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再使用型宇宙船は、繰り返し打ち上げ、大気圏再突入、着陸または着水が可能な宇宙船です。これは、使用後に廃棄されるように設計された使い捨て宇宙船とは対照的です。再使用型宇宙船を運用する機関は、コストの削減と飛行頻度の向上を目指しています。[1]
再利用可能な宇宙船は、有人または無人であり、軌道上または弾道飛行が可能です。例としては、スペースシャトルやボーイング X-37Bなどのスペースプレーン、およびスペースX ドラゴンなどの宇宙カプセルがあります。ブルーオリジンのニューシェパードは弾道飛行宇宙船の例です。
歴史
1962年7月17日、ノースアメリカンX-15 ロケット機は、弾道飛行で高度95.9kmに到達した。1963年、X-15は100kmを超える高度での飛行を2回完了した。[2]これらは、再利用可能な乗り物による最初の宇宙飛行となった。[a]ジェミニSC-2カプセルは、1965年に弾道飛行を行い、1966年にもう一度弾道飛行を行った。[3]
軌道上で再利用された最初の宇宙船は、ソ連のVA宇宙船であり、より大型のTKS宇宙船の一部であったカプセルであった。1977年に打ち上げられたVAカプセルは1978年に再飛行された。[4]
スペースシャトルはNASAによると再利用できるように設計された最初の軌道宇宙船であり、1981年に初めて打ち上げられた。[5] 5機のオービターは2011年に退役するまでに135回打ち上げられた。2024年12月現在[アップデート]、スペースシャトルディスカバリー号は39回の単一宇宙船による最多宇宙飛行記録を保持している。 [6]しかし、スペースシャトル計画は、チャレンジャー号とコロンビア号の事故を受けて、宇宙へのアクセスコストを削減できなかったことと安全上の懸念があるという批判に直面した。[7] [8]
スペースXのドラゴン1号は2010年に初飛行し、軌道上から回収された最初の商業的に製造・運用される宇宙船となった。2012年、ドラゴンは国際宇宙ステーション（ISS）に取り付けられた最初の商業用宇宙船となり、その後NASAの定期的な貨物補給飛行を行った。[9]最初の再利用は2017年であり、[10]この宇宙船は2019年に初めて軌道に到達したドラゴン2号の開発につながった。ドラゴン2号は貨物と乗組員の両方を運び、NASAがこれまでに使用した宇宙船の中で最も費用対効果の高い宇宙船と言われている。[11] 2021年、ドラゴン2号は民間宇宙飛行士のみが搭乗した初の軌道飛行を行った。[12]
もう一つのロケット機であるスペースシップワンは、2004年に民間初の弾道宇宙飛行を完了し、スペースシップツーの開発につながった。ブルーオリジンのニューシェパードカプセルは、スペースシップツーと同様に商業的な弾道宇宙飛行を行っている。[b]
SpaceXのスターシップ試験機の開発飛行は2019年に始まりました。スターシップは完全に再利用可能な宇宙船と打ち上げ機の両方となる予定です。[c]スターシップの最初のブースターとの統合打ち上げは2023年に行われ、同年に宇宙に到達しました。2024年、スターシップは大気圏への再突入に成功し、インド洋での推進着水を完了しましたが、2024年12月現在、[アップデート]宇宙から無傷で回収されていません。
デザイン
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再利用可能な宇宙船は再突入に耐え、安全に地表に帰還する必要があります。この目的のために専用に設計されたハードウェアの質量によって、潜在的なペイロード質量が減少します。
大気圏突入
軌道上の宇宙船は軌道離脱噴射を開始し、大気圏突入に向けて姿勢を整える。ボーイング・スターライナーとオリオンは操縦用エンジンを含むサービスモジュールを廃棄する。スペースXドラゴンは太陽電池パネルとラジエーターを含むトランクを廃棄するが、ドラコエンジンはカプセル内に保持される。[13]スペースシャトルは宇宙船全体を回収したことで有名である。
