ミッション解析書
テーマ名：Bugs’ Nest-拡張性を有した有人衛星規格の提案
序論

モジュールサイズの提案

宇宙開発において、幾度もの有人ミッションがTable1 に示すとおり、ISS の構成要素は、ほと行われてきた。その中で、宇宙ステーションは、んどが質量 10t～20t を超える大型のものである。

人類が宇宙という新たなフィールドへ飛び出す

そのため、これらのペイロードを打ち上げるロケための、前線基地といえる。

ットは、必然的に限られてくる。

しかし、現行の国際宇宙ステーション(以下 ISS)

Table1 ISS 構成要素の各質量は多くの国家が国際協調の下、計画に関わっていモジュールるものの、その建設に必要な物資の輸送には、ごザーリャ

19.3

く少数の国家に頼っている状況である。これは、

ズヴェズダ

19.0

ISS のモジュールを打ち上げることが可能なロケ

S0 トラス

12.6

Spaceットが限られているためである。このように、少P1 トラス

13.9

Shuttle(NASA)

数の国が主導権を握るような宇宙ステーション

Z1 トラス8.3の建設法では、ミッションを遂行することが困難

JEM

15.9になると考えられる。

デスティニー

14.0

そこで、我々は、宇宙ステーションの建設を簡

クエスト

6.1

素化し、多くの国家、企業が参入できるような、ユニティ11.6

質量[t]使用ロケット
Proton(Russia)より小型のモジュールの提案を行う。これにより、日本のみならず、ロケットを保有するあらゆる組

次頁の Table2 に各国の主要なロケットの LEO織に対して、宇宙開発参加の機会を増やすことが打上げ能力を示す。ここから、ISS のモジュールできると考えられる。

を打上げが可能なロケットが、数種類程度に限られていることが分かる。

国際宇宙ステーション使用できるロケットが限られているというこ

ISS は、アメリカの呼びかけによって計画されとは、打ち上げの頻度が低下するということであた、大型の有人宇宙実験施設である。ISS はスカる。ISS で実際に建設を主導しているのは、大規イラブと同時期に計画された、大型宇宙ステーシ

模輸送能力と有人飛行能力を持つロシアとアメョンに端を発する。その後、何度も設計を変更さリカのみである。ISS はスペースシャトルの 2 度れ、ISS として 1995 年頃から建設を始めることでの事故により大きく計画が停滞している。つまり、合意した。その後、ロシアが参加に意欲を示した主導国での遅延がそのまま計画全体に影響を及ことから更に計画変更が行われ、1998 年から建設ぼしている。また、近年ではシャトル以降の大型が始まった。

輸送往還機が開発されないことがほぼ確定して2000 年には、主なペイロード運搬を務めてきたおり、そのことから今後の宇宙開発は、既存のロスペースシャトル[コロンビア]が空中分解を起こケットで展開する必要がある。

し、ISS の建設は停滞した。また、アメリカが月や火星などに宇宙開発の方針を転換し、スペースシャトルの運用期限を 2010 年までと設定したとから、計画は大幅な見直しを迫られている。
1

Table2 各国の宇宙ロケットの能力
nationrocket

全備質量LEO[t]

Table 3 各ロケットのフェアリング径
GTO[t]

nation[t]NASANASA

normalDelta 4max
5Delta 4M

250

8.1

4.2Atlas 5(400)

3.75

4.57

Delta 4733

23.0

13.1

Atlas 2AS

3.3

4.4

Soyuse U

3.72

4

Heavy lift

RussiaAtlas 5 401

333

12.5

5.0

Soyuse ST

Atlas 2A

187

6.6

2.8

Proton M

3.87

Atlas 2AS

218

8.6

4.1

UkraineZenit 3SL

3.9

Atlas 3A

218

8.6

4.1

China

CZ-2F

3.35

*Titan 4B

939

21.6

5.7

CZ-3A

3

*Space800

22.0

2.4

ESA

Ariane 5

4.57

Japan

H-2A

3.7

ShattleRussiarocketSoyuse U

310

Soyuse 2'

