空間建築

国際宇宙ステーション（ISS）はアメリカンフットボール場ほどの大きさで、乗組員は6名です。居住容積は358 m³で、アメリカの18輪トラック2台の荷台よりも広い内部空間があります。^{[ 20 ]} しかし、宇宙ステーションの微小重力環境のため、壁、床、天井が明確に区切られているとは限らず、加圧されたエリアはすべて居住空間および作業空間として使用できます。国際宇宙ステーションは現在も建設中です。モジュールは、スペースシャトルが運用停止されるまで主にスペースシャトルを使用して打ち上げられ、宇宙ステーションに搭乗している作業クルーの助けを借りてスペースシャトルのクルーによって組み立てられました。ISSモジュールは、直径4.6メートルの円筒形のシャトルのペイロードベイにぎりぎり収まるように設計および製造されることがよくありました。^{[ 21 ]}

宇宙ステーションでの生活は、地球での生活とはいくつかの非常に興味深い点で異なっています。宇宙飛行士はよく物を互いに「浮かせる」ようにしています。たとえば、クリップボードを軽く押すと、部屋の向こう側の受信機まで滑るように移動します。実際、宇宙飛行士はこの習慣に慣れすぎて、地球に帰還するとそれがもう機能しないことを忘れてしまうことがあります。^{[ 22 ]} ISSの宇宙飛行士の食事は、参加国の宇宙食の組み合わせです。各宇宙飛行士は、飛行前に個別のメニューを選択します。多くの食事の選択は、宇宙飛行士の文化的な違いを反映しており、朝食はベーコンと卵と魚製品（それぞれ米国とロシア）です。^{[ 23 ]} 最近では、日本の牛肉カレー、キムチ^{[ 24 ]}、メカジキ（リビエラ風）などの珍味が、この軌道上の前哨基地で提供されています。^{[ 25 ]} ISSの食料の多くは乾燥食品かMREスタイルのパウチに密封されているため、宇宙飛行士はシャトルやプログレス補給ミッションで比較的新鮮な食料を受け取ることを非常に楽しみにしている。食料は、食品がテーブルに収まるようにすることで微小重力下での食事を容易にするパッケージに保管されている。使用済みのパッケージやゴミは回収して、廃棄用の宇宙船に積み込む必要がある。 廃棄物管理は、地球上ほど単純ではない。ISSには、宇宙飛行士のお気に入りの余暇活動の1つである地球や宇宙を観察するための窓が多数ある。太陽は90分ごとに昇るため、24時間の睡眠サイクルを維持するために「夜」には窓が覆われる。

スペースシャトルが低軌道で運用されている間、ISSは緊急事態発生時の安全避難所として機能します。ISSの宇宙飛行士は、ミッションに支障をきたすような事態が発生した場合、スペースシャトルの乗組員に避難場所を提供するよう求められる可能性があるという心構えで活動しています。最新のハッブル宇宙望遠鏡修理ミッションでは、軌道傾斜角の違いによりISSの安全性を頼りにすることができなかったため、予備のスペースシャトルが発射台に呼び出されました。国際宇宙ステーションは、多くの国々の協力によるプロジェクトです。船内の雰囲気は多様性と寛容に満ちています。しかし、これは完全に調和が取れているという意味ではありません。宇宙飛行士は、地球上の同僚と同じように、不満や人間関係のいざこざを経験します。

宇宙ステーションでの典型的な一日は、乗組員居住区の防音個室で午前 6 時に起床することから始まるかもしれません。^{[ 26 ]} 宇宙では向きは関係ないので、宇宙飛行士はおそらく寝袋が壁に直立した状態で結び付けられているのを見つけるでしょう。宇宙飛行士の太ももは垂直から約 50 度持ち上げられます。^{[ 27 ]} これは無重力状態でのニュートラルな体の姿勢であり、地球で一般的なように「座る」または「立つ」ことは非常に疲れるでしょう。個室から這い出した宇宙飛行士は、その日の科学実験、ミッションコントロール会議、地球人とのインタビュー、そしておそらく宇宙遊泳やスペースシャトルの到着について他の宇宙飛行士と話すかもしれません。

