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軌道燃料貯蔵庫は、宇宙船または宇宙船のトランスファーステージが宇宙空間で燃料補給できるように、地球または他の天体の周回軌道上に配置された燃料貯蔵庫です。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一種です。[ 1 ]供給される燃料の種類、場所、または貯蔵庫の種類に応じて、多くの貯蔵庫の概念が存在します。これには、特定の軌道位置で宇宙船に単一の積荷を届け、その後出発する燃料タンカーも含まれます。宇宙燃料貯蔵庫は、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にあるとは限りません。
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、国防省、通信衛星会社、その他の民間企業などが挙げられる。
衛星サービス基地は、軌道マニューバ燃料をほぼ使い果たし、おそらく静止軌道に投入されている衛星の寿命を延ばすことになる。宇宙船は基地と宇宙空間でランデブーを行い、あるいはその逆も行い、その後の軌道マニューバに使用する推進剤を移送する。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関心を示したが、その後すべての計画は中止された。[ 2 ]
低地球軌道（LEO）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遷移ステージに推進剤を供給することです。遷移ステージの推進剤の全部または一部を降ろすことができるため、ペイロードや乗員を搭載した別々に打ち上げられる宇宙船の質量を大きくしたり、より小型の打ち上げロケットを使用したりすることができます。LEO補給基地やタンカーによる給油により、打ち上げロケットのサイズを小さくして飛行頻度を増やすことができます。あるいは、地球軌道外の宇宙船が第2段としても機能する新しいミッションアーキテクチャでは、はるかに大きなペイロードを搭載することが可能になり、固定費がより多くの飛行に分散されるため、打ち上げコスト全体を削減できる可能性があります。固定費は通常、打ち上げロケットが小型であれば低くなります。補給基地は、月や火星への移動コストを削減するために、地球・月ラグランジュ点1（EML-1）または月の裏側EML-2に設置することもできます。火星軌道に補給基地を設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、軌道上での船内推進剤移送が実証されました[ 4 ]。 2026年には船間推進剤移送実証ミッションが計画されています[ 5 ]。これは、スターシップHLS機で乗組員を月に着陸させる上でこの機能が不可欠であるためです[ 5 ] 。
ロケットや宇宙船の場合、推進剤は通常、総質量の3分の2以上を占める。
大型上段ロケットエンジンは、大きな比推力を得るために、一般的に液体水素や液体酸素（LOX）などの極低温燃料を酸化剤として使用しますが、「ボイルオフ」、つまり極低温推進剤の蒸発という問題に十分注意する必要があります。わずか数日の遅延でもボイルオフが発生すると、高軌道投入に必要な燃料が不足し、ミッション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、数万キログラム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、移送ステージや燃料貯蔵庫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、四酸化二窒素（NTO）などの非極低温で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やや極低温で宇宙貯蔵可能な推進剤は、極低温燃料よりも蒸発が少なく液体の状態を保つことができるが、比推力も低い。[ 6 ]さらに、イオン推進器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 ] 、ビスマス[ 9 ]などがある。
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での政府による保守的に低い価格1kgあたり1万ドルで、250 [年間2回のミッションに必要な燃料は、政府レートで25億ドル相当である。[ 11 ]
貯蔵庫中心のアーキテクチャでは、貯蔵庫にタンカーで燃料を充填し、軌道投入前に上段に燃料を移送します。これは、自動車用のガソリンスタンドにタンカーで燃料を補充するのと似ています。貯蔵庫を使用することで、打ち上げロケットのサイズを縮小し、飛行頻度を高めることができます。燃料の蓄積には数週間から数ヶ月かかる場合があるため、燃料の蒸発抑制策を慎重に検討する必要があります。
簡単に言うと、受動型極低温貯蔵庫は、推進剤タンクを延長し、断熱材を追加し、サンシールドを備えた移送ステージです。あるコンセプトでは、水素の蒸発を方向転換して液体酸素の蒸発を低減または排除し、姿勢制御、電力、または再起動に使用します。能動型極低温貯蔵庫は、推進剤の蒸発を低減または排除するために追加の電力と冷凍装置/極低温冷却器を備えた受動型貯蔵庫です。[ 12 ]他の能動型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。
