神舟17号は、中国の宇宙計画史上初となる宇宙ステーションの船外メンテナンスを実施します。宇宙の「修理工」になるには？

10月26日、神舟17号有人宇宙船は3人の宇宙飛行士を天宮宇宙ステーションに運びました。宇宙ステーションの組み立てプラットフォームのメンテナンス、軌道上実験、科学普及・公益活動などの日常業務のほか、宇宙船室外に出て宇宙の微粒子の衝突によって生じた宇宙ステーションの太陽電池パネルの軽微な損傷を修復し、中国の宇宙史上初となる宇宙ステーションの船外メンテナンス作業を完了する。では、さまざまなスペースメンテナンスタスクではどのような問題を解決する必要があるのでしょうか?航空宇宙研究者は、ミッションを完了するためにどのような新しい技術を利用できると期待していますか?

宇宙探査には「メンテナンス作業員」が必要

人類が宇宙を探査する過程では、さまざまな予期せぬ問題が頻繁に発生します。

たとえば、宇宙環境では、地球の大気や磁場からの保護がないため、宇宙船の電子部品が宇宙線の放射線によって予期せず故障する可能性があります。高速飛行中は、宇宙船の表面と一見薄い大気との間の継続的な摩擦によっても高温が発生し、宇宙船の外部機器の老朽化や損傷が加速されます。また、宇宙探査が進むにつれ、人類が残す宇宙ゴミは増加しており、その中には検出が難しい小さな破片も多く含まれており、宇宙船との衝突は避けられません。

宇宙整備任務を遂行する宇宙飛行士

宇宙船がさまざまな事故や故障に遭遇した場合、宇宙飛行士は宇宙ミッションの円滑な進行を確保するために強力な宇宙整備能力を備えていることが求められます。

宇宙整備は航空宇宙分野における重要なテーマであり、重要なリンクです。主に宇宙空間における衛星、宇宙ステーション、宇宙輸送機などの各種宇宙船の修理・保守を行う技術です。具体的には、宇宙船の外部・内部構造、宇宙飛行士の生活・作業に必要な支援システム、各種電子機器・回線、宇宙船の運用状態の修復、軌道修正などが整備対象となります。

宇宙探査ミッションの一環として、宇宙メンテナンスは不可欠であり、宇宙船が安定して長期間運用できるかどうか、そして正常なミッションの進行が保証されるかどうかに直接関係しています。有人宇宙船の場合、宇宙飛行士の生命の安全と健康は、宇宙整備の効率と品質に直接左右されます。さらに、効率的な宇宙メンテナンスは、宇宙船の耐用年数を延ばし、宇宙ゴミの発生を減らし、宇宙環境の持続可能な利用に貢献します。

これまで、スペースシャトルがロボットアームを使って放棄された衛星を回収したり、宇宙飛行士が自らハッブル望遠鏡の光検出器の修理や国際宇宙ステーションの空気漏れの封印などの作業を行うなど、諸外国は宇宙整備ミッションを何度も成功させてきた。将来、人類はより深い宇宙を探索することになるでしょうが、低軌道で得られたこれらの貴重な経験は、深宇宙ミッションの安全確保に役立つことが期待されます。

さまざまな分野の問題を解決する

各国の宇宙ミッションや将来計画を見ると、宇宙整備作業は有人・無人の2つに分けられ、それぞれ解決すべき技術的な課題があることがわかります。

現在、宇宙メンテナンスの最も一般的な方法は、宇宙飛行士による軌道上メンテナンスです。宇宙飛行士の船外活動により、飛行の安全とミッションの完了を確保するために、宇宙船の必要なメンテナンスと修理を行うことができます。船外の過酷な環境を考慮して、宇宙飛行士は特別な船外宇宙服を着用する必要があります。重さ数十キロのこの宇宙服は、宇宙飛行士を外部の放射線や宇宙ゴミから守る一方で、宇宙飛行士の観察視野、行動範囲、体力などを大きく制限し、宇宙空間での維持管理の難易度を高めている。

さらに、微小重力環境の影響により、力の作用はより複雑になります。地上では簡単に完了できる多くの操作が、宇宙ではより困難になります。宇宙飛行士は、比較的安定した運動状態と宇宙船との信頼できる制約関係を維持する必要があります。安全ロープや磁気手袋などの特殊なツールは宇宙飛行士が宇宙環境に適応するのに役立ちますが、宇宙のメンテナンスの効率も低下させます。

多くの成功経験があるにもかかわらず、スペースのメンテナンスは依然として非常に困難な作業です。簡単に言えば、宇宙飛行士が関わる宇宙整備作業には少なくとも 3 つの障害が存在します。

まず、宇宙整備環境はほぼ無重力状態であり、整備機器や部品は宇宙空間に浮遊している状態です。宇宙飛行士は、多くの小さな部品が制御されていることを確認しながらメンテナンス作業を実行する必要があるため、作業を完了するにはさらに特殊なツールと機器が必要です。

第二に、宇宙整備環境はさまざまな方向からの高放射線エネルギーで満たされており、電子機器の信頼性と性能に悪影響を与え、宇宙飛行士の操作成果を妨げ、地上の人員との円滑なコミュニケーションを妨げるだけでなく、宇宙飛行士の心身の健康にも脅威を与えます。