ビゲロー・エアロスペースは、膨張式宇宙構造に関するトランスハブ構想の開発でNASAが保有していた2つの特許を取得するという独自の措置を講じた。同社は現在、膨張式モジュール技術の商業開発に関する独占的権利を有している。^{[ 28 ]} 2006年7月12日、実験用宇宙居住モジュール「ジェネシスI」が低地球軌道に打ち上げられた。 ジェネシスIは、生命科学実験のペイロードを搭載しながらも、膨張式宇宙構造の基本的な実現可能性を実証した。2番目のモジュール「ジェネシスII」は2007年6月28日に軌道に打ち上げられ、前身モジュールに比べていくつかの改良点がテストされた。これらの改良点には、リアクションホイールアセンブリ、誘導用の精密測定システム、9台の追加カメラ、モジュール膨張のための改良されたガス制御、改良されたオンボードセンサー群などが​​含まれる。^{[ 29 ]}

ビゲローの建築は依然としてモジュール式ですが、膨張式の構成により、剛性モジュールよりもはるかに大きな内部容積を実現できます。ビゲローのフルスケール生産モデルであるBA-330は、ISSで最大のモジュールの2倍以上の容積を持っています。膨張式モジュールは剛性モジュールにドッキングでき、乗組員の居住区や作業区に特に適しています。NASAは10年以上前にTranshabのコンセプトを放棄した後、2009年にビゲローのモジュールをISSに取り付けることを検討し始めました。^{[ 30 ]} モジュールは構造的サポートのために固体の内部コアを持つ可能性が高いです。周囲の使用可能なスペースは、さまざまな部屋やフロアに分割できます。ビゲローの拡張可能活動モジュール（BEAM）は、 SpaceX CRS-8貨物ミッション中にSpaceX Dragonの非加圧貨物トランク内に搭載され、2016年4月10日にISSに輸送されました。^{[ 31 ]}

ビゲロー・エアロスペースは、多くのモジュールを独自に打ち上げ、独自の宇宙開発計画に資金を投入できないさまざまな企業、組織、国にその使用をリースすることを選択するかもしれない。このスペースの考えられる用途には、微小重力研究や宇宙製造などがある。あるいは、部屋、天文台、あるいはレクリエーション用のパッド付きジムとして多数のビゲローモジュールで構成されたプライベート宇宙ホテルが実現するかもしれない。このようなモジュールを太陽系での長期宇宙ミッションの居住区として使用する選択肢もある。宇宙飛行の驚くべき点の1つは、宇宙船が大気圏を離れると、空力形状は問題にならないということだ。たとえば、宇宙ステーション全体に月遷移軌道投入を行い、月をフライバイさせることも可能だ。ビゲローは、モジュールを月面および火星表面システム向けに改造する可能性も示唆していた。しかし、同社は2020年3月以降事業を停止している。^{[ 32 ]}

月への航海中、アポロ宇宙飛行士は司令船（CM）または月着陸船（LM）の2つの「部屋」から選択することができた。2つのモジュール間の移動は、加圧されたドッキングトンネルを介して可能だった。司令船には、3枚の厚いガラス板でできた5つの窓があった。アルミノケイ酸塩でできた内側の2枚のガラス板は、船内の空気が宇宙に漏れないようにしていた。外側のガラス板は、デブリシールドとして、また大気圏再突入に必要な耐熱シールドの一部として機能した。CMは、飛行を成功させるために必要なすべてのシステムを備えた高度な宇宙船だったが、内部容積が6.17 m ³であるため、3人の宇宙飛行士にとっては窮屈に思えた。その設計上の弱点の1つは、宇宙トイレがなかったことである。^{[ 34 ]}

月着陸船は2段式でした。加圧された上段は上昇段と呼ばれ、宇宙空間の真空中でしか作動できないため、最初の真の宇宙船でした。下降段には、降下用のエンジン、着陸装置とレーダー、燃料と消耗品、有名な梯子、そして後のアポロ計画では月面探査車が搭載されていました。段式化の目的は、飛行後半で質量を減らすことであり、地球から打ち上げられる多段式ロケットと同じ戦略です。月着陸船の操縦士は、月への降下中に立ち上がりました。着陸は自動制御で行われ、手動バックアップモードも備えていました。月着陸船にはエアロックがなかったため、宇宙飛行士を月面に歩かせるには、船内全体を避難させる（宇宙空間に空気を排出する）必要がありました。生存するためには、この時点で月着陸船に乗っている2人の宇宙飛行士は宇宙服を着なければなりませんでした。月着陸船は、設計された目的を十分に果たしました。しかし、設計プロセス全体を通して、大きな未知数が残っていた。それは、月の塵の影響である。

