無人宇宙船

無人宇宙船またはロボット宇宙船は、人が搭乗していない宇宙船です。無人宇宙船は、遠隔操作や遠隔誘導など、人間による入力からさまざまなレベルの自律性を得ることができます。また、事前にプログラムされた操作リストを持ち、特に指示がない限り実行される自律的な宇宙船もあります。科学的測定用のロボット宇宙船は、宇宙探査機または宇宙観測所と呼ばれることがよくあります。

多くの宇宙ミッションは、コストとリスク要因が低いため、有人運用よりも遠隔ロボットの方が適しています。さらに、金星や木星付近などの一部の惑星の目的地は、現在の技術では人間の生存には過酷すぎます。土星、天王星、海王星などの外惑星は、現在の有人宇宙飛行技術では到達するには遠すぎるため、遠隔ロボット探査機がそれらの探査唯一の方法です。遠隔ロボットでは、宇宙船を滅菌できるため、地球の微生物による汚染に対して脆弱な地域の探査も可能になります。人間は多数の微生物と共存しているため、宇宙船と同じ方法で滅菌することはできません。また、これらの微生物を宇宙船や宇宙服の中に封じ込めることも困難です。

最初の無人宇宙ミッションはスプートニクで、1957 年 10 月 4 日に地球を周回するために打ち上げられました。ほぼすべての衛星、着陸機、探査機はロボット宇宙船です。すべての無人宇宙船がロボット宇宙船というわけではありません。たとえば、反射球は非ロボットの無人宇宙船です。人間ではなく他の動物が搭乗する宇宙ミッションは、無人ミッションと呼ばれます。

多くの居住可能な宇宙船にも、さまざまなレベルのロボット機能が搭載されています。たとえば、宇宙ステーションのサリュート7号とミール、国際宇宙ステーションのモジュールザーリャは、補給船と新しいモジュールの両方で遠隔誘導によるステーションキーピングとドッキング操作が可能でした。無人補給宇宙船は、有人宇宙ステーションでますます使用されるようになっています。

最初のロボット宇宙船は1951年7月22日にソビエト連邦（USSR）によって打ち上げられ、2匹の犬のデジクとツィガンを乗せた弾道飛行が行われた。 ^[1] 1951年秋までに同様の飛行が4回行われた。

最初の人工衛星であるスプートニク1号は、1957年10月4日にソ連によって215×939キロメートル（116×507海里）の地球周回軌道に投入された。1957年11月3日、ソ連はスプートニク2号を軌道に乗せた。重さ113キログラム（249ポンド）のスプートニク2号は、最初の動物である犬のライカを軌道に乗せた。^[2]衛星は打ち上げロケットの上段から切り離すようには設計されていなかったため、軌道上の総質量は508.3キログラム（1,121ポンド）であった。^[3]

ソ連との熾烈な競争の中で、アメリカ合衆国は1958年1月31日、初の人工衛星エクスプローラー1号を357×2,543キロメートル（193×1,373海里）の軌道に打ち上げた。エクスプローラー1号は長さ205センチメートル（80.75インチ）、直径15.2センチメートル（6.00インチ）の円筒形で、重さは14.0キログラム（30.8ポンド）であった。一方、スプートニク1号は長さ58センチメートル（23インチ）の球形で、重さは83.6キログラム（184ポンド）であった。エクスプローラー1号は、当時の大きな科学的発見であったヴァン・アレン帯の存在を確認するセンサーを搭載していたが、スプートニク1号には科学的センサーは搭載されていなかった。 1958年3月17日、米国は2番目の衛星ヴァンガード1号を打ち上げた。ヴァンガード1号はグレープフルーツほどの大きさで、2016年現在も670×3,850キロメートル（360×2,080海里）の軌道上に留まっている^[update]。

最初の月探査の試みは、 1958年9月23日に打ち上げられたルナE-1号1号でした。月探査の目標は、1959年1月4日にルナ1号が月、そして太陽の周りを周回する まで、何度も失敗しました。

