きぼう

きぼうは、宇宙航空研究開発機構  が開発した日本の宇宙実験棟で、国際宇宙ステーション  を構成する部位の1つ。ISSでは最大の実験棟で、通称は「きぼう」日本実験棟。計画時の呼称はJEM。日本で初めての軌道上研究所と位置付けられている。エアロックやロボットアームを備え、ISSでは唯一、重量50キログラム程度までの超小型人工衛星を軌道投入できる機能を有し、JAXAが各国から衛星射出を受託している。

1. 概要
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「きぼう」は日本初となる有人宇宙実験施設で、日本が宇宙ステーション計画への参加を決めた1985年に当時の宇宙開発事業団を中心に開発が始まり、完成した各部位はアメリカへ輸送された後、スペースシャトルで3回に分けて打ち上げられ、2009年7月19日に24年の歳月をかけ完成した。開発費用は、きぼう本体に約2,500億円、きぼうに搭載する実験装置に約450億円、地上施設開発費と宇宙飛行士訓練費とシャトルによるきぼう打ち上げ費に約2,360億円である。

「きぼう」は、実験を行う「船内実験室」と「船外実験プラットフォーム」、倉庫となる「船内保管室」、船外機器などを輸送する「船外パレット」、実験装置の交換などを行う「ロボットアーム」、地上との双方向通信でデータなどをやり取りする「衛星間通信システム」の6つで構成されており、全部位の結合時の大きさは長さ20.5m、高さ8.6m、幅8.9m、重さ約26トンになる。きぼうの部品総点数は約200万点に及ぶ。

現行のIGA5条により、日本は宇宙物体として登録した「きぼう」「HTV」と日本人宇宙飛行士・宇宙旅行者等に対し管轄権及び管理の権限を有している。

「きぼう」の利用に関しては、アメリカとカナダは基盤要素となる電力と居住機能、ロボットアームを提供しているため、「きぼう」の利用権をアメリカが46.7%、カナダが2.3%持っており、日本の利用権の割合は51%となっている。従って、日本は船内実験室の実験ラック10個と船外実験プラットフォームの実験装置10個の内、それぞれ常時5個ずつ設置でき、残りの5個はNASAが設置できる。また、日本が得ている電力・搭乗員作業時間・地上との通信・物資輸送などのアメリカ側の利用用資源は12.8%で、宇宙飛行士の搭乗権配分も12.8%JAXA『宇宙にかける「きぼう」』となっている。これらの権利の対価として、日本には「きぼう」の開発・維持・運用・運用管制などを行う責任があり、船内実験室の軌道上での検証後は共通システム運用経費の分担義務が発生するため、HTVでの物資輸送による現物提供を以て負担している。

1985年に開発が始まった当初、「きぼう」の開発の意義・目標として「高度技術の習得」「次世代の科学や技術の促進と宇宙活動範囲の拡大」「国際協力への貢献」「宇宙環境利用の実用化の促進」の4つが示されており、本格的な運用が始まった2008年8月以降各種実験や利用により様々な成果が上がっている。日本政府は2015年12月22日に、国際宇宙ステーションが2024年まで運用が延長されるのに伴い、アメリカ政府との協議で延長に参加することで合意しており、「きぼう」も2024年まで運用を行う予定となっている。

2. 開発
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2.1. 開発の歴史
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※宇宙ステーション全体の計画経緯は、フリーダム宇宙ステーションも参照。

宇宙ステーション計画は、NASAの宇宙ステーションタスクフォースが1982年5月に設けられ、そこで宇宙ステーション計画の概念設計が始まり、同年6月にジェームズ・ベッグスアメリカ航空宇宙局  長官から日本の中川一郎科学技術庁長官へ、初めて宇宙ステーション計画への参加要請が行われた。これを受けて同年8月、日本政府は宇宙開発委員会に宇宙基地特別部会を設置して検討を開始し、1983年6月に宇宙基地特別部会の中間報告が出された段階で日本実験モジュールの基本概念はほぼ出来つつあったJAXA『宇宙にかける「きぼう」』。

その後、1984年1月25日にアメリカのレーガン大統領が年頭一般教書演説において、10年以内に恒久的な有人宇宙基地の建設を指示すると明言し、そして同年6月に行われたロンドンサミットにおいて、日本、カナダ、欧州に対して宇宙ステーション計画への参加を要請し、これにより現在に続く宇宙ステーション計画が本格的に動き出した。1984年の段階で独自開発ではなくNASAから共通モジュールを買う意見も出たが退けられているJAXA『宇宙にかける「きぼう」』。

検討を重ねてきた宇宙基地特別部会は、1985年4月に公表した「宇宙基地計画参加に関する基本構想」において宇宙ステーション計画に日本が参加することを正式に表明し、日本は実験モジュールを設置することで計画に参加することを決定した。これを受けて同年5月には、NASAと科学技術庁の間で宇宙ステーション予備設計段階協力の了解覚書が署名され、宇宙開発事業団が実施機関として参加することになり、55億円の開発研究予算が認可され、日本実験モジュールの予備設計に着手した。

計画への参加を表明した日本は、宇宙開発事業団を中心に開発を担うことになったが、当時のNASDAには有人宇宙開発に関する部署がなかったため、小さな会議室を割り当てた上で、ロケットや人工衛星の開発に従事していた人員、白木邦明元JEMプロジェクトマネージャーをはじめ3人のみで開発が始まった。

日本実験モジュールの予備設計は1987年3月に完了し、1987年度から日本実験モジュールの開発予算が計上されたものの、IGAが国会で承認されるまでは予備設計の延長作業などが行われた。そして、1988年9月に宇宙基地に関する多国間協力協定が署名され、1989年6月22日に「常時有人の民生用宇宙基地の詳細設計、開発、運用および利用における協力に関するアメリカ合衆国政府、欧州宇宙機関の加盟国政府、日本国政府およびカナダ政府の間の協定」が国会で承認された。これにより、当時フリーダムと呼ばれた国際宇宙ステーション計画は予備設計段階から開発段階へと移り、日本の実験モジュールの開発も本格的に始まった。

