていると考えられていました。[15]
2010年にユナイテッド・ローンチ・アライアンス（ULA）は、ボーイングが2006年に取り組んだコンセプトである先進極低温進化型段階（ACES）タンカーを提案した。 [16]最大73トン（161,000ポンド）の燃料を輸送できるサイズで、初期設計では、初飛行は2023年以降と提案され、燃料タンカーとしての最初の使用は2020年代半ばに始まる可能性がある。[17] [18] ACESには資金が提供されなかったが、アイデアのいくつかはバルカン・セントールロケットのセントール段に採用された。
理論的な研究を超えて、少なくとも2017年以来、SpaceXは資金提供を受けた惑星間技術セットの開発に取り組んできました。惑星間ミッションのアーキテクチャは、SpaceXが火星に運ばれるトン当たりのコストをNASAのアプローチが達成したものよりも数桁削減することで地球外軌道（BEO）の長期宇宙飛行を可能にする鍵となると考えるいくつかの要素の組み合わせで構成されていますが、[19] [20] [21]軌道上での推進剤の補充は4つの重要な要素の1つです。新しいミッションアーキテクチャでは、SpaceXの設計では、長距離宇宙船がSpaceX Starshipの第2段として機能している間に低地球軌道への打ち上げ中に推進剤のほぼすべてを消費し、その後、複数のStarshipタンカーによって軌道上で補充した後、宇宙船を惑星間軌道に乗せるために必要な大量のエネルギーを提供できるようにする予定です。スターシップタンカーは、約100トン（22万ポンド）の燃料を低地球軌道に輸送するように設計されています。[22] [より良い情報源が必要] 2021年4月、NASAは軌道上燃料補給機能を備えたSpaceX Lunar Starshipを最初の月面有人着陸システムとして選択しました。[23]
利点
ロケットは打ち上げ時に大部分が推進剤であるため、推進剤貯蔵庫構造を使用する利点がいくつかあると支持者は指摘している。宇宙船は燃料を積まずに打ち上げることができるため、構造質量が少なくて済む。[24]また、貯蔵タンカー自体が再利用可能であれば、打ち上げ時に第2段の燃料として使用できる。[22]軌道上で燃料補給市場が生まれ、そこでは推進剤を最低価格で届けるための競争が行われる可能性がある。また、既存のロケットがより頻繁に飛行して貯蔵庫に燃料を補給できるようにすることで、規模の経済も実現できる可能性がある。[24]月面の採掘施設と組み合わせて使用すれば、水や推進剤を貯蔵庫に送り返すことができ、推進剤のコストをさらに削減できる。[25] [26]デポアーキテクチャに基づく探査プログラムは、月、ラグランジュポイント、小惑星、火星などの複数の目的地をサポートするために、特定のロケットやSLS [ 13] [24] [27] [28] [29]などの大型ロケットを必要とせず、より安価でより高性能になる可能性があります。[30]
2011年のNASAの研究では、ヘビーリフト打ち上げシステムよりも低コストで高速な代替手段が示され、次のような利点が挙げられている。[27]
- 予算プロファイルに合わせるために数百億ドルのコスト削減[説明が必要]
- 控えめな予算で2024年までに初のNEA/月探査ミッションを実現
- 12～18か月に1回ではなく、数か月ごとに発売する
- 複数の競技者が推進剤を供給できるようにする
- クリティカルパスミッションの複雑さの軽減（AR&D、[説明が必要]イベント、固有要素の数）
歴史と計画
アメリカ合衆国
1960年代半ばに、推進剤貯蔵庫は宇宙輸送システム（LEOから他の目的地にペイロードを運ぶための原子力「タグ」とともに）の一部として提案されました。 [31]
2009年10月、アメリカ空軍とユナイテッド・ローンチ・アライアンス（ULA）は、DMSP-18打ち上げ時に改良型セントール上段ロケットの軌道上実験デモンストレーションを実施し、「推進剤の沈降と揺れ、圧力制御、RL10の冷却、RL10の2段階停止操作の理解を深める」ことを目的とした。「DMSP-18の軽量化により、軌道上デモンストレーションでは、セントールの容量の28％にあたる12,000ポンド（5,400 kg）の液体酸素と液体水素の推進剤が残っていた」 。宇宙船ミッション後の延長は、軌道離脱燃焼を実行する前に2.4時間行われた。[32]