月面を歩いたすべての宇宙飛行士は、月の塵を月面に持ち込み、月着陸船（LM）を汚染し、その後、月周回軌道ランデブーの際に司令船（CM）も汚染した。これらの塵粒子は真空状態では払い落とすことができず、アポロ16号のジョン・ヤングは、まるで小さなカミソリの刃のようだと表現した。人類が月面で生活するためには、塵対策は真剣に取り組むべき多くの課題の一つであることがすぐに認識された。

2004年の宇宙探査ビジョンに続く探査システムアーキテクチャ研究では、アポロ計画の機体と同様の能力を持ちながら、いくつかの重要な点で異なる新型機の開発が推奨された。スペースシャトル計画の人員と地上インフラの一部を維持するため、打ち上げ機にはシャトル由来の技術が使用されることになっていた。また、乗員と貨物を同じロケットで打ち上げるのではなく、小型のアレスIで乗員を打ち上げ、大型のアレスVでより重い貨物を運ぶことになっていた。2つのペイロードは地球低軌道でランデブーし、そこから月に向かう予定だった。アポロ月着陸船は月の極域に到達するのに十分な燃料を搭載できなかったが、アルタイル月着陸船は月のあらゆる場所にアクセスできるように設計されていた。アルタイルと地上システムはコンステレーション計画の実現に等しく必要だったものの、 2010年のスペースシャトル退役後、米国が軌道へのアクセスを失う期間を短縮するために、オリオン宇宙船の開発に重点が置かれた。

NASAでさえ、コンステレーションのアーキテクチャを「ステロイドを投与したアポロ」と表現している。^{[ 35 ]}それにもかかわらず、実績のあるカプセル設計への回帰は多くの人々に歓迎された。^{[ 36 ]}

ヴェルナー・フォン・ブラウンは、有人火星探査のための技術的に包括的な提案を最初に考案した人物である。アポロ計画のような最小限のミッションではなく、フォン・ブラウンは10機の巨大な宇宙船からなる艦隊に70人の宇宙飛行士を乗せる構想を練った。各宇宙船は地球低軌道で建造され、1機が完全に組み立てられるまでに100回近くの打ち上げが必要となる。7機は乗員用、3機は貨物船として指定される。火星への航行中、乗員と物資を船間で輸送するための小型「ボート」の設計もあり、航行は最小限のエネルギーでホーマン遷移軌道をたどる予定だった。このミッション計画では、片道約8ヶ月の航行時間と火星での長期滞在が想定されており、宇宙空間での長期居住施設が必要となる。火星に到着すると、艦隊は火星軌道に減速し、7機の有人宇宙船が地球への帰還準備が整うまでそこに留まる予定だった。貨物船に格納された着陸グライダーと、それに付随する上昇ステージのみが火星表面に移動する。グライダーのさらなる着陸を容易にするため、着陸滑走路とともに膨張式居住施設が火星表面に建設される。フォン・ブラウンの提案では、必要な推進剤と消耗品はすべて地球から運ばれることになっていた。ミッション中、一部の乗組員は火星の軌道上からの観測と船の維持のために旅客船に残る。旅客船には直径20メートルの居住球があった。平均的な乗組員はこれらの船で多くの時間を過ごすことになるため（約16ヶ月の航行と火星軌道での交代勤務を含む）、船の居住施設の設計はこのミッションの不可欠な部分であった。^{[ 40 ]}

フォン・ブラウンは、無重力状態に長時間さらされることによる脅威を認識していた。彼は、乗客船を繋ぎ合わせて共通の重心を中心に回転させるか、あるいは船団の横を漂う自己回転するダンベル型の「重力セル」を各乗組員に毎日数時間の人工重力を与えることを提案した。^{[ 41 ]} フォン・ブラウンの提案当時、地球外の太陽放射線の危険性についてはほとんど知られておらず、宇宙放射線の方がより手ごわい課題だと考えられていた。^{[ 40 ]} 1958年のヴァン・アレン帯 の発見は、地球が高エネルギーの太陽粒子から遮蔽されていることを示した。ミッションの地表部分では、膨張式の居住施設は居住空間を最大化したいという願望を示している。フォン・ブラウンは、探検隊のメンバーを、船舶間の往来や交流が多いコミュニティの一員と考えていたことは明らかである。