一般的に、着陸時の機体の重量の約 15% は熱シールドです。[14] 熱防護システム(TPS) は、強化炭素炭素やアブレーション材料など、さまざまな材料で作ることができます。[15]歴史的に、これらの材料は最初に弾道ミサイル再突入機 で開発されました。ただし、再利用可能な宇宙システムの要件は、特に熱シールドの要件に関して、使い捨ての再突入機の要件とは異なります。特に、複数の熱サイクルに耐えることができる耐久性のある高放射率コーティングの必要性は、新しい再利用可能な宇宙船の開発における重要な要件を構成します。このような高放射率コーティングの現在の材料には、遷移金属二ケイ化物が含まれます。[16]
アブレーション熱シールドは信頼性が高いが、重く、使用すると劣化する。スペースシャトルで使用されているような強化カーボンカーボン熱タイルは壊れやすく、コロンビア号の事故の一因となった。スペースシャトルではLI-900素材が使用されていた。
着陸と改修
軌道からの滑走路着陸は、スペース シャトルの導入により一般的になりました。滑走路に水平に着陸するスペースプレーンには、揚力面と着陸装置が必要です。設計には、スペース シャトルのデルタ翼やドリーム チェイサーの 揚力体があります。スペースプレーンには、スペース シャトルの打ち上げ中止モードを考慮する必要がある、十分に長い滑走路へのアクセスが必要です。
最初の回収可能な宇宙カプセルはパラシュートで地上に着陸するか、水面に着水して着陸した。地上着陸には追加の緩衝材が必要で、スターライナーは展開式エアバッグでこれを実現している。これはオリオンでも検討されたが、余分な質量が必要になるため却下された。[17]弾道飛行型のニューシェパードは、着陸直前に逆噴射ロケットで減速するが、この技術は使い捨てのソユーズで1960年代から使用されている。着水することで水が宇宙船の緩衝材となるが、塩水にさらされると宇宙船に悪影響を与える可能性がある。[18] [19]それにもかかわらず、スペースXは着水後のドラゴンカプセルを定期的に再利用し始めた。 [20]
ドラゴン2号は元々スーパードラコエンジンを使用して推進着陸するように設計されていたが、ドラゴンの推進着陸はキャンセルされ[d]、ドラゴン2号は海に着水するためにパラシュートも使用している。[22]スターシップはラプターエンジンを使用して推進着陸するように設計されている。スーパーヘビーブースターと同様に、発射塔に「キャッチ」されることを目指している。これにより、従来の着陸脚が不要になり、打ち上げ間のターンアラウンドタイムを短縮することを目指している。[23]
宇宙船が回収された後、次の飛行の前に改修が必要になる場合があります。宇宙船の設計によっては、このプロセスは長くて費用がかかる可能性があり、宇宙船を退役させる前に改修できる回数に制限がある場合があります。[24]
再利用可能な宇宙船のリスト
運用
開発中
引退
提案
キャンセル
参照
注記
- ^ 米国では宇宙飛行を80km以上と定義しているが、FAIでは100kmが国際的に認められている。
- ^ スペースシップツーは高度80kmを超えたが、100kmには達していない
- ^ 宇宙船と打ち上げ機全体はスターシップと名付けられている
- ^ クルードラゴンはパラシュートが故障した場合でも推進着陸する能力を保持している。[21]
- ^ X-37はオプションで消耗品のサービスモジュールを搭載できる[29]
- ^ スターシップは2024年に宇宙に到達したが、部分的にしか回収されなかった
- ^ 孟州の試作機は2020年に無人試験飛行を完了した
- ^ X-15は1962年7月17日に高度95.9kmに到達した。1963年7月19日には高度106.1kmに到達した。
- ^ ジェミニSC-2は2回の弾道飛行に使用され、そのクラスの宇宙船が軌道飛行可能であることが証明された。[2]
- ^ VA宇宙船は乗組員を運ぶように設計されたが、これは証明されなかった。
- ^ ブランは再利用できるように設計され回収されたが、宇宙飛行は1回しか完了しなかった。
- ^ ブランは宇宙飛行士を運ぶために設計されたが、これは証明されなかった。
- ^ スペースシップツーは高度80kmを超えたが、100kmには達しなかった
参考文献
- ^ リンコン、ポール（2023年4月17日）。「イーロン・マスクの宇宙船スターシップとは？」BBC 。 2024年12月1日閲覧。
- ^ abc ヘガー、ゲイリー（2020年8月22日）。「最初の再利用可能な宇宙船：カルマン線を超えて飛行するX-15」ドリュー・エクス・マキナ。
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