宇宙物流

宇宙ロジスティクスとは、「宇宙システムの運用性とサポート性の設計を推進し、宇宙システムのライフサイクル全体を通じて必要な資材、サービス、情報の流れを管理する理論と実践」です。^[1]これには、宇宙旅行を支援する地上ロジスティクス、追加の「宇宙資材の設計と開発、取得、保管、移動、配布、保守、避難、処分」、宇宙での人々の移動（日常的なものと医療やその他の緊急時の両方）、宇宙旅行の維持に必要なサポートサービスの契約と供給が含まれます。宇宙ロジスティクスの研究と実践は、主に地球から太陽系全体の目的地までの天体ロジスティクスサプライチェーンのモデル化と管理、および宇宙での人間とロボットの運用のロジスティクス要件と運用コストの両方を最小限に抑えるシステムアーキテクチャ戦略に焦点を当てています。^[1]

ヴェルナー・フォン・ブラウンは1960年代初頭に宇宙物流の必要性とその未発達について語っていた。^[2]

宇宙では、最も先見の明のある物流エンジニアの考え方にも挑戦する物流の問題が起こっています。ご存知のように、私たちは現在、地球近傍、月面、惑星の3つの宇宙領域を調査しています。議論の中で取り上げた物流の要件と問題の多く、あるいはほとんどを、少なくとも大まかには認識していたことは間違いありませんが、物流分野で実行されるタスクの膨大な範囲を私たちの多くが認識していなかったと言っても過言ではないと思います。この議論によって、物流サポートがほとんどの大規模開発プロジェクトの大部分を占めているという事実に対する理解が深まることを願っています。実際、物流サポートは多くの事業の成否を左右する大きな要因です。

2004年までにNASAが月、火星、さらにその先の探査に向けた政府主導の取り組みを開始し、 ^[3]低地球軌道でも物流ニーズをサポートするための容量と機能の両方に多くの欠陥があることが判明しました。^{[4] [5]}

2005年までにアナリストたちは、国際宇宙ステーションの建設段階の完了後に貨物輸送物流サービスを商業的に獲得することで、スペースシャトル計画に関与する各国政府にコスト削減の機会が訪れることを認識し、その実現は2010年までに予定されていた[ ^{4] 。[5]}

製造業ビジネステクノロジーによると、^[6]

NASAは、サプライチェーン物流を惑星間物質輸送と転送に適応させるための学際的研究を進めるため、MITの工学教授2人に380万ドルを授与した。MIT工学システム部門のデビッド・シムチ・レヴィ教授とオリヴィエ・デ・ウェック教授が、ジェット推進研究所、ペイロードシステムズ、ユナイテッド・スペース・アライアンスと提携してこのプロジェクトを主導する。

適切なサプライ チェーン管理なしには持続可能な宇宙探査は不可能であり、アポロとは異なり、将来の探査は地上と宇宙の複雑なサプライ ネットワークに頼らざるを得なくなります。このプロジェクトの主な目標は、宇宙物流のための包括的なサプライ チェーン管理フレームワークと計画ツールを開発することです。最終的な統合宇宙物流フレームワークには、地上での物資と情報の移動、発射場への転送、ペイロードの打ち上げ機への統合と低軌道への打ち上げ、宇宙と惑星間の転送、惑星表面の物流が含まれます。MIT 主導の惑星間サプライ チェーン管理モデルは、4 段階の開発アプローチを採用します。

1. 海軍潜水艦や北極圏の物流を含む地球ベースの商業および軍事プロジェクトから学んだサプライチェーン管理の教訓のレビュー

2. 地球・月・火星軌道と着陸・探査予定地点のモデル化に基づく宇宙物流ネットワーク分析

3. 需要、貨物構成、コスト、サプライチェーンの混乱などの不確実性を考慮した需要/供給モデリング

4. 惑星間サプライチェーンアーキテクチャの開発。

MIT宇宙物流センターが特定した供給クラスには以下のものがある: ^[7]

• 推進剤と燃料
• 乗組員の補給と運用
• メンテナンスと維持
• 収納と拘束
• 廃棄物と処分
• 居住とインフラ
• 輸送と運送業者
• その他

ISSサポートのための宇宙輸送のカテゴリには、次のようなものが挙げられます。

• スペースシャトル（現在は退役）
• プログレス宇宙船、ロシアの使い捨て無人補給宇宙船
• 欧州宇宙機関が開発した使い捨ての無人補給宇宙船、自動移送機
• 宇宙航空研究開発機構（JAXA）が開発した使い捨て無人補給機「H-II Transfer Vehicle （HTV）」
• スペースXが開発した再利用可能な貨物船ドラゴン宇宙船

