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宇宙カプセルは、貨物、科学実験、および/または宇宙飛行士を宇宙へ輸送するために設計された宇宙船です。 [1]カプセルは、再突入に耐え、ペイロードを軌道または弾道から地球の表面に帰還させる能力によって他の宇宙船と区別されます。また、鈍角な形状で、翼がなく、安全に帰還するために必要な量以外の燃料をほとんど搭載していないことで、他の種類の回収可能な宇宙船と区別されます。ソユーズやオリオンなどのカプセルベースの有人宇宙船は、サービスモジュールまたはアダプターモジュールによってサポートされていることが多く、宇宙での活動を延長するために追加モジュールが追加されることもあります。カプセルは有人宇宙船の設計の大部分を占めていますが、有人スペースプレーンの1つであるスペースシャトルが軌道上を飛行したことがあります。
現在の有人宇宙カプセルの例としては、ソユーズ、神舟、ドラゴン2号などがある。現在開発中の新しい有人カプセルの例としては、NASAのオリオン、ボーイングのスターライナー、ロシアのオレル、インドのガガニャン、中国の孟舟などがある。有人カプセルの歴史的な例としては、ボストーク、マーキュリー、ボスホート、ジェミニ、アポロなどがあり、現在進行中のプログラムとしてはニューシェパード打ち上げがある。有人宇宙カプセルは、真空の宇宙空間における過酷な熱および放射線環境下で生命を維持できなければならない。使い捨てのもの（ソユーズのように1回使用）もあれば、再利用可能なもの（クルードラゴンなど） もある。
歴史
ボストーク
ボストークはソ連初の有人宇宙船でした。初の有人宇宙飛行はボストーク1号で、1961年4月12日に宇宙飛行士 ユーリイ・ガガーリンによって達成されました。
このカプセルは、もともとソ連初のスパイ衛星計画であるゼニート用のカメラプラットフォームと有人宇宙船の両方として使用されるよう設計されていた。この二重使用設計は、共産党の計画への支持を得る上で極めて重要だった。設計では、球形再突入モジュールと、姿勢制御スラスタ、軌道上消耗品、軌道終了用の逆噴射ロケットを含む双円錐形の降下モジュールが使用されていた。基本設計は約40年間使用され続け、徐々に他の無人衛星にも採用されてきた。
それは長さ4.4メートル、直径2.4メートルの単座カプセルで、打ち上げ時の重量は4.73トンであった。[2]再突入モジュールは、直径2.3メートル（7.5フィート）、重量2,460キログラム（5,420ポンド）のアブレーション熱シールド材で完全に覆われていた。カプセルは、打ち上げ時に低抗力プロファイルを維持するためにノーズコーンで覆われ、カプセルの縦軸にほぼ垂直な直径約1メートル（3.3フィート）の円筒形の内部キャビンがあった。宇宙飛行士は、打ち上げ緊急事態の際の脱出と通常飛行中の着陸のための別のパラシュートを備えた射出座席に座った。カプセルには、地上への着陸用に独自のパラシュートがあった。公式筋によると、ガガーリンはカプセル内で着陸したとされているが、これは国際航空連盟（IAF）の規定で初の有人宇宙飛行の資格を得るための要件であるが、後に、ボストークの宇宙飛行士全員がカプセルから別々に脱出し、着陸したことが明らかになった。カプセルは、長さ2.25メートル（7.4フィート）、幅2.43メートル（8.0フィート）、重さ2,270キログラム（5,000ポンド）の後方を向いた円錐形の機器モジュールで整備され、窒素と酸素の呼吸ガス、バッテリー、燃料、姿勢制御スラスタ、逆噴射ロケットを内蔵していた。この機器モジュールは最長10日間の飛行が可能だった。[3]ボストークの打ち上げは6回成功し、最後の2回は同時飛行だった。最長の飛行は、 1963年6月14日から19日にかけてボストーク5号で行われた5日間弱の飛行だった。[4]
