スペースシップワン

スケールド・コンポジッツ・モデル316（^{[ 2 ]}スペースシップワンとして知られる）は、以下の目的で設計された宇宙往還機である。

• 海面高度の与圧キャビンに人間3名（うち1名はパイロット）を乗せて輸送する。
• 高度15km （9.3マイル）から100km （62マイル）以上までロケットで推進される。    
• 大気圏に再突入し、空力的に安定した状態で運動エネルギーを放出する。
• 超音速域と亜音速域で滑空する。
• 標準滑走路に水平着陸する。

胴体は葉巻型で、全体の直径は約1.52m （5フィート0インチ）です。主要構造はグラファイト/エポキシ複合材でできています。前から後ろにかけて、乗員室、酸化剤タンク、燃料ケーシング、ロケットノズルが配置されています。機体は短く幅広の翼を持ち、翼幅は5m （16フィート）、翼弦は3m （9.8フィート）です。各翼端には大きな垂直尾翼が取り付けられており、尾翼から水平安定板が突き出ています。水平着陸用の着陸装置を備えています。       

燃料満載時の機体の総質量は3,600 kg (7,900 lb)で、そのうち2,700 kg (6,000 lb)は満載のロケットモーターによるものです。機体の空質量は1,200 kg (2,600 lb)で、これには300 kg (660 lb)の空のモーターケーシングが含まれます。^{[ 3 ] [ 4 ]}        

当初、ノズルは機体後部から突き出ていたが、これは空力的に不利であることが判明した。2004年6月、14P飛行と15P飛行の間にフェアリングが追加され、機体形状が滑らかに延長されてノズルのフレア状の先端に接するようになった。15P飛行では、新しいフェアリングの内側が黒色で、高温の黒いノズルに面していたため、フェアリングが過熱した。フェアリングは軟化し、ブースト中に下部が内側に潰れた。この飛行の後、フェアリングの内側は白色に塗装され、小さな補強リブがいくつか追加された。

この機体には、操縦もスロットル操作もできない単一のハイブリッドロケットモーター、冷気反応制御システム、および空力制御面が搭載されています。これらはすべて手動で制御可能です。ロケットエンジンについては、下記の別のセクションを参照してください。

大気圏外で宇宙船の姿勢を制御する唯一の方法は、姿勢制御システムです。このシステムは、3組のスラスタで構成されています。すなわち、両翼端のロール制御用スラスタ、機首のピッチ制御用スラスタ、そして胴体側面のヨー制御用スラスタです。すべてのスラスタには冗長なバックアップが備わっており、合計12個のスラスタで構成されています。

スペースシップワンの空力制御面は、亜音速と超音速という2つの異なる飛行モードで動作するように設計されています。超音速飛行モードは飛行の加速段階で、亜音速モードは滑空時に特に重要となります。機体には上下に独立した方向舵とエレボンが備えられています。これらは航空機と同様の操縦桿とペダルで操作されます。超音速モードではトリムタブは電気的に制御されますが、亜音速モードでは機械的なケーブルとロッドのリンケージが使用されます。

スペースシップワンの翼は、空気圧で前方に傾けることができ、空力的に安定した高抗力の「羽根」形状にすることができる。これにより、再突入初期における姿勢制御の必要性が大幅に軽減される。スケールド・コンポジッツ社はこの形状を「気楽再突入」と呼んでいる。初期の試験飛行では実際に逆さまの再突入が行われ、バート・ルータンの「シャトルコック」設計の柔軟性と固有の安定性が実証された。この羽根状再突入モードは、スペースシャトルが同速度で飛行する場合よりも本質的に安全であるとされている。シャトルは巨大な空力応力にさらされ、安定した滑空を維持するために精密な操縦が必要となる。（これは興味深い挙動の比較ではあるが、設計コンセプトの公平な比較とは言えない。シャトルはスペースシップワンよりもはるかに高速で再突入を開始するため、要求される要件が大きく異なる。スペースシップワンはX-15機により近い。）

初期の設計では、羽根のような安定翼のリングを備えた、恒久的にシャトルコックのような形状が求められていました。しかし、この形状では宇宙船は自力で着陸できず、空中回収が必要となります。これはリスクが高すぎると判断され、最終的なハイブリッド設計では、従来の着陸方法で着陸できる機体に羽根のような形状を組み込むことに成功しました。翼の後部とテールブームの傾斜可能な部分は、まとめて「羽根」と呼ばれています。