重量物運搬型ロケットでは、総ミッション質量の3分の2以上を占めることもある推進剤を、貯蔵庫中心型ロケットよりも少ない打ち上げ回数と、場合によってはより短い期間で蓄積します。通常、移送ステージは直接充填され、貯蔵庫は含まれません。極低温ロケットおよび極低温貯蔵庫の場合、通常、移送ステージに追加の蒸発抑制装置が搭載されますが、この抑制装置が消耗しない限り、ペイロード比率が低下し、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、大型輸送と商用打ち上げおよび推進剤貯蔵庫の使用が比較されています。[ 13 ]
理論研究と現在進行中の資金提供を受けた開発プロジェクトの両方が、推進剤貯蔵庫の実現可能性についての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年間で大型ロケットのアーキテクチャよりも570億米ドル安くなる可能性がある。 [ 14 ]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られる推進剤を保管できる貯蔵庫は、費用対効果が高く、地球外軌道でのペイロード質量の増加をサポートできる可能性がある。
2010年のNASAの研究では、水素化液体酸素推進剤の蒸発率を1日あたり0.1%と仮定した場合、70トンの蒸発量のため、米国政府の火星参照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あることが判明した。[15] この研究では、設計上の蒸発率を1桁以上減らす必要があることが明らかになった。
低地球軌道（LEO）の推進剤貯蔵施設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、同報告書は「宇宙空間での燃料補給に関する当時の現行概念を検討した」ものである。[ 16 ]この報告書は、LEOで宇宙船に燃料を補給するには基本的に2つのアプローチがあると判断した。 [ 16 ]
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たが、ミッションがその技術に依存するようになるには、さらなる大幅なエンジニアリング開発と宇宙空間での実証が必要になると予想されていた。どちらのアプローチも、長期的なライフサイクルコスト削減の可能性を秘めていると考えられていた。[ 16 ]
2010年、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年に開発したコンセプトである先進極低温進化ステージ（ACES）タンカーを提案した。 [ 17 ] ACESは最大73トン（161,000ポンド）の推進剤を輸送できるサイズで、初期設計では初飛行は2023年以降、推進剤タンカーとしての初期使用は2020年代半ばに開始される予定だった。[ 18 ] [ 19 ] ACESは資金提供を受けなかったが、そのアイデアの一部はバルカン・セントールロケットのセントールステージで使用された。
理論研究を超えて、少なくとも2017年以降、SpaceXは資金提供を受けて惑星間技術の開発に着手しました。惑星間ミッションのアーキテクチャは、SpaceXがNASAのアプローチで達成されたよりも火星への輸送コストを桁違いに削減することで、地球軌道外（BEO）での長期宇宙飛行を可能にする鍵となる要素の組み合わせで構成されていますが、[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]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。斬新なミッションアーキテクチャでは、SpaceXの設計は、 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長距離宇宙船がほぼすべての推進剤を消費し、その後、複数のStarshipタンカーによって軌道上で補充された後、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供給できるようにすることを目的としています。スターシップタンカーは、約100トン（220,000ポンド）の推進剤を低地球軌道に輸送するように設計されている。[ 23 ] 2021年4月、NASAは、軌道上燃料補給機能を備えたスペースXのルナ・スターシップを、最初の有人月面着陸システムとして選定した。 [ 24 ]
ロケットの大部分は打ち上げ時に推進剤であるため、推進剤貯蔵庫アーキテクチャを使用することにはいくつかの利点があると支持者は指摘している。宇宙船は燃料なしで打ち上げられるため、構造質量が少なくて済む[ 25 ]、または貯蔵庫タンカー自体が再利用可能な場合は打ち上げ時に第2段として機能する[ 23 ] 。軌道上で燃料補給の市場が作られ、最低価格で推進剤を供給する競争が行われる可能性があり、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[ 25 ] 。月面の採掘施設と併用すれば、水や推進剤を貯蔵庫に輸出することができ、推進剤のコストをさらに削減できる。[ 26 ] [ 27 ]デポアーキテクチャに基づく探査プログラムは、より低コストでより高性能になり、月、ラグランジュ点、小惑星、火星などの複数の目的地をサポートするために、 SLS [ 14 ] [ 25 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]のような特定のロケットや大型の打ち上げ装置を必要としない。[ 31 ]