姿勢制御スラスタは再突入直前に廃棄された計器モジュール内に設置されていたため、再突入モジュールの進路と向きを能動的に制御することはできなかった。つまり、カプセルは再突入時の熱からあらゆる面を保護する必要があり、球形のデザインとなった（マーキュリー計画の円錐形デザインとは対照的で、熱シールドの直径を最小限に抑えながら容積を最大化した）。[要出典]再突入中は、大気の摩擦熱が非常に大きいため、カプセル周辺の空気分子がイオン化され、カプセル周辺にプラズマ層が形成され、地上との無線通信が遮断される。しかし、プラズマ層内のイオン化ガスは人工の無線窓の形成にも利用でき、干渉があっても通信信号の送受信は可能である。[5]カプセルの再突入時の向きは、重心をずらすことである程度制御可能だった。8 ～9 g の力を最大化する を最大限に維持するためには、宇宙飛行士の背中を飛行方向に正しく向ける必要があった。
ヴォスホード
ボストークの設計は、複数の宇宙飛行士を乗せられるよう変更され、ボスホート計画の2回の飛行として行われた。円筒形の船内客室は、幅の広い長方形の客室に置き換えられ、3人の宇宙飛行士が並んで座る（ボスホート1号）、または間に膨張式エアロックを設けて船外活動ができるように2人の宇宙飛行士を乗せる（ボスホート2号）ことができた。バックアップの固体燃料逆噴射ロケットが降下モジュールの上部に追加された。ボストークの射出座席はスペースを節約するため取り外された（そのため、打ち上げまたは着陸の緊急事態が発生した場合に乗組員が脱出する手段はなかった）。完成したボスホート宇宙船の重量は5,682キログラム（12,527ポンド）であった。
スペース不足のため、ボスホート1号の乗組員は宇宙服を着用しなかった。[6]ボスホート2号の乗組員は2人とも宇宙服を着用した。これは、アレクセイ・レオーノフ 宇宙飛行士による船外活動が含まれていたためである。機体の電気系と環境系は空冷式であり、カプセルの完全な減圧は過熱につながるため、エアロックが必要であった。エアロックの重量は250 kg (551 lb 2 oz)、直径は700 mm (28 in)、打ち上げ時に折りたたまれたときの高さは770 mm (30 in)であった。軌道上で展開されたときの長さは2.5 m (8 ft 2 in)、内径は1 m (3 ft 3 in)、外径は1.2 m (3 ft 11 in)であった。2人目の乗組員は、降下モジュールの偶発的な減圧に対する予防措置として宇宙服を着用した。エアロックは使用後に投棄された。
射出座席がなかったため、ボストークの宇宙飛行士は別々に脱出してパラシュートで降下したが、ボスホードの乗組員は宇宙船内で地球に帰還することになった。このため、パラシュートラインに小型の固体燃料ロケットを追加する新しい着陸システムが開発された。このシステムは降下モジュールが着陸に近づくと発射され、より柔らかい着陸を実現した。
水銀
マーキュリー計画は、米国初の有人宇宙計画であった。1958年から1963年まで実行され、人間を地球周回軌道に乗せ、安全に帰還させることを目標とした。この計画では、軌道に乗るためにブースターロケットに取り付けられた小型カプセルを使用した。マーキュリーカプセルの開発は、NASAが1959年にマクドネル航空機会社を請負業者に選定した後、本格的に始まった。[7]マーキュリー宇宙船の主任設計者は、NACA時代に有人宇宙飛行の研究を始めたマキシム・ファジェであった。 [8]全長は10.8フィート（3.3メートル）、幅は6.0フィート（1.8メートル）で、打ち上げ脱出システムを加えると、全長は25.9フィート（7.9メートル）となった。[9]居住容積は100立方フィート（2.8 m 3）で、カプセルは1人の乗組員がちょうど入る大きさであった。[10]内部には120個の制御装置があり、55個の電気スイッチ、30個のヒューズ、35個の機械レバーがあった。[11]最も重い宇宙船であるマーキュリー・アトラス9号は、満載で3,000ポンド（1,400kg）の重さがあった。[12]その外殻は、高温に耐えられるニッケル合金であるルネ41で作られた。 [13]
