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宇宙テザーは、推進、運動量交換、安定化、姿勢制御、または大型分散型衛星/宇宙船センサーシステムのコンポーネントの相対位置を維持するために使用できる長いケーブルです。 [ 1 ]ミッションの目的と高度によっては、この形式の宇宙船推進を使用した宇宙飛行は、ロケットエンジンを使用した宇宙飛行よりも大幅にコストが低いと理論づけられています。
テザー衛星は、テザー推進、潮汐安定化、軌道プラズマダイナミクスの研究など、さまざまな目的に使用される可能性があります。宇宙テザーを使用するための5つの主要な技術が開発中です。[ 2 ] [ 3 ]
電気力学的テザーは主に推進力として使用されます。これらは導電性のテザーであり、電流を流すことで、電気モーターとほぼ同じように、惑星の磁場から推力または抗力を発生させることができます。
これらは回転式または非回転式のテザーであり、到着した宇宙船を捕捉し、後ほど異なる速度で別の軌道に放出する。運動量交換テザーは、軌道制御や、惑星表面から軌道上、あるいは軌道から脱出速度までの宇宙輸送システムの一部として使用できる。
これは通常、非導電性のテザーであり、編隊飛行する複数の宇宙機間の一定の距離を正確に維持するために使用される。
太陽風イオンの運動量によって推進される、電気的に帯電したテザーを備えた一種の太陽風帆。
宇宙空間を周回するテザーから物体を吊り下げるためのコンセプト。
宇宙用テザーには、宇宙エレベーター、スカイフック、推進剤不要の軌道遷移など、多くの用途が提案されている。
コンスタンチン・ツィオルコフスキー（1857年～1935年）はかつて、地球の自転によって宇宙空間に留まるほど高い塔を建設することを提案した。しかし、当時、それを現実的に建設する方法はなかった。
1960年、別のロシア人であるユーリ・アルスタノフは、静止衛星から地上に向かって下向きに、そして上向きに張力ケーブルを展開し、ケーブルのバランスを保つというアイデアについて、より詳細に記述した。 [ 4 ]これは宇宙エレベーターのアイデアであり、地球と共に回転する同期テザーの一種である。しかし、当時の材料技術を考えると、これも地球上では実用的ではなかった。
1970年代、ジェローム・ピアソンは、同期テザーとも呼ばれる宇宙エレベーターのアイデアを独自に考案し[ 5 ]、特にL1点とL2点を通過できる月面エレベーターを分析し、当時存在していた材料でそれが可能であることを発見した。
1977年、ハンス・モラベック[ 6 ]と後にロバート・L・フォワードは、非同期スカイフック（回転スカイフックとも呼ばれる）の物理学を調査し、月、火星、その他の惑星から物体を拾い上げ、それらの上に物体を配置できるテーパー状の回転テザーの詳細なシミュレーションを実行した。このテザーは、エネルギーの損失がほとんどなく、あるいは正味のエネルギー増加さえも起こす可能性がある。[ 7 ] [ 8 ]
1979年、NASAはこのアイデアの実現可能性を検討し、テザーシステム、特にテザー衛星の研究の方向性を示した。[ 1 ] [ 9 ]
1990年、イーグル・サーモントは「軌道上のスカイフック：宇宙への手頃なアクセス」と題した論文で、地球から軌道、または軌道から脱出速度までの宇宙輸送システムのための非回転軌道上のスカイフックを提案した。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]このコンセプトでは、準軌道打ち上げロケットがスカイフックの下端まで飛行し、より高い軌道に向かう、またはより高い軌道から戻ってくる宇宙船は上端を使用する。
2000年、NASAとボーイングはHASTOLコンセプトを検討した。これは、回転するテザーが極超音速航空機（軌道速度の半分）からペイロードを軌道に運ぶというものだった。[ 13 ]
テザー衛星とは、宇宙空間のテザーによって別の衛星と接続された衛星のことである。テザー技術を試験するために数多くの衛星が打ち上げられてきたが、その成功度は様々である。
テザーには様々な種類があり、それらは互いに重複している。
運動量交換テザーは、宇宙テザーの多くの用途の1つです。運動量交換テザーには、回転式と非回転式の2種類があります。回転式テザーは、遠心加速度により、システムの両端の質量に制御された力を発生させます。テザーシステムが回転している間、テザーの両端にある物体は連続的に加速されます。加速の大きさは、テザーの長さと回転速度に依存します。運動量交換は、回転中に端の物体が解放されたときに発生します。解放された物体への運動量の伝達により、回転テザーはエネルギーを失い、速度と高度が低下します。しかし、電気力学的テザー推進、またはイオン推進を使用することで、システムは消費可能な反応質量をほとんど、あるいは全く消費することなく、再び加速することができます。