2011年のNASAの研究では、ヘビーリフトローンチシステムよりも低コストで高速な代替案が示され、以下の利点が挙げられた。[ 28 ]
推進剤貯蔵庫は、1960年代半ばに宇宙輸送システムの一部として（低軌道から他の目的地へペイロードを運ぶための原子力「タグ」とともに）提案された。 [ 32 ]
2009年10月、米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で軌道上実験デモンストレーションを実施し、「推進剤の沈降と揺動、圧力制御、RL10冷却、RL10二段階停止操作の理解」を向上させた。「DMSP-18の軽量化により、軌道上デモンストレーション用に12,000ポンド（5,400kg ）の液体酸素と液体水素の推進剤が残され、これはセントールの容量の28%に相当する」 。宇宙船打ち上げ後のミッション延長は、軌道離脱燃焼を実行する前に2.4時間続いた。[ 33 ]
NASAの打ち上げサービスプログラムは、パートナーと共同でCRYOTEと呼ばれる継続的なスロッシング流体力学実験に取り組んでいる。 2010年現在ULAは、主要ペイロード分離後のセントール上段を使用して極低温流体管理技術をさらに発展させるための追加の宇宙実験も計画している。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実験が計画されている。[ 34 ] 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年にも打ち上げられる可能性があると述べた。[ 35 ] ULA CRYOTEの小規模実証は、2015年のULAの大規模極低温衛星の主力技術実証につながることを目的としている。 [ 34 ]
NASA、産業界、学術界の参加者からなるコンソーシアムである未来宇宙運用（FISO）ワーキンググループは、2010年に何度か推進剤貯蔵庫のコンセプトと計画について議論し、[ 36 ]地球低軌道を超えた有人宇宙探査のための最適な貯蔵庫の場所のプレゼンテーション、[ 37 ]よりシンプルな（単一機）第一世代推進剤貯蔵庫の提案[ 34 ]、および再利用可能な月周回輸送のための6つの重要な推進剤貯蔵庫関連技術[ 38 ]について議論した。
NASAはまた、「極低温推進剤貯蔵・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年に低軌道に打ち上げられる予定だった。[ 39 ]
CRYOSTATアーキテクチャは、以下のカテゴリの技術で構成されています。[ 39 ]
「シンプル・デポ」ミッションは、2011年にNASAによって、アトラスV 551ロケットによる2015年以降の打ち上げを予定した、最初の推進剤移送・貯蔵実証ミッションとして提案された。シンプル・デポでは、使用済みの（ほぼ空になった）セントール上段のLH 2タンクをLO 2の長期貯蔵に使用し、LH 2はシンプル・デポLH 2モジュールに貯蔵され、このモジュールには常温の気体ヘリウムのみが充填された状態で打ち上げられる予定だった。SD LH 2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、5トンのLH 2を貯蔵する予定だった。 「有効な混合比（MR）6:1では、この量のLH 2を25.7トン[ 40 ]のLO 2と組み合わせることができ、0.7トンのLH 2を蒸気冷却に使用できるため、総有効推進剤質量は30トンになります。...記載されている貯蔵庫では、1日あたり約0.1パーセントの蒸発率となり、すべて水素で構成されます。」[ 41 ]
2010年9月、ULAはAIAA Space 2010会議で、他の宇宙船が停止して燃料補給を行うための中継地点として使用できる推進剤貯蔵庫を提案する「貯蔵庫型宇宙輸送アーキテクチャ」のコンセプトを発表した。このコンセプトでは、宇宙の放射熱環境下での長期液体水素貯蔵の必然的な副産物である廃水素ガスを、太陽熱推進システムの単一推進剤として使用できるとしている。廃水素は、軌道上の位置保持と姿勢制御の両方に有効に利用されるだけでなく、貯蔵庫から燃料を受け取るために接近してくる他の宇宙船とのランデブーをより良く行うための軌道マニューバに使用できる、限られた推進剤と推力も提供する。[ 42 ]デポベース宇宙輸送アーキテクチャの一環として、ULAは先進共通進化ステージ（ACES）上段ロケットを提案している。ACESハードウェアは、低軌道以遠または惑星間ミッションに向かう途中で他のロケットが停止して燃料を補給するための中継地点として使用できる宇宙推進剤貯蔵庫として最初から設計されており、宇宙デブリの除去のための高エネルギー技術能力を提供する。[ 17 ]