宇宙船は円錐形で、狭い方の端に首がある。[9]凸型のベースがあり、その上にアルミニウムのハニカムを多層のグラスファイバーで覆った耐熱シールド（下図の2 ） [14]が搭載されている。[15]それに取り付けられたのは、再突入時に宇宙船を減速させるために展開される3つのロケットからなる逆噴射パック（ 1）[16] 。 [17]これらの間には、軌道投入時に宇宙船を打ち上げ機から切り離すための3つの小型ロケットがあった。[18]パッケージを固定していたストラップは、不要になったら切断できる。[19]耐熱シールドの隣には、与圧された乗員室（3）があった。[20]内部では、宇宙飛行士は体にぴったり合う座席に固定され、機器を前に置き、背を耐熱シールドに向けた状態になる。[21]座席の下には、酸素と熱を供給し、[22]空気中の二酸化炭素、蒸気、悪臭を除去し、（軌道飛行では）尿を収集する環境制御システムがありました。[23] [n 1]宇宙船の狭い端にある回収室（4）[25]には、自由落下を安定させるドローグと、プライマリとリザーブの2つのメインシュートの3つのパラシュートがありました。[26]耐熱シールドと乗員室の内壁の間には着陸スカートがあり、着陸前に耐熱シールドを下ろすと展開されます。[27]回収室の上には、通信用のアンテナと宇宙船の方向を誘導するスキャナーの両方を含むアンテナセクション（5）[28]がありました。 [29]再突入中に宇宙船が最初に耐熱シールドに面するようにするためのフラップが取り付けられていました。[30]打ち上げ脱出システム（6）が宇宙船の狭い端に取り付けられており[31]、 3つの小さな固体燃料ロケットが含まれており、打ち上げが失敗した場合に短時間発射してカプセルをブースターから安全に分離することができます。カプセルのパラシュートを展開して近くの海に着陸します。[32]（詳細についてはミッションプロファイルも参照してください。）
マーキュリー宇宙船には搭載コンピュータがなく、代わりに再突入のための計算はすべて地上のコンピュータで行われ、その結果（逆噴射時間と噴射姿勢）は飛行中に無線で宇宙船に送信された。[33] [34]マーキュリー宇宙計画で使用されたすべてのコンピュータシステムは、地球上のNASA施設に設置されていた。[33]コンピュータシステムはIBM 701コンピュータであった。[35] [36]
米国は、初の有人軌道宇宙飛行からほぼ1か月後に、初のマーキュリー宇宙飛行士アラン・シェパードを弾道飛行に乗せた。ソ連は8月6日、1日飛行で2機目のボストークを打ち上げることに成功し、その後米国は1962年2月20日、ついに初のアメリカ人、ジョン・グレンを軌道に乗せた。米国は合計2機の有人弾道マーキュリーカプセルと4機の有人軌道カプセルを打ち上げた。最も長い飛行となったマーキュリー・アトラス9号は、22周して32時間半に及んだ。
ジェミニ
カプセル自体の多くの部品は、それぞれの小さなアクセスドアからアクセス可能だった。マーキュリーとは異なり、ジェミニは完全にソリッドステートの電子機器を使用しており、モジュール設計により修理が容易だった。[37]ジェミニ宇宙船は、人類を月に着陸させることを目的としたアポロ計画の前身であった。軌道上でのランデブーとドッキングの新技術をテストするために設計されたが、生命維持システム、宇宙船の再突入、その他の重要な分野でも改良が加えられた。[7]
ジェミニの緊急脱出システムでは、固体燃料ロケットで動く脱出タワーは使用されず、航空機のような射出座席が使用された。タワーは重く複雑であったが、NASAの技術者は、タイタンIIのハイパーゴリック推進剤は接触するとすぐに燃えてしまうため、タワーを廃止できると判断した。タイタンIIのブースター爆発は、極低温燃料のアトラスやサターンよりも爆風の影響と炎が小さかった。射出座席は、故障した打ち上げロケットから宇宙飛行士を切り離すのに十分であった。射出座席を使用できない高高度では、宇宙飛行士は打ち上げロケットから切り離された宇宙船内で地球に戻ることになる。[38]
