宇宙テザー

スペーステザーは、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の維持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応じて、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安価になると理論付けられています。

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

電気力学的テザーは主に推進力として使用されます。これは、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生成することができる電流を運ぶ導電性テザーです。

運動量交換テザー

これらは回転するテザーでも、回転しないテザーでもかまいません。到着した宇宙船を捕らえ、後で異なる速度で別の軌道に放出します。運動量交換テザーは、軌道操作に、または惑星表面から軌道 / 軌道から脱出速度への宇宙輸送システムの一部として使用できます。

繋留編隊飛行

これは通常、編隊飛行する複数の宇宙船間の設定された距離を正確に維持する 非導電性のテザーです。

電動セイル

太陽風イオンの運動量によって推進される、電荷を帯びたテザーを備えた太陽風帆の一種。

ユニバーサル軌道サポートシステム

宇宙を周回するテザーから物体を吊り下げる概念。

宇宙テザーには、宇宙エレベーターやスカイフックとしての展開、推進剤を使用しない軌道遷移など、 さまざまな用途が提案されています。

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支えられる、宇宙に届くほど高い塔を建てることを提案した。しかし、当時はそれを建設する現実的な方法がなかった。

1960年、別のロシア人ユーリ・アルツタノフは、静止衛星から張力のあるケーブルを地面に向かって下向きに、そして上向きに展開してバランスを保つというアイデアについて、より詳細な論文を書いた。^[4]これは宇宙エレベーターのアイデアであり、地球と一緒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、これも地球上では非現実的であった。

1970年代にジェローム・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、当時の材料で可能であることが判明しました。

1977年、ハンス・モラベック^[6]とその後のロバート・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）の物理を研究し、月、火星、その他の惑星から物体を拾い上げたり、物体を載せたりすることができる、エネルギーの損失がほとんどなく、むしろ純粋なエネルギー増加さえも伴う先細りの回転テザーの詳細なシミュレーションを実行した。^{[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に指示を与えた。^{[1] [9]}

1990年、イーグル・サーモントは「軌道上スカイフック：手頃な宇宙へのアクセス」と題した論文で、地球から軌道上/軌道から脱出速度までの宇宙輸送システムとして、非回転軌道上スカイフックを提案した。^{[10] [11] [12]}この概念では、弾道ロケットはスカイフックの下端まで飛行し、より高い軌道に向かう宇宙船、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年にNASAとボーイングは、回転するテザーが極超音速航空機からペイロードを軌道まで（軌道速度の半分で）運ぶHASTOLコンセプトを検討した。^[13]

テザー衛星は、宇宙テザーによって他の衛星に接続された衛星です。テザー技術をテストするために多数の衛星が打ち上げられており、成功の度合いはさまざまです。

テザーにはさまざまな（重複する）種類があります。

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、回転型と非回転型の 2 種類があります。回転テザーは、遠心加速度により、システムの端部質量に制御された力を生成します。テザー システムが回転している間、テザーの両端の物体は連続的に加速します。加速の大きさは、テザーの長さと回転速度によって異なります。運動量交換は、回転中に端部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。ただし、電気力学的テザー推進またはイオン推進を使用すると、システムは消耗反応質量をほとんどまたはまったく消費せずに再ブーストできます。

スカイフックは、ペイロードを高高度・高速度まで持ち上げることを目的とした軌道上テザー推進の理論上のクラスである。 ^{[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る。^[18]

電気力学的テザーは、テザー衛星から展開されるような長い導電ワイヤであり、運動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電機として、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、電磁気的原理で動作することができる。 ^[1]導電性テザーは地球の磁場を通過することで、テザー全体に電位が発生する。電気力学的テザーに使用される金属導体の選択は、さまざまな要因によって決定される。主な要因としては通常、高い電気伝導性と低密度が挙げられる。二次的な要因としては、用途に応じて、コスト、強度、融点などが挙げられる。

ドキュメンタリー映画『アポロの孤児たち』では、電気力学的テザーが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紹介された。 ^{[19] [20]}

これは、複数の宇宙船を接続するために (通常は) 非導電性のテザーを使用する方法です。火星惑星間運用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す^{[説明が必要]}。

回転しない係留衛星システムの理論的なタイプであり、天体上に吊り下げられた物体に宇宙ベースのサポートを提供するための概念です。^[21]軌道システムは結合された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、天体の表面上の特定の高さ（Aより低い）で吊り下げられた質量（B）をサポートできます。