NASAの打ち上げサービスプログラムは、パートナーとCRYOTEと呼ばれるスロッシュ流体力学実験に取り組んでいます。2010年現在、ULAは、主要なペイロード分離後のCentaur上段を使用して極低温流体管理[アップデート]技術をさらに開発するための追加の宇宙実験室実験も計画しています。CRYOTE（CRYogenic Orbital TEstbed）と名付けられたこの実験は、極低温推進剤貯蔵庫に必要な多くの技術を実証するためのテストベッドとなり、2012年から2014年にかけていくつかの小規模な実証が計画されています。[33] 2011年8月現在、ULAは、資金が確保されればこのミッションは2012年にも開始できると述べていました。[34] ULA CRYOTE小規模実証は、2015年のULA大規模クライオサットフラッグシップ技術実証につながることを目指しています。 [33][アップデート]
NASA、産業界、学界の参加者からなるコンソーシアムである将来の宇宙活動（FISO）ワーキンググループは、2010年に燃料貯蔵庫の概念と計画について数回にわたって議論し、[35]低地球軌道を超えた有人宇宙探査に最適な貯蔵庫の場所、[36]よりシンプルな（単一の車両）第一世代の燃料貯蔵庫の提案[33]および再利用可能な地球近傍月面輸送のための6つの重要な燃料貯蔵庫関連技術のプレゼンテーションを行いました。[37]
NASAはまた、「極低温推進剤貯蔵および移送（CRYOSTAT）ミッション」において推進剤貯蔵庫を使用する宇宙飛行を可能にし、強化するための技術を成熟させる計画も立てている。CRYOSTAT機は2015年にLEOに打ち上げられる予定であった。[38]
CRYOSTATアーキテクチャは、以下のカテゴリーの技術で構成されています。[38]
- 極低温推進剤の保管
- 極低温流体移送
- 計装
- 自動ランデブーおよびドッキング (AR&D)
- 極低温推進システム
「シンプル・デポ」ミッションは、2011年にNASAによって最初のPTSDミッションの可能性として提案され、2015年以降にアトラスV 551で打ち上げられる予定であった。シンプル・デポは、「使用済み」（ほぼ空になった）セントール上段LH2タンクをLO2の長期貯蔵に使用し、LH2はシンプル・デポLH2モジュールに貯蔵され、常温の気体ヘリウムのみで打ち上げられる。SD LH2タンクは、直径3メートル（9.8フィート）、長さ16メートル（52フィート）、容積110立方メートル（3,900立方フィート）で、5mTのLH2を貯蔵する予定であった。 「6:1の有効混合比（MR）では、この量のLH2は25.7mTのLO2と組み合わせることができ、0.7mTのLH2を蒸気冷却に使用して、合計有効推進剤質量を30mTにすることができます。...説明した貯蔵所の蒸発率は1日あたり0.1％に近づき、完全に水素で構成されます。」[39]
2010年9月、ULAはAIAA Space 2010会議で、他の宇宙船が低軌道（LEO）の超LEOミッションまたはラグランジュ点 L 2の惑星間ミッションで停止して燃料補給するための中継ステーションとして使用できる燃料貯蔵庫を提案する、貯蔵庫ベースの宇宙輸送アーキテクチャのコンセプトを発表しました。このコンセプトでは、宇宙の放射熱環境での長期液体水素貯蔵の避けられない副産物である廃棄ガス状水素を、太陽熱推進システムのモノプロペラントとして使用できると提案しています。廃棄水素は、軌道上の位置保持と姿勢制御の両方に生産的に使用されるだけでなく、貯蔵庫から燃料を受け取るために着陸する他の宇宙船とのランデブーを容易にするための軌道操作に使用するための限られた推進剤と推力も提供します。[40]デポベースの宇宙輸送アーキテクチャの一部として、ULAはACES（Advanced Common Evolved Stage ）上段ロケットを提案している。ACESハードウェアは、最初から宇宙空間内の燃料デポとして設計されており、他のロケットがLEO外または惑星間ミッションに向かう途中で停止して燃料を補給するための中継地点として、また宇宙ゴミの除去のための高エネルギー技術容量を提供するために使用できる。[16]
2011年8月、NASAは4つの航空宇宙企業に資金を提供し、「深宇宙探査用の大型打ち上げロケットの必要性を減らすために、宇宙で極低温推進剤を貯蔵するという概念を検証する実証ミッションを定義する」という、推進剤貯蔵庫技術の開発に重要な契約上のコミットメントを行った。[1 ] [41]極低温推進剤と極低温貯蔵庫の貯蔵/移送に関するこれらの研究契約は、 Analytical Mechanics Associates、Boeing、Lockheed Martin、Ball Aerospaceと締結された。各社は契約に基づき60万ドルを受け取ることになっていた。 [41] [更新が必要]