日本は実験モジュールの予備設計に入った1985年4月の段階で、既に与圧部と曝露部、それぞれの補給部とロボットアームからなる構成が示されており、1987年4月から1991年にかけて何度も行われたアメリカによる宇宙ステーション基準概念の変更への対応で1991年5月に示された日本実験モジュールの最終コンフィギュレーションが元である、現在の「きぼう」と概略的には違いはない。宇宙ステーションの全体計画が大きく変化し、アメリカや欧州の各モジュールの規模が大幅に縮小される中、日本実験モジュールの基本構成はほとんど変わらなかった。

宇宙ステーションの全体設計はNASAによって繰り返し見直され、完成時期も何度も延期されてきた中で、日本側は翻弄され日本実験モジュールも大きな影響を受けた。

特に、1993年2月のクリントン大統領による計画縮小の指示による変更と、ロシアの参加で日本実験モジュールは大きな影響を受けた。急遽編成された国際宇宙ステーション計画の再設計チームは、リデザインと称して見直し案を90日間で3つ立案し、大統領諮問委員会の答申を受けたクリントン大統領はこの3つの案の中からフリーダムを簡素化した案を選び、最終的に「デザインα」として再設計された案を軸に建設が進められることになった。

それまでの計画では、宇宙ステーションの進行方向前側に居住モジュールとスペースシャトルのドッキング装置が、後側に日本と欧州宇宙機関の実験モジュールを設置する計画だったが、この見直しによりISSから日本実験モジュールへの電力供給が減ったため、その見返りに日本実験モジュールの設置場所がコロンバスと共にISSの汚染環境が最もひどい後方から進行方向側最前方に変更され、曝露実験の環境としては最適な位置となった。その反面、進行方向と平行に設置される予定だったものが横向きに変更された上、この場所はデブリの衝突を受ける可能性が高く、しかもモジュール側面を大きく晒すことになったため、きぼうは船体の壁の厚さを当初の3.2mmから4.8mmに厚くした上で、デブリシールドと呼ばれる外部装甲板の厚さを増すなどして強化することとなった。加えて、この場所は太陽の日射量の変化が激しいため、厳しい温度変化に対応すべく船内実験室の大規模な熱制御システムの開発も行われることとなった。

更に、1993年12月6日に行われたワシントンでのIGA政府間協議において、ロシアの国際宇宙ステーション計画への招請が決まり、同月にこの招請を受諾したロシアがISS計画に参加することになったが、それに伴う新しい計画であるロシアンαへの変更により、ロシアの射場からISSへロケットを打ち上げられるようにするため、ISSの軌道傾斜角が当初の28.5度から51.6度に変更されることになった。

この結果、日本実験モジュールをスペースシャトルで打ち上げるにあたり、軌道傾斜角が増したことによりスペースシャトルでの打ち上げ可能質量が減ったため、1995年6月に組み立て順序が改訂され、当初は1回目でロボットアームを取り付けた日本実験モジュール与圧部、2回目がそれ以外の計2回を予定していた日本実験モジュールの運搬回数が3回に分けて運ばれることになった。また、与圧部を内装した状態では打ち上げられないため、日本実験モジュール補給部に冗長系システム機器を入れて与圧部より先に打ち上げられることになった。その反面、この軌道傾斜角が増えたことにより船外実験プラットフォームに設置される後述のMAXIやSMILESなどの全天観測及び地球全周観測が目的の実験機器にとっては都合の良い条件となった。

このように、紆余曲折を経ながらも日本実験モジュールの規模自体は縮小されず現在のきぼうに至っている。なお、1995年3月にジョンソン宇宙センターで行われた宇宙ステーションの第1回目の設計審査で、宇宙ステーション計画の名称が「フリーダム宇宙ステーション」から現在の「国際宇宙ステーション」と呼ばれるようになった。

2.2. 開発の過程
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「きぼう」の開発は各構成要素ごとに、「開発基礎試験」、「エンジニアリングモデル製作試験」、「プロトフライトモデル製作試験」の3段階に分けて行われているが、最初に取り組まれたのは使いやすさや圧迫感がないかといった宇宙ステーションに滞在する宇宙飛行士の快適性を考えた心理学的な技術要求を明らかにすることから始まった。

「開発基礎試験」では、各構成要素の構造や機能の検討を行い、また、実物大模型や宇宙用部品でなく地上の民生品や材料を使ったブレッドボードモデルを製作して、アクセス性評価試験など各種試験を行い、基本的な設計の実現性を確認するためのデータを取得し、問題点の洗い出しを行い解決している。

「エンジニアリングモデル製作試験」では、実機とほぼ同じ形態の技術試験モデルを作り、設計や製造工程の妥当性を確認するための各種試験を行いデータを取得し、 機械的・電気的な設計仕様、試験方法、製造工程の確立を行った。問題点・欠陥の洗い出しのため、実際の運用条件より厳しい過剰な負荷を与える試験も行われている。このエンジニアリングモデル製作試験は、筑波宇宙センターで行われた各構成要素を結合しての全体システム試験が1998年10月に終わったことにより完了している。

「プロトフライトモデル製作試験」では、実際にISSに設置される実機モデルが「エンジニアリングモデル製作試験」の時に確立された設計仕様・製造工程で製作され、実際の運用条件での各種試験が行われ、材料や製作上の欠陥がないことを確認している。