射出座席の使用を主に提唱したのはチェンバレンだった。チェンバレンは決してマーキュリーの脱出塔を好んでおらず、重量も軽減できるより単純な代替案の使用を望んでいた。チェンバレン氏はアトラスとタイタン II の ICBM の失敗のフィルムをいくつか検討し、それを使って爆発する打ち上げロケットによって生じる火球のおおよその大きさを推定し、タイタン II の爆発ははるかに小さいと判断したため、宇宙船は射出座席を使用せずに済むだろうと考えた。
一方、マーキュリーのLESの設計者マキシム・ファジェは、この設定にあまり乗り気ではなかった。射出座席が宇宙飛行士に重傷を負わせる可能性は別としても、座席は打ち上げ後40秒程度しか使用できず、その時点ではブースターはマッハ1の速度に達しており、射出は不可能になる。また、飛行中に射出すると宇宙飛行士がタイタンの排気ガスに吹き飛ばされることを懸念し、後に「ジェミニの一番良いところは、脱出する必要がなかったことだ」と付け加えた。[39]
ジェミニの脱出システムは、打ち上げ前のように純酸素で加圧されたジェミニのキャビンではテストされなかった。1967年1月、致命的なアポロ1号の火災は、宇宙船を純酸素で加圧すると非常に危険な火災の危険が生じることを証明した。[40] 1997年の口述歴史で、宇宙飛行士のトーマス・P・スタッフォードは、 1965年12月のジェミニ6号の打ち上げ中止についてコメントした。そのとき、彼とコマンドパイロットのウォーリー・シラーは宇宙船から脱出しそうになった。
結局、もしそうしなければならなかったら、私たちが目にしていたのは、2本のローマンキャンドルが消えたような光景だったでしょう。なぜなら、私たちは15～16psiの純酸素に1時間半浸かっていたからです。ケープタウンで起きた悲惨な火災を覚えているでしょう。（中略）ああ、あの火災で宇宙服は焼けていたでしょう。すべてが酸素に浸かっていたのですから。神に感謝です。もう一つのことは、NASAは脱出しなければならなかった場合の条件でテストしなかったということです。彼らはチャイナレイクでジェミニ宇宙船の模擬モックアップを用意してテストしましたが、そこでは窒素で満たしていました。そりを使ったテストでは酸素で満たしていませんでした。[41]
ジェミニは、ミッション操作の管理と制御を容易にするために、ジェミニ誘導コンピュータと呼ばれるオンボードコンピュータを搭載した最初の宇宙飛行士輸送宇宙船でした。このコンピュータは、ジェミニ宇宙船オンボードコンピュータ (OBC) と呼ばれることもあり、サターン打ち上げロケットデジタルコンピュータと非常によく似ていました。ジェミニ誘導コンピュータの重量は 58.98 ポンド (26.75 kg) でした。そのコアメモリには 4096 個のアドレスがあり、各アドレスには3 つの 13 ビット「音節」で構成される39 ビットワードが含まれていました。すべての数値データは26 ビットの 2 の補数整数 (固定小数点数として使用されることもあります) で、ワードの最初の 2 つの音節またはアキュムレータに格納されていました。命令(常に 4 ビットのオペコードと 9 ビットのオペランドを含む) は、任意の音節で記述できました。[42] [43] [44] [45]
アポロ