スカイフックは、ペイロードを高高度かつ高速に持ち上げることを目的とした、理論上の軌道テザー推進方式の一種です。 [ 14 ] [ 15 ] [ 1 ] [ 16 ] [ 17 ]スカイフックの提案には、高速ペイロードや高高度航空機を捕捉して軌道に乗せるために、極超音速で回転するテザーを使用する設計が含まれています。[ 18 ]
電気力学的テザーは、テザー衛星から展開されるもののような長い導線であり、電磁原理に基づいて、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機として、または電気エネルギーを運動エネルギーに変換するモーターとして動作することができます。[ 1 ]導電性テザーは、地球の磁場を通過する動きによって電位差を生じます。電気力学的テザーに使用する金属導体の選択は、さまざまな要因によって決定されます。主な要因としては、通常、高い電気伝導率と低い密度が挙げられます。用途に応じて、二次的な要因としては、コスト、強度、融点などが挙げられます。
ドキュメンタリー映画「アポロの孤児たち」では、ロシアの宇宙ステーション「ミール」を軌道上に維持するために使用される技術として、電気力学的テザーが紹介された。 [ 19 ] [ 20 ]
これは、（通常は）非導電性のテザーを用いて複数の宇宙機を接続する技術である。火星惑星間通信のためのテザー実験（TEMPO³）は、この技術を研究するために2011年に提案された実験である。
理論上の非回転テザー衛星システムの一種で、天体の上に吊り下げられた物体を宇宙空間から支えるための概念です。[ 21 ]軌道システムは結合質量システムであり、上部支持質量（A）が特定の天体の周りの軌道に配置され、天体の表面から特定の高さで吊り下げられた質量（B）を支えることができますが、（A）よりも低い位置になります。
テザーは、端と端を回転させる代わりに、その長さ全体にわたる重力の強さのわずかな差を利用して、まっすぐに保つこともできる。
回転しないテザーシステムは、地球または他の天体の局所的な鉛直方向に沿って安定した向きを保ちます。これは、右の図で異なる高度にある2機の宇宙船がテザーで接続されている様子を見れば理解できます。通常、各宇宙船は重力（例：F g1）と遠心力（例：F c1）のバランスが取れていますが、テザーで繋がれると、これらの値は互いに変化し始めます。この現象は、テザーがない場合、高高度の質量が低高度の質量よりも遅く移動するためです。システムは一定の速度で移動する必要があるため、テザーは低高度の質量を減速させ、高高度の質量を加速させる必要があります。テザーで繋がれた上側の物体の遠心力は増加し、低高度の物体の遠心力は減少します。その結果、上側の物体の遠心力と下側の物体の重力が支配的になります。この力の差により、図に示すように、システムは自然に局所的な垂直方向に整列します。[ 1 ]
地球低軌道上の物体は、分子が衝突する軌道速度が速く、反応性も高いため、原子状酸素による顕著な侵食を受ける。これはテザーを急速に侵食する可能性がある。 [ 22 ]
単純な一本線のテザーは、微小隕石や宇宙ゴミの影響を受けやすい。そのため、耐デブリ性を向上させるために、いくつかのシステムが提案され、試験されてきた。
大型の宇宙ゴミは、ここに挙げた改良型を含むほとんどのテザーを切断してしまうだろうが、これらのテザーは現在レーダーで追跡されており、軌道も予測可能である。スラスタを使ってシステムの軌道を変えることもできるが、テザーを適切な位置で一時的に揺らすことで、より少ないエネルギーで既知の宇宙ゴミを回避することも可能だ。
紫外線を含む放射線は、テザーの材質を劣化させ、寿命を縮める傾向がある。ヴァン・アレン帯を繰り返し通過するテザーは、低軌道にとどまるテザーや地球の磁気圏外に留まるテザーに比べて、寿命が著しく短くなる可能性がある。
テザーの特性と材料は用途によって異なりますが、共通する特性もいくつかあります。最高の性能と低コストを実現するには、高強度または高導電性と低密度を兼ね備えた材料でテザーを製作する必要があります。すべての宇宙用テザーは宇宙ゴミや微小隕石の影響を受けやすいため、システム設計者は紫外線や原子状酸素に対する保護コーティングが必要かどうかを検討する必要があります。