この実機モデル製作の流れは、各部品のフライト品が完成すると各要素ごとに組み立てと音響試験、モーダルサーベイ試験、熱真空試験、電磁適合性試験など10種類以上の試験が行われた。各要素の検証作業が終わると筑波宇宙センター宇宙ステーション試験棟に各要素を集めたうえで結合させ、各部の統合試験が行われた他、ISS本体とのインターフェース試験などを行う「きぼう」日本実験棟の全体システム試験、モジュールリーク試験などが行われた。これが終わると、きぼうは3回に分けて打ち上げられるため、各打ち上げコンフィギュレーションの試験が行われた。

この試験が終わった後、船内実験室が2003年4月22日から6月6日にかけて、船内保管室、ロボットアーム、実験ラックが2006年12月から2007年3月にかけて、船外実験プラットフォーム、船外パレットが2008年9月19日から9月24日にかけてケネディ宇宙センターへと輸送されている。ケネディ宇宙センターに到着後、各要素は宇宙ステーション整備施設に搬入され、JAXAやNASAによる適合性確認試験などの各種試験や打ち上げ前の整備作業が行われ後スペースシャトルで打ち上げられた。

なお、きぼうの開発では実機の開発製造だけでなく、打ち上げ後の軌道上での組立手順や宇宙飛行士の移動方法などの開発も行われており、筑波宇宙センター無重量環境試験棟内の無重量環境試験設備の1つである直径16m、深さ10.5mの無重量環境模擬水槽にて、「きぼう」の実物大模型を水中に設置して船外活動手順開発試験が2000年1月-2005年11月にかけて6回に分けて行われた。ここでは他に船外活動無重量シミュレーション試験も行われている。

2.3. 名称
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「きぼう」という愛称は1999年4月に宇宙開発事業団が「JEM」の愛称を公募して決まったもので、漫画家の松本零士や向井千秋宇宙飛行士などが選考委員を務め、2万227人に上る応募者の内、「きぼう」で応募した総数は132人であった。宇宙開発事業団から組織改編された宇宙航空研究開発機構が、応募者名簿を2005年4月の個人情報保護法施行の際に独自の判断により破棄したことが2008年3月22日に判明し、「きぼう」の命名者も一時不明になっていたが、同3月25日に筑波宇宙センターの資料保管庫で再発見されている。また、2000年5月にきぼう各部の通称が決まり、与圧部が「船内実験室」に、曝露部が「船外実験プラットフォーム」に、マニピュレーターが「ロボットアーム」に、補給部与圧区が「船内保管室」に、補給部曝露区が「船外パレット」に、そしてJEMは「「きぼう」日本実験棟」にそれぞれ決まっている。

2.4. 費用
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1984年4月にNASDAが科学技術庁に提出した資料では、実験モジュールと共通実験装置の開発費が約3,000億円弱、実験装置開発費を除く年間運用利用費は約300億円強で、スペースシャトル1回の打ち上げ費は8,300万ドルと見積もっているJAXA『宇宙にかける「きぼう」』。また、1986年の段階で推定された開発費は、1987年度以降に日本実験モジュールの開発費が約2,600億円、宇宙環境利用共通技術や共通実験装置開発費などに約450億円と見積もられ、日本実験モジュールの打ち上げ費は実費支弁契約が想定されたJAXA『宇宙にかける「きぼう」』。

実績値としては、きぼうの運用と利用を主たる目的とした日本における国際宇宙ステーション計画の2010年までの総費用は約7,100億円で、その内訳は、きぼう開発費に約2,500億円、きぼう実験装置開発費に約450億円、HTV開発費に約680億円、地上施設開発費と宇宙飛行士訓練費とシャトルによるきぼう打ち上げ費に約2,360億円、運用費と利用費に約1,100億円である。なお、ここにはH-IIBロケットの開発費は含まない。

2011年以後の1年毎の日本の国際宇宙ステーション計画費用は約400億円で、その内訳は、運用費に約90億円、利用費に約60億円、物資輸送費に約250億円である。日本の宇宙開発費のうちJAXA独自の予算は毎年約1,800億円であり、毎年約400億円の支出となる国際宇宙ステーション計画費用は日本の宇宙開発予算の中で情報収集衛星に次ぐ比重を占めている。ただ、2010年以降は日本の負担するISS関連経費は減少傾向にあり、2018年度は約342億円となっている。

2.5. 開発担当企業
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主要な開発担当企業は以下の通り。

三菱重工業 - 与圧部・全体の取りまとめを担当。
石川島播磨重工業 - 曝露部・国際標準実験ラック・熱制御系の一部・実験支援系・実験データ処理装置を担当。
日産自動車 - 曝露部を担当。
川崎重工業 - エアロック・EF/PM結合機構・環境制御装置を担当。
NEC東芝スペースシステム - ロボットアーム親アーム・衛星間通信システム与圧系サブシステム及び曝露系サブシステム・きぼうのメインコンピューターの管制制御装置 ・ネットワークシステム・実験装置。
日立製作所 - ロボットアーム子アームを担当。
三菱電機 - 電力系・テレビモニターを担当。地上運用には、有人宇宙システム株式会社、ソラン、株式会社エイ・イー・エス、三菱スペース・ソフトウエア、宇宙技術開発株式会社などが関わっている。また、NTTデータ、三菱プレシジョン、三菱電線工業、横浜ゴム、メイラ、大陽日酸、中菱エンジニアリング、西菱エンジニアリング、光製作所、MHIエアロスペースシステムズ、ミネベアなどの企業の他、株式会社田中や川西航空機器工業、東成エレクトロビーム、竹中システム機器、瑞木製作所などの中小企業も開発に携わっている。

きぼうの開発・運用に参加している企業は約650社で、国内の宇宙に携わるほぼ全ての企業が参加している。また、2013年までにきぼうの運用に約380社、利用に約350社が参加している。