アポロ宇宙船は、1960年にマーキュリー計画に続く3人乗りの宇宙船として最初に考案され、地球を周回する宇宙ステーションへの宇宙飛行士の輸送、月周回飛行、月面着陸など、いくつかの種類のミッションを達成するために考案されました。NASAは1960年と1961年に数社から実現可能性調査の設計を募集し、一方ファジェットとスペースタスクグループは、電力と推進力を提供する円筒形のサービスモジュールで支えられた円錐形/鈍体カプセル（コマンドモジュール）を使用する独自の設計に取り組みました。NASAは1961年5月に応募者の設計を検討しましたが、 1960年代にジョン・F・ケネディ大統領が国家的な月面着陸の取り組みを提案したため、NASAは実現可能性調査を却下し、月面着陸ミッションに焦点を当てたファジェットの設計を進めることを決定しました。アポロの建造契約はノースアメリカン・アビエーションに授与されました。
アポロ宇宙船の主力は、司令船（CM）とサービス船（SM）の2つの部分から構成されていた。CMは直径154インチ（3.91メートル）、高さ137インチ（3.48メートル）、打ち上げ時の質量は5,560キログラム（12,260ポンド）であった。[46]サービス船は長さ13フィート（4.0メートル）で、エンジンベルを含めた司令船/サービス船（CSM）の全長は36フィート2.5インチ（11.04メートル）であった。ハイパーゴリック燃料のサービス推進エンジンは、CSMを月面から持ち上げて直接上昇ミッションプロファイルを使用して地球に送り返すために、20,500ポンド力（91,000ニュートン） のサイズであった。
早い段階で、直接上昇ミッションのプロファイルは月軌道ランデブーに置き換えられ、CSMに月周回モジュール(LM) を追加して2人の宇宙飛行士を月面まで輸送しました。これにより宇宙船の正味の質量が軽減され、ミッションを1基のサターンVで打ち上げられるようになりました。設計の重要な開発作業が開始されていたため、既存の設計をブロックIとして継続し、LEMとのランデブーが可能なブロックIIバージョンを並行して開発することに決定しました。ドッキングトンネルとプローブの追加に加えて、ブロックIIではブロックI設計から得られた教訓に基づいて機器の改良が採用されました。ブロックIは、無人テスト飛行と限られた数の地球軌道有人飛行に使用されます。サービス推進エンジンは必要以上に大きくなっていましたが、重要な開発がすでに進行中であったため設計は変更されませんでした。ただし、燃料要件の変更を反映して推進剤タンクは若干小型化されました。宇宙飛行士の好みに基づいて、ブロック II CM は、ガス・グリソムのマーキュリー・レッドストーン 4 号の飛行で起こったような偶発的なハッチ開放を避けるために選択された2 ピースのプラグドアハッチ カバーを、ミッション終了時の脱出を容易にする 1 ピースの外開きハッチに置き換えます。
マーキュリー計画とジェミニ計画では、打ち上げ前に1平方インチあたり16.7ポンド（1,150ミリバール）の純酸素の雰囲気を使用するという慣例があったが、プラグドアハッチの設計と相まって悲惨な結果となった。1967年1月27日、2月に予定されていた初の有人打ち上げに備えて発射台で事前テストが行われていた際、アポロ1号の乗組員全員（グリソム、エドワード・H・ホワイト、ロジャー・チャフィー）がキャビンを焼き尽くす火災で死亡した。プラグドアのせいで、宇宙飛行士たちは死亡する前に脱出したり移動したりすることができなかった。調査の結果、火事はおそらく擦り切れた電線の火花で発生し、キャビン内にあるべきではない可燃性物質によって燃え広がったことが判明した。ブロック II 宇宙船の設計変更により、打ち上げ前の純酸素雰囲気を空気のような窒素/酸素混合物に置き換え、客室と宇宙飛行士の宇宙服から可燃性物質を排除し、すべての電気配線と腐食性冷却ラインを密閉する作業が行われたため、有人飛行プログラムは遅れました。
ブロック II 宇宙船は燃料満載で 63,500 ポンド (28,800 kg) の重さがあり、4 回の有人地球および月周回軌道テスト飛行と 7 回の有人月面着陸ミッションに使用されました。宇宙船の改良型は、3 人の乗組員をスカイラブ宇宙ステーションに輸送するためにも、またソ連のソユーズ宇宙船とドッキングしたアポロ・ソユーズ テスト プロジェクトミッションにも使用されました。アポロ宇宙船は 1974 年以降退役しました。