これらの初期のミッションの成功により、米国とソ連は、より野心的な探査機で互いに競い合うようになった。マリナー2号は、1962年に科学者に金星の非常に高い温度を明らかにした、他の惑星を調査した最初の探査機であり、ソ連のベネラ4号は、金星を調査した最初の大気探査機であった。マリナー4号は1965年に火星をフライバイし、クレーターだらけの火星表面の最初の画像を撮影し、ソ連は数か月後にルナ9号から火星表面の画像でそれに応えた。1967年、アメリカのサーベイヤー3号は、2年後に人類を月に着陸させたアポロ11号ミッションにとって極めて重要であることが判明した月の表面に関する情報を収集した。^[4]

最初の恒星間探査機は1977年9月5日に打ち上げられたボイジャー1号である。2012年8月25日に恒星間空間に入り、^[5]双子のボイジャー2号が2018年11月5日に打ち上げられた。 ^[6]

他に9カ国が自国の打ち上げロケットで衛星の打ち上げに成功している：フランス（1965年）^[7] 、日本^[8]、中国（1970年）^[9]、イギリス（1971年） ^[10]、インド（1980年）^[11]、イスラエル（1988年）^[12]、イラン（2009年）^[13] 、北朝鮮（2012年）^[14]、韓国（2022年）^{[15] 。}

宇宙船の設計において、アメリカ空軍は宇宙船をミッションペイロードとバス（またはプラットフォーム）で構成すると考えている。バスは物理的構造、熱制御、電力、姿勢制御とテレメトリ、追跡と指揮を提供する。^[16]

JPLは宇宙船の「飛行システム」をサブシステムに分割しています。^[17]これらには以下が含まれます。

物理的なバックボーン構造は、

• 宇宙船の全体的な機械的完全性を提供する
• 宇宙船のコンポーネントがサポートされ、打ち上げ時の負荷に耐えられることを保証する

これはコマンドおよびデータ サブシステムと呼ばれることもあります。多くの場合、次の処理を担当します。

• コマンドシーケンスストレージ
• 宇宙船の時計を維持する
• 宇宙船テレメトリデータの収集と報告（例：宇宙船の状態）
• ミッションデータの収集と報告（写真画像など）

このシステムは主に、外部からの擾乱（重力勾配効果、磁場トルク、太陽放射、空気抵抗）にもかかわらず、宇宙船の宇宙空間での正しい向き（姿勢）を維持する役割を担っています。さらに、アンテナや太陽電池アレイなどの可動部品の位置を変更する必要がある場合もあります。^[18]

統合センシングには、画像変換アルゴリズムが組み込まれており、即時の画像陸地データを解釈し、安全な着陸を妨げる可能性のある地形の危険をリアルタイムで検出して回避し、ランドマーク位置特定技術を使用して目的の関心地点への着陸の精度を高めます。統合センシングは、事前に記録された情報とカメラを利用して位置を理解し、位置が正しいか修正が必要かを判断することで、これらのタスクを完了します (位置特定)。カメラは、燃料消費量の増加や、着陸を非常に不利にするクレーターや崖の側面の不適切な着陸地点などの物理的な危険など、起こり得る危険を検出するためにも使用されます (危険評価)。

ロボット宇宙船が関わる惑星探査ミッションでは、安全で成功する着陸を確実にするために、惑星表面に着陸するプロセスに3つの重要な部分がある。^[19]このプロセスには、惑星の重力場と大気圏への突入、その大気圏を通って科学的価値のある意図された/目標領域への降下、そして宇宙船の計器類の完全性が保たれることを保証する安全な着陸が含まれる。ロボット宇宙船がこれらの部分を通過している間に、信頼性の高い自己制御と良好な操縦能力を確保するために、表面と比較した自身の位置を推定する能力も必要である。ロボット宇宙船はまた、危険を回避するために、危険評価と軌道調整をリアルタイムで効率的に実行する必要がある。これを実現するために、ロボット宇宙船は、宇宙船が表面に対してどこに位置しているか（位置特定）、地形から何が危険をもたらす可能性があるか（危険評価）、そして宇宙船が現在どこに向かうべきか（危険回避）についての正確な知識を必要とする。位置特定、危険評価、回避の操作能力がなければ、ロボット宇宙船は安全ではなくなり、表面衝突、望ましくない燃料消費レベル、および/または安全でない操縦などの危険な状況に簡単に陥る可能性があります。

