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無人宇宙船またはロボット宇宙船とは、人が搭乗していない宇宙船のことです。無人宇宙船は、遠隔操作や遠隔誘導など、人間の介入に対する自律性のレベルが異なる場合があります。また、事前にプログラムされた一連の操作を、特に指示がない限り実行する自律型宇宙船もあります。科学観測用のロボット宇宙船は、宇宙探査機または宇宙観測所と呼ばれることがよくあります。
コストとリスク要因が低いため、多くの宇宙ミッションは有人運用よりも遠隔操作ロボットによる運用に適しています。さらに、現在の技術では、金星や木星近傍などの惑星は人間の生存には過酷すぎます。土星、天王星、海王星などの外惑星は、現在の有人宇宙飛行技術では到達するには遠すぎるため、遠隔操作ロボットによる探査が唯一の方法です。遠隔操作ロボットは、宇宙船を滅菌できるため、地球の微生物による汚染を受けやすい領域を探査することも可能にします。人間は多数の微生物と共存しているため、宇宙船と同じように滅菌することはできません。また、これらの微生物を宇宙船や宇宙服内に封じ込めることも困難です。
初の無人宇宙ミッションは、1957年10月4日に地球周回軌道に打ち上げられたスプートニクでした。ほぼすべての人工衛星、着陸機、探査車はロボット宇宙船です。すべての無人宇宙船がロボット宇宙船というわけではありません。例えば、反射球はロボットではない無人宇宙船です。人間以外の動物が搭乗する宇宙ミッションは、無人ミッションと呼ばれます。
多くの居住可能な宇宙船には、様々なレベルのロボット機能が搭載されている。例えば、宇宙ステーションのサリュート7号とミール、そして国際宇宙ステーションのモジュールであるザーリャは、補給船や新しいモジュールとの遠隔誘導による位置保持やドッキング操作が可能だった。無人補給船は、有人宇宙ステーションでの利用がますます増えている。
最初のロボット宇宙船は、 1951年7月22日にソビエト連邦（USSR）によって打ち上げられ、デジクとツィガンという2匹の犬を乗せた準軌道飛行が行われた。[ 1 ] 1951年の秋までに、同様の飛行がさらに4回行われた。
最初の人工衛星スプートニク1号は、1957年10月4日にソ連によって215×939キロメートル（116×507海里）の地球周回軌道に投入された。 1957年11月3日、ソ連はスプートニク2号を軌道に乗せた。113キログラム（249ポンド）のスプートニク2号は、動物を初めて軌道に乗せた犬、ライカを運んだ。[ 2 ]この衛星は打ち上げロケットの上段から分離するように設計されていなかったため、軌道上での総質量は508.3キログラム（1,121ポンド）だった。[ 3 ]
ソ連との熾烈な競争の中、アメリカ合衆国は1958年1月31日、初の人工衛星エクスプローラー1号を357×2,543キロメートル（193×1,373海里）の軌道に打ち上げた。エクスプローラー1号は長さ205センチメートル（80.75インチ） 、直径15.2センチメートル（6.00インチ）の円筒形で、重さは14.0キログラム（30.8ポンド）だった。一方、スプートニク1号は直径58センチメートル（23インチ）の球形で、重さは83.6キログラム（184ポンド）だった。エクスプローラー1号には、当時としては大きな科学的発見であったヴァン・アレン帯の存在を確認するセンサーが搭載されていたが、スプートニク1号には科学センサーは搭載されていなかった。 1958年3月17日、米国は2番目の人工衛星であるヴァンガード1号を軌道に乗せた。ヴァンガード1号はグレープフルーツほどの大きさで、2016年現在も670×3,850キロメートル（360×2,080海里）の軌道上に留まっている。 。
最初の月探査機は、 1958年9月23日に打ち上げられたルナE-1号だった。月探査の目標は、1959年1月4日にルナ1号が月と太陽の周回軌道に乗るまで、何度も失敗を繰り返した。
The success of these early missions began a race between the US and the USSR to outdo each other with increasingly ambitious probes. Mariner 2 was the first probe to study another planet, revealing Venus' extremely hot temperature to scientists in 1962, while the Soviet Venera 4 was the first atmospheric probe to study Venus. Mariner 4's 1965 Mars flyby snapped the first images of its cratered surface, which the Soviets responded to a few months later with images from on its surface from Luna 9. In 1967, America's Surveyor 3 gathered information about the Moon's surface that would prove crucial to the Apollo 11 mission that landed humans on the Moon two years later.[4]