6.9

1.4

7.0

2.7

4.11
4.7

3.7

4.6

提案

Proton K

692

19.8

4.9

各国には、能力は限られているが優秀なロケッ

UkrainaZenit 3SL471

15.96.0

トが多数存在する。仮に打ち上げるモジュールのChina

CZ-2F

464

8.4

3.5

質量を 6t として限定すると、運搬可能なロケット

CZ-3A

240

8.52.3は Table2 中でも 12 種類に該当している。今後のESA

Arian 5G

746

18.0

6.0

宇宙開発を考えた場合、これらのロケットをいかJapan

H-2A2020

285

10.04.0に利用できるかが課題となる。

H-2B'

510

16.5

本提案では、既存の一定の能力を持った全ての*運用が終了、もしくは近年終了

ロケットに適合する、有人モジュールを提案する。

’開発途中

通常、打上げロケットはペイロードに合わせて選定されるが、本提案の場合は逆に、どのロケットにも適合できるモジュールの質量を固定化する。

サイズの適合いわば、有人モジュールの規格化である。

Table2 から、アトラス 2A、ソユーズ U、Titan、Space Shuttle、H-2B を除き、12 種類がおおよそ狙い10t 以上の LEO 投入能力を持っている。衛星を設計する際には質量だけでなく、これらのサイズを例えば、200t 規模の宇宙ステーションの建設をフェアリングに適合させる必要がある。基本的に、行うとする。1 基あたり 20t 規模のモジュールなフェアリング長は 10m を超えるものが多いが、直らば、プロトンロケット 10 回程度で完成できる。

径に関してはロケットの最終段に左右されるた

プロトンの平均年間打上げ回数は 14 回程度であめ、一律ではない。以下に、各ロケットのフェアり、全て打上げに振り向けて 10 ヶ月程度になる。
一方、これを 6t クラスのモジュールとした場合、リング径を示す。
これらの数値はあくまでカタログ･スペック上な打ち上げ回数は 34 回程度である。その代わり、ので、実際に打上げ可能であるかどうかは推測で使用できるロケットが多国のありとあらゆるロある。

ケットにわたる。そのため、同時期に複数の発射場を使ってモジュールを打ち上げることができ2る。例えば、ソユーズ、H-2A、長征、デルタロケ

衛星概要ットを用いるとすると、1 ヶ月にこれらを連続しBugs’ Nest は様々な運用形態を想定している。て打ち上げることで、34 回の打上げを 8.3 ヶ月でその中では、単体での使用や、集合した状態での終了する。多くの機関が参加することで、ステー運用などが考えられる。そのため、個々のモジュションの建設期間を短縮できる。

ールには、共通した機能を搭載する。例として生

世界中の発射基地を用いることは、宇宙ステー

命維持装置や通信機器、電力発生のためのバッテションの建設を早めるだけでなく、各国のロケッリ、ソーラーパネルなどである。

ト打ち上げ技術の進歩にもつながるという利点

Bugs’ Nest に中枢は存在しないため、必要不もある。

可欠なシステムを全体的に分散することになる。

プロトンを単一で使用した場合には、商業衛星電力は全体で発電され、大気循環はモジュールごの打上げなどがスケジュールに組み込まれていとに行われる。この形態の利点は、特定のモジュるため、全てを建設にまわすことが出来ない。だールが機能不全に陥った場合に、当該部分を切りがこの方法ならば、何処かのスケジュールが滞っ離すことが出来る点である。単位モジュールが小ても、他の発射基地は問題なく打ち上げることがさいため、より限定した隔離が可能となる。また、出来る。