通信サブシステムのコンポーネントには、無線アンテナ、送信機、受信機が含まれます。これらは、地球上の地上局や他の宇宙船との通信に使用されます。^[20]

宇宙船の電力供給は、一般的には太陽光発電セルまたは放射性同位元素熱電発電機から行われます。サブシステムの他のコンポーネントには、電力を蓄えるバッテリーと、コンポーネントを電源に接続する配電回路が含まれます。^[21]

宇宙船は断熱材で温度変動から保護されることが多い。一部の宇宙船は太陽熱からさらに保護するために鏡や日よけを使用している。また、微小隕石や軌道上の破片からの保護も必要となることが多い。^[22]

宇宙船の推進は、推力を発生させて宇宙船を前進させることで宇宙を移動できるようにする方法です。 ^[23]しかし、一元推進剤、二元推進剤、イオン推進など、普遍的に使用されている推進システムは1つではありません。各推進システムは、わずかに異なる方法で推力を発生させ、各システムには独自の長所と短所があります。しかし、今日のほとんどの宇宙船の推進はロケットエンジンに基づいています。ロケットエンジンの基本的な考え方は、酸化剤が燃料源に出会うと、エネルギーと熱が高速で爆発的に放出され、宇宙船を前進させるというものです。これは、ニュートンの第3法則として知られる基本原理によって起こります。ニュートンによると、「すべての作用には、等しく反対の反応がある」ということです。宇宙船の後ろからエネルギーと熱が放出されると、ガス粒子が押し出され、宇宙船が前進できるようにします。今日ロケットエンジンが使用される主な理由は、ロケットが最も強力な推進力だからです。

推進システムが機能するためには、通常、酸化剤ラインと燃料ラインが必要です。このようにして、宇宙船の推進力が制御されます。しかし、一元推進剤推進では、酸化剤ラインは必要なく、燃料ラインのみが必要です。^[24]これは、酸化剤が燃料分子自体に化学的に結合されているために機能します。しかし、推進システムを制御するには、燃料の燃焼は触媒の存在によってのみ発生します。これは、ロケットエンジンをより軽く、より安く、制御しやすく、より信頼できるものにするため、非常に有利です。しかし、欠点は、化学物質の製造、保管、輸送が非常に危険であることです。

二液推進システムは、液体推進剤を使用するロケットエンジンです。^[25]これは、酸化剤と燃料ラインの両方が液体状態であることを意味します。このシステムは、点火システムを必要とせず、2つの液体が互いに接触するとすぐに自然発火し、宇宙船を前進させる推進力を生み出すという点でユニークです。この技術の主な利点は、これらの種類の液体は比較的高密度であるため、推進剤タンクの容積を小さくすることができ、宇宙効率が向上することです。欠点は、一液推進システムと同じで、製造、保管、輸送が非常に危険です。

イオン推進システムは、電子衝撃またはイオンの加速によって推力を生成するエンジンの一種です。^[26]高エネルギー電子を推進剤原子（中性電荷）に照射することで、推進剤原子から電子が除去され、推進剤原子は正に帯電した原子になります。正に帯電したイオンは、高電圧で稼働している何千もの正確に整列した穴を含む正に帯電したグリッドを通過するように誘導されます。次に、整列した正に帯電したイオンは、負に帯電した加速グリッドを介して加速され、イオンの速度が最大毎秒40キロメートル（90,000マイル）までさらに増加し​​ます。これらの正に帯電したイオンの運動量が、宇宙船を前進させる推力を提供します。この種の推進力の利点は、深宇宙への移動に必要な一定速度を維持するのに非常に効率的であることです。ただし、生成される推力の量は非常に少なく、動作には大量の電力が必要です。

機械部品は、打ち上げ後または着陸前に展開するために移動させる必要があることがよくあります。モーターの使用に加えて、多くの一回限りの動きは火工品装置によって制御されます。^[27]