2021年4月、NASAは軌道上燃料補給機能を備えたSpaceX Lunar Starshipを最初の月面有人着陸システムとして選択した。 [23] 2022年には、より大きな燃料貯蔵庫を備えたStarshipがLunar Starship HLS用に計画されていた。
その他の国
中国宇宙機関（CNSA）は2016年6月に初の衛星間軌道上燃料補給試験を実施した。[42]
エンジニアリング設計の問題
推進剤貯蔵庫には数多くの設計上の問題があり、また、軌道上サービスミッションのために現在まで宇宙でテストされていないタスクもいくつかあります。設計上の問題には、推進剤の沈降と移送、姿勢制御と再ブーストのための推進剤の使用、冷却装置/極低温冷却器の成熟度、冷却によるボイルオフ低減またはゼロの貯蔵庫に必要な電力と質量などがあります。
推進剤の沈降
微小重力下での液体推進剤の移送は、タンク内の液体とガスの分布が不確実であるため複雑である。そのため、宇宙空間の貯蔵庫での推進剤の沈降は、わずかな重力場よりも困難である。ULAは、将来の推進剤貯蔵庫で使用される可能性のある極低温燃料管理技術として、遠心推進剤の沈降の飛行試験にDMSP -18ミッションを使用する予定である。 [43]提案されているシンプルデポPTSDミッションでは、推進剤移送に適切な沈降を達成するためにいくつかの技術が使用される。[39]
推進剤の移送
重力がない場合、液体が入口から浮かんでしまう可能性があるため、推進剤の移送はやや困難になります。
2007年のオービタル・エクスプレス・ミッションの一環として、ヒドラジン推進剤が2機の専用技術実証宇宙船間で移送された。ボーイングのサービス宇宙船ASTROがボール・エアロスペースのサービス可能なクライアント宇宙船NEXTSatに推進剤を移送した。どちらの宇宙船にも乗組員がいなかったため、これは宇宙船間の初の自律的な流体移送として報告された。[44]
補充
燃料が顧客に引き渡された後、燃料貯蔵所のタンクは補充が必要になります。新しい燃料を積んだタンカー ロケットの建造と打ち上げの調整は、燃料貯蔵所のオペレーターの責任です。NASA などの宇宙機関は所有者ではなく購入者になることを望んでいるため、オペレーターとしては、貯蔵所を建造した航空宇宙会社、ロケットの製造元、専門の宇宙貯蔵所会社、または燃料を精製する石油/化学会社などが考えられます。複数のタンカー ロケットを使用することで、タンカーは貯蔵所よりも小さく、補給対象の宇宙船よりも大きくなります。貯蔵所に属する短距離化学推進タグを使用すると、タンカー ロケットと火星移転車両などの大型車両とのドッキングを簡素化できます。
地球からロケットで到達可能なLEO補給基地と、ラグランジュポイントやフォボス補給基地などの深宇宙補給基地との間の推進剤の移送は、太陽電気推進（SEP）タグボートを使用して実行できる可能性がある。[45]
現在、燃料貯蔵庫の補充をサポートするために 2 つのミッションが開発中または提案されています。
- SIS車両は、MDA宇宙インフラ整備車両で最初に打ち上げられた燃料で静止通信衛星に燃料補給と整備を行うことに加えて、打ち上げ積載量の2000kgの燃料を移送した後、交換用燃料容器とランデブーするために軌道上で操作する能力を持つように設計されており、最初の複数衛星整備ミッションが完了した後、追加の衛星へのさらなる燃料補給を可能にする。[46]
- 提案されているシンプル・デポ極低温PTSD（推進剤移送・貯蔵実証）ミッションは、「遠隔係留アームとドッキングおよび流体移送ポート」を使用して、他の車両への推進剤移送と、デポの30トンの推進剤容量まで補充する。[39]これは2010年に提案され、2015年に打ち上げられた。[更新が必要]
1962年、STデメトリアデス[47]は大気ガスを集めて補充する方法を提案した。デメトリアデスが提案した貯蔵所は、高度約120kmの低軌道を移動しながら、大気圏外から空気を抽出し、それを圧縮して冷却し、液体酸素を抽出する。残りの窒素は、大気抵抗を補いながら軌道を維持する原子力電磁流体エンジンの推進剤として使用される。[47]このシステムは「PROFAC」（ PROpulsive Fluid ACcumulator）と呼ばれた。 [48]しかし、原子炉を低軌道に配置することには安全性の懸念がある。
