宇宙ステーション建設：空に人がいれば物事は簡単に進む

6月5日20時50分、神舟14号の乗組員である陳冬、劉洋、蔡旭哲の宇宙飛行士が順番に天河コアモジュールに入り、6か月間の長期滞在飛行ミッションを正式に開始した。 「神舟14号」は、我が国の宇宙ステーション建設段階における初の有人飛行ミッションです。 6か月間の飛行ミッション中、宇宙飛行士は文天実験モジュールと夢天実験モジュールを組み立て、最終的にT字型宇宙ステーションの建設ミッションを完了します。したがって、3 人の宇宙飛行士は宇宙ステーション内で複雑な労働条件と多忙な作業を経験することになります。では、有人宇宙ステーションの建設段階で宇宙飛行士はどのような仕事をするのでしょうか?

天宮宇宙ステーション完成後の概略図

宇宙飛行士はかけがえのない存在

ソ連の「サリュート」シリーズや米国の「スカイラブ」など、人類が初期に建設した宇宙ステーションは、いずれもロケットで一気に軌道上に打ち上げられる単室型の宇宙ステーションだ。宇宙での建設プロセスはそれほど複雑ではありませんが、宇宙飛行士は依然としてかけがえのない役割を果たしています。

スカイラブを例に挙げましょう。最初の有人ミッション中、アポロ有人宇宙船とスカイラブ2号は数回ドッキングを試みましたが、宇宙船のドッキングインターフェースのキャプチャロックが故障したため、すべて失敗しました。宇宙船がスカイラブに無事ドッキングする前に、宇宙飛行士たちは船外活動用の宇宙服を着用し、船室から出て修理作業を行わなければならなかった。

スカイラブ宇宙ステーション

現代の有人宇宙船は成熟しており信頼性も高いが、それでも事故は避けられない。 2004年、ロシアのソユーズ宇宙船が国際宇宙ステーションにドッキングした際、相対速度が速すぎたため、手動でのランデブーとドッキングに切り替える必要があり、ステーション建設飛行中に宇宙飛行士が依然として「安定させる力」として必要であることを証明した。

さらに、現代のマルチモジュール型およびトラス型の宇宙ステーションでは、各モジュールを宇宙に打ち上げ、軌道上でドッキングして組み立てて完全な宇宙ステーションにするために、複数回のロケットの使用が必要です。

建設プロセスでは、新しいモジュールの到着に伴い、宇宙ステーションは複数のランデブー、ドッキング、モジュール転送タスクを実行する必要があります。宇宙飛行士は宇宙ステーションや訪問宇宙船の状態を監視するだけでなく、必要に応じて手動でランデブーやドッキングをリアルタイムで実行したり、大型ロボットアームを操作して手動でモジュールの移送を行ったりする必要もあります。

新しいモジュールがドッキングした後、宇宙飛行士が入居し、内部の装飾を行う予定です。一般的に、軌道上での設置とデバッグ作業には長期間が必要となります。

一方で、宇宙ステーションのインターフェースのさまざまな機能を検査および監視して、すべての電気機能と油圧機能が接続され、正常に動作していることを確認し、2つの区画間のネットワーク接続作業を実行し、ドッキング機構の長期的な密閉を監視する必要があります。

一方、早くまたは遅く納品された資材、工具、機器は、新しい区画の調整や機器の設置に使用する必要があります。したがって、宇宙飛行士は宇宙ステーションの建設中は非常に忙しい仕事をします。

船外活動機器なしでは生きていけない

宇宙ステーションの建設段階では、宇宙飛行士による船外組立作業が重要な役割を果たします。例えば、アメリカの宇宙飛行士はアポロ有人宇宙船「スカイラブ」に入った後、まず新しい耐熱シールドを設置し、その後、船室から出て、片側の太陽電池パネルを展開するのに多大な労力を費やしました。そのため、宇宙飛行士は宇宙ステーションの船外組立作業に参加する必要があります。

宇宙ステーションがますます複雑になるにつれて、宇宙飛行士はますます多くの船外作業を行う必要が出てきます。特に、1980年代に米国が提案したフリーダム宇宙ステーション計画は、宇宙飛行士の船外組立作業に大きく依存していた。

アメリカが提案したフリーダム宇宙ステーションのイメージ

フリーダムは巨大なダブルキールトラス宇宙ステーションであるため、建設段階では宇宙飛行士が船室の外に出て、多くの組み立て作業やメンテナンス作業を行う必要があります。当時のNASAの評価によれば、宇宙ステーションの建設を完了するには、宇宙飛行士が船室の外に出て何百ものミッションを遂行する必要があるとされていた。しかし、何らかの理由で、「フリーダム」は建設段階に入ることはなく、結局は紙の上だけに留まりました。