老朽化したモジュールは閉鎖、切り離して投棄することが出来る。

アイディアの条件

このように、中央制御無しで、資源を流動的に本提案で提示する衛星を Bugs’ Nest と呼ぶこと全体と共有することができる。これには昆虫のとにする。Bugs’ Nest で鍵となるのは、いかに現行る生態システムが参考になると考えている。のロケットの大半に規格を当てはめることがで
1) 材質、寸法きるか、である。これにはペイロードに適合した構造重量、サイズを検討しなければならない。構モジュールの材質はアルミニウム合金のほか、造物をロケットのペイロードに搭載するというPMC(Polymer Matrix Composite)などの、ハニカムことは、必然的に小型化、内部容量の減少に他な構造が用いられている。アルミニウム合金は宇宙らない。本提案では、これをモジュールの数によ開発の当初から使われている素材である。また、ってカバーするが、それには同一の規格であるこPMC は金属と同等以上の強度と数分の 1 の質量とが望ましい。そのためには、小型化によるコスを持ち、太陽電池パネルなどに使われている。
寸法は現行の打上げロケットで投入可能なもトの上昇や、打上げコストの増大も考慮しなけれのとする。Table2 から推測すると、5,000kg からばならない。
また、[現場]での建設を担当してきたスペース8,000kg 程度ならば、ほとんどの打上げロケットシャトルが退役することから、飛行士による建設に適合できると思われる。モジュールの質量は単作業が出来なくなる。即ち、自らランデブー、結位面積あたりの重量で求めることが出来る。ISS

合し、組み立てを行っていくための装備が必要で構成要素の一つである[セントリフュージ]で推測ある。このための装備を現行の技術でいかに実現すると、全長 6.8m×直径 3.5m で 6,000kg となる。

できるかということが重要である。

同様に、[デスティニー]で推定すると、同質量で本提案では、現在 ISS などで用いられている技

全長 5.0m×直径 3.0m 程度となる。

術を参考に、どのようにしてこのアイディアを実現できるか考察した。

3

4) 通信現行の ISS では、小容量データとして S バンドアンテナ、大容量データとして Ku バンドアンテナを装備している。また、接近してくる宇宙船や船外活動中の宇宙飛行士とは UHF アンテナを介して交信している。これと同様のものを用いる。
現在の衛星では GPS 衛星を利用して、自立的に事故の位置を認識、補正するものが増えている。
他に、追加モジュールとして大型の通信装置を

Fig.1 Bugs’ Nest 素体(CBM 4 基)搭載したモジュールを考えている。データの中継
2) 熱制御にはデータ中継衛星(TDRS)を用いる他、必要に応熱制御は既存のものを利用する。例えば、ISS

じて ISS を中継して通信を確保する。に用いられている液化アンモニアの冷却システ
ム、ヒートパイプ･ループ、ヒータなどである。

5) デブリシールド

現行のものを利用することで、開発期間を短縮す

現行の ISS のように、機体外層にはある程度のる。これらの設備はここに独立させ、システムはデブリ対策を施すべきである。デブリを内壁まで自己の管理下にあるモジュールのみを制御する。

貫通させないための方法としては、外壁の外側に金属板を設け、衝突時の運動エネルギーを熱エネ3) 電源ルギーに変換させ、減少させるものがある。これ

機体表面の外部デブリバンパに、太陽電池をオはホイップル･バンパと呼ばれる。さらにスタッンボードする。また、標準装備として側面に、十フィング(アルミメッシュやセラミクス、ケブラー数 m 程度の太陽電池パネルを備える。宇宙空間になど)を重ねて強化したものが実験されている。ス

おける太陽エネルギーは 1.35 kW/m2 である。単体

タッフィング入りバンパでは、10 mm 径のデブリで 5 kW 程度の発電を目標とすると、発電効率をが速度 16 km/s で衝突した場合まで耐えうること15 %として 1.5 m×16.4 m 程度のパネル面積が必が確認されている。またスタッフィングを入れな要となる。これはあくまでピーク値であり、一定い場合でも、太陽電池をオンボードすることで、した電力供給には、これ以上の面積が必要である。

デブリに対する防御になることが確認されていまた、ガリウム砒素などの高効率ソーラーを用いる[1]。これらを区別して配置することで、重量をればより小さくできると思われる。モジュールに保ちつつ、耐久性を確保する。

はそれ自体の制御系に使われる電力を供給する
ほか、必要に応じて他モジュールに対して電源供給を行える設備を持つ。
天体の影の部分に入った場合、太陽電池の発電量は著しく低下するために、2 次電源としてバッテリを複数搭載してこれに対処する。影の部分では電力消費を最小限とするよう電力系統を制御する。
Fig.2 各種デブリシールドの装着位置