2011 年 8 月、NASA は、宇宙探査のための大型打ち上げロケットの必要性を減らすために、極低温推進剤を宇宙空間に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ために 4 つの航空宇宙企業に資金を提供することで、推進剤貯蔵技術の開発に重要な契約上のコミットメントを行いました [ 1 ]。[ 43 ]極低温推進剤の貯蔵/移送および極低温貯蔵庫に関するこれらの研究契約は、 Analytical Mechanics Associates、Boeing、Lockheed Martin、およびBall Aerospaceと締結されました。各社は契約に基づき60 万米ドルを受け取ることになっていました。 [ 43 ]
2021年4月、NASAは最初の月面有人着陸システムとして、軌道上燃料補給機能を備えたSpaceXのルナ・スターシップを選定した。 [ 24 ] 2022年には、ルナ・スターシップHLS向けに、より大型の推進剤貯蔵庫を備えたスターシップが計画されていた。
推進剤貯蔵庫には設計上の課題がいくつかあり、また、軌道上サービスミッションにおいて、これまで宇宙空間で試験されていないタスクもいくつか存在する。設計上の課題には、推進剤の沈降と移送、姿勢制御と再起動のための推進剤の使用、冷凍装置／極低温冷却器の成熟度、そして冷凍機能を備えた低蒸発またはゼロ蒸発貯蔵庫に必要な電力と質量などが含まれる。
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す。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す。ULAは、DMSP -18ミッションを使用して、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、遠心推進剤沈降の飛行試験を行う予定です。[ 45 ]提案されているSimple Depot PTSDミッションでは、推進剤移送のための適切な沈降を実現するためにいくつかの技術が使用されます。[ 41 ]
重力がない場合、液体が入口から浮き上がってしまう可能性があるため、推進剤の移送はやや困難になる。
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、単目的設計の技術実証宇宙船2機間でヒドラジン推進剤の移送が成功裏に行われた。ボーイング社のサービス宇宙船ASTROが、ボール・エアロスペース社のサービス対象宇宙船NEXTSatに推進剤を移送した。どちらの宇宙船にも乗員はいなかったため、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。[ 46 ]
推進剤が顧客に引き渡された後、貯蔵庫のタンクに燃料を補充する必要があります。新しい燃料を搭載したタンカーロケットの建造と打ち上げの手配は、推進剤貯蔵庫の運営者の責任です。NASAのような宇宙機関は所有者ではなく購入者となることを望んでいるため、運営者候補としては、貯蔵庫を建設した航空宇宙企業、ロケット製造会社、宇宙燃料貯蔵庫専門会社、または推進剤を精製する石油・化学会社などが挙げられます。複数のタンカーロケットを使用することで、タンカーは貯蔵庫よりも小さく、補給対象の宇宙船よりも大きくすることができます。貯蔵庫に所属する短距離化学推進タグボートは、タンカーロケットと火星輸送機のような大型機とのドッキングを簡素化するために使用できます。
地球からロケットで到達可能な低軌道貯蔵庫と、ラグランジュ点やフォボス貯蔵庫などの深宇宙貯蔵庫との間の推進剤の移送は、太陽光発電推進（SEP）タグを使用して行うことができる。[ 47 ]
推進剤貯蔵庫への燃料補給を支援するため、現在2つのミッションが開発中または提案されている。
1962年、STデメトリアデス[ 49 ]は、大気ガスを収集して補充する方法を提案した。高度約120kmの低地球軌道 を移動するデメトリアデスの提案した貯蔵施設は、大気圏の端から空気を抽出し、圧縮して冷却し、液体酸素を抽出する。残りの窒素は、軌道を維持し、大気抵抗を補償する原子力磁気流体力学エンジンの推進剤として使用される。[ 49 ]このシステムは「PROFAC」（ PROpulsive Fluid ACcumulator ）と呼ばれた。[ 50 ]しかし、低地球軌道に原子炉を配置することには安全上の懸念がある。
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[ 51 ]。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、より高い軌道に移送する。しかし、ジョーンズの提案では、軌道上に原子炉を設置することを避けるために、軌道電力ビーム衛星 のネットワークが必要となる。
小惑星は液体酸素を供給するために加工することもできる。[ 52 ]
