スペースX、「ドラゴン」補給船を初めて再使用 - ISSへ補給物資打ち上げ

スペースX、「ドラゴン」補給船を初めて再使用 - ISSへ補給物資打ち上げ

画像提供:マイナビニュース

●有人宇宙船と新型補給船の開発への布石となる再使用化
米国の宇宙企業スペースXは6月2日(日本時間)、国際宇宙ステーションに物資を届ける無人の補給船「ドラゴン」運用11号機(CRS-11)を搭載した、「ファルコン9」ロケットの打ち上げに成功した。

打ち上げられたドラゴンは、2014年にも一度宇宙に行って帰ってきた機体で、今回が2度目の宇宙飛行となる。ドラゴンの再使用は今回が初めてで、同社はロケットに続き、補給船や宇宙船の再使用という難しい挑戦に臨む。

ファルコン9ロケットは、日本時間の6月4日6時7分38秒(米東部夏時間6月3日17時7分38秒)、米国フロリダ州にあるNASAケネディ宇宙センターの第39A発射台から離昇した。ロケットは順調に飛行し、打ち上げから約10分20秒後にドラゴンを分離し、軌道に投入した。

ドラゴンはその後、太陽電池パドルの展開や通信の確立にも成功。このあとも飛行を続け、6月5日23時ごろに、国際宇宙ステーション(ISS)の「ハーモニー」モジュールと結合し、補給物資を届ける。ISSには約4週間滞在する予定で、離脱後はカプセルは大気圏に再突入し、メキシコのバハ・カリフォルニア州沖の太平洋に着水、帰還する予定となっている。

また、ロケットの第1段機体は、打ち上げが行われた発射台にほど近い、ケープ・カナベラル空軍ステーションの第1着陸場(LZ-1)への着陸に成功している。今回使われた機体は新品だったが、スペースXは今月中旬に予定している「ブルガリサット1」の打ち上げで、通算2回目となる再使用打ち上げに挑む。

さらに今回の打ち上げは、第39A発射台から通算100回目となる、記念すべきものだった。これまでに第39A発射台からは、「サターンV」ロケットが12機、スペースシャトルが通算で82回、そしてファルコン9が今回を含め6機打ち上げられている。

○初の再使用ミッションに挑むドラゴン

ドラゴン(Dragon)は、スペースXが開発した無人の補給船で、主にISSに水や食料、部品、実験装置などを運ぶことを目的にしている。

ドラゴンの開発は、2005年に米国航空宇宙局(NASA)が発表した、スペースシャトルの引退後にISSへの物資や宇宙飛行士を輸送を民間企業に任せるという方針に応える形で始まった。ドラゴンの開発と並行して、打ち上げを担うファルコン9(Falcon 9)の開発も始まり、2010年6月にはドラゴンの実物大模型を載せて、初の打ち上げが行われた。

同年12月には、ドラゴンの試験機が打ち上げられ、軌道での動作確認や再突入など、一連の流れを試験。2012年5月には、初めてISSへの接近と結合を行い、その性能を実証した。

そして同年10月からは、NASAからの契約に基づいた商業補給ミッション、すなわちスペースXがファルコン9とドラゴンでISSに物資を運ぶのと引き換えに、NASAから運賃の支払いを受けるという、宇宙の宅配便のような運用が始まった。このミッションはこれまでに10回行われており、今回で11回目となった。7号機の打ち上げ失敗以外はすべて成功している。

ドラゴンの特長のひとつは、宇宙から地球へ帰還できる能力をもっているところにある。

ドラゴンは、与圧貨物を搭載するためのカプセル部分と、非与圧貨物を搭載する外部トランク部分の、大きく2つの部分に分かれている。このうちカプセルは有人宇宙船のような大気圏への再突入能力をもっており、これによって物資を地球からISSへ運ぶだけでなく、逆にISSから地球に持ち帰り、たとえばISSの実験で生み出された成果物を、地球にある分析装置で更に詳しく調べることができる。ちなみにトランクは使い捨てで、大気圏に再突入後、燃え尽きる。

ISSに物資を運べる補給船は、スペースXと並んで補給を担う民間企業のオービタルATKが運用する「シグナス」や、日本が運用する「こうのとり」、ロシアの「プログレス」などがあるが、これらはどれも地球に帰還する能力はない。ロシアの有人宇宙船「ソユーズ」は、宇宙飛行士といっしょに物資を持ち帰ることもできるものの、機体の大きさなどの都合上、あまり大きいものや、大量のものを持ち帰ることはできない。そのためドラゴンは、この点においてはほぼ唯一無二の性能をもっている。