着陸装置は、大きく離れた2つの主輪と前輪で構成されています。これらはバネの力と重力によって展開されます。一度展開されると、飛行中に格納することはできません。

この宇宙船は地上からの自力離陸が不可能である。空中発射のために、打ち上げ機によって打ち上げ高度まで運ばれる必要がある。

翼の前縁など、機体の中で最も高温になる部分には、約6.5kg （14ポンド）のアブレーション式耐熱材が塗布されている。この耐熱材の主成分が誤ってAir and Spaceに漏洩した。耐熱材なしで飛行した場合、宇宙船は再突入に耐えられるものの、損傷を受けるだろう。  

宇宙船の空力設計には、横揺れを起こしやすいという「既知の欠陥」が存在することが認められている。これは、スペースシップワン15P飛行において、点火直後に風のせん断によって大きな横揺れが発生したこと、およびスペースシップワン16P飛行において、まだ完全には解明されていない状況によって複数回の急速な横揺れが発生したことからも明らかである。この欠陥は危険とはみなされていないが、いずれの飛行においても、予想よりもはるかに低い高度での着陸につながった。欠陥の詳細は公表されていない。

3人乗りの宇宙船のキャビンは、直径1.52メートル（5フィート0インチ）の短い円筒形で、先端が尖っている。操縦士は前方に座り、その後ろに2人の乗客が座ることができる。   

船内は加圧されており、海面高度における呼吸可能な気圧が維持されている。酸素はボンベから供給され、二酸化炭素と水蒸気は吸収装置によって除去される。船内は故障時にも気圧を維持できるよう設計されているため、乗客は宇宙服や呼吸マスクを着用する必要はない。すべての窓とシールは二重構造になっている。

客室には16個の丸い二重窓があり、飛行のあらゆる段階で地平線が見えるように配置されている。窓は間隔に比べて小さいが、十分な数があるため、乗員はそれなりに良好な視界を確保できる。

機首部分は取り外し可能で、左側の後部窓の下にもハッチがある。乗員の乗降はどちらの経路からでも可能です。

宇宙船の航空電子機器の中核となるのは、システム航法装置（SNU ）です。SNUは、飛行指示表示装置（FDD）とともに飛行航法装置を構成します。この装置は、ファンダメンタル・テクノロジー・システムズ社とスケールド・コンポジッツ社が共同開発しました。

SNUはGPSベースの慣性航法システムであり、宇宙機のセンサーデータとサブシステムの状態データを処理します。テレメトリデータは無線で管制センターにダウンリンクされます。

FDDはSNUからのデータをカラー液晶ディスプレイに表示します。ブーストフェーズ、コースト、再突入、滑空など、飛行の各段階に応じた複数の表示モードを備えています。特にブーストフェーズとコーストフェーズでは、非対称推力によって生じる「旋回」やヌルレートを把握するために、パイロットにとってFDDは非常に重要です。FDDには、市販のソフトウェアと独自開発のソフトウェアが混在して使用されています。

ティア1は、 SpaceDev社製のハイブリッドロケットエンジンを使用しており、固体ヒドロキシル末端ポリブタジエン（HTPB、またはゴム）燃料と液体亜酸化窒素酸化剤を用いています。推力は88kN （20,000lb f _）で、燃焼時間は約87秒（1.45分）です。    

エンジンの物理的なレイアウトは斬新です。酸化剤タンクは主要な構造部品であり、宇宙船に構造的に接続されている唯一のエンジン部分です。実際、タンクは宇宙船の胴体と一体化しています。タンクは直径約1.52m （5フィート0インチ）の短い円筒形で、両端がドーム状になっており、エンジンの最前部に位置しています。燃料ケーシングは、タンクに片持ち梁で取り付けられた細長い円筒形で、後方に向いています。片持ち梁構造のため、インターフェースや他の部品を変更することなく、さまざまなサイズのモーターに対応できます。ノズルは燃料ケーシングの単純な延長部分で、ケーシングとノズルは実際には単一の部品であり、CTN（ケース、スロート、ノズル）と呼ばれています。バート・ルータンはこのエンジン構成について特許を申請しています。   