3. 打ち上げと組み立て
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「きぼう」はスペースシャトルによって3回に分けてISSに運ばれ組み立てられた。これは、日本がISS計画への参加を表明した1985年当時から、日本の実験モジュールをスペースシャトルで打ち上げることが決まっていたためで、スペースシャトルの貨物室の寸法・打ち上げ能力に合わせて大きさや重さが設計されている。当初の「きぼう」の打ち上げ時期は、1986年3月下旬に行われた宇宙ステーション全体のシステム要求審査の段階で、合計14回と設定されたスペースシャトルの打ち上げを3段階に分けた内の3段階目となる1994年であったJAXA『宇宙にかける「きぼう」』。

しかし、アメリカの杜撰な開発管理に端を発する宇宙ステーション計画の度重なる変更や、アメリカの財政悪化に伴う宇宙ステーション計画の変更やロシアの参加、ロシアのサービスモジュールの開発遅延JAXA『宇宙にかける「きぼう」』など、さまざまな理由で幾度となく「きぼう」の打ち上げ時期や見通しが変更されてきたJAXA『宇宙にかける「きぼう」』。

その後、2003年2月にスペースシャトル「コロンビア」が空中分解、乗組員全員が死亡する事故が発生したため、ISSの建設が遅れると同時に「きぼう」の打ち上げ時期もさらに遅れることとなった。またアメリカ航空宇宙局  はシャトル運用を2010年までとしたため、2011年7月21日にISSの建設は終了し完成した。スペースシャトル打ち上げ再開後の「きぼう」の打ち上げ時期については、4つあるISSの太陽電池パネル設置前に「きぼう」を取り付けると電力が足りなくなる恐れがあったため、NASA側は打ち上げを遅らせたい意向を示していたが、JAXAは早く打ち上げるよう交渉し、2006年3月2日に行われた国際宇宙ステーション計画に関する宇宙機関長会議によって2007年から2009年に打ち上げることで最終合意している。これにより最後の太陽電池パネルよりも先に船内実験室が打ち上げられることになった。

この合意に基づき、「きぼう」初の打ち上げ要素となる船内保管室は、2008年3月11日に打ち上げられたスペースシャトル「エンデバー」でのミッションSTS-123で宇宙に運ばれ、同月14日国際宇宙ステーションに取り付けられ、翌15日から運用が始まった。

続いて同年6月のディスカバリーによるミッションSTS-124で船内実験室及びロボットアームを設置し、2009年7月に打ち上げられたエンデバーによるSTS-127で、船外実験プラットフォームが取り付け・起動が完了した同7月19日11時23分に「きぼう」は完成した。

各種動作確認で機能にも問題がないことが確認され、本格的な運用を開始した。2009年9月には、宇宙ステーション補給機  による実験装置と物資の輸送が始まった。2010年2月24日の衛星間通信システム  の本格稼働、3月の子アームの設置をもって、基本要素の設置は終了した。

設置にあたって、船内実験室はスペースシャトルが打ち上げるISSモジュールの中でも最大であり、搭載空間の問題から打ち上げ時のスペースシャトルにセンサ付き検査用延長ブーム  を搭載できなかった。このため、ひとつ前のフライトで船内保管室を輸送した際に、OBSSをISSに残して帰還し、次のフライトでこれを回収して使用することでスペースシャトルの熱防護システムの点検を行う苦肉の策が取られた。また、打上げ時に船内実験室に搭載するラックも最小限とせざるを得ないため、システム機器用ラックのうち5台と実験ラック2台、保管ラック1台は事前に船内保管室でISSに輸送した。船内実験室とともに打ち上げられるシステムラックだけでは片系統のみのシステムしか起動できないが、船内保管室から上記ラックを移設することで、有人運用に必要な2系統のシステムを構築できるようにした。

1J/Aミッション
ミッションナンバー：STS-123、打ち上げオービター「エンデバー」
打ち上げ部位：船内保管室
打ち上げ日時：2008年3月11日15時28分
JAXA任務飛行士：土井隆雄
1J/Aは日本と米国のISS機材を同時に運ぶミッションの1回目を表している。米国側機材は特殊目的ロボットアーム「デクスター」。
船内保管室には実験ラックなどが積み込まれた状態で打ち上げられ、一時的にハーモニー天頂側結合部に設置された。 1Jミッション
ミッションナンバー：STS-124、打ち上げオービター「ディスカバリー」
打ち上げ部位：船内実験室、ロボットアーム
打ち上げ日時：2008年6月1日6時2分
JAXA任務飛行士：星出彰彦
1Jは日本の機材のみを運ぶミッションの1回目を表す。
船内実験室をハーモニー左舷側に設置後、船内実験室を起動し、ラックの搬入を行い、船内保管室を船内実験室天頂側に移設した。 2J/Aミッション
ミッションナンバー：STS-127、打ち上げオービター「エンデバー」
打ち上げ部位：船外実験プラットフォーム、船外パレット、衛星間通信システム
打ち上げ年月日：2009年7月16日7時3分
JAXA任務飛行士：若田光一
日本と米国による2回目の打ち上げ。米国側ペイロードはISSの交換用のバッテリーと、その他の曝露機器の予備品
船外パレットは回収した。 ファイル:ISS after STS-123.jpg|1J/Aミッション後 ファイル:ISS after STS-124.jpg|1Jミッション後 ファイル:2J A.jpg|2J/Aミッション後

4. 船体
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「きぼう」は与圧部である船内実験室  と船内保管室 、曝露部の船外実験プラットフォーム  と船外パレット 、きぼう専用マニピュレーターのロボットアーム 、衛星間通信システム  といった6つの主要部位で構成されている。すべてを結合した状態での、きぼうの全長は20.5m、全高8.6m、全幅8.9m、重さ約26トンであり、国際宇宙ステーションの中で最大の実験モジュールとなっている。