46) ランデブー、ドッキング

7) 物資補給、及びリブースト

ISS と同様の、CBM を 2 基程度備える。これに能動的な姿勢制御方法としてモジュール各部より、同型の衛星による拡張性を確保する。CBMにスラスターを搭載する。

は直径が 130cm あり、荷物や人の移動が従来のも基礎モジュール自体に軌道制御能力はなく、追のに比べて容易になっている。CBM には能動側加パーツとして軌道制御能力を付加する。現在、と受動側が存在するが、2 基 1 対として常に能動ESA では ATV(Automated Transfer Vehicle)が開発受動の関係を確保する。

されているが、これは ISS への物資補給のほか、各モジュールには、ランデブー用のレーザーレスラスターによるリブーストが行えるよう設計ーダーを搭載する。これは技術試験衛星 ETS-ⅤⅡされている。Bugs’ Nest でも同様のシステムが採によって実証された方式で、HTV(H-2 Transfer用されることが望ましいが、ATV や HTV よりもVehicle)に用いられる予定である [1]。また、Bugs’

小規模なものでなければ、既存のロケットでは打Nest 同士の通信には前述の UHF アンテナを用いち上げられない。

る。
ISS の軌道上組み立てでは、スペースシャトル

Table4 ISS 物資補給、リブースト用モジュール

か、先に取り付けられたロボットアームによってNationRussiaESA

Japan行われていた。しかし、Bugs’ Nest では単独でのModule

Progress M

ATVHTVランデブー、ドッキングが行われなければならな

Length[m]い。そこでマニピュレータを取り付け、相互に保Diameter[m]持することでドッキング時の補助とする。側方

Dry mass[t]CBM へのドッキングは、能動、受動にかかわらPaiload[t]ず、ドッキングする側がマニピュレータを伸ばし

Thrust[kN]

7.2

9.8

9.2

4.48

4.4

4.8

10.5

10.5

2.35

7.5

6.0

490×4て保持する。リ･ドッキングの際には、逆の手順でモジュールを保持してから、開放する。

8) 生活環境

ドッキングした後にデッド･ウェイトとなるこ

Bugs’ Nest は有人滞在を念頭に置いた衛星であとを防ぐため、マニピュレータには ISS に用いらる。そのため、物資の保存や循環装置などの設備れている SSRMS と同様のものを考えている。こが必要となる。前述のとおり、Bugs’ Nest は集合の SSRMS は固定部がなく、ISS 各所に移動するこすることにより、完全な有人滞在機能を獲得する。とが出来る画期的なものである。これをオプショ

そのため、単体に全ての機能を閉じ込める必要はンとして打上げ、後続の追加モジュールのドッキない。1 人に対する循環装置の重量、寸法は次のン グ の 補 助 と す る 。 SSRMS の 重 量 は お よ そようになる。[5]1,800kg である。
Table5 浄化循環システムの寸法及び電力
機器

高さ

幅[m]

[m]

Fig.3 ドッキング用マニピュレータ

5縦体積

重量

電力[m]

3[kg]

[kW]

[m ]

水

2.2

0.45

0.6

0.594

3302.4

大気

2.2

0.45

0.6

0.594

1951.64モジュール 1 基あたり 2 人分の能力を持たせると政治的課題

すると、およそ 1,050kg である。

Bugs’ Nest の運用は、各国における協調、及びまた、人 1 人が 1 日に必要とする水と酸素、食競争が必要である。しかしながら、現在の宇宙開料は総計 4.53 kg である。モジュール 1 基あたり発はほぼ別個に進められているような状況であに人員 2 名 1 週間分を搭載すると仮定すると、る。科学研究の分野では、世界的な協力は普通で63.5kg と計算できる。これらを総計すると、基礎あるが、商業的宇宙開発ではロシアと ESA が協力

体の重量は、前述の空虚重量 6,000 kg とあわせてしているのみである。商業開発の上では、技術的7,114kg である。これに人員 2 人分の水 30kg/日×7課題よりも政治的な課題によって阻害される場