そして、ドラゴンのもうひとつの特長として、カプセル部分を再使用できることがある。実際に再使用が行われたのは今回のドラゴンCRS-11が初めてで、このカプセルは2014年9月にドラゴン補給船運用4号機(CRS-4)として打ち上げられ、34日間宇宙に滞在したのち、10月に帰還しており、今回が2回目の宇宙飛行となる。

ただし完全な再使用ではなく、耐熱シールドなど一部は交換する必要があるという。また、同じカプセルが何回再使用が可能なのかなど、詳細もまだ明らかになっていない。スペースXでは今後のミッションでもカプセルの再使用を行うとしている。

ちなみに再使用できる宇宙船はドラゴンが初めてではなく、米国の「ジェミニ」やスペースシャトル、X-37Bのほか、ソ連の宇宙船「VA」も、実際に再使用飛行を行なった経験をもっている。

スペースXはすでに、打ち上げコストの低減を狙ってファルコン9の機体の再使用化を進めているが、ドラゴンの場合はコスト削減というよりは、現行のドラゴン補給船の製造ラインをなくし、有人宇宙船「ドラゴン2」の開発と製造、またそれをもとにした新型のドラゴン補給船の開発と製造を促進させる狙いがある。

ドラゴン2の無人飛行は2017年中に、有人飛行は2018年に予定されており、それをもとにした新型の補給船は2019年から運用が始まる予定となっている。

このドラゴン2と、それをもとにした新型補給船では、従来のパラシュートを使った着水にかわって、ロケット・エンジンを噴射しながら陸上に軟着陸する方法が導入される。ただ、ドラゴン2の初期のミッションでは、実績を重視してパラシュートで着水するようにし、並行して新型ドラゴン補給船でロケットによる着陸の実証を行い、その後有人のドラゴン2も同様の着陸方法に移す、という計画をもっているようである。

ロケットを使った軟着陸は、機体を狙った場所に、ゆるやかに降ろすことができるため、回収や整備の手間が省け、中の宇宙飛行士や物資にも優しいという利点があるほか、火星や月など、大気が薄い、あるいはほとんどない天体への着陸にも応用できることから、太陽系のさまざまな天体への有人飛行や移住という構想をもつスペースXにとっては、必要不可欠な技術になる。

●新開発の太陽電池にパルサーの観測 - さまざまな実験装置を運ぶドラゴン
○新開発の太陽電池にパルサーの観測 - さまざまな実験装置を運ぶドラゴン

ドラゴン補給船運用11号機(Dragon CRS-11)には、ISSに滞在する宇宙飛行士の水や食料、生活用品や、ISSで使うコンピューターや船外活動用の機器や部品、そして実験などで使う装置や器具など、合計2708kgもの補給物資が搭載されている。

そのうち補給船のカプセル内には与圧貨物が1665kg、船外トランクの非与圧貨物が1002kgを占める。

今回の補給ミッションでは、大きく5つの科学ミッションで使う物資が送り届けられる。

ROSE

ROSA (Roll-Out Solar Array)は、新開発の太陽電池の試験品である。

ISSに設置されているような従来型の太陽電池は堅く、ロケットでの打ち上げ時にかさばるという問題があった。

一方、ROSAは布のような薄くて軽い構造をしており、効率を高めると同時に、絨毯のように巻き取れるようにすることで、打ち上げ時に小さくまとめられるようにしたり、ロケットにより大きなサイズのものを搭載できるようになっている。

NASAではこの技術を、地球を回る人工衛星から、将来の深宇宙探査、とくに火星以遠への飛行に電気推進エンジンを使う際の電力源として使うことを考えている。

NICER

NICER (Neutron Star Interior Composition Explored payload)は、ISSの船外に設置される実験装置で、中性子星の観測を目的としている。

中性子星は、光やX線などを周期的に、規則正しく発生させている「パルサー」と呼ばれる天体の正体だと考えられており、NICERはX線を使って観測することで、パルサーの構造を解き明かすことを目指している。

NICERはまた、「SEXTANT」(Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology)と呼ばれる実験装置も含んでいる。SEXTANTは、パルサーが規則正しくX線などを出していることを利用し、太陽系の中において正確な時間と位置を測る仕組みの確立を目指している。

原理的には地球における全地球測位システム(GPS)と同じで、NASAでは将来的に、太陽系を飛行する探査機や宇宙船にこの技術を採用し、GPSならぬ、パルサーを使った"全太陽系測位システム"を実現させようとしている。