テザーは、端から端まで回転する代わりに、長さ全体にわたる重力の強さのわずかな違いによってまっすぐに保つこともできます。

回転しないテザー システムは、（地球または他の物体の）局所的な垂直線に沿って揃った安定した向きになっています。これは、2 つの異なる高度にある 2 つの宇宙船がテザーで接続されている右の図を調べるとわかります。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、テザーでつながれると、これらの値は互いに対して変化し始めます。この現象は、テザーがないと、高度の高い方の質量が下の方の質量よりも遅く移動するため発生します。システムは単一の速度で移動する必要があるため、テザーは下の質量を遅くし、上の質量を速くする必要があります。テザーでつながれた上半身の遠心力は増加し、低高度の物体の遠心力は減少します。この結果、上半身の遠心力と下半身の重力が優勢になります。この力の違いにより、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]

低軌道上の物体は、分子が衝突する軌道速度が速いことと、その反応性が高いことから、原子状酸素による著しい侵食を受けます。これにより、テザーが急速に侵食される可能性があります。^[22]

単純な一本鎖のテザーは微小隕石や宇宙ゴミの影響を受けやすい。それ以来、デブリ耐性を向上させるためにいくつかのシステムが提案され、テストされてきた。

• アメリカ海軍研究所は、外層にスペクトラ1000編組、芯にアクリル糸を使用した、長さ6キロメートル（3.7マイル）、直径2～3ミリメートル（0.079～0.118インチ）のテザーの長期飛行に成功しました。^[23]この衛星、テザー物理および生存実験（TiPS）は1996年6月に打ち上げられ、10年以上運用され、最終的に2006年7月に壊れました。^[24]
• ロバート・P・ホイトは、切断されたストランドの張力が切断されたストランドの周囲に自動的に再分配されるよう設​​計された円形ネットの特許を取得しました。これはホイテザーと呼ばれています。ホイテザーの理論上の寿命は数十年です。
• JAXAの研究者らも将来のミッションのためにネットベースのテザーを提案している。^[25]

大きなゴミは、ここで紹介した改良版を含め、ほとんどのテザーを切断してしまうだろうが、これらは現在レーダーで追跡されており、軌道は予測可能である。スラスターを使ってシステムの軌道を変えることもできるが、テザーを適切な場所で一時的に揺らして、より少ないエネルギーで既知のゴミをかわすこともできる。^[要出典]

紫外線を含む放射線はテザーの素材を劣化させ、寿命を縮める傾向があります。ヴァン・アレン帯を繰り返し横断するテザーは、低軌道に留まるテザーや地球の磁気圏外に留まるテザーよりも寿命が著しく短くなる可能性があります。

テザーの特性と材料は用途によって異なります。ただし、共通の特性がいくつかあります。最大限の性能と低コストを実現するには、テザーは高強度または導電性と低密度を組み合わせた材料で作られる必要があります。すべての宇宙テザーは、宇宙ゴミや微小隕石の影響を受けます。したがって、システム設計者は、紫外線や原子酸素に対する保護コーティングが必要かどうかを決定する必要があります。

テザーに高い張力をかける用途では、材料は強くて軽い必要があります。現在のテザー設計には、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。将来の可能性のある材料はカーボンナノチューブで、その推定引張強度は140～177GPa  （ 2030万～2570万psi、138万～175万気圧）であり、一部のナノチューブでは50～60GPa（730万～870万psi、49万～59万気圧）の範囲の引張強度が実証されています。 （他の多くの材料は、ナノスケールのサンプルでは10～20GPa（150万～290万psi、99,000～197,000気圧）の強度を達成しているが、このような強度をマクロスケールに反映させ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1桁強度が低く、まだ強度は高くない）。^{[26] [27] [28]}

いくつかの用途では、テザーにかかる張力は65ニュートン（15lbf）未満になる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よって異なります。TSS-1Rで使用されているような電気力学的テザー^{[説明が必要]では、高い導電性を得るために細い銅線が使用されることがあります（} EDTを参照）。

特定のアプリケーションには設計方程式があり、それを使用して設計者が材料選択を決定する一般的な量を特定することができます。

宇宙エレベーターの方程式では通常、「特性長さ」L _{c が}使用されます。これは「自己支持長さ」とも呼ばれ、一定の 1 g重力場で支持できるテーパーのないケーブルの長さです。