デメトリアデスの提案はクリストファー・ジョーンズらによってさらに改良された[49]。この提案では、複数の収集機が高度約120kmで推進ガスを蓄積し、その後、より高い軌道に転送する。しかし、ジョーンズの提案では、軌道上に原子炉を配置することを避けるために、軌道電力送信衛星のネットワークが必要である。
小惑星を加工して液体酸素を得ることもできる。[50]
軌道面と発射窓
LEO の燃料貯蔵庫は、貯蔵庫が目標軌道とは異なる軌道面にある場合、2 つの低地球軌道間の転送にはほとんど役に立ちません。必要な平面変更を行うためのデルタ v は通常非常に高いです。一方、貯蔵庫は通常、貯蔵庫の軌道の時間的変化を出発ベクトルと一致するように選択できる探査ミッションに提案されています。これにより、非常に正確なタイミングでの出発を必要とする燃料消費を最小限に抑えながら、1 つのよく一致した出発時間が可能になります。同じ貯蔵庫から同じ目的地への効率の悪い出発時間は、よく一致した機会の前後に存在しますが、効率が急速に低下するかゆっくりと低下するかを示すには、さらに研究が必要です。[要出典]対照的に、軌道燃料補給やすでに軌道上にある別の宇宙船とのドッキングなしで地上から 1 回だけ直接打ち上げると、より大きくて高価な打ち上げ機が必要になりますが、毎日の打ち上げ機会が得られます。[51]
出発時間に関する制限は、低軌道が大きな摂動の影響を受けやすいために生じる。低軌道は短期間であっても交点回帰や、それほど重要ではないが近地点歳差の影響を受ける。赤道上の基地はより安定しているが、到達がより困難でもある。[51]
LEOから惑星間軌道への移行のための新しいアプローチが発見され、3回の燃焼軌道移行が使用される。これには、高度に楕円形の位相軌道の遠地点での平面変更が含まれる。この軌道では、デルタvの増分は小さく、通常は総デルタvの5％未満であるため、「LEOのデポを利用して深宇宙の目的地への出発が可能」になり、頻繁な出発の機会が提供される。[52]より具体的には、3回の燃焼出発戦略により、ISS傾斜軌道（51度）の単一のLEOデポから9機の宇宙船を「9つの異なる惑星間ターゲット（デポは、出発漸近線のいずれかに合わせるために位相操作を行う必要がない... [可能になる]など）に派遣できる」ことが示された。[53]
極低温貯蔵庫特有の問題
ボイルオフ緩和
宇宙での極低温推進剤の沸騰は、技術的な解決策とシステムレベルの計画と設計の両方によって緩和される可能性があります。技術的な観点から：受動的な断熱システムを備えた推進剤貯蔵庫が極低温流体を効果的に貯蔵するためには、太陽熱やその他の熱源による沸騰を軽減、排除、 [43]または経済的な目的で使用する必要があります。[16]非極低温推進剤の場合、沸騰は重大な設計上の問題ではありません。
沸騰率は熱漏れとタンク内の推進剤の量によって決まります。タンクが部分的に満たされている場合、損失率は高くなります。熱漏れは表面積に依存し、タンク内の推進剤の元の質量は容積に依存します。したがって、立方二乗の法則により、タンクが小さいほど液体の沸騰が速くなります。推進剤タンクの設計によっては、液体水素の沸騰率が約0.13％/日（3.8％/月）と低く抑えられているのに対し、はるかに高温の極低温流体である液体酸素の沸騰率は、それよりはるかに低く、約0.016％/日（0.49％/月）です。[54]
アクティブ熱制御システムを使用した極低温推進剤貯蔵でゼロ沸騰（ZBO）を達成することは可能である。1998年夏にNASAルイス研究センターの補足多層断熱研究施設（SMIRF）で実施されたテストでは、ハイブリッド熱制御システムが極低温推進剤の沸騰をなくすことができることが実証された。ハードウェアは、34層の断熱材で断熱された加圧された50立方フィート（1,400リットル）のタンク、凝縮器、および15〜17.5ワット（W）の冷却能力を持つギフォード・マクマホン（GM）クライオクーラーで構成されていた。テスト流体は液体水素であった。テストタンクは真空チャンバーに設置され、宇宙の真空をシミュレートした。[55]
2001年、NASAのエイムズ研究センター、グレン研究センター、マーシャル宇宙飛行センター（MSFC）の協力により、宇宙での極低温貯蔵のためのZBOコンセプトの開発が行われた。主なプログラムは、MSFC多目的水素テストベッド（MHTB）（18.10 m3 L H 2タンク（約1300 kgのH 2））を使用した大規模なZBOデモンストレーションであった。市販のクライオクーラーは、既存のMHTBスプレーバーミキサーおよび断熱システムとインターフェースされ、入ってくる熱エネルギーと取り出される熱エネルギーのバランスをとることができた。[56]