低地球軌道（LEO）の推進剤貯蔵庫は、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遷移にはほとんど役に立たない。必要な軌道面変更を行うためのデルタVは通常非常に大きい。一方、貯蔵庫は通常、探査ミッション用に提案されており、貯蔵庫の軌道の時間的変化を出発ベクトルに合わせるように選択できる。これにより、非常に正確なタイミングの出発を必要とする燃料消費を最小限に抑える、よく揃った出発時間を1回実現できる。よく揃った機会の前後には、同じ貯蔵庫から同じ目的地への効率の低い出発時間が存在するが、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、さらなる研究が必要である。対照的に、軌道上での燃料補給や既に軌道上にある別の宇宙船とのドッキングなしに、地上から1回の打ち上げだけで直接打ち上げると、より大型で高価なロケットが必要となるものの、毎日打ち上げの機会が得られる。[ 53 ]
出発ウィンドウに制限があるのは、低地球軌道が大きな摂動を受けやすいためです。短期間であっても、低地球軌道はノード後退や、それほど重要ではありませんが近地点歳差の影響を受けます。赤道デポはより安定していますが、到達するのがより困難です。[ 53 ]
低軌道から惑星間軌道への遷移において、3回の噴射による軌道遷移が用いられる新たなアプローチが発見されている。このアプローチでは、高度に楕円形の位相調整軌道において遠地点で軌道面を変更する。この軌道では、増分デルタvが小さく（通常、総デルタvの5%未満）、LEOのデポを利用して深宇宙の目的地へ出発することが可能となり、頻繁な出発機会が提供される。[ 54 ]より具体的には、3回の噴射による出発戦略により、ISS傾斜軌道（51度）にある単一のLEOデポから9機の宇宙機を「9つの異なる惑星間目標」へ派遣できることが示されている。「デポは出発漸近線に合わせるための位相調整操作を行う必要がない」ため、専用の小型衛星 打ち上げによる経済的メリットを惑星間ミッションにまで拡大することも可能になる。[ 55 ]
宇宙空間における極低温推進剤の蒸発は、技術的な解決策とシステムレベルの計画および設計の両方によって軽減される可能性がある。技術的な観点から言えば、受動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、太陽光やその他の熱源による蒸発を軽減、排除するか[ 45 ] 、経済的な目的で利用する必要がある[ 17 ]。非極低温推進剤の場合、蒸発は重大な設計上の問題ではない。
蒸発速度は、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体積に依存します。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蒸発速度が速くなります。一部の推進剤タンク設計では、液体水素の蒸発速度が1日あたり約0.13%（1か月あたり3.8%）と低くなっていますが、はるかに高温の極低温流体である液体酸素の蒸発速度ははるかに少なく、1日あたり約0.016%（1か月あたり0.49%）です。[ 56 ]
アクティブ熱制御システムを使用することで、極低温推進剤貯蔵におけるゼロボイルオフ（ZBO）を達成することが可能です。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) で実施された試験では、ハイブリッド熱制御システムにより極低温推進剤のボイルオフをなくすことができることが実証されました。ハードウェアは、 34層の断熱材で断熱された加圧50立方フィート (1,400 リットル)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) 極低温冷却器で構成されていました。試験流体は液体水素でした。試験タンクは、宇宙の真空をシミュレートする真空チャンバー内に設置されました。[ 57 ]
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、宇宙空間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。主なプログラム要素は、MSFCの多目的水素試験台（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実証であった。市販のクライオクーラーが既存のMHTBスプレーバーミキサーと断熱システムに接続され、流入する熱エネルギーと抽出される熱エネルギーのバランスが取れるようにした。[ 58 ]
2003 年 6 月に行われた別の NASA の火星探査構想研究では、ミッション期間が低軌道で酸素の場合は 5 日、メタンの場合は 8.5 日、水素の場合は 64 日の場合、従来の受動的な極低温貯蔵よりも質量が節約されることが示されました。ミッション期間が長くなるほど、質量の節約効果は大きくなります。極低温キセノンは、受動的な貯蔵よりもほぼ即座に質量を節約します。ZBO を稼働させるための電力がすでに利用可能な場合、損益分岐点となるミッション期間はさらに短くなり、例えば水素の場合は約 1 か月になります。タンクが大きいほど、ZBO の質量が減少する低軌道での滞在日数は少なくなります。[ 59 ]
極低温ロケット推進剤の過剰な蒸発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配送を効果的に実現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に分離するバランスの取れた精製技術と組み合わせることで、理論的には蒸発に対するシステムレベルの解決策を実現できる。このような提案は、蒸発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を代替するものではない。[ 60 ]