The first interstellar probe was Voyager 1, launched 5 September 1977. It entered interstellar space on 25 August 2012,[5] followed by its twin Voyager 2 on 5 November 2018.[6]
Nine other countries have successfully launched satellites using their own launch vehicles: France (1965),[7] Japan[8] and China (1970),[9] the United Kingdom (1971),[10] India (1980),[11] Israel (1988),[12] Iran (2009),[13] North Korea (2012),[14] and South Korea (2022).[15]
In spacecraft design, the United States Air Force considers a vehicle to consist of the mission payload and the bus (or platform). The bus provides physical structure, thermal control, electrical power, attitude control and telemetry, tracking and commanding.[16]JPL divides the "flight system" of a spacecraft into subsystems.[17] These include:
The physical backbone structure, which
This is sometimes referred to as the command and data subsystem. It is often responsible for:
このシステムは、重力勾配効果、磁場トルク、太陽放射、空気抵抗などの外部擾乱にもかかわらず、宇宙船の正しい姿勢（姿勢）を維持する役割を主に担っています。さらに、アンテナや太陽電池アレイなどの可動部品を再配置する必要が生じる場合もあります。[ 18 ]
統合センシングは、画像変換アルゴリズムを組み込んで、直近の画像地上データを解釈し、安全な着陸を妨げる可能性のある地形上の危険をリアルタイムで検知して回避し、ランドマーク位置特定技術を使用して目的の地点への着陸精度を高めます。統合センシングは、事前に記録された情報とカメラを利用して、その位置を理解し、位置が正しいか、修正が必要かを判断することで、これらのタスクを完了します（位置特定）。カメラはまた、燃料消費量の増加や、クレーターや崖の斜面など着陸に適さない場所といった物理的な危険など、着陸を非常に困難にする可能性のあるあらゆる危険を検出するためにも使用されます（危険評価）。
ロボット宇宙船を用いた惑星探査ミッションでは、惑星表面への着陸を安全かつ成功裏に行うために、着陸プロセスには 3 つの重要な部分があります。[ 19 ]このプロセスには、惑星の重力場と大気への突入、科学的に価値のある目的/目標領域への大気圏の降下、そして宇宙船に搭載された機器の完全性が維持されることを保証する安全な着陸が含まれます。ロボット宇宙船がこれらの部分を通過する間、自己制御と操縦能力を確実にするために、表面に対する位置を推定できる必要もあります。また、ロボット宇宙船は、危険を回避するために、リアルタイムで危険評価と軌道調整を効率的に実行する必要があります。これを実現するには、ロボット宇宙船は、表面に対する宇宙船の位置 (位置特定)、地形から危険となる可能性のあるもの (危険評価)、および宇宙船が現在向かうべき方向 (危険回避) について正確な知識が必要です。位置特定、危険評価、回避のための操作能力がなければ、ロボット宇宙船は安全性を失い、地表衝突、望ましくない燃料消費レベル、危険な操縦など、危険な状況に陥りやすくなる。
通信サブシステムの構成要素には、無線アンテナ、送信機、受信機が含まれます。これらは、地球上の地上局や他の宇宙船との通信に使用できます。[ 20 ]