2003年6月にNASAが行った概念的な火星ミッションに関する別の研究では、ミッション期間がLEOで酸素の場合は5日間、メタンの場合は8.5日間、水素の場合は64日間の場合、従来の受動型のみの極低温貯蔵よりも質量を節約できることが示された。ミッションが長ければ長いほど、質量の節約は大きくなる。極低温キセノンは受動型貯蔵よりもほぼ即座に質量を節約する。ZBOを稼働させる電力がすでに利用可能であれば、損益分岐点ミッション期間はさらに短くなり、たとえば水素の場合は約1か月になる。タンクが大きいほど、LEOでZBOの質量が減少する日数は少なくなる。[57]
極低温ロケット推進剤の過剰な沸騰という課題に対する技術的解決策に加えて、システムレベルの解決策も提案されている。システムの観点からは、各顧客へのジャストインタイムの配送を効果的に達成するために液体水素極低温貯蔵の待機時間を短縮し、長期貯蔵可能な原料である水を必要な化学量論的LOX / LH2に分割するバランスのとれた精製技術と組み合わせることで、理論的には沸騰に対するシステムレベルの解決策を達成することができる。このような提案は、沸騰を減らすための優れた技術的手法を補完するものとして提案されているが、効率的な技術的貯蔵ソリューションの必要性に取って代わるものではない。[58]
サンシールド
ユナイテッド・ローンチ・アライアンス（ULA）は、冷たい推進剤を太陽や地球の放射線から守るために円錐形のサンシールドを使用する極低温貯蔵庫を提案している。円錐の開いた端は残留熱を深宇宙の寒さに放射し、閉じた円錐の層は太陽と地球からの放射熱を減衰させる。[59]
その他の問題
その他の問題としては、水素脆化があります。これは、一部の金属（鉄やチタンを含む）が水素にさらされると脆くなり、破損する現象です。その結果生じる漏れにより、無重力状態で極低温推進剤を保管することが困難になります。[60]
宇宙燃料補給実証プロジェクト
2010 年代初頭には、いくつかの宇宙燃料補給プロジェクトが開始されました。2010年の時点では、民間主導の 2 つのプロジェクトと政府主導のテスト ミッションが、ある程度の開発[アップデート]またはテスト段階にありました。
ロボット燃料補給ミッション
NASAロボット燃料補給ミッション（RRM）は2011年に打ち上げられ、2013年1月に国際宇宙ステーションの露出施設プラットフォーム上でロボットによる 燃料移送実験シリーズを成功裏に完了した。 [61]
一連の実験には、多くの衛星で使用されているものと類似した多数の燃料バルブ、ノズル、シール、および宇宙ステーションのロボットアームの遠位端に取り付けることができる4つのプロトタイプツールが含まれていました。各ツールは、「将来の衛星サービスミッションで軌道上で宇宙船に燃料を補給するために使用できるデバイスのプロトタイプでした。RRMは、燃料補給用に設計されたことのないほとんどの既存の衛星の代表的なプラットフォームと燃料バルブを使用した、初めての宇宙での燃料補給デモンストレーションです。2007年の米国軍のオービタルエクスプレスミッションなどの他の衛星サービスデモでは、特別に構築されたポンプと接続を使用して衛星間で燃料を転送しました。」[61]
MDA宇宙燃料補給実証プロジェクト
2010年3月現在、反応制御システム（RCS）流体[アップデート]の小規模な燃料補給実証プロジェクトが開発中であった。カナダに拠点を置くMDAコーポレーションは、衛星サービスの実証として、軌道上の他の宇宙船に燃料を補給する単一の宇宙船を設計していると2010年初頭に発表した。「まだ発展途上のビジネスモデルでは、顧客に衛星に燃料を追加したキログラムあたりの料金を請求し、キログラムあたりの価格は、宇宙船の運用寿命の延長からオペレーターが期待できる追加収益の関数となる可能性があります。」[62]
計画では、燃料補給機が運用中の通信衛星まで移動し、目標衛星のアポジキックモーターにドッキングし、目標宇宙船の熱保護ブランケットの一部を取り外し、燃料圧力ラインに接続して推進剤を送達する。「MDAの職員は、ドッキング操作により通信衛星が約20分間使用不能になると見積もっている。」[62]