引退したロボット宇宙カプセル
アクティブ宇宙カプセル
ソユーズ
1963年、コロリョフは初めて、月探査ミッションの地球軌道上での組み立てに使用する3人乗りのソユーズ宇宙船を提案した。ソ連のニキータ・フルシチョフ首相から、ボスホート計画に取り組むためにソユーズの開発を延期するよう圧力を受け、後に宇宙ステーションと月探査ミッション用にソユーズを開発することを許可された。コロリョフは小型軽量のベル型の再突入カプセルを使用し、その先端に軌道上の乗組員モジュールを取り付けて、ミッションの居住空間の大部分を収容した。サービスモジュールは発電に2枚の電気太陽電池パネルを使用し、推進システムエンジンを収容した。地球軌道用に設計された7K-OKモデルは、直径2.17メートル（7.1フィート）、長さ2.24メートル（7.3フィート）、内部容積4.00立方メートル（141立方フィート）の再突入モジュールを使用し、重量は2,810キログラム（6,190ポンド）であった。重量1,100キログラム（2,400ポンド）の球状軌道モジュールは、ドッキングプローブを含む直径2.25メートル（7.4フィート）、長さ3.45メートル（11.3フィート）、内部容積は5.00立方メートル（177立方フィート）でした。宇宙船の総質量は6,560キログラム（14,460ポンド）でした。
コロリョフの死後、1967年から1971年にかけて、この宇宙船のうち10機が有人飛行した。最初の宇宙船（ソユーズ1号）と最後の宇宙船（ソユーズ11号）では、宇宙での最初の死亡者が出た。コロリョフは月面ミッションで使用するために9,850キログラム（21,720ポンド）の7K-LOK派生型を開発していたが、有人飛行は行われなかった。
ロシアは今日までソユーズの開発と飛行を続けている。
神州
宇宙カプセルは宇宙での科学研究や実験にも使われてきた。例えば、中国の神舟宇宙船は生命科学、材料科学、流体力学、宇宙環境モニタリングの実験を行ってきた。[47]中国は1990年代にソユーズと同じコンセプト（軌道、再突入、サービスモジュール）に基づいて神舟宇宙船を開発した。最初の無人試験飛行は1999年、最初の有人飛行は2003年10月で楊利偉を乗せて地球を14周した。
ドラゴン2
7人乗りのSpaceX Dragon 2カプセルは、2020年5月30日にNASAのDemo-2ミッションで初めて国際宇宙ステーションに乗組員を打ち上げました。当初はNASAの商業補給サービス契約に使用されたSpaceXの無人Dragonカプセルの開発として構想されていましたが、有人宇宙飛行の要求により、共通性が限られた大幅に再設計された乗り物になりました。Dragonカプセルは再利用可能なように設計されました。実際、SpaceXは同じDragonカプセルを国際宇宙ステーションに複数回飛行させており、2017年6月に初めて再利用が成功しました。
新しいシェパード クルー カプセル
ブルーオリジンが開発した6人乗りのニューシェパード有人カプセルは、有人研究と宇宙旅行用に設計された弾道有人宇宙船です。カプセルはペイロードや実験を積んで無人飛行することもできます。
有人カプセルの開発設計
ロシア
アメリカ合衆国
インド
中国
イラン
参照
注記
- ^ 最初の弾道飛行では尿の採取は行われなかったが、他の飛行では宇宙飛行士の宇宙服に尿の採取容器が追加されていた[24]
参考文献
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外部リンク
- カプセルについて
- SpaceX、再利用可能な乗員カプセルを建造
- ジェミニ 11 号宇宙カプセル 2014-10-04ウェイバックマシンにアーカイブ