天舟（宇宙船）は、中国の宇宙ステーションへの唯一の使い捨ての無人補給宇宙船です。

単一の宇宙施設である国際宇宙ステーションの物流の概要は、2005年にジェームズ・ベイカーとフランク・アイヒシュタットが行った包括的な研究を通じて提供されました。^[8]このセクションでは、その研究を広範囲に参照しています。

2004年時点では^{[アップデート]}、アメリカの スペースシャトル、ロシアの プログレス、そしてごく限られた範囲ではあるがロシアのソユーズ宇宙船が、ISSの貨物を輸送できる唯一の宇宙輸送システムであった。 ^[8]

しかし、2004年には、欧州の自動補給機（ATV）と日本のH-IIA宇宙ステーション補給機（HTV）がISSの組み立てが終了する前に運用開始されることがすでに予想されていました。2004年の時点で、米国のシャトルは加圧貨物と非加圧貨物の大部分を輸送し、回収可能なダウンマス能力（貨物の非破壊再突入能力）のほぼすべてを提供しました。 ^{[8] [更新が必要]}

ベイカーとアイヒシュタットは 2005 年に次のようにも書いています^[8]

シャトルの機能と容量を置き換え、現在計画されている代替車両を増強するように設計された商用貨物車両の規模を決定するには、将来の ISS 貨物要件を理解する必要があります。物流要件、乗組員の配置レベル、車両の可用性、および NASA の宇宙探査と研究の目標において ISS が果たす役割の変化が継続的に変化しているため、ISS 貨物輸送要件の正確な見積もりを確立することは困難です。

2007 年から 2010 年にかけて、非与圧貨物の配送要件が増加していることが示されています。この増加率は、シャトルの退役前に非与圧スペアを ISS に事前に配置する現在の計画の結果です。シャトルを補うために非与圧スペアを輸送できる商用貨物運搬船を提供することで、事前配置の要件がなくなり、2007 年から 2010 年までの推定平均は、与圧貨物で約 24,000 kg、非与圧貨物で約 6,800 kg になります。シャトル退役後の残りのシステムの配送能力を考慮すると、次のようになります。

シャトルが退役し、ISS のロジスティクスをプログレス、ATV、HTV に頼ることにより、大幅な回復可能なダウンマス能力は失われます。さらに、これらの貨物輸送システムのいずれかが、貨物配送の不足を補うために生産率と打ち上げ率を向上できるという証拠はありません。

ベイカーとアイヒシュタットは 2005 年に次のようにも書いています^[8]

ISS のサポート不足に加えて、商業貨物輸送システムの代替手段も存在します。シャトルの退役により、ISS から独立して低軌道 (LEO) 研究を行うこともできなくなります。商業ペイロード サービスは、このニーズを満たすための自由飛行研究プラットフォームとして機能します。NASA の宇宙探査イニシアチブのロジスティクス サポート要件が出現すると、既存の商業システムを使用できます。

最後に、非政府商業宇宙ステーションの開発に対する関心が高まりつつあるが、補給の問題も考慮に入れなければならない。こうした考慮事項は、間違いなく製造/購入分析の対象となる。開発コストを複数の政府および非政府プログラムに渡って償却した既存のシステムは、商業宇宙ステーション運営者による「購入」決定に有利となるはずである。こうした市場が出現すると、商業企業は、政府開発システムの数分の一のコストでロジスティクス サービスを提供できる立場になる。その結果生じる規模の経済は、両方の市場に利益をもたらす。この結論は、1991 年に NASA が委託したプライス ウォーターハウスの調査によって得られたものである。^[9]この調査では、SPACEHAB のフライト アセット ベースの商業モジュール サービスの価値は、推定正味現在価値 1 億 6,000 万ドルで、標準原価プラス契約法を使用して開発および運用すると、米国政府が 10 億ドル以上かかると結論付けられている。 1991 年以来の SPACEHAB の商業運用と開発 (統合貨物輸送機など) は、政府が所有および運営するシステムに比べてさらなるコスト削減を実現しています。

民間企業は、サービス強化、継続的な可用性の保証、サービス能力の強化に民間資本を効率的に投資する可能性が高くなります。航空宇宙以外の用途では一般的なこの傾向は、SPACEHAB が商業宇宙システム市場でモジュールの継続的な強化と新しい物流キャリアの導入を通じて実証しています。