4.1. 船内実験室 
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船内実験室 は、きぼうの中心となる部位。地上と同じ1気圧の空気が保たれ、宇宙飛行士は普段着で過ごせ、最大4名が同時搭乗できる。主に微小重力環境を利用した実験を行う。内部にはきぼう全体のシステムを管理・制御する装置のラックと実験設備が備えられた国際標準実験ラックの合わせて23個のラックを設置できるよう設計されており、そのうち10個は実験ラックを予定している。きぼうの主要システムは、ラックも含めてA系とB系の二重冗長構成になっている。船内実験室の四隅にはスタンドオフ部と呼ばれる各ラック間の隙間部分があり、ここに電力などの各種リソース供給のための配管・配線などがハーモニー側に向けて艤装されている。ラックなどが運び入れられると、宇宙飛行士が活動できる空間は約2.2m四方となり、クルー支援系設備として各所に多数の足拘束具であるフット・レストレイントとハンドレールが設置されている。空気吹き出し口は照明と交互に10か所以上設けられており、空気吸い込み口は床側両端にある青線上に10か所以上設けられている。

船内と船外実験プラットフォームとの間で実験装置や交換用の機器などの出し入れに使う円筒形のエアロックも装備されているが、寸法が小さいため宇宙服を着た人間の出入りはできない。室内側の上部に小窓のついているハッチは内側ハッチと呼ばれ小窓を通して中の様子を確認でき、宇宙空間側のハッチは外側ハッチと呼ばれ、安全のため2つのハッチが同時に開かない仕組みとなっている。内側ハッチは手動で開閉されるが外側ハッチは基本的に電動により開閉され、ボタンでハッチが自動的に開閉するオートモードと、1つ1つボタンを押しながら開閉手順を確認して開閉するマニュアルモードの2種類あり、電力供給がなくなるなどの緊急時には船内実験室側から手動で開閉できるようになっている。物資を搬出する際には、エアロック内の移動テーブルに取り付けて伸展させることにより出し入れ行う。これらを使用して、地球観測、材料の実験や製造、生命科学、通信などの実験が行われる。このエアロックは、使用時にエアロック内の空気を船内に回収できる機能があり、3時間でエアロック内の空気の約8割を回収できるJAXA『宇宙にかける「きぼう」』>。

船内実験室は船内保管室と共にほとんどが高張力アルミ合金を用いた溶接一体構造となっている。空気漏洩対策として貫通部のシール全てが2重以上になされており、漏洩が起きてもシールを後から追加で取り付けられる構造となっていて、大きさが6インチ以上の漏洩時の影響が大きいシールは、測定孔が設けられ個別に漏洩確認ができるようになっている。筑波宇宙センターで行われた真空槽に入れての気密試験では、1年間に100リットル程度の漏洩量という試験結果が出ており、アメリカの実験棟より1桁少なく良好な結果を示している。また、2004年1月に起きたアメリカ実験棟にある2重ガラス窓の曇り防止のために設けられている空気排出用のジャンパホースを宇宙飛行士が何回も掴んだことによる空気漏洩事故により、まだ打ち上げ前の「きぼう」は対策として白いカバーをジャンパホースごと窓のある壁面を覆っている。

他モジュールとの接続部分である共通結合機構は、国際宇宙ステーションの共通部品であるためアメリカ・ボーイング社が製造しており、船内実験室側のアクティブCBMに船内保管室側のパッシブCBMが接続しており、船内実験室側のパッシブCBMにハーモニー側のアクティブCBMが接続している。結露防止対策として外壁構造にヒーターが設けられていて、カビや微生物の繁殖を抑える塗装が施されている。

窓はエアロックの左右に1つずつ合計2つあり、通常はシャッターで閉じられているが、丸いハンドルを回すことで手動で開閉できる。当初、窓はロボットアームを操作する際、2人の内1人がディスプレイ越しに操作を行い、もう1人が肉眼でロボットアームの動きを見て補助をするのに用いるため設計に盛り込まれた。ところが、ロボットアームがディスプレイだけで操作ができるほど高性能だったため、必要性がなくなり開発費などの節減も含めて窓の削除が提起されたが、窓がない閉鎖空間で勤務する宇宙飛行士たちの心理的側面を考慮し窓の削除案は退けられている。また、キューポラが設置されるまでは地球を眺められる窓は「きぼう」やズヴェズダなどしかなく、よく宇宙飛行士が訪れていたという。

壁面の色は、やや灰色がかったオフホワイトが採用されている。これは壁面の色を決めるにあたって、約100人の被験者を集めて「きぼう」の小型模型で実験を行い、また、様々な国籍・人種の宇宙飛行士にストレスを与える要因がなく、新機材などによる内部の変化に調和しやすい色が考慮された結果である。

照明に関しては、当初は4面全てに照明を設ける予定であったが、実験を行ったところ4面全てが天井に見えてしまい不快感の惹起や宇宙酔いの原因にもなりうるなどの心理面による身体的悪影響が判明したため、照明は船内保管室が設けられている側の1面のみにし、その反対側の壁面には両端に青線を2本引き、目視で上下を判断できるようになされている。

静粛性に関しては、他国のモジュールでは空調ファンや冷却水ポンプなどを原因とする騒音が酷く、初期には宇宙飛行士が一時的な難聴になるほどだったのに対し、きぼうはISSの中で最も静かなモジュールで、ISSで定められている「一般の静かな事務所と同程度の水準」としている騒音基準を満たしているのは「きぼう」のみとなっている。そのため他国の宇宙飛行士に人気があり、家族と交信する際などに「きぼう」がよく使われるという。広くて静かなため、ISSが6人態勢になった時に2010年秋までアメリカ製の個室の寝室が設置されたこともある。