${\displaystyle L_{c}={\frac {\sigma }{\rho g}}}$、

ここで、σ は応力限界（圧力単位）であり、ρ は材料の密度です。

極超音速スカイフック方程式では、回転する輪が破損することなく達成できる最大接線速度に等しい材料の「特定の速度」を使用します。

${\displaystyle V={\sqrt {\frac {\sigma }{\rho }}}}$

回転テザー（ロータベーター）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断することなく達成できる最大先端速度である。

${\displaystyle V_{c}={\sqrt {\frac {2\sigma }{\rho }}}}$

特性速度は、比速度に 2 の平方根を掛けたものに等しくなります。

これらの値はロケット方程式に似た方程式で使用され、特定の推力や排気速度に類似しています。これらの値が高いほど、テザーは搭載可能なペイロードに対してより効率的で軽量になります。ただし、最終的には、運動量貯蔵などの他の要因によって、テザー推進システムの質量は下限で制限されます。

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、^{[要出典]、} カーボンナノチューブ、M5ファイバーなどがあります。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、レビン、オールドソン、ワイクスの論文「月面エレベーター」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、質量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]使用できる他の材料には、T1000Gカーボンファイバー、スペクトラ2000、またはザイロンがあります。^[31]

重力安定化テザーの場合、自立長を超えるために、テザーの材質をテーパー状にして、ケーブルの長さに沿った各ポイント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厚くなければならないことを意味します。正しいテーパーにより、ケーブルのすべてのポイントでの引張応力が正確に同じになります。地球の宇宙エレベーターなどの非常に要求の厳しい用途では、テーパーによりケーブル重量とペイロード重量の過剰な比率を減らすことができます。テーパーの代わりに、モジュール式の段階的テザーシステムを使用して同じ目的を達成することができます。ステージ間で複数のテザーが使用されます。テザーの数によって、特定の断面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するテザーの場合、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わかる。^[33]

${\displaystyle A(r)={\frac {Mv^{2}}{TR}}\mathrm {e} ^{{\frac {\delta }{T}}{\frac {v^{2}}{2}}\left(1-{\frac {r^{2}}{R^{2}}}\right)}}$

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。 ${\displaystyle \delta}$

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る。^[33]

${\displaystyle {\frac {M}{m}}={\sqrt {\pi {\frac {\delta }{T}}{\frac {V^{2}}{2}}}}\mathrm {e} ^{\left({\frac {\delta }{T}}{\frac {V^{2}}{2}}\right)}\mathrm {erf} \left({\sqrt {{\frac {\delta }{T}}{\frac {V^{2}}{2}}}}\right)}$

ここで、erf は正規確率誤差関数です。

させて、 ${\displaystyle V_{r}=V/V_{c}\,}$

${\displaystyle V_{c}={\sqrt {\frac {2T}{\delta }}}}$

その後：^[34]

${\displaystyle {\frac {M}{m}}={\sqrt {\pi }}V_{r}\mathrm {e} ^{{V_{r}}^{2}}\mathrm {erf} ( {V_{r}})}$

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ます。この違いにより、単一のテザーから取得できるデルタ v が実質的に制限されます。

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構築する必要があります。これは、 Hoytetherなどの冗長ケーブルを使用することで実現できます。冗長性により、複数の冗長ケーブルがケーブルの同じポイントの近くで損傷する可能性が非常に低くなり、故障が発生する前にケーブルのさまざまな部分で非常に大きな合計損傷が発生する可能性があります。

ビーンストークとロータリー式ロケットは現在、利用可能な材料の強度によって制限されている。超高強度プラスチック繊維（ケブラーとスペクトラ）により、ロータリー式ロケットは月や火星の表面から質量を採取することができるが、これらの材料で作られたロータリー式ロケットは地球の表面から持ち上げることはできない。理論上は、高高度を飛ぶ超音速（または極超音速）航空機は、地球の熱帯（および温帯）地域の予測可能な場所で地球の上層大気に短時間浸漬したロータリー式ロケットにペイロードを届けることができる。2013年5月現在、すべての機械的テザー（軌道およびエレベーター）は、より強力な材料が利用可能になるまで保留されている。^[35]