ISS 貨物輸送能力の不足、新たな機会、および SPACEHAB の既存の地上および飛行運用から得られた経験により、商用ペイロード サービス (CPS) の開発が促進されました。商用開発システムとして、SPACEHAB は、その機能と経済性を最適化するには、システム開発と運用において特定のアプローチを採用する必要があることを認識しています。

最初のアプローチでは、システムに中程度の要件を課します。フロントエンドで基本的な機能を導入し、後で拡張機能を追加することで、立ち上げコストを削減し、開発時間を短縮します。

2 つ目は、適切な場合の既存の技術と機能の活用です。NASA プログラムの典型的な特徴は、新しく開発された技術を継続的に追求することです。技術進歩の観点からは魅力的ですが、この探求は費用がかかり、運用能力を構築できないことがよくあります。商業的に開発される貨物モジュールは、既存の技術 (可能な場合は既製品) を最大限に活用し、システム要件または市場状況によって技術進歩の必要性が高まった場合にのみ、技術進歩を求めます。さらに、宇宙船の開発に関連するコストは、車両システムに関連するコストに限定されません。インフラストラクチャに関連する多大なコストも考慮する必要があります。SPACEHAB の既存の物流および車両処理施設は、東部発射場および海上発射施設と同じ場所にあり、システム開発コストを大幅に削減できます。

最後に、SPACEHABは政府のプロセスではなく商業プロセスを採用することで、コストとスケジュールの削減を実現しました。その結果、SPACEHABのシャトルベースのキャリアのミッション統合テンプレートは14か月で、同様のシャトルベースの多目的ロジスティクスモジュール（MPLM）の22か月と比較して大幅に短縮されました。^[10]

ベイカーとアイヒシュタットは 2005 年に次のようにも書いています^[8]

ISS は、米国が運営するすべてのモジュールにおいて、主要なペイロードおよび実験収容構造として国際標準ペイロードラック(ISPR) を使用しています。ISPR を ISS に積み降ろしするには、共通結合機構 (CBM) 結合場所にのみ設置されているハッチを通過する必要があります。CBM の直径と ISPR の比率を組み合わせると、通常、貨物車両の直径は、進化型使い捨てロケット (EELV) で打ち上げられる 5 m のペイロードフェアリングでのみ収容可能なサイズになります。

ベイカーとアイヒシュタットは 2005 年に次のようにも書いています^[8]

ロシアのプログレス宇宙船は、宇宙ステーションを離れると大気圏に再突入して搭載されているすべての「貨物」を破壊する貨物船として長い間使われてきました。この方法は、宇宙ステーションから不要な質量を取り除くのに非常に効果的です。しかし、NASA は、ISS からのペイロードの帰還が非常に望ましいと示唆しています [5]。したがって、商用システムでは、初期設計に、または将来導入されるサービスの拡張機能として、加圧ペイロード帰還機能を含めることの影響を検討する必要があります。このような機能を提供するには、熱保護サブシステム、軌道離脱目標サブシステム、着陸回復サブシステム、地上回復インフラストラクチャ、および FAA ライセンスの組み込みが必要です。加圧されていないペイロードの回復には、加圧されていないキャリアの露出した性質に関連する独特の課題があります。加圧されていないペイロードの回復可能な再突入システムを実装するには、カプセル化システムの開発が必要です。カプセル化作業は、再突入前に自律的に行​​うか、または非加圧貨物キャリアに帰還貨物を積み込む作業の一環として行う必要があります。いずれの場合も、破壊的な再突入のために加圧キャリアに貨物を積み込んで離陸するだけの場合よりも、宇宙船システムに関連する追加コストや運用要件の増加が高くなります。

ベイカーとアイヒシュタットは 2005 年に次のようにも書いています^[8]

通常、ポイント ソリューションを回避すると、特定のシステムにさまざまな機能を提供する柔軟性がもたらされます。与圧システムと非与圧システムを混在させた貨物運搬船を設計すると、関連するすべての貨物設備をすべての飛行で飛行させる必要がある場合、コストの増加につながる可能性があります。すべての種類のペイロードの固定された相対容量に対応する構造の設計と飛行に関連する不要なコストを回避するために、CPS にはモジュール アプローチが採用されています。シャトル退役後の ISS の予想される貨物輸送要件は、専用の与圧および非与圧ミッションが ISS の質量増加要件をサポートできることを示しています。共通の基本機能 (サービス モジュール、ドッキング システムなど) を活用し、宇宙船の与圧および非与圧運搬船要素をモジュール化することで、ポイント ソリューションを回避しながら柔軟性を確保できます。