宇宙船の電力供給は、一般的に太陽電池または放射性同位体熱電発電機から行われます。サブシステムの他のコンポーネントには、電力を蓄えるためのバッテリーと、コンポーネントを電源に接続する配電回路が含まれます。[ 21 ]
宇宙船は、断熱材によって温度変動から保護されることが多い。一部の宇宙船は、太陽熱からさらに保護するために鏡や日よけを使用している。また、微小隕石や軌道上のデブリから保護する必要があることも多い。[ 22 ]
宇宙船の推進とは、推力を発生させて宇宙船を前進させることで宇宙空間を移動させる方法である。 [ 23 ]しかし、単一推進剤、二元推進剤、イオン推進など、普遍的に使用されている推進システムは存在しない。各推進システムは異なる方法で推力を発生させ、それぞれに長所と短所がある。
現在、宇宙船の推進力の大部分はロケットエンジンに基づいています。ロケットエンジンの基本的な原理は、酸化剤が燃料源と接触すると、エネルギーと熱が高速で爆発的に放出され、宇宙船を前進させるというものです。これは、ニュートンの第三法則として知られる基本的な原理に基づいています。ニュートンによれば、「すべての作用には、それと等しく反対向きの反作用がある」のです。宇宙船の後部からエネルギーと熱が放出されると、ガス粒子が押し出され、宇宙船が前進します。現在、ロケットエンジンが広く使われている主な理由は、ロケットが最も強力な推進力だからです。
推進システムが機能するには、通常、酸化剤ラインと燃料ラインが必要です。このようにして、宇宙船の推進が制御されます。しかし、単一推進剤推進では、酸化剤ラインは必要なく、システムに必要なのは燃料ラインだけです。[ 24 ]これは、酸化剤が燃料分子自体に化学的に結合しているために機能します。しかし、推進システムを制御するには、触媒の存在によってのみ燃料の燃焼が起こります。これは、ロケットエンジンを軽量化し、コストを削減し、制御を容易にし、信頼性を高めるという利点があります。しかし、欠点は、この化学物質の製造、保管、輸送が危険であることです。
二液推進システムは、液体推進剤を使用するロケットエンジンです。[ 25 ]これは、酸化剤と燃料ラインの両方が液体状態であることを意味します。このシステムは、点火システムを必要としないという点で独特です。2つの液体は互いに接触するとすぐに自然発火し、宇宙船を前進させる推進力を生み出します。この技術の主な利点は、これらの種類の液体は比較的密度が高いため、推進剤タンクの容積を小さくすることができ、スペース効率が向上することです。欠点は、単一推進剤推進システムと同じで、製造、保管、輸送が危険であることです。
イオン推進システムは、電子の衝突またはイオンの加速によって推力を発生させるエンジンの一種です。[ 26 ]高エネルギー電子を推進剤原子（中性）に照射すると、推進剤原子から電子が除去され、推進剤原子は正に帯電します。高電圧で動作する正に帯電したイオンは、何千もの正確に整列した穴を含む正に帯電したグリッドを通過します。整列した正に帯電したイオンは、負に帯電した加速グリッドを通過することでさらに加速され、最大で毎秒 40 キロメートル (90,000マイル)の速度になります。これらのイオンの運動量が宇宙船を推進する推力となります。この種の推進方式の利点は、深宇宙旅行に必要な一定速度を維持するのに非常に効率的であることです。ただし、発生する推力は非常に小さく、動作には相当な電力が必要です。
機械部品は、打ち上げ後または着陸前に展開するために移動する必要がある場合が多い。モーターの使用に加えて、多くの単発的な動作は火工品装置によって制御される。[ 27 ]
ロボット宇宙船は、特定の過酷な環境向けに特別に設計されたシステムです。[ 28 ]特定の環境向けに設計されているため、複雑さや機能が大きく異なります。一方、無人宇宙船は、人員や乗組員がおらず、自動制御（人間の介入なしに動作を進める）または遠隔制御（人間の介入あり）で操作される宇宙船です。「無人宇宙船」という用語は、宇宙船がロボットであることを意味するものではありません。
ロボット宇宙船はテレメトリを使用して、取得したデータと機体の状態情報を地球に無線で送信します。一般的に「遠隔操作」または「テレロボティック」と呼ばれていますが、スプートニク1号やエクスプローラー1号などの初期の軌道宇宙船は、地球からの制御信号を受信しませんでした。これらの最初の宇宙船の後すぐに、地上からの遠隔制御を可能にするコマンドシステムが開発されました。光の伝搬時間によって地球からの迅速な意思決定と制御が妨げられる遠方の探査機にとって、自律性の向上は重要です。カッシーニ・ホイヘンスや火星探査ローバーなどの新しい探査機は高度に自律的で、搭載コンピューターを使用して長期間独立して動作します。[ 29 ] [ 30 ]