ソビエト連邦は火星の有人探査の研究を行い、1960年と1969年に、やや規模は小さいものの（ただし、斬新な技術は豊富に盛り込まれていた）ミッション設計を考案した。^{[ 42 ]} 最初の計画では、惑星間航行に電気推進、動力源として原子炉が用いられた。有人宇宙船と原子炉を組み合わせた宇宙船では、放射線安全のため、原子炉は通常、乗員居住区から最大限離れた場所、多くの場合、長い棒の先端に配置される。1960年のミッションの興味深い要素は、地表構造であった。不整地用の車輪を備えた「列車」が、着陸した研究モジュールを組み立てる予定で、そのうちの1つが乗員居住区であった。この列車は火星の南極から北極まで地表を横断する予定で、これは今日の基準から見ても非常に野心的な目標であった。^{[ 43 ]} TMK などの他のソビエト連邦の計画では、火星の地表への着陸に伴う莫大な費用を避け、有人火星フライバイを提唱した。アポロ8号のようなフライバイミッションは、着陸よりもリスクが少なく、人類の存在を他の惑星に広げます。初期のソ連の提案のほとんどは、不運なN1ロケットを使用した打ち上げを求めていました。また、通常はアメリカのものよりも乗組員が少なかったです。^{[ 44 ]} 初期の火星建築コンセプトは、一般的に地球低軌道での組み立て、必要な消耗品の地球からの持ち込み、作業エリアと居住エリアの指定を特徴としていました。現代の火星探査の見方はこれとは異なります。

火星に人間を着陸させ、生存させ、地球に帰還させるために必要なものを真剣に研究すると、ミッションに必要な総質量は実に驚くべきものとなる。問題は、たとえ少人数の乗組員が数年にわたる火星ミッションで消費するであろう消耗品（酸素、食料、水）を打ち上げるには、その質量の大部分が推進剤である非常に大きなロケットが必要になるということだ。これが、地球軌道上で複数回打ち上げと組み立てを行う理由である。しかし、たとえ物資を満載したそのような宇宙船を軌道上で組み立てることができたとしても、火星に送るためには追加の（大量の）推進剤が必要となる。宇宙船を地球軌道から火星遷移軌道に投入するために必要なデルタV 、つまり速度変化は毎秒数キロメートルにも及ぶ。宇宙飛行士を火星の表面に送り込み、地球に帰還させることを考えると、地球からすべてを調達する場合、膨大な量の推進剤が必要になることがすぐにわかる。これは、NASAが宇宙探査構想に対応して1989年に開始した「90日間調査」で得られた結論である。

いくつかの技術によって火星探査の見通しは変わりました。その中でも最も強力なのは現地資源利用です。地球から輸入した水素と火星の大気中の二酸化炭素を用いて、サバティエ反応によりメタン（ロケット燃料用）と水（飲料水および電気分解による酸素生成用）を製造できます。地球から持ち込む燃料の必要量を減らすもう1つの技術はエアロブレーキです。エアロブレーキは、宇宙船を減速させるために、大気の上層部を何度も低空飛行するものです。これは時間のかかるプロセスですが、食料や物資の貨物輸送を減速させるのに最も有望です。NASAのコンステレーション計画では、月面に恒久的な基地が実証された後に火星に人間を着陸させることが想定されていますが、基地の構造の詳細はまだ確立されていません。最初の恒久的な居住地は、プレハブ式の居住モジュールを連続して同じ場所に着陸させ、それらを連結して基地を形成するものになる可能性が高いです。^{[ 45 ]}

火星探査計画のこうした現代的な経済モデルの中には、乗組員の人数を最小限の4人または6人にまで減らすものもある。こうした多様な社会関係の喪失は、バランスの取れた社会的な反応を形成し、完全なアイデンティティを形成する上で困難をもたらす可能性がある。^{[ 13 ]} したがって、長期間のミッションを非常に少人数の乗組員で行う場合、乗組員の賢明な選抜が最重要となる。役割分担も、火星探査計画における未解決の問題である。数百日間続くミッションのうち着陸に要する時間がわずか数分であり、しかも着陸が自動化される場合、「パイロット」という主要な役割は時代遅れとなる。役割分担は、地表で行う作業に大きく依存し、宇宙飛行士は複数の責任を負う必要があるだろう。地表の建築物に関しては、ビッグロー・エアロスペース社が提供する可能性のある膨張式居住施設が、居住空間を最大化するための選択肢として残っている。後のミッションでは、遮蔽材として、あるいは気密性の高い主要構造部材として、火星のレゴリス混合物からレンガが作られる可能性がある。^{[ 45 ]} 火星の環境は、宇宙服のデザインにさまざまな可能性を提供しており、体にぴったりとフィットするバイオスーツのようなものも含まれる。