エンジン設計には複合材料が多用されている。酸化剤タンクは、グラファイト／エポキシ樹脂で覆われた複合ライナーとチタン製のインターフェースフランジで構成されている。CTN（圧縮着火ノズル）には、グラファイト／エポキシ樹脂構造の高温対応複合断熱材が使用されている。固体燃料（ひいてはエンジンの主要部分）とアブレーションノズルをこの一体型部品に組み込むことで、漏洩経路を最小限に抑えている。

酸化剤タンクとCTNは、タンクに一体化されたメインバルブ隔壁でボルト締めされています。この接合部には漏れを防ぐためのOリングが取り付けられており、ここがエンジン内で最も漏れやすい箇所です。点火システム、メインコントロールバルブ、インジェクターは、タンク内部のバルブ隔壁に取り付けられています。スロッシングバッフルもこの隔壁に取り付けられています。酸化剤は加圧状態で貯蔵されるため、ポンプは不要です。

燃料タンクの内張りおよび燃料ケースは、 Scaled Composites社が自社で製造しています。タンクの外装材はThiokol社が供給しています。アブレーションノズルはAAE Aerospace社が供給しています。酸化剤の充填、ベント、および排出システムはEnvironmental Aeroscience Corporation社が供給しています。残りの部品（点火システム、メインコントロールバルブ、インジェクター、タンク隔壁、電子制御装置、固体燃料鋳造品）はSpaceDev社が供給しています。

CTNは発射の合間に交換しなければならない。燃料と酸化剤を除けば、機体の中で交換が必要なのはこの部品だけである。

固体燃料には4つの穴が開けられている。この構造の欠点は、燃焼中に穴の間に燃料の塊が剥がれ落ち、酸化剤や排気ガスの流れを妨げる可能性があることである。ただし、このような状況は速やかに自然に解消される傾向がある。

酸化剤タンクは、燃料タンクおよびエンジン本体とは反対側の前方隔壁を通して充填および排気されます。これにより安全性が向上します。タンクは室温で4.8 MPa （700 psi）の圧力まで充填されます。  

ノズルの膨張比は25:1で、大気圏上層部向けに最適化されている。地上での試験噴射には、膨張比10:1の別のノズルが使用される。ノズルの外側は黒色だが、空力試験では代わりに赤いダミーノズルが使用される。

このロケットは推力調整ができません。点火後は燃焼を中止することはできますが、それ以外の方法で出力を制御することはできません。推力は実際には2つの理由で変化します。第一に、酸化剤タンク内の圧力が低下すると流量が減少し、推力が低下します。第二に、燃焼の終盤では酸化剤タンク内に液体と気体の酸化剤の混合物が含まれており、エンジンの出力は、特定の瞬間に液体酸化剤を使用しているか気体酸化剤を使用しているかによって大きく変化します。（液体の方が密度が高いため、燃焼速度が速くなります。）

燃料と酸化剤はどちらも特別な注意を払うことなく保管でき、大きな熱源がない限り混合しても燃焼しない。このため、このロケットは従来の液体ロケットや固体ロケットよりもはるかに安全である。燃焼生成物は水蒸気、二酸化炭素、水素、窒素、窒素酸化物、一酸化炭素である。

エンジンは2004年9月、15P便と16P便の間にアップグレードされました。このアップグレードにより、酸化剤タンクの容量が増加し、燃焼初期段階でより大きな推力を得ることができ、燃焼時間を延長し、燃焼終了時の可変推力段階の開始を遅らせることができました。アップグレード前は、エンジンは76 kN（17,000 lb _f ）の推力を発生し、76秒（1.27分）燃焼することができました。アップグレード後は、88 kN（20,000 lb _f ）の推力と87秒（1.45分）の燃焼が可能になりました。        

Tier Oneの打ち上げ機であるScaled Composites Model 318（通称ホワイトナイト）は、水平離着陸が可能で、高度約15km （9.3マイル）まで到達するように設計されており、Tier One宇宙船をパラサイト航空機構成で搭載します。推進力は、それぞれ推力15.6kN （3,500lb f _）のアフターバーナー付きJ-85-GE-5ターボジェットエンジン2基によって供給されます。    

ホワイトナイトはスペースシップワンと同じキャビン、アビオニクス、トリムシステムを備えています。つまり、スペースシップワンのほぼすべてのコンポーネントの飛行試験に使用できます。また、高い推力重量比と大型のスピードブレーキも備えています。これらの特徴により、スペースシップワン用の高精度移動プラットフォーム飛行シミュレーターとして使用できます。ホワイトナイトには、（作動させると）スペースシップワンと同じ滑空プロファイルを実現するトリムシステムも搭載されており、パイロットはスペースシップワンの着陸訓練を行うことができます。ホワイトナイトの操縦もスペースシップワンの操縦と同じパイロットが行います。