船内実験室の入り口側の壁には、JAXAの旗、日の丸、きぼう組み立て時や日本人宇宙飛行士が長期滞在した時のミッションのワッペンと宇宙飛行士のサインがある。入口の床には、打ち上げ前に宇宙飛行士に宛てて「Welcome to KIBO! Please enjoy and relax in this brand-new, the most spacious and quietest room in the ISS.」と書かれた青いシールが貼られている。船外実験プラットフォーム上の船外実験装置を撮影する曝露部視覚装置がエアロック側側面外縁部脇に窓と同じ高さに2台設置されており、これとは別に船内にも入口側とポート側のエアロック上部JAXA『「きぼう」で獲得した有人宇宙技術』に2台の視覚装置が設置されている。

また、船内実験室の外壁には日の丸と「JAPAN」の文字が入っており、多数の船外活動用手すりが外壁全周に配置されている。「こうのとり」近傍通信システムの通信アンテナは、船内実験室の進行方向側側面外壁に設置されており、レーザー反射鏡である反射器は船内実験室の地心側に設置されている。船内実験室をISSに設置する際に用いるロボットアームの把持部であるグラプルフィクスチャーは、進行方向側側面に電力・通信インターフェース付グラプルフィクスチャーが、その反対側側面に軌道上取り外し可能型グラプルフィクスチャーが、それぞれ天頂面よりに1つずつ計2か所に設けられている。スペースシャトルの貨物室に固定するためのトラニオンピンが右舷と左舷の両側面に1つずつ計4か所、キールピンが地心側中央部分に1か所あり、いずれも船内実験室がISSに設置された後に放熱を防ぐため断熱カバーで覆われている。

主要諸元
形状 - 円筒形
直径 - 4.4m
直径 - 4.2m
全長 - 11.2m
壁の厚さ - 約10cm。
非貫通確率 - 10年間軌道上で運用した時、外壁に微小隕石やデブリによって貫通穴が生じない確率は、船内実験室と船内保管室を合わせて0.9738以上。
質量 - 14.8t
搭乗員 - 通常2名、最大4名、居住設備は米国モジュールに依存
搭載ラック - 総数23台
システム機器用ラック - 11台
電力ラック - 分電盤や分電箱が搭載されているラックで、ISSの太陽電池パドルで発電した電気を、きぼうの各機器に分配する役割を持っており、2台設置し冗長構成にしている。
情報管制ラック - きぼうのメインコンピューター「きぼう制御装置」と実験装置用の中速データ伝送装置などが搭載されているラックで、2台設置し冗長構成にしており、片方が故障しても自動的に残りの1台に切り替わる。
空調/熱制御ラック - きぼう内の温度、湿度、気圧の調整、空気の循環・浄化、各ラックに冷却水の供給を行うラックで、ECLSS/TCS1とECLSS/TCS2の2台設置し冗長構成にしている。
ロボットアーム制御ラック - 船内実験室へ最初に設置された、きぼうロボットアームのロボットアーム操作卓を収めたラック。
ワークステーションラック - 画像データ等の切替機器、音声通信端末装置、テレビモニター2台、警告・警報パネルなどが収められているラック。
衛星間通信システムラック - 衛星間通信システム機器とHTV用のPROX装置を搭載したラック。
保管ラック - 2台
実験ラック - 10台
各ラックの位置 きぼう船内実験室の入り口から向かって左側手前から 「JPM1A1」 - NASAの冷凍・冷蔵庫のMELFI-2 「JPM1A2」 - 細胞実験ラック 「JPM1A3」 - 流体実験ラック 「JPM1A4」 - 多目的実験ラック 「JPM1A5」 - 保管ラック 「JPM1A6」 - きぼうロボットアーム制御ラック 反対の右側手前から 「JPM1F1」 - NASAの米国実験ラック 「JPM1F2」 - 多目的実験ラック2 「JPM1F3」 - 勾配炉実験ラック 「JPM1F4」 - ワークステーションラック 「JPM1F5」 - NASAの米国実験ラック 「JPM1F6」 - NASAの保管ラック 入り口から向かって床側手前から 「JPM1D1」 - 空調・熱制御用のECLSS/TCS1ラック 「JPM1D2」 - 電力ラック1 「JPM1D3」 - 保管空間 「JPM1D4」 - NASAとJAXAの冷凍・冷蔵庫のMELFI-1 「JPM1D5」 - 電力ラック2 「JPM1D6」 - 空調・熱制御用のECLSS/TCS2が搭載されている。船外実験プラットフォームの内部機器は、円滑な運用が行えるよう故障時に交換ができる軌道上交換ユニット化されており、ORUは上面に8個設けられているロボットアームで交換が行えるロボティクス対応軌道上交換ユニットと、下面に4個設けられている宇宙飛行士が船外活動で交換を行う船外活動対応軌道上交換ユニットの2種類ある。

R-ORU化されているのは、曝露部電力分配箱、サバイバル電力分配箱、曝露部制御装置、ビデオスイッチャー、ポンプパッケージの5種類で、E-ORU化されているのは、熱制御系インターフェースユニット、ヒーター制御装置-a、ヒーター制御装置-b、船外実験プラットフォーム装置交換機構ドライバーユニットの4種類となっている。

各EFUの接続機器の内訳 EFU#1に全天X線監視装置 EFU#2にアイスクリーム EFU#3は未設置 EFU#4にナノラックス船外プラットフォーム EFU#5に中型曝露実験アダプター EFU#6にジェダイ EFU#7に衛星間通信システム曝露系サブシステム EFU#8にキャッツ EFU#9に高エネルギー電子・ガンマ線観測装置 EFU#10にエコストレス EFU#11は未設置 EFU#12は実験装置交換時の仮置場 主要諸元
形状 - 箱形
幅 - 5.0m
長さ - 5.2m
高さ - 3.8m
質量 - 4.1t
実験装置取付け場所 - 12箇所
システム機器用 - 2箇所
実験装置設置用 - 9箇所
実験装置仮置き用 - 1箇所
電力 - 直流120V・最大11kW
システム機器用 - 最大1kW
実験装置用 - 最大10kW
個別の実験装置 - 最大3kW
通信制御 - 16ビット計算機システム、データ伝送速度：最大100Mbps
環境制御性能 - なし
寿命 - 10年以上