最後に、宇宙メンテナンス環境は高速移動中です。宇宙飛行士が船外活動中に宇宙船との接続が切れると、宇宙船にスムーズに戻ることが困難になる可能性があります。

軌道上でサービスを提供するために衛星にドッキングする宇宙ロボットの概略図

人工知能技術の継続的な進歩に伴い、航空宇宙研究者は徐々に無人宇宙メンテナンスの分野に注目するようになり、専門的な宇宙ロボットを使用して日常のメンテナンス作業をより効率的かつ安全に実行し、必要に応じて危険な状況を解決したいと考えています。しかし、宇宙ロボットは軌道上でのメンテナンス作業を完了するのに依然としていくつかの困難に直面しています。

一方、既存の宇宙船の設計では、メンテナンス作業に対する配慮があまりされていません。いわゆる「参照マーカー」が不足しており、ロボット専用の掴み装置もありません。そのため、宇宙ロボットが移動中の衛星やその他の宇宙船を視覚的に位置特定することは容易ではなく、効果的な把持と固定を実現することはさらに困難です。つまり、宇宙ロボットは短期的には特定の宇宙船に適合するだけであり、その汎用性と費用対効果は大幅に低下します。

一方、宇宙ロボットと管制チーム間の通信時間遅延は依然として無視できない。静止軌道上で動作する宇宙ロボットの場合、距離が長いためロボットと管制チームの間で少なくとも数秒の通信遅延が発生し、必然的にロボットは最も繊細な作業を自律的に処理し、緊急事態を解決できる必要があります。現在の技術レベルでは、これによって宇宙ロボットの信頼性が低下し、ミッションのリスクが増大することは間違いありません。

最先端の技術がサポートを提供

多方面の技術の発展により、宇宙整備作業も大きな恩恵を受け、ミッションの効率性、費用対効果、人員の安全性が大幅に向上すると期待されます。

自動化技術は、自動化ツールの使用を通じて、比較的単純で反復的な空間メンテナンス作業を支援または置き換えることが期待されています。たとえば、ロボットアームは各コンポーネントの位置決め機能を使用して、宇宙船のキャビンの内外のさまざまな人員や機器を正確に拾い上げ、移動させ、配置し、解放します。宇宙メンテナンスでは、軌道上での宇宙飛行士の自律操作と遠隔操作を組み合わせた技術により、ロボットアームは宇宙ステーションや他の軌道衛星の外で大規模なメンテナンス作業を完了したり、宇宙飛行士や大型コンポーネントのサポートプラットフォームとして機能して、キャビン外での複雑な作業の完了を支援したりすることができ、メンテナンスの効率を効果的に向上させ、人的ミスを減らし、隠れた危険を減らすことができます。

ロボットアームが宇宙飛行士の船外作業をサポート

3D プリント技術は、宇宙で必要な部品やツールを迅速に製造できるため、宇宙メンテナンス作業に新たなソリューションを提供します。宇宙船の重要な部品が損傷した場合、宇宙での修理を非常に短時間で完了する必要がありますが、宇宙輸送機の限られたスペースと高い輸送コストにより、バックアップ交換の効率が妨げられてきました。 3Dプリント技術の助けを借りて、宇宙飛行士は不規則な形状の部品を素早く入手し、タイムリーに修理や交換を行うことができるため、待ち時間と輸送コストが大幅に削減され、ミッションの柔軟性と信頼性が向上し、宇宙メンテナンスの遅延の潜在的なリスクを回避するのに十分です。

宇宙と地球間の通信技術の発達により、遠隔医療と同様の遠隔宇宙メンテナンスが徐々に現実のものとなりつつあります。リアルタイムの通信と監視、およびインテリジェントな補助システムのサポートにより、地上の専門家は遠隔誘導と遠隔操作を実施することができ、宇宙メンテナンスの効率が間違いなく向上します。例えば、複雑な電子機器の保守作業では、地上の専門家がリアルタイムで障害の詳細を把握し、関連部品の動作原理を説明し、保守計画を迅速に作成し、必要に応じて自動化された機器を介して遠隔操作を実行して、宇宙飛行士が危険除去および保守作業を完了するのを支援することができます。これにより、宇宙飛行士の作業負荷が大幅に軽減され、宇宙飛行士のトレーニングの強度と知識の蓄積コストが削減されます。

陸上シミュレーション技術は、近似的な宇宙シーンを構築し、宇宙運用環境に適したサポート条件を提供します。これにより、宇宙飛行士は地上で一連の宇宙ミッション訓練を実施し、宇宙運用スキルを向上させ、宇宙での作業プロセスに精通できるようになります。例えば、陸上での模擬整備では、宇宙飛行士が中性浮力水槽内で多段階の要件を満たす整備作業の検証を行ったり、宇宙整備で遭遇する可能性のある問題への対処を模擬したり、チームのコミュニケーションや調整の適応訓練を行ったりすることで、宇宙整備ミッションの信頼性と安全性が向上することは間違いありません。

つまり、宇宙メンテナンスは宇宙船に安全で信頼性の高い保護を提供します。衛星の救助から宇宙ステーションの修理まで、人類は宇宙整備の分野で勇敢な試みを行い、目覚ましい成果を上げてきました。技術の継続的な進歩により、将来的には宇宙メンテナンスはより効率的、安全、自動化された方向に発展していくと信じています。膨大な数の航空宇宙科学研究者が宇宙整備技術の進歩と応用を促進し、人類の宇宙探査の旅にさらに強固な保証を提供します。 （著者：李若鵬、NASAからの写真提供、レビュアー：中国航天科学技術集団の科学技術委員会副委員長、江凡）