ロータリー式クレーンによる貨物の捕獲は容易ではなく、捕獲に失敗すると問題を引き起こす可能性がある。貨物に網を撃つなど、いくつかのシステムが提案されているが、いずれも重量と複雑さが増し、別の故障モードを招く。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達成されている。^[36]

現在、張力に対して最も強い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のコーティングが必要です。真空中では廃熱の処理が難しいため、過熱によりテザーが故障したり損傷したりする可能性があります。

局所的な垂直方向に沿って展開された電気力学的テザー (「吊り下げテザー」) は、動的不安定性に悩まされる可能性があります。振り子運動により、電磁相互作用の作用によりテザーの振動振幅が増加します。ミッション時間が長くなるにつれて、この動作によりシステムのパフォーマンスが低下する可能性があります。数週間にわたって、地球軌道上の電気力学的テザーは、軌道が磁場や重力場の不規則性と相互作用するため、さまざまなモードで振動を蓄積する可能性があります。

振動を制御する 1 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えることです。電気力学的テザーは、振動を助長する電流を減らし、振動に逆らう電流を増やすことで安定化できます。シミュレーションにより、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。^[要出典]このアプローチでは、テザーの振動を測定するセンサーが必要です。テザーの一方の端に慣性航法システムを取り付けるか、テザーに取り付けてその位置を端の受信機に送信する衛星航法システムのいずれかです。

提案されている別の方法は、吊り下げ式テザーの代わりに回転する電気力学的テザーを使用することです。ジャイロ効果により受動的な安定化が実現し、不安定性が回避されます。

前述のように、導電性テザーは予期せぬ電流サージによって故障したことがあります。予期せぬ静電放電によってテザーが切断されたり（例： STS-75の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、テザーを取り扱う機械が溶接されたりしました。地球の磁場は一部のエンジニアが信じていたほど均一ではないのかもしれません。

コンピュータ モデルでは、振動によりテザーが切れる場合が頻繁に発生します。

機械的なテザー処理機器は、振動を抑えるための複雑な制御を備え、驚くほど重いことがよくあります。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 トンのクライマーは、速度と方向を変更することでほとんどの振動を検知して抑制できます。クライマーは、より多くのストランドを回転させることによってテザーを修理または増強することもできます。

問題となる可能性のある振動モードとしては、縄跳び、横方向、縦方向、振り子などがあります。^[37]

テザーはほとんどの場合先細りになっており、これにより、最も細い先端で鞭のような動きが大幅に増幅されます。

テザーは球体ではなく、かなりの範囲に広がっています。つまり、拡張された物体であるため、点源として直接モデル化することはできず、質量の中心と重心は通常同じ場所にありません。したがって、逆二乗則は、長距離を除いて、テザーの全体的な動作には適用されません。したがって、軌道は完全にケプラーの法則ではなく、場合によっては実際には混沌としています。^[38]

ボーラス設計では、楕円軌道に見られる非線形重力場と相互作用するケーブルの回転により、軌道角運動量と回転角運動量の交換が発生す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可能性があります。

• スターズII
• 宇宙船の推進
• ロケット以外の宇宙打ち上げ
• 軌道リング– 地球軌道上に置かれた理論上の人工リング

• テザーベースの推進実験 ProSEDS
• 特別プロジェクトグループ
• NASA テザーの概要
• テザーズ・アンリミテッド
• 「宇宙におけるテザーハンドブック」 ML Cosmo および EC Lorenzini 第 3 版、1997 年 12 月 2007 年 10 月 6 日にWayback Machineにアーカイブ
• 軌道システムに関するNASA IACレポート
• SpaceTethers.com、宇宙テザーシミュレーターアプレット
• 米国ナショナル・パブリック・ラジオ – 宇宙テザー：軌道上で物体を吊り下げる？
• ESA – YES2 プロジェクト
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• スペースショー#531ロバート・P・ホイトがスペースショーで宇宙テザーについて語る
• TSS-1R に関する NASA サイト
• NASA テザー折り紙
• ニューサイエンティストの記事
• テザー物理と生存実験 2011-07-18 にWayback Machineでアーカイブ
• Tethers Unlimited • 出版物は 2006-11-10 にWayback Machineにアーカイブされています
• 宇宙におけるテザーハンドブック (PDF)
• テザーズ・イン・スペース、軌道上での燃料不要の推進実証ISBN 978-90-8891-282-5 

• テザーがどのように機能するかを説明するビデオアニメーション