ロボット宇宙船は、特定の過酷な環境向けに特別に設計されたシステムです。^[28]特定の環境向けの仕様のため、複雑さと機能は大きく異なります。一方、無人宇宙船は人員や乗組員がいない宇宙船であり、自動（人間の介入なしに動作を進める）または遠隔操作（人間の介入あり）で操作されます。「無人宇宙船」という用語は、宇宙船がロボットであることを意味するものではありません。

ロボット宇宙船はテレメトリを使用して、取得したデータと機体のステータス情報を地球に無線で送信します。一般的に「遠隔操作」または「テレロボティック」と呼ばれますが、スプートニク1号やエクスプローラー1号などの初期の軌道宇宙船は、地球からの制御信号を受信しませんでした。これらの最初の宇宙船の直後に、地上からの遠隔操作を可能にするコマンドシステムが開発されました。光の移動時間により地球からの迅速な決定と制御が妨げられる遠距離探査機では、自律性の向上が重要です。カッシーニ・ホイヘンスや火星探査ローバーなどの新しい探査機は高度に自律的であり、搭載されたコンピューターを使用して長期間にわたって独立して動作します。^{[29] [30]}

宇宙探査機は、地球を周回するのではなく、宇宙空間をさらに探査するロボット宇宙船です。宇宙探査機には、さまざまな科学機器が搭載されています。宇宙探査機は、月に接近したり、惑星間空間を移動したり、他の惑星に接近したり、周回したり、着陸したり、星間空間に入ったりします。宇宙探査機は収集したデータを地球に送信します。宇宙探査機には、軌道船、着陸機、ローバーなどがあります。宇宙探査機は、ターゲットから材料を収集して地球に持ち帰ることもできます。^{[31] [32]}

探査機が地球付近を離れると、その軌道は地球の軌道に似た太陽の周りの軌道に沿って進む可能性が高い。別の惑星に到達する最も単純な実際的な方法は、 ホーマン遷移軌道である。重力スリングショットなどのより複雑な技術は、より燃料効率が良い可能性があるが、探査機の移動に長い時間を要する可能性がある。デルタVの高いミッション（傾斜角の変化が大きいものなど）は、現代の推進力の限界内で重力スリングショットを使用してのみ実行できる。推進力はほとんど使用しないがかなりの時間を要する技術は、惑星間輸送ネットワークの軌道をたどることである。^[33]

宇宙望遠鏡または宇宙観測所は、天体を観測するために使用される宇宙空間の望遠鏡です。宇宙望遠鏡は、観測する電磁放射のフィルタリングや歪みを回避し、地上の観測所が遭遇する光害を回避します。宇宙望遠鏡は、全天の地図を作成する衛星（天文調査）と、選択された天体または天空の一部とその先に焦点を当てる衛星の 2 種類に分けられます。宇宙望遠鏡は、気象分析、スパイ活動、およびその他の種類の情報収集に適用される衛星画像のために地球に向けられた地球画像衛星とは異なります。

現在稼働中の宇宙ステーション貨物船 4 機。左上から時計回りに、プログレス、カーゴ ドラゴン 2、シグナス、ティアンジョウ。

貨物宇宙船または補給宇宙船は、食料、推進剤、機器などの物資を宇宙ステーションに輸送するために設計されたロボット乗り物です。この点が、主に科学的探査に重点を置いた宇宙探査機との違いです。

自動貨物宇宙船は1978年以来宇宙ステーションにサービスを提供しており、サリュート6号、サリュート7号、ミール、国際宇宙ステーション（ISS）、天宮宇宙ステーションなどのミッションをサポートしてきました。

現在、ISSは3種類の貨物宇宙船に依存している。ロシアのプログレス^[34]、アメリカのカーゴドラゴン2 [ ^{35] [36]}、シグナス^[37]である。中国の天宮宇宙ステーションは天舟からのみ物資を供給されている。^{[38] [39] [40]}

アメリカのドリームチェイサー^{[41] [42]}と日本のHTV-Xは、将来ISSで使用するために開発中です。欧州の自動補給機は、2008年から2015年まで使用されていました。

• 宇宙飛行ポータル
• ビーコンモードサービス
• 静止衛星
• 有人宇宙飛行
• パッシブ衛星のリスト
• 太陽系探査のタイムライン