2011年3月時点で[アップデート]、MDAは最初の実証プロジェクトのための大口顧客を確保していた。インテルサットは、 MDA宇宙船が静止軌道に運ぶ燃料ペイロード2,000キログラム（4,400ポンド）の半分を購入することに同意した。このような購入により、各衛星に200キログラムの燃料が供給されると仮定すると、最大5基のインテルサット衛星の耐用年数が2年から4年ほど延長されることになる。[63][アップデート] 2010年3月時点で、宇宙船は2015年までに通信衛星への燃料補給を開始する準備が整っている可能性がある。 [64] 2013年1月時点で[アップデート]、MDA燃料補給ミッションにサインアップした顧客はいなかった。[61]
2017年、MDAはルクセンブルクに拠点を置く衛星所有者/運営会社SES SAを最初の顧客として、衛星サービス事業を再開すると発表しました。 [65]
直接給油に代わる宇宙タグボート
宇宙でのRCS燃料転送に代わる競争力のある設計が存在します。追加の推進剤を宇宙資産に持ち込み、その推進剤をターゲットの宇宙資産に転送することなく、姿勢制御や軌道速度の変更に使用することが可能です。
2010年代初頭から開発が進められているViviSatミッション延長車両は、MDA SISと同様にキックモーターを介してターゲット衛星に接続するが、燃料を移送しない代替アプローチの1つを示している。ミッション延長車両はむしろ、「ターゲットの姿勢制御を供給するために独自のスラスタを使用する」。[ 66 ] ViviSatは、彼らのアプローチはMDAの燃料移送アプローチよりもシンプルで低コストで運用でき、軌道上にある約450の静止衛星のより多くの数（90パーセント）にドッキングしてサービスを提供する技術的能力を持っていると考えている。 [66] 2013年1月時点で、ViviSat対応のミッション延長にサインアップした顧客はいなかった。[61][アップデート]
2015年、ロッキード・マーティンはジュピター 宇宙タグを提案した。もし実現すれば、ジュピターは低地球軌道上で国際宇宙ステーションとの間で貨物運搬船を往復させ、無期限に軌道上に留まり、後続の貨物運搬船モジュールを積んだ後続の輸送船から燃料補給を受けることになる。[67]
新たな宇宙への関与
2018年12月、2018年初頭に設立されたシリコンバレーのスタートアップ企業であるオービットファブは、宇宙での商業燃料補給を可能にする技術をテストおよび実証するために、一連の実験の最初のものをISSに飛ばしました。これらの最初のラウンドのテストでは、水を推進剤模擬として使用しました。 [68] 2021年6月、オービットファブは最初の推進剤貯蔵庫であるタンカー001テンジンを太陽同期軌道に乗せて過酸化水素を運びました。[69]
ギャラリー
-
1970 年の NASA の燃料貯蔵庫の構想 -
1971年のNASAのコンセプト -
2011年にNASAがGEOに倉庫を建設することを提案 -
進化した燃料貯蔵庫のコンセプト
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参照
- プログレス（宇宙船）
- 自動搬送車
- 液体ロケット推進剤
- 小惑星採掘
- 推進流体蓄積装置、補給所に供給するための酸素やその他のガスを集める衛星
- 米国有人宇宙飛行計画見直し委員会の柔軟な道筋の選択肢
- 現場資源の活用
- シャクルトン・エナジー・カンパニー
- アクエリアスロケット
- クイック起動
参考文献
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ACES 設計概念化は、ULA で長年進められてきました。これは、Centaur および Delta Cryogenic Second Stage (DCSS) 上段の設計機能を活用し、将来的にはこれらの段を補完し、場合によっては置き換えることを目的としています。ベースライン ACES には、Centaur または 4m DCSS の 2 倍の推進剤が搭載され、既存の上段と比較して大幅なパフォーマンスの向上が実現します。ベースラインの 41 mT 推進剤は、ULA の既存の上段とほぼ同じ長さの 5m 直径の共通バルクヘッド段に搭載されています。 ACES は、さまざまなユーザーの打ち上げ要件を満たす段階のモジュール システムの基盤となります。一般的なバリエーションは、73
t