ベイカーとアイヒシュタットは 2005 年に次のようにも書いています^[8]

ISS のロシア セグメント (RSOS) には、プローブとコーンのドッキング メカニズムを介して推進剤の移送をサポートする機能があります。推進剤移送機能を組み込むと、複数の企業や政府組織の調整を必要とする国際的な問題が発生します。ISS の推進剤要件はロシアの Progress と ESA ATV によって十分に満たされているため、これらの機能を組み込むことに関連するコストは回避できます。ただし、CPS のモジュール性および選択されたサブシステムの固有の機能により、ISS のニーズに応じて推進剤移送の経済的な代替手段が可能になります。

CPS アーキテクチャの開発で考慮される間接コストには、国際武器取引規則(ITAR) に関連するライセンス要件と連邦航空局(FAA) の商業打ち上げおよび進入ライセンス要件が含まれます。ITAR ライセンスは、車両サブシステムのサプライヤーを慎重に選択することにつながります。米国以外の組織による宇宙船サブシステムの使用または製造は、適切な国務省および/または商務省の承認が得られた場合のみ実施できます。FAA ライセンス要件では、打ち上げおよび着陸地点を慎重に選択する必要があります。米国組織によって開発された車両は、他の国で打ち上げられた場合でも、人や財産へのリスクが許容範囲内であることを確認するために、FAA による車両システム、運用、および安全プログラムの審査が必要です^[11]

宇宙物流の重要な焦点はアップマス、つまり地球から軌道まで運ばれるペイロードの質量にあるが、宇宙ステーションの運用にはダウンマスの要件も大きくある。低軌道から地球に貨物を戻すことはダウンマスの輸送として知られており、これはその後の使用や分析のために宇宙から地球の表面に戻される物流ペイロードの総質量である。^[12] ダウンマス物流は、軌道上の宇宙施設で行われる研究や製造作業の重要な側面である。2020年代には、この用語は他の惑星との間の質量移動の文脈でも使われるようになった。例えば、「[ SpaceX Starship HLS 月着陸船の]アップマスとダウンマスの容量は、NASAの要件をはるかに上回った」^[13]

国際宇宙ステーションでは、ダウンマス能力が厳しく制限されていた期間がありました。たとえば、 2011年7月のSTS-135ミッション後のスペースシャトルの退役と、その結果としてのスペースシャトルのペイロードマスの帰還能力の喪失から約10か月間、ダウンマス貨物を低地球軌道から地球に帰還させて後の使用または分析を行うことへの懸念が高まっていました。^[12] この期間中、国際宇宙ステーションに到達して貨物を届けることができる4つの宇宙船のうち、ロシアのソユーズ宇宙船だけが非常に小さな貨物ペイロードでさえ地球に帰還することができました。ソユーズ貨物のダウンマス能力は、宇宙カプセル全体が各ソユーズ帰還時に帰還する3人のISS乗組員で定員いっぱいになるため制限されていました。当時、残っていた貨物補給機（ロシア宇宙機関 プログレス、欧州宇宙機関（ESA）ATV、宇宙航空研究開発機構（JAXA）HTV）はいずれも、地上での使用や検査のためにダウンマス貨物を帰還させることができなかった。^[12]

2012年以降、 2012年5月のDragon C2+ミッション中に商業契約された SpaceX DragonがISSに着艦することに成功し、2012年10月に運用貨物飛行が開始されたことで、^[14] ISSからのダウンマス能力は現在Dragon飛行1回あたり3,000キログラム（6,600ポンド）となり、Dragon貨物カプセルによって日常的に提供されるサービスとなっている。^{[15] 2018年にテストされた}HTV小型再突入カプセル（HSRC）と呼ばれる帰還カプセルは、将来のHTV飛行で使用される可能性がある。^[16] HSRCの最大ダウンマス能力は20キログラム（44ポンド）である。^[17]

• 自律物流
• CSTS有人宇宙輸送システム
• 商業宇宙飛行

• ロドルフォ・モンティ編 (2005)。「無限の可能性と地球規模の現実：第 55 回国際宇宙連盟会議の抜粋議事録、カナダ、バンクーバー、2004 年 10 月 4 ～ 8 日」。Acta Astronautica。57 。ペルガモン。
• エヴァンス、アンディ (2005 年 1 月～3 月)。「宇宙物流: 究極の物流企業の課題」。Logistics Spectrum。国際物流協会。2011年8 月 8 日閲覧。

• 宇宙物流MITプロジェクト