日を考えると、これより基礎構造の全備重量は合が多く、事実、日本はアメリカのスーパー3017,600kg~8,000kg 程度と推定する。

条によって商業利用を断念した経緯がある。

コスト面の課題

地球近傍におけるステーションの建設

小型化に際して問題となるのは、密度当たりの1) 初回打上げ。この時、自在マニピュレータをコストである。Bugs’ Nest では同一規格によって付属させる。

拡張性を確保するが、逆にそれぞれのモジュール

2) レーザーレーダーにより、ドッキング･マニピで重複する部分が増え、機能的、重量的に不利にュレータが保持可能な距離まで接近するなるという問題がある。

3) マニピュレータにより相互を保持。

同じ質量のステーションを 20t と 10t の規格モ

4) 相互に引き寄せあり、CBM 結合に入る。

ジュールで構成すると仮定する。このとき、10t5) 3 回目以降ではマニピュレータを搭載せずにのモジュールの場合、20t モジュールの倍のモジモジュールを軌道投入する。マニピュレータュール数が必要であることは明白である。逆に言は任意の CBM 付近へと移動し、ランデブー

えば、同じコストでステーションを建造する場合、した追加モジュールは、自在マニピュレータ

10t モジュールの単価は 20t モジュールの半分以下により保持され、ドッキングされる。

で無ければならない。それ以上ではトータルコストの面で不利となる。

発展
Bugs’ Nest は汎用性が高いことが大きな特徴で往還システムの課題ある。これを利用した当衛星の発展系について述

前述の通り、アメリカは 2010 年までにスペーべる。

スシャトルを退役させることを明言しており、今(1) 軌道作業船後、シャトルを含めない宇宙開発が進むと考えら

Bug’s Nest は小型であり、構造上エンジンのなれる。一方、ロシアと ESA はソユーズの改良とクい宇宙船に等しい。ここから、作業用のマニピュリッパーの開発で合意しており、今後の有人宇宙レータなどを装備し、軌道上における小型作業船飛行はしばらくの間ソユーズを中心にして進むとして運用する。と考えられる。Bugs’ Nest も、ソユーズとの協調運用を取る必要がある。
また、日本では独自の宇宙船を持っていないが、技術開発も当面凍結することが決定しており、日本が単独で Bugs’ Nest を運用することは不可能である。当衛星を運用するには、ロシアか、中国との宇宙開発の協力が必要である。
6

Fig.7 軌道作業船(2) 宇宙ステーション
順次打ち上げていくことにより小規模な宇宙

Fig.9 Mars Station with Bugs’ Nest

ステーションを構成する。多くの CBM があるた
め、必要になった機器を拡張モジュールとして接結論続することが可能である。

宇宙空間の有人滞在施設を統合する規格について提案した。この Bugs’ Nest は小型かつ汎用性を併せ持ち、またモジュールの組み合わせによって、目的に沿ったステーションへと建設できるものである。提案では既存の技術を用いて、モジュールを比較的小型に集約できることを確認した。
同時に、重量に対するコストの増大、往還船の問題、政治的障害という課題も見つかった。Bugs’
Nest の市場投入には、これら 3 つの課題を中心に取り組まなくてはならない。
日本ではロボット技術など、基礎的な技術研究

Fig.8 地球軌道ステーションは進んでいるため、それらを実用化の段階に移行(3)遠方の天体における前線基地することが重要と思われる。今後必要とされるのBugs’ Nest の能力の一つとして、自律的な組み立は、有人の往還手段の開発、及び予算である。てが挙げられる。この機能は、地球近傍よりもむ
しろ、人員の派遣が困難な遠方において役立つ。

参考文献

月や火星など、現在の技術では継続的な人員輸[1]日本航空宇宙開発研究機構 Web ページ 各種

送が困難な場所において、Bugs’ Nest による[前線資料、広報 PDF基地]を建造する。これらの遠方の天体では、ペイ[2]図説宇宙工学概論: 岩崎信夫(丸善株式会社)

ロードを推進剤に比べて小さくする必要がある[3]宇宙航行力学: 室津 義定(共立出版社)

ため、大型モジュールによるステーションが困難[4]宇宙工学概論: 斎藤 利生(地人書館)

である。

[5]小地球を作る: 新田 慶治(丸善株式会社)[6]衛星設計入門: 衛星設計コンテスト実行委員会(培風館)
その他各種 Web ページ

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