この航空機の特徴的な形状は、平らな「W」字型の細長い翼、翼幅25メートル（82フィート）、2枚の水平尾翼、そして4つの車輪（左右それぞれに前輪と後輪）を備えている。後輪は格納式だが、操舵可能な前輪は常時展開されており、前部には「スパッツ」と呼ばれる小さなフェアリングが取り付けられている。全体的な形状を別の角度から見ると、非常に薄い胴体を持つ2機の従来型飛行機が並んで翼端で接合され、その接合部に操縦席とエンジンが取り付けられているように見える。  

ホワイトナイトはティアワン計画における特定の役割のために開発された機体だが、それ自体としても非常に優れた性能を持つ航空機である。スケールド・コンポジッツ社は、この機体を「高高度研究機」と表現している。

スペースシップワンは、ホワイトナイトに寄生構成で接続され、ホワイトナイトの動力で地上から離陸します。スペースシップワンとホワイトナイトの組み合わせは、離陸、着陸、ジェット動力による高高度飛行が可能です。キャプティブキャリー^{[ 5 ]}飛行とは、スペースシップワンを発射せずに2機が一緒に着陸する飛行のことで、これは利用可能な主な中止モードの1つです。

打ち上げ時、合体した機体は高度約14km （8.7マイル）まで飛行し、所要時間は約1時間です。その後、スペースシップワンは分離され、短時間無動力で滑空します。ロケット点火は直ちに行われる場合もあれば、遅れる場合もあります。ロケットが点火されなかった場合、スペースシップワンは地上まで滑空することができます。これは、滑空試験で意図的に行われる飛行に加えて、もう一つの主要な緊急脱出モードです。  

ロケットエンジンは宇宙船が滑空している間に点火される。動力が供給されると、宇宙船は65°の角度で上昇し、軌道の高高度ではさらに角度が急になる。上昇中の最大加速度は1.70Gと記録された。^{[ 6 ]}

噴射が終了する頃には、機体は音速の何倍かの速度、およそ900m /s（3,000フィート/秒）、マッハ3.5の速度で上昇し、その後は動力を使わずに（つまり弾道的に）上昇を続けます。噴射時間が十分に長ければ、高度100km （62マイル）を超え、その高度では大気からの抵抗はほとんどなくなり、機体は数分間自由落下します。    

最高高度に達すると、翼は高抗力モードに再構成されます。機体が落下するにつれて、上昇時と同等の高速に達し、その後大気圏に再突入すると、最大5.75Gの急激な減速を受けます。高度10km（6.2マイル）から20km（12マイル）の間で、機体は低抗力グライダーモードに再構成され、約20分かけて滑空して着陸します。    

ホワイトナイトは降下速度が遅く、通常はスペースシップワンの数分後に着陸する。

2003年12月17日、ライト兄弟による初の動力飛行から100周年となるこの日、ブライアン・ビニー操縦のスペースシップワン（フライト11P）は、初のロケット推進飛行を行い、民間建造機として初めて超音速飛行を達成した。^{[ 9 ]： 8}

スペースシップワンの飛行はすべてモハベ空港民間飛行試験センターから行われました。飛行には番号が付けられ、2003年5月20日のフライト01から始まります。ミッションの種類を示すために、番号に1文字または2文字が付加されます。Cが付加された場合は係留飛行、Gは無動力滑空飛行、Pは動力飛行を示します。実際の飛行が予定されていた飛行と異なる場合は、2文字が付加されます。最初の文字は予定されていたミッション、2番目の文字は実際に行われたミッションを示します。

これらの飛行には、チャック・コールマンが所有し操縦するエクストラ300とビーチクラフト・スターシップの2機の追跡機が同行した。^{[ 16 ]}

スペースシップワンのパイロットたちは、航空宇宙分野で様々な経歴を持つ人々で構成されている。マイク・メルビルはテストパイロット、ブライアン・ビニーは元海軍パイロット、そしてピーター・シーボルドはスケールド・コンポジッツ社のエンジニアである。彼らはティアワン・フライトシミュレーターやホワイトナイト、その他のスケールド・コンポジッツ社製航空機での訓練を経て、スペースシップワンの操縦資格を取得した。