さまざまな程度の建築的および工学的分析を伴う、いくつかの具体的な居住施設の設計案が提案されている。最近の提案の1つで、NASAの2015年火星居住施設コンペティションの優勝者である火星アイスハウス。設計コンセプトは、地球で製造された膨張式圧力保持膜の内側に、水氷を層状に3Dプリントして火星表面の居住施設を建設することである。完成した構造物は半透明で、いくつかの波長の有害な放射線を吸収し、可視スペクトルの約50パーセントの光を透過する。居住施設は、自律型ロボット宇宙船とボットによって完全に設置および構築されることが提案されているが、居住施設が完全に構築されテストされた後には、約2～4人の居住者による人間の居住が想定されている。^{[ 46 ] [ 47 ]}

2004年6月21日、 マイク・メルビルはアンサリX賞のために全額民間資金で宇宙へ到達した。宇宙船スペースシップワンは、準軌道宇宙旅行のための民間運用宇宙飛行機の艦隊の前身としてスケールド・コンポジッツ社によって開発された。SS1は地球周回軌道に乗るように設計されていないため、準軌道または航空宇宙建築の一例である。^{[ 48 ]}

後継機スペースシップツーの機体構造は、これまでの宇宙船の一般的な構造とはやや異なっている。突き出た機械や多数のスイッチでごちゃごちゃした内装だったこれまでの機体とは異なり、SS2はより調和のとれた内装設計を採用している。SS2とホワイトナイトツー母機は、金属ではなく軽量複合材料で建造されている。^{[ 49 ]} 宇宙空間に到達すると、ロケットモーターが停止され、騒音と振動が止まり、乗客は無重力状態を体験できる。^{[ 50 ]} キャビンを囲む多数の二重窓からは、ほぼ全方向の景色が見渡せる。クッション付きの座席は床に平らに倒すことができ、浮遊空間を最大限に確保できる。^{[ 51 ]}

1990年代から2000年代初頭にかけて、NASAは地上実験を通じて、トラス構造を構築するためのマシンビジョンベースの制御および監視システムや、大型トラス構造を組み立てるためのロボット方式など、自動組み立て技術を実証した。^{[ 56 ]}

2003年、南カリフォルニア大学の研究者たちは、宇宙構造物を組み立てるための分散型およびモジュール型のアプローチを探求し、分散型コラボレーションと再構成可能な組み立てシステムに関する研究も行った。^{[ 57 ]}

2019年、マサチューセッツ工科大学（MIT）とNASAエイムズ研究センターは、アルゴリズムと半自律プロセスを使用して要素を反復的に組み立て、再構成可能な構造アーキテクチャを備えた大規模構造物を構築するモジュール式構築システムを研究し、検証しました。^{[ 58 ]} EUのHorizo​​n 2020プログラムによって資金提供されたMOSARプロジェクトは、モジュールを捕捉、操作、配置し、同時に宇宙構造物のモジュールに直接再配置できる、再配置可能な対称歩行ロボットマニピュレータを伴います。^{[ 59 ]}

2003年、ISASは、中央集権的な制御なしに自律モジュール間の局所的な相互作用に基づく組み立ての概念的アプローチを提案した。^{[ 60 ]}

2017年以来、MITのオーレリア研究所では、テッセレーション型の電磁気的自己組織化宇宙アーキテクチャであるTESSERAEの研究開発が行われてきました。これは、再構成可能で高度に適応可能な環境の探求を目的としています。^{[ 61 ]} 2020年3月、TESSERAE v3ハードウェアタイルがSpaceX（CRS-20）によって国際宇宙ステーションに届けられ、30日間のミッションが行われました。2022年には、Axiom SpaceのAxiom Mission 1で打ち上げられたプロトタイプが、診断情報の監視、タイル間の結合状態の理解、形状の制御のために、広範なセンシングと電磁永久磁石アレイを備えたモジュールを実証しました。^{[ 62 ]}