ユナイテッド・ローンチ・アライアンスは、極低温推進剤を太陽放射や地球放射から保護するために円錐形の太陽光シールドを使用する極低温貯蔵庫を提案している。円錐の開口部は残留熱を深宇宙の低温に放射し、閉じた円錐層は太陽と地球からの放射熱を減衰させる。[ 61 ]
その他の問題としては、水素脆化がある。これは、鉄やチタンなどの一部の金属が水素にさらされると脆くなり、破損する現象である。その結果生じる漏洩により、極低温推進剤を無重力状態で保管することが困難になる。[ 62 ]
2010年代初頭には、宇宙空間での燃料補給プロジェクトがいくつか開始された。2010年時点で、民間主導の2つのプロジェクトと政府主導の試験ミッションが、何らかの開発または試験段階にあった。。
NASAのロボット燃料補給ミッション（RRM）は2011年に開始され、2013年1月に国際宇宙ステーションの露出した施設プラットフォーム上でロボット駆動による推進剤移送実験を成功裏に完了した。 [ 63 ]
一連の実験には、多くの衛星で使用されているものと同様の推進剤バルブ、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先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の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既存の衛星のほとんどを代表するプラットフォームと燃料バルブを使用した、宇宙空間での燃料補給の最初の実証です。2007年の米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実証では、特別に作られたポンプと接続を使用して衛星間で推進剤を移送しました。」[ 63 ]
2010年3月現在 当時、リアクションコントロールシステム（RCS）流体用の小規模な燃料補給実証プロジェクトが開発中だった。カナダに拠点を置くMDAコーポレーションは2010年初頭、衛星サービス実証として軌道上で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発表した。「まだ発展途上のビジネスモデルでは、衛星に正常に追加された燃料1キログラムごとに顧客に料金を請求する可能性があり、1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運用者が期待できる追加収益の関数となる。」[ 64 ]
計画では、燃料補給機が運用中の通信衛星まで操縦し、目標衛星の遠地点キックモーターにドッキングし、目標宇宙機の熱保護ブランケットのごく一部を取り外し、燃料圧力ラインに接続して推進剤を供給する。「MDA当局者は、ドッキング操作により通信衛星が約20分間運用停止になると推定している。」[ 64 ]
2011年3月現在 MDAは、最初の実証プロジェクトで主要顧客を確保した。インテルサットは、 MDAの宇宙船が静止軌道に運ぶ2,000キログラム（4,400ポンド）の推進剤ペイロードの半分を購入することに合意した。この購入により、インテルサットの衛星最大5基の寿命が2～4年延長されることになる（各衛星に200kgの燃料が供給されると仮定した場合）。[ 65 ] 2010年3月現在 宇宙船は2015年までに通信衛星への燃料補給を開始できる状態になる可能性がある。[ 66 ] 2013年1月現在 MDAの給油ミッションに申し込んだ顧客はいなかった。[ 63 ]
2017年、MDAは衛星サービス事業を再開すると発表し、ルクセンブルクに拠点を置く衛星所有者/運営会社SES SAが最初の顧客となった。[ 67 ]
宇宙空間におけるRCS燃料移送に代わる、競争力のある設計上の選択肢が存在する。追加の推進剤を宇宙資産に持ち込み、その推進剤を目標の宇宙資産に移送することなく、姿勢制御や軌道速度の変更に利用することが可能である。
2010年代初頭から開発が進められているViviSatミッション拡張機（Mission Extension Vehicle）は、MDA SISと同様にキックモーターを介して目標衛星に接続するものの、燃料移送を行わない代替アプローチの一例を示している。むしろ、ミッション拡張機は「自身のスラスタを使用して目標衛星の姿勢制御を行う」[ 68 ] 。ViviSatは、このアプローチはMDAの推進剤移送アプローチよりもシンプルで低コストで運用でき、軌道上の約450基の静止衛星のうち、より多くの衛星（90%）とドッキングしてサービスを提供できる技術的能力を備えていると考えている[ 68 ] 。 2013年1月現在 ViviSat対応ミッションの延長を申し込んだ顧客はいなかった。[ 63 ]
2015年、ロッキード・マーティンはジュピター宇宙曳航船を提案した。建造されれば、ジュピターは低地球軌道で国際宇宙ステーションとの間で貨物輸送船を往復させ、軌道上に無期限に留まり、後続の貨物輸送モジュールを運ぶ輸送船から燃料補給を行う予定である。[ 69 ]