テザーに高い引張力が加わる用途では、材料は強度と軽量性の両方が求められます。現在のテザー設計では、超高分子量ポリエチレン、アラミド、炭素繊維などの結晶性プラスチックが使用されています。将来有望な材料としてはカーボンナノチューブが挙げられます。カーボンナノチューブの引張強度は140～177 GPa （2030万～2570万psi、138万～175万atm）と推定されており、個々のナノチューブでは50～60 GPa（730万～870万psi、49万～59万atm）の引張強度が実証されています。 (他の多くの材料は、ナノスケールでは一部のサンプルで10 ～ 20 GPa (150 万 ～ 290 万psi 、99,000 ～ 197,000 atm)の強度を得ていますが、そのような強度をマクロスケールに変換することはこれまで困難であり、2011 年時点では、CNT ベースのロープは、そのスケールでは従来の炭素繊維よりも強度が 1 桁低いものでした)。[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]
一部の用途では、テザーにかかる引張力は65 ニュートン (15 lbf)未満と予測されています。[ 29 ]この場合の材料の選択は、ミッションの目的と設計上の制約に依存します。TSS-1R で使用されているような電気力学的テザーでは、高い導電性のために細い銅線が使用される場合があります ( EDT を参照)。
特定の用途向けには、設計者が材料選定を左右する典型的な量を特定するのに役立つ設計方程式が存在する。
宇宙エレベーターの方程式では、通常「特性長さ」Lcが使用されます。これは「自己支持長さ」とも呼ばれ、一定の1gの重力場において、テーパーのないケーブルを支えられる長さです。
ここで、σは応力限界（圧力単位）であり、ρは材料の密度である。
極超音速スカイフックの計算式では、材料の「比速度」を使用します。これは、回転する輪が破損することなく到達できる最大接線速度に相当します。
回転式テザー（ロータリー耕うん機）の場合、使用される値は材料の「特性速度」であり、これは回転するテーパーのないケーブルが破損することなく到達できる最大先端速度です。
特性速度は、比速度に2の平方根を掛けた値に等しい。
これらの値はロケット方程式と同様の方程式で使用され、比推力や排気速度に相当します。これらの値が高いほど、搭載可能なペイロードに対してテザーはより効率的で軽量になります。しかしながら、最終的には、テザー推進システムの質量は、運動量蓄積などの他の要因によって低質量側で制限されることになります。
提案されている材料には、ケブラー、超高分子量ポリエチレン、カーボンナノチューブ、M5 繊維などがあります。M5 は、ケブラーやスペクトラよりも軽量な合成繊維です。[ 30 ]ピアソン、レヴィン、オルドソン、ワイクスによる記事「月面宇宙エレベーター」によると、幅30 mm (1.2インチ) 、厚さ0.023 mm (0.91 ミル)の M5 リボンは、月面で2,000 kg (4,400ポンド)を支えることができます。また、エレベーターの長さに沿って均等に間隔を空けて配置された、質量がそれぞれ580 kg (1,280ポンド)の貨物車両 100 台を保持することもできます。 [ 5 ]他に使用できる材料としては、T1000G カーボンファイバー、スペクトラ 2000、ザイロンなどがあります。[ 31 ]
重力安定化テザーの場合、自己支持長を超えるために、テザー材料をテーパー状にすることで、ケーブルの長さに沿った各点での総荷重に応じて断面積が変化するようにすることができます。実際には、これは中央のテザー構造が先端よりも太くする必要があることを意味します。適切なテーパー加工により、ケーブルのすべての点で引張応力がまったく同じになります。地球宇宙エレベーターのような非常に要求の厳しい用途では、テーパー加工によりケーブル重量とペイロード重量の過剰な比率を低減できます。テーパー加工の代わりに、同じ目的を達成するためにモジュール式の段階的テザーシステムを使用することもできます。複数のテザーが段階間に配置されます。テザーの数によって、任意の断面積の強度が決まります。[ 32 ]
重力の影響をあまり受けない回転テザーの場合、厚さも変化し、面積 A は r (中心からの距離) の関数として次のように表されることが示されています。[ 33 ]
ここで、Rはテザーの半径、vは中心に対する速度、Mは先端質量、は材料密度、Tは設計引張強度です。
面積を積分して体積を求め、密度を掛けてペイロード質量で割ると、ペイロード質量/テザー質量比は次のようになります。[ 33 ]
ここで、erf は正規確率誤差関数です。
させて、
そして：[ 34 ]
この方程式は、速度の二乗ではなく、速度の単純な指数に比例するロケット方程式と比較することができる。この違いにより、単一のテザーから得られるデルタVが実質的に制限される。