宇宙探査機は、地球を周回するのではなく、宇宙空間を探査するロボット宇宙船です。宇宙探査機には、さまざまな科学機器が搭載されています。宇宙探査機は、月に接近したり、惑星間空間を移動したり、他の惑星をフライバイ、周回、または着陸したり、星間空間に入ったりすることができます。宇宙探査機は収集したデータを地球に送信します。宇宙探査機は、目標から物質を採取して地球に持ち帰ることもできます。[ 31 ] [ 32 ]
探査機が地球の近傍を離れると、その軌道は地球の軌道に似た太陽周回軌道に沿って進む可能性が高い。別の惑星に到達する最も単純な実用的な方法は、ホーマン遷移軌道である。重力スイングバイなどのより複雑な技術は、燃料効率が良い場合があるが、探査機が移動に費やす時間が増える可能性がある。デルタVが大きいミッション（軌道傾斜角が大きく変化するミッションなど）は、重力スイングバイを使用してのみ実行できる。推進力はほとんど必要としないが、かなりの時間を要する技術として、惑星間輸送ネットワーク上の軌道をたどる方法がある。[ 33 ]
宇宙望遠鏡または宇宙天文台は、宇宙空間に設置され、天体を観測するために使用される望遠鏡です。宇宙望遠鏡は、観測対象の電磁波のフィルタリングや歪みを回避し、地上の天文台が直面する光害も回避します。宇宙望遠鏡は、全天をマッピングする衛星（天文調査）と、特定の天体や空の一部、あるいはそれ以遠に焦点を当てる衛星の2種類に分けられます。宇宙望遠鏡は、地球に向けて衛星画像を作成する地球画像衛星とは異なり、気象分析、偵察、その他の情報収集に利用されます。
貨物宇宙船または補給宇宙船は、食料、推進剤、機器などの物資を有人宇宙ステーションに輸送するために設計されたロボット機である。この点が、主に科学探査を目的とする宇宙探査機との違いである。
自動貨物宇宙船は1978年以来、宇宙ステーションへの物資輸送を行っており、サリュート6号、サリュート7号、ミール、国際宇宙ステーション（ISS）、天宮宇宙ステーションなどのミッションを支援してきた。
現在、ISSは4種類の貨物宇宙船に依存している。日本のHTV-X、ロシアのプログレス[ 34 ]、アメリカのカーゴドラゴン2 [ 35 ] [ 36 ]、シグナス[ 37 ]である。欧州の自動輸送機は2008年から2015年まで使用されていた[ 38 ] 。中国の天宮宇宙ステーションは天舟のみによって物資が供給されている[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] 。
アメリカン・ドリーム・チェイサーは2004年から開発が進められている。2025年現在、最初の軌道試験飛行は2026年に予定されているが、ISSへの補給ミッションの契約はもはや存在しない。[ 42 ]
2023年以来、ESAは地球に帰還可能な貨物宇宙船を1機以上開発するためのLEO貨物帰還サービス構想を推進している。 [ 43 ]
中国は天宮宇宙ステーションを支援する天舟を補完する2つの新しい貨物宇宙船を開発している。青舟は耐熱シールドのない小型の与圧宇宙船であり、昊龍は再利用可能な宇宙飛行機である。[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]
1957年11月にスプートニク2号に片道旅行で乗せられて打ち上げられたこの動物は、打ち上げから約1週間後に軌道上で苦痛なく死亡したと言われていた。しかし、実際にはミッション開始からわずか数時間後に過熱とパニックで死亡したことが明らかになった。
地球と宇宙船の間、宇宙船を介してまたは宇宙に設置された人工手段 (針の帯、電離粒子の雲など) を使用して地球上の 2 つ以上の地点間、および 2 つ以上の宇宙船間で情報を伝送すること。
現在の宇宙ミッションでは、機上自律性に対する要求が急速に高まっています。これは、ミッションの複雑さ、ミッション活動の強度、およびミッション期間の増加によるものです。さらに、惑星間宇宙船の場合、その運用は、距離が長く、関連する太陽系環境のため、地上管制へのアクセスが複雑であるという特徴があります[…] これらの問題に対処するために、宇宙船の設計には何らかの形の自律制御機能を含める必要があります。
地球との通信は火星の1日（ソル）につき2回しかないため、探査車は火星の地形を横断する旅の大部分を自律的に行っています。科学者は午前中の「アップリンク」で探査車にコマンドを送信し、午後の「ダウンリンク」でデータを収集します。アップリンク中、探査車はどこに行くべきかを指示されますが、そこに行く正確な方法は指示されません。代わりに、コマンドには目的の目的地に向かうウェイポイントの座標が含まれています。探査車は人間の助けなしにウェイポイントからウェイポイントへとナビゲートする必要があります。探査車はこれらの場合、「脳」と「目」を使用する必要があります。各探査車の「頭脳」は、搭載されたコンピュータソフトウェアであり、ハズカム（危険回避カメラ）が捉えた映像に基づいて探査車にナビゲーション方法を指示します。このソフトウェアには、特定の状況に対する一連の応答がプログラムされています。これは「自律走行と危険回避」と呼ばれます。