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Orbit Fab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国際宇宙ステーションに送り込んだ。これらの最初のテストラウンドでは、推進剤の模擬物質として水が使用された。[ 70 ] 2021年6月、Orbit Fabは、過酸化水素を搭載した最初の推進剤貯蔵庫、タンカー001テンジンを太陽同期軌道に送り込んだ。[ 71 ]
の設計概念化は、ULA で長年進行中です。セントールとデルタ極低温第 2 段 (DCSS) の両方の上段の設計機能を活用し、将来的にこれらの段を補完し、場合によっては置き換えることを意図しています。基本 ACES には、セントールまたは 4m DCSS の 2 倍の推進剤負荷が含まれ、既存の上段と比較して大幅な性能向上を実現します。基本 41 mT の推進剤負荷は、ULA の既存の上段とほぼ同じ長さの 5m の共通隔壁段に含まれています。 ACESは、多様なユーザーの打ち上げ要件を満たすためのモジュール式ロケットシステムの基盤となる。一般的なバリエーションとしては、推進剤73
トン
を搭載した延長型がある。
そのため、少し厄介です。火星への旅行のコストを 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 1/2 桁の改善に相当します。これらは 4 1/2 桁の改善を達成するために必要な主要な要素です。改善の大部分は完全な再利用性から得られ、2 ～ 2 1/2 桁の間で、残りの 2 桁は軌道上での燃料補給、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。
{{cite AV media}}: CS1メンテナンス: 場所 (リンク)年までに LO2/LH2 PTSD (推進剤移送貯蔵実証) ミッションを実施する予定。...アトラス 551 で打ち上げられる予定... [これにより] 28.5 度、200
[
海里] の円形 LEO に、セントール残渣 (LH
2
と LO
2
を合わせたもの)約 12 [トン] を供給する予定
。
蒸発した廃水素は、このタスクに最適な推進剤(基本的な太陽熱推進システムの単一推進剤として)であることがわかっています。実用的なデポは、ステーションキーピングの要求に見合う最低限の速度で水素を発生させる必要があります。
種類以上の燃料補給システム... SISは、現在静止軌道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する予定です。... SIS宇宙船は軌道上で7年間運用するように設計されているが、それよりもはるかに長く運用できる可能性が高い。ビジネスモデルの鍵は、SISが掴んで数年にわたって数十の衛星に燃料補給するために使用される交換用燃料容器をMDAが打ち上げる能力である。これらの容器はSIS機体よりもはるかに軽量であるため、打ち上げコストははるかに低くなる。
{{cite news}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)燃料補給機は、目標衛星の遠地点キックモーターにドッキングし、機体の熱保護ブランケットの一部を剥がし、燃料圧力ラインに接続して推進剤を供給する。MDA 関係者は、ドッキング操作により通信衛星が約 20 分間サービスを停止すると推定している。... サービスロボットの軌道上寿命は約 5 年で、10 回または 11 回分の衛星燃料補給または軌道清掃ミッションを実行するのに十分な燃料を搭載する。
{{cite news}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)の宇宙船が計画通りに機能すれば、インテルサットはMDAに総額約2億ドルを支払うことになる。これは、4つまたは5つ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。...業界関係者によると、この機体の初飛行はインターナショナル・ローンチ・サービス社のプロトンロケットで行われる予定だという。ある関係者によると、MDAの宇宙船は、2,000キログラムの燃料補給推進剤を含め、打ち上げ時には約6,000キログラムの重量になる見込みだという。
{{cite news}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)は、宇宙インフラサービス（SIS）機を静止軌道に近い軌道に打ち上げ、そこで燃料補給、位置変更、その他のメンテナンスが必要な商用および政府衛星にサービスを提供する予定である。... MDAとインテルサットは、今後6か月かけて仕様やその他の要件を最終決定し、両当事者がプログラムの構築段階を承認する。最初の燃料補給ミッションは、構築段階の開始から3.5年後に利用可能になる予定である。... この契約に基づきMDAがインテルサットに提供するサービスは、2億8000万米ドル以上の価値がある。
Space と ATK の 50-50 合弁事業である ViviSat は、MDA と同じキックモーター内のプローブ方式を使用して目標宇宙船に接続するが、燃料を移送しない衛星燃料補給宇宙船を販売している。代わりに、この宇宙船は新しい燃料タンクとなり、独自のスラスタを使用して目標の姿勢制御を提供する。... [ViviSat] のコンセプトは、MDA ほど進んでいない。