フリーダムの後継機である現在の国際宇宙ステーションは、トラス設計ではないものの、フリーダムの後のシングルキール構成とソビエト/ロシアのミール宇宙ステーションの「ハイブリッド」と見ることができます。 2011年の米国スペースシャトルの最後の飛行ミッションを国際宇宙ステーションが基本的に完成した兆候とみなすと、宇宙飛行士は国際宇宙ステーションの建設中に合計159回の船外活動を実施し、宇宙ステーションの建設に大きな役割を果たした。

宇宙ステーションの建設段階では、宇宙飛行士は宇宙船から出て具体的に何をするのでしょうか?わが国の「神舟13号」ミッションの際、宇宙飛行士は船室から出て、天河コアモジュールの外にカメラを持ち上げた。 「神舟14号」ミッションでは、2～3回の船外活動も実施される予定。将来的には、コアモジュールに設置された太陽電池パネルが、2つの実験モジュールの両端に移設される可能性があります。これらは複雑な作業であり、完了するには宇宙飛行士が船室の外に出る必要があります。

国際宇宙ステーションは半トラス構造であり、複数の国が共同で実施する複雑なプロジェクトです。建造中、宇宙飛行士は船室から出て、巨大なトラス構造、太陽電池翼、カナダのロボットアーム移動サービスシステムを組み立て、米国のデスティニー実験モジュール、日本のホープ実験モジュール、欧州のコロンバス実験モジュールの多数の船外設備と科学実験ペイロードを設置し、制御トルクジャイロとバッテリーも交換しました。

2021年、ロシアの宇宙飛行士は、科学実験モジュールの到着を歓迎するために、国際宇宙ステーションのケーブルを接続する2回の船外活動を実施した。

2021年7月、科学実験モジュールが打ち上げられ、国際宇宙ステーションとのドッキングに成功した後、ロシアの宇宙飛行士はいくつかの船外活動を実施し、ロボットアーム、エアロック、追加のラジエーター、船外ペイロード固定具などの軌道上検査および設置作業を実行しました。

緊急救助に対応できるのは私だけ

人間は宇宙空間では非常に無防備ですが、宇宙ステーションは複雑で高度なシステムであり、建設中に宇宙飛行士が軌道上で組み立てて維持する必要があるだけでなく、故障が発生した場合には宇宙飛行士が緊急救助サービスを提供する必要があります。

有人宇宙ミッションは人命に関わるため、研究者は各ミッションを実行する前にさまざまな計画を立てるが、宇宙での緊急事態は通常「予期せぬ事態」の範疇に入る。例えば、宇宙ステーションのコンピューター制御システムが突然故障したり、有人与圧室で火災や誤報が発生したり、客室内に未知のガスが発生したり、ガス漏れが検知されたりした場合など、宇宙飛行士は即座に判断して対処する必要があります。

一般的に、このような異常事態が発生すると、従来の宇宙ステーションの制御システムでは最適な解決策を提供することが困難になり、システム自体が解決しなければならない問題となる場合もあります。現時点では、問題を解決するために自分の知識と経験を頼りにできるのは宇宙飛行士だけであり、現場の状況に応じて判断し対処できるのは宇宙ステーションにいる宇宙飛行士だけです。宇宙飛行士が自主的に緊急事態に対処しなければ、こうした予期せぬ出来事を解決することは難しいでしょう。

宇宙ステーションの建設段階では、さまざまなサブシステムが十分なテストを受けておらず、さまざまな問題が発生しがちです。緊急救助は最も困難な任務であり、宇宙飛行士に最も多くの能力が要求される任務であり、また、宇宙飛行士だけがこの任務に適している場合でもあります。

ロシアのミール宇宙ステーションは2度の大きな危機を経験しており、そのたびに宇宙飛行士たちはかけがえのない役割を果たしてきた。 1997年2月、ミール宇宙ステーションで火災が発生した。客室内は刺激臭のある煙で満たされ、宇宙飛行士たちは目の前の手も見えなかった。彼らは壁の消火器を外して火を消し、空気の組成を調整し、損傷した機器の一部を修理した。

宇宙にあるミール宇宙ステーション

さらに、「ミール」はプログレス貨物宇宙船の衝突を受け、太陽電池パネルが損傷し、スペクトルモジュールに大きな穴が開き、宇宙ステーションは電力不足に陥り、制御不能に陥った。幸運にも、宇宙飛行士たちは急いでハッチを閉じ、ハッチのケーブルを切断し、宇宙船のエンジンを使って姿勢を初期制御し、「ミール」は復活した。

これらの宇宙ステーション緊急救助の例は、宇宙飛行士が宇宙ステーションの建設において重要な役割を果たしていることを証明しています。