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ですから、少し難しいのです。なぜなら、火星への旅のコストを500万パーセント改善する方法を考えなければならないからです...これは約4.5桁の改善につながります。これらは、4.5桁の改善を達成するために必要な重要な要素です。改善の大部分は、2桁から2.5桁の間の完全な再利用性から得られ、残りの2桁は軌道上での補充、火星での推進剤生産、適切な推進剤の選択から得られます。
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年までに LO2/LH2 PTSD (推進剤転送および貯蔵実証) ミッションを実施する。... アトラス 551 で打ち上げられる予定... [これにより] 28.5 度 x 200 nm の円形 LEO に約 12 mT の Centaur 残留ガス (LH2 と LO2 の組み合わせ) を供給する予定。
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種類を超える燃料補給システム... SIS は、現在静止軌道上にある衛星の燃料補給システムの 75% を開けるのに十分なツールを搭載します。... SIS 宇宙船は軌道上で 7 年間稼働するように設計されているが、それよりはるかに長く稼働できる可能性が高い。ビジネス モデルの鍵となるのは、SIS がつかんで数年にわたって数十の衛星に燃料補給する交換用燃料キャニスターを打ち上げる MDA の能力です。これらのキャニスターは SIS の機体よりもはるかに軽量であるため、打ち上げコストが大幅に削減されます。
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宇宙船が計画どおりに機能すれば、Intelsat は MDA に総額約 2 億ドルを支払うことになる。これは、4 基または 5 基の衛星にそれぞれ約 200 キログラムの燃料が供給されることを前提としている。... 宇宙船の初飛行は、国際発射サービス (ILS) のプロトン ロケットで行われると業界関係者は述べた。ある関係者は、MDA 宇宙船は、2,000 キログラムの燃料補給用推進剤を含め、打ち上げ時に約 6,000 キログラムの重量になる可能性があると述べた。
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は、Space Infrastructure Servicing (SIS) ロケットを静止軌道付近に打ち上げ、追加燃料、再配置、その他のメンテナンスが必要な商用および政府衛星のサービスを行う予定です。... MDA と Intelsat は、両当事者がプログラムの構築段階を承認するまでの 6 か月間、仕様およびその他の要件を最終決定するために協力します。最初の燃料補給ミッションは、構築段階の開始から 3 年半後に利用可能になります。... この契約に基づいて MDA が Intelsat に提供するサービスは、2 億 8,000 万ドル以上の価値があります。
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、軌道上の推進剤貯蔵庫に関連するメディアがあります。
文章
- 軌道上衛星サービスに関する背景情報、2011 年 3 月
- ボーイングのLEO推進剤貯蔵所計画のプレゼンテーション、2007年
- 商業用発射/推進剤貯蔵庫を使用した進化した有人宇宙探査アーキテクチャ、ウィルハイト/アーニー/ジョーンズ/チャイ、2012 年 10 月
- 分散打ち上げ - LEO ミッションを超える実現 2016 年 10 月 20 日アーカイブ、Wayback Machine、United Launch Alliance、2015 年 9 月
ビデオ
- ボーイング基地の打ち上げと燃料補給作業のアニメーション、2011 年 11 月 (1 分)
- NASA 極低温推進剤貯蔵庫 – ミッションアニメーション、2013 年 5 月 (1 分)
- デポアーキテクチャの利点、 XCOR Aerospace のJeff Greason、オーガスティン委員会会議、2009 年 7 月 (25 分)
- NASA の和解戦略、 XCOR Aerospace のJeff Greason、ISDC 2011 (42 分)
- 地球近傍宇宙、次のフロンティア、月惑星研究所のポール・スプディス博士、ISDC 2011 (25 分)
- 月面で貯蔵所を使って水を採掘する計画、シャクルトン・エナジー・カンパニーのビル・ストーン、TED 2011 (7 分)