4.2. 船外パレット 
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船外パレット は、船外実験プラットフォームに取り付ける船外機器を船外実験装置取付け機構に3基取り付けて、スペースシャトルで輸送するためのパレット。装置交換機構により、船外実験プラットフォーム側の EFU#10に一時的に設置される。船外パレットの構造は格子状のパネルとフレームが組み合わさってできており、最大500kgの船外実験機器を3個搭載できる。トラニオンは両側面に2か所ずつと先が細くなってる前端部分に1か所の計5か所にある。保温のため船外パレット全体が多層断熱材で覆われている。

船内保管室と同様に、シャトルによる複数回の打ち上げを想定して設計され、機器の地上への回収も可能なように設計されたが、開発期間中は具体的な回収計画は決まっていなかった。しかし、船外パレットをISSに設置したままだとISSのロボティクス運用の制約となることから、船外パレットを輸送したスペースシャトルで即時回収されることが決まった。回収するにあたって、再搭載時に宇宙飛行士がカメラでスペースシャトルとの相対位置の確認に使うキールカメラターゲットを、装置交換機構のある側とは反対側の先端部分にNASAの要請で追加で設置している。その後、2J/Aミッションで初めて打ち上げられたが、スペースシャトルが退役したため再使用されることはなかった。船外パレットの役割はHTVの曝露パレットが担うこととなり、船外パレットの開発・運用で得られた技術は曝露パレットの開発・運用に活かされている。船外パレットが再使用されなくなったため、搭載する実験機器に設けられる、船外パレットに取り付けるための4本のペイロードトラニオンは、HTVでの輸送時には打上げ保持機構に変更される。

2J/Aミッションでは、船外実験装置2基  と衛星間通信システム  を搭載し運搬した。これらの搭載機器はきぼうロボットアームを使用して船外実験プラットフォームに移設され、船外パレットは空のままスペースシャトルのペイロードベイに戻されて、地球へ回収された。

主要諸元
形状 - フレーム型
幅 - 4.9m
長さ - 4.1m
高さ - 2.2m
質量 - 1.2t
実験装置取付け場所 - 3箇所
実験装置2個＋R-ORU 3個またはE-ORU 2個
電力 - 直流120V・最大1kW
熱制御方式 - ヒーター、断熱材
環境制御性能 - なし
寿命 - 10年以上

4.3. ロボットアーム 
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きぼうロボットアーム は、実験や船体の保全作業支援に使用するロボットアームである。全長10mの親アームと、親アームの先端に取り付けて使用する2.2mの子アームの2つと船内のロボットアーム操作卓からなる。アームはそれぞれ6つの関節を持ち、人間の腕と同じような動作が可能である。

親アームは船内実験室のエアロックの左上にあるロボットアーム取付け台に設置されており、親アームブーム、関節、把持手であるエンドエフェクター、テレビカメラ・雲台・照明で構成され、親アームブーム2と3にテレビカメラ・雲台・照明があり、カメラ超しに映像を見ながら船外実験装置の交換作業を中心に使われる。子アームは、子アームエレクトロニクス、子アームブーム、関節、把持手であるエンドエフェクター、テレビカメラで構成されている。親アームのエンドエフェクターで子アームを把持した上で、船外実験プラットフォームにある軌道上交換ユニットの交換など、精度の高い作業で使われるため、アーム先端が対象物に合わせて自動でアームの姿勢制御を行うコンプライアンス機能が搭載されている。子アームを使わない時は、船外実験プラットフォーム上面の手前右に設けられている「子アーム保管装置」に収められており、親アームも使わない時は、親アームブーム1を垂直に立てた上で親アームブーム2を斜め下に折り曲げた山折りの状態の保存姿勢で待機している。親アームは、電力・通信インターフェース付グラプルフィクスチャーと、軌道上取り外し可能型グラプルフィクスチャーの両方に対応している。

子アームはHTV初号機の与圧部に搭載して打ち上げられ、きぼう内で組み立てられた後、きぼうのエアロックを使って船外実験プラットフォームへ搬出され、子アーム保管装置に収納された。子アームが扱えるものは、きぼう標準のツールフィクスチャーが取り付けられているものに限られ、ツールフィクスチャーには把持及びトルク供給機能があるI型と、把持及び電力供給、信号授受機能があるII型の2種類ある。

JEM-RMSは地上からも遠隔操作で動かすことができる。2012年のHTV3号機からこの地上からの遠隔操作を本格使用する予定であり、そのための試験が2011年12月6日に行われた。以後、ロボットアームの操作は主に地上からの遠隔で行われており、その分宇宙飛行士の活動時間を他の作業に割り当てることができるようになっている。

なお、きぼうロボットアームの開発にあたって、1997年8月に打ち上げられたスペースシャトルのSTS-85で行われたマニピュレーター飛行実証試験のロボットアームや、1997年に打ち上げられたきく7号に搭載されたロボットアームで培われた技術と運用経験が設計に生かされており、日本で3番目となる宇宙用遠隔操作型ロボットアームシステムであり、かつ日本初の実用宇宙ロボットである。

主要諸元
親アーム
型式 - 親子式6自由度アーム
自由度 - 6
長さ - 10m
質量 - 780kg
取扱量 - 最大7,000kg
位置決め精度 - 並進±50mm、回転±1度
先端速度 - 60mm/s、30mm/s、20mm/s
最大先端力 - 30N以上
寿命 - 10年以上
子アーム
型式 - 親子式6自由度アーム
自由度 - 6
長さ - 2.2m
質量 - 190kg
取扱量 - 最大300kg
位置決め精度 - 並進±10mm、回転±1度
先端速度 - 50mm/s、25mm/s
最大先端力 - 30N以上
寿命 - 10年以上

