世界トップクラスの貨物輸送能力を誇る天舟6号は、どのようにして宇宙で「針の穴を通す」のでしょうか?

注文から商品受け取りまでの最短記録はどれくらいですか?私にとっては、翌日に受け取るのは早いと思います。しかし、宇宙飛行士の宇宙滞在の最速記録はわずか2時間です。それはかなり誇張ではないでしょうか?私も初めて聞いたときは驚きました。今では、物を地上に送るよりも空に送る方が速いことが判明しました。しかし、よく考えてみると、彼らはロケットを使っているのだから、速くないのはおかしいだろう。

宇宙への荷物の最速配送記録は、2022年11月12日に天舟5号によって達成されました。これにより、有人宇宙船のランデブーとドッキングの「2時間」時代が開かれ、都市圏がまさに空へと到達しました。言うのは簡単だし、記録はどんどん破られていますが、実際はどれほど難しいのでしょうか?事実をあなたに提示しましょう。そうすれば、あなたははっきりと理解するでしょう。まず、ドッキングする 2 つの物体は高度 400 キロメートル以上にある必要があります。第二に、それらは静止しているのではなく、秒速約7.9キロメートルの速度で飛行しています。次に、それらを互いに整列させる必要があります。言い換えると、狙うターゲット領域はどのくらいの大きさですか?直径80cmの円。これは宇宙で針に糸を通すようなものだと言うのは控えめな表現です。

天舟シリーズの宇宙船は自律ドッキング方式を採用しており、無人運転の概念に基づいて理解できます。レーザー距離計、光学イメージング装置、姿勢制御システム、推進システムなど、複数のシステムの協調動作を通じてドッキングミッションを完了します。もちろん、自律ドッキングプロセス中に異常な状況が発生した場合、宇宙船は自動的にドッキングを中断し、人間の介入を待つことができます。しかし、このような状況は今のところ発生していません。これらのシステムは次のように連携して動作します。天舟シリーズの宇宙船が宇宙ステーションの近距離領域に入り、ドッキングの準備を整えると、レーザー距離計と光学イメージング装置を使用して宇宙ステーションを正確に測定および撮影し、宇宙ステーションの正確な位置、姿勢、運動状態などの情報を取得します。レーザー距離計は、音波やレーダーの測定と同様に、レーザー光線を使用して距離を測定します。ターゲットまでの距離と速度を非常に正確に測定できます。

天舟5号の打ち上げ、写真はTuchong.comより

光学撮影装置はカメラとレンズを使用して宇宙ステーションの写真や画像を撮影し、宇宙ステーションの形状や姿勢に関する情報を取得します。天舟シリーズの宇宙船は、宇宙ステーションの正確な位置と姿勢情報を取得した後、姿勢制御システムを通じて正確な姿勢調整を行い、宇宙ステーションのドッキングポートにドッキングポートを向けて相対的な姿勢安定性を維持します。姿勢制御システムは主に飛行制御システムと電力制御システムで構成され、宇宙船の姿勢、位置、速度などのパラメータをリアルタイムで制御し、ドッキングの成功を確実にします。

最後に、天舟シリーズの宇宙船は推進システムを通じて微調整を行い、ドッキング機構が宇宙ステーションのドッキングポートと正確に位置合わせされていることを確認します。推進システムは宇宙船の速度と方向を制御し、宇宙ステーションにゆっくりと接近し、最後の数センチメートル内で微調整と位置合わせを行うことができます。このようにして、ドッキング機構はドッキングタスクを自動的に完了し、ドッキング後に 2 つをロックして一時的な全体を形成できます。その後、宇宙飛行士は地上から「家庭用品」を入手し、宇宙船内に入り込むことができる。また、国内からのお取り寄せ品もかなり豊富です。宇宙飛行士のための食料や日用品に加え、宇宙ステーション自体の推進剤を補充するためにも大部分が確保されています。

実際、中国の天舟貨物宇宙船はそれぞれ以前のものよりアップグレードされている。例えば、海南省文昌市でまもなく宇宙に打ち上げられる予定の天舟6号は、昨年の天舟5号に比べて積載量が大幅に向上している。貨物積載量は6.9トンから7.4トンに増加し、世界最強の貨物船の一つとなった。

中国の天州の他にはどんな宇宙エクスプレスサービスがありますか？ロシアにはプログレス宇宙船があり、これはもともとサリュート6号宇宙ステーションへの物資輸送に使用されていました。有人宇宙船ソユーズから改造されたため、3キャビン構造も継承されている。ソユーズ宇宙船の軌道モジュールの前部には、さまざまな種類の貨物を保管するために使用される貨物室があります。プログレス号が宇宙ステーションにドッキングすると、宇宙ステーションの宇宙飛行士はドッキングハッチを通過して貨物室に入り、届けられた「速達荷物」を運び出すことになる。その後、宇宙ステーションから廃棄する必要のある廃棄物は貨物室に移送されます。宇宙船が大気圏に戻ると、これらの廃棄物は宇宙船とともに燃やされることになります。宇宙船の中央、ソユーズ帰還カプセルがある場所には、宇宙ステーションの補給に必要な燃料、酸化剤、水を貯蔵するプログレス補給モジュールが設置されている。プログレス号の貨物モジュールと補給モジュールは、一度に合計約2.3～2.5トンの貨物を輸送できます。プログレス号が宇宙ステーションにドッキングすると、補給モジュールに貯蔵されていた液体がドッキングリングの液体コネクタを通じて宇宙ステーションの推進システムに移送されました。現在まで、プログレス号の改良モデルは国際宇宙ステーションで使用され続けています。

一方、米国では、スペースシャトルの退役後、長い沈黙の期間を経て、ついにスペースX社のドラゴン宇宙船が到着した。宇宙船は2つのセクションから構成されており、宇宙船の前部にある円錐形の与圧キャビンは一般物資の輸送に使用されます。宇宙船の尾部にある非与圧キャビンは、宇宙ステーションの外部に設置され、宇宙ステーションの与圧環境に輸送する必要のない貨物を輸送するために使用されます。おそらく他のすべての貨物宇宙船とは異なり、その与圧キャビンは逆推進技術を使用しており、正確な着陸と回収および再利用が可能になっています。そのため、ドラゴン宇宙船は双方向の速達配送を実現できます。一方では、地上からの貨物が宇宙に送られ、他方では、宇宙での実験中に得られたサンプルなどの宇宙からの貨物が、さらなる分析のために地上に送り返されます。確かに能力は強力です。

アメリカとロシアに加えて、欧州宇宙機関もATV宇宙船を保有しており、宇宙航空研究開発機構もHTV宇宙船を保有しています。貨物輸送、石油輸送、自律ドッキングに関しては、国際的な同等船とほぼ同等のレベルにあります。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: サイエンスロケットおじさん

査読者：劉勇（中国科学院国家宇宙科学センター研究員）

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司