マウスを使った骨粗しょう症の新薬の実験

これまでの研究で、人や動物が宇宙に長期間滞在すると、骨の密度が減ったり、骨粗しょう症を発症したりすることがわかっている。滞在中に運動をするなどを対抗策を行えば悪化は防げるものの、すでに失った骨をもとに戻すことは、宇宙はもちろん地球でもできない。

この実験では、骨を再生し、なおかつさらなる喪失を防ぐことが期待されている新しい薬をマウスに投与し、その効果などを調べることを目的としており、将来的に地球で骨粗しょう症に苦しむ人々を救ったり、ISSに滞在する宇宙飛行士や、より長期の宇宙飛行に赴く宇宙飛行士の健康を保ったりといったことが期待されている。

ミバエを使った心臓の研究

これまでの研究で、宇宙船の中のような微小重力(無重力)環境では、心臓の機能が衰えることがわかっている。これは重力のある地球とは違い、微小重力環境下では勢いよく血液を送り出す必要がないためだと考えられているが、この実験ではミバエ(キイロショウジョウバエ)を使って、そのメカニズムの研究をすることを目指している。

その知見は人体へも応用でき、宇宙飛行士の心血管系への影響の研究や、その対応策を開発する手助けになることが期待されている。

MUSES

MUSES(Multiple User System for Earth Sensing)は、高精度のデジタル・カメラや、ハイパースペクトル・イメージャといった地球観測装置を設置できるプラットフォームで、電力やデータの通信装置はもとより、見たい場所に正確にカメラを向けられる能力や、いくつもの機器を搭載できるスペースをもつ。

また装置は取り外して交換したり、さらに性能のよいものを搭載したりといった変更が可能で、海の観測や農業への応用、災害対策や資源探査、山火事などの監視などに役立てることができるという。

○中国や日本の実験用物資、国際協力で開発された超小型衛星も搭載

ドラゴンにはこのほかにも、NASAをはじめ、欧州宇宙機関(ESA)や民間企業などが実施する、さまざまな実験で使われる装置や用品などが搭載されている。

また新華社通信などの報道によると、ドラゴンCRS-11には、中国の北京工科大学の実験装置も搭載されているという。

この実験は宇宙の放射線によるDNAの変化を見ることを目的としたもので、ISSの実験スペースを商業的に貸し出している民間企業「ナノラックス(NanoRacks)」を通じて、ISSの利用の契約を結んだという。実験期間は1カ月ほどで、復路もドラゴンCRS-11に搭載され、地球に持ち帰られる予定となっている。

米国は宇宙分野での中国との協力を半ばタブーにしており、ISSに中国の実験装置が送られるのは今回が初めてとなる(ただし、ISSに設置されているアルファ磁気分光器(AMS)のチームには中国も参加しており、これまでも間接的にはかかわっていた)。中国が参加可能になった経緯は不明なものの、NASAとの直接的なやりとりではなく、ナノラックスを経たことで実現したものと考えられる。

また、日本の宇宙航空研究開発機構(JAXA)関連の実験用物資として、物質を静電気の力で浮かべて加熱させることができる「静電浮遊炉(ELF)」や、「小動物飼育装置(MHU)」、ほ乳類の繁殖における宇宙環境の影響(Space Pup)の実験用品、中温高品質タンパク質結晶生成実験(MTPCG#1)などで使用される実験用品も搭載されている。

さらに、JAXAと九州工業大学が推進している「BIRDSプロジェクト」で開発された、超小型衛星も搭載されている。BIRDSは超小型衛星の開発を通じた人材育成を目的としたもので、九州工業大学の日本人学生に加え、モンゴルやガーナ、バングラデシュ、ナイジェリア、タイといった国々の留学生が参加し、5機の超小型衛星が開発された。

この5機の衛星はドラゴンからISSに搬入されたのち、今年度中に日本モジュール「きぼう」から放出される予定となっている。

九州工業大学では、今後もBIRDSプロジェクトを中心とした、超小型衛星の開発を通じた人材育成や国際協力を進めていくとしている。またJAXAでも今後、有償利用や国際協力による「きぼう」からの超小型衛星の放出機会を設けると同時に、放出能力も強化する予定で、将来的には産業として自立化させることを視野にいれているとしている。

参考

・CRS-11 Dragon Resupply Mission
・SPACEX CRS-11 MISSION OVERVIEW
・First Dragon Reflight | SpaceX
・SpaceX to reuse Dragon capsules on cargo missions - SpaceNews.com
・Live coverage: Falcon 9 rocket lifts off on space station resupply run - Spaceflight Now
(鳥嶋真也)

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