さらに、ケーブルの形状は微小隕石や宇宙ゴミに耐えられるように設計する必要があります。これは、ホイテザーのような冗長ケーブルを使用することで実現できます。冗長性を持たせることで、複数の冗長ケーブルがケーブル上の同じ箇所付近で損傷を受ける可能性が非常に低くなり、その結果、ケーブルのさまざまな部分にかなりの量の損傷が発生しても、最終的に故障に至ることはありません。
豆の木や回転式耕うん機は現在、使用可能な材料の強度によって制限されています。超高強度プラスチック繊維（ケブラーやスペクトラ）は回転式耕うん機で月や火星の表面から大量の土を収穫することを可能にしますが、これらの材料で作られた回転式耕うん機は地球の表面から離陸することはできません。理論的には、高高度を飛行する超音速（または極超音速）航空機は、地球の熱帯（および温帯）地帯全体で予測可能な場所で短時間地球の上層大気に突入する回転式耕うん機にペイロードを届けることができます。2013 年 5 月現在、より強力な材料が利用可能になるまで、すべての機械式テザー（軌道およびエレベーター）は保留されています。[ 35 ]
ロータリー耕うん機の積荷の捕捉は容易ではなく、捕捉に失敗すると問題が生じる可能性があります。積荷にネットを発射するなど、いくつかのシステムが提案されていますが、いずれも重量、複雑さ、および別の故障モードを増加させます。しかし、少なくとも1つの実験室規模のグラップルシステムの実証は成功しています。[ 36 ]
現在、引張強度に最も優れた材料はプラスチックであり、紫外線や（軌道によっては）原子状酸素による侵食から保護するためにコーティングが必要となる。真空中では廃熱の処理が困難なため、過熱によってテザーの破損や損傷が発生する可能性がある。
局所的な鉛直方向に展開された電気力学的テザー（「吊り下げテザー」）は、動的不安定性に陥る可能性があります。振り子運動により、電磁相互作用の影響でテザーの振動振幅が増大します。ミッション期間が長くなるにつれて、この挙動はシステムの性能を損なう可能性があります。地球軌道上の電気力学的テザーは、数週間かけて、軌道が磁場や重力場の不規則性と相互作用するにつれて、多くのモードで振動を増大させる可能性があります。
振動を制御する一つの方法は、テザー電流を積極的に変化させて振動の増大を抑制することです。電気力学的テザーは、振動を助長する電流を減らし、振動に抵抗する電流を増やすことで安定化させることができます。シミュレーションでは、この方法でテザーの振動を制御できることが実証されています。このアプローチでは、テザーの振動を測定するためのセンサーが必要となります。センサーとしては、テザーの一端に慣性航法システムを設置するか、テザーに搭載された衛星航法システムを用いて位置情報を受信機に送信する方法があります。
別の提案方法としては、吊り下げ式テザーの代わりに回転式電気力学的テザーを用いる方法がある。ジャイロ効果によって受動的な安定化が実現し、不安定性を回避できる。
前述の通り、導電性テザーは予期せぬ電流サージによって破損したことがある。予期せぬ静電気放電によってテザーが切断されたり（例えば、 STS-75におけるテザー衛星システム再飛行（TSS-1R）を参照）、電子機器が損傷したり、テザーハンドリング装置が溶着したりした事例もある。地球の磁場は、一部の技術者が考えていたほど均一ではないのかもしれない。
コンピューターモデルでは、振動によってテザーが切れる可能性があることがしばしば示されている。
機械式のテザー操作装置は、振動を抑制するための複雑な制御装置を備えているため、驚くほど重い場合が多い。ブラッド・エドワーズが宇宙エレベーター用に提案した1トン級のクライマーは、速度と方向を変えることでほとんどの振動を検知・抑制できる可能性がある。また、このクライマーは、より多くのストランドを回転させることでテザーを修復したり、補強したりすることもできる。
問題となる可能性のある振動モードには、縄跳び、横振動、縦振動、振り子振動などがあります。[ 37 ]
テザーはほぼ必ず先細りになっており、そのため最も細い先端部分の動きが鞭のように大きく増幅されることがある。
テザーは球状の物体ではなく、かなりの範囲に広がっています。これは、テザーが広がりを持つ物体であるため、点源として直接モデル化できないことを意味し、質量中心と重心は通常一致しないことを意味します。したがって、逆二乗法則は、テザーの全体的な挙動に対して、遠距離を除いて適用されません。そのため、軌道は完全にケプラー軌道ではなく、場合によっては実際にカオス的になります。[ 38 ]
ボーラス型設計の場合、ケーブルの回転が楕円軌道に見られる非線形重力場と相互作用することで、軌道角運動量と回転角運動量の交換が生じる可能性があります。これにより、予測とモデリングが極めて複雑になることがあります。