4.4. 衛星間通信システム 
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衛星間通信システムは、データ中継衛星こだまを介して筑波宇宙センターとデータ・画像・音声などの双方向通信を行う日本独自の通信システムである。船内実験室の与圧系サブシステムでデータ処理を行い、2J/Aミッションで船外実験プラットフォームに設置された直径約80cmのアンテナを持つ曝露系サブシステムで中継衛星・地上とを繋ぐ。 ICS-EFの送受信用アンテナは自らの姿勢が変動してもこだまを自動追尾できるようになっている。ICSとこだまを利用して、こだまが2017年8月5日に退役するまでの間、きぼうで行われた実験データのダウンリンクに使われていた。また、2014年6月にNASAからこだまをTDRSの予備回線として使いたいと打診があり予備として用いられたが、TDRSが健全であったため実際に予備回線として使われることはなかった。通信速度は、地上へのダウンリンクが50Mbps、地上からのアップリンクが3Mbpsとなっており、きぼうから地上へのハイビジョン映像の送信にも使われている。

主要諸元
大きさ - ICS-PM・2.0m×1.0m×0.9m、ICS-EF・アンテナ収納時1.1m×0.8m×2.0m、ICS-EF・アンテナ展開時2.2m×0.8m×2.0m
重さ - ICS-PM・330kg、ICS-EF・310kg
通信速度・周波数・変調方式 - ICSから地上・50Mbps・約26GHz・QPSK、地上からICS・3Mbps・約23GHz・BPSK
DRTS可視時間 - 1日あたり計約7.8時間、1回あたり最大約40分

5. 実験装置
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きぼうの置かれている宇宙環境は過酷で、10-6～10-4Gの微小重力で、様々な宇宙放射線が飛び交い、10-5Paの高真空で僅かにある周囲の大気組成は85%が原子状酸素となっており、太陽エネルギーは1.4kw/m2に上る。ISS計画はこうした特殊な環境を利用して、宇宙での実験・研究・観測などを行うのが目的であり、きぼうは実験施設として様々な船内・船外実験装置を運用している。スペースシャトルの打上げ能力の制限のため、打ち上げ時には実験ラックは2台しか装置を搭載しておらず、残りはアメリカの実験装置できぼうに移設されている。また、2011年以降に順次HTVで残りの実験ラックを輸送している。きぼうで最初に行われた実験は、2008年8月22日午前6時53分から始まった流体実験ラックで行われたマランゴニ対流実験である。

5.1. 船内実験室実験装置
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きぼう船内実験室には実験ラックの設置する場所が10か所あり、その内米国、欧州と共通の国際標準実験ラック  をJAXAが5基、NASAが5基設置する。NASAは一部の実験装置をきぼうに移設している。2009年夏のSTS-128でISPRと同じ大きさのISS長期滞在員用の個室1台を「きぼう」内に運んで仮設置したが、2010年9月にこの個室はハーモニーへ移設されている。

JAXAが設置しているラックは以下の通り。

5.1.1. 流体実験ラック 
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流体実験ラックは、1J/Aミッションで船内保管室に搭載して打ち上げられ、1Jミッションで船内実験室に移設された。マランゴニ対流の観察や結晶成長実験などを行う装置を搭載し、結晶生成の仕組みの解明や結晶成長制御技術の開発を行うための実験を行う。

流体物理実験装置  - 沸騰、熱伝達、濡れ性、燃焼、泡挙動、マランゴニ対流などの流体の動きを、地球の重力の影響を排して微小重力環境下で実験・観察を行う。
溶液結晶化観察装置  - 自然対流の発生しない宇宙空間で、結晶の形・組織・温度・濃度・生成成長過程の様子を観察する。
蛋白質結晶生成装置  - セルカートリッジが6つあり、それぞれ個別に蛋白質の個性に合った温度、濃度、圧力などの条件を細かく設定ができる。
画像取得処理装置  - 地上へ送信できなかった実験画像データを、同時にモニター・録画し圧縮処理を行い、伝送ラインを用いて地上に送る機能を持つ。

5.1.2. 細胞実験ラック 
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細胞実験ラックは、1J/Aミッションで船内保管室に搭載して打ち上げられ、1Jミッションで船内実験室に移設された。植物や細胞などを培養する装置を搭載し、宇宙環境が生物にどのような影響を与えるのかを解明するための実験を行う。

細胞培養装置  - 微小重力培養室と回転テーブルによる最大2Gまでの人工重力を起こせる培養室の2つの培養室を持っている。
クリーンベンチ  - 生物実験で実験試料がカビやほこりに汚染されないよう、微小粒子が100から1,000個の環境を作り出す装置。2018年8月2日現在、運用を行っていない。

5.1.3. 勾配炉ラック 
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勾配炉ラックは、2011年1月にHTV2号機で運搬されて設置された。

温度勾配炉 - 試料を最高摂氏1,600度まで加熱して融解、冷却、結晶化して半導体の性質を研究する材料実験ラック。最大15個の試料をあらかじめ搭乗員が装着しておくことにより、地上からの遠隔操作で試料の交換や実験操作が可能である。炉体部 、試料自動交換機構 、制御装置 の3つで構成されている。

5.1.4. 多目的実験ラック 
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多目的実験ラック は、2011年1月にHTV2号機で運搬されて設置された。大型実験装置用のワークボリューム、小型実験装置用の小規模実験エリア、作業台のワークベンチからなっており、電力・通信・ガスといった各リソースを提供し、以下の実験装置を入れ替えることにより様々な実験が行える。

燃焼実験チャンバー  - 多目的実験ラックのワークボリューム内に設置されている燃焼実験を行うための装置。
水棲生物実験装置  - モデル生物であるメダカとゼブラフィッシュを90日間かけて3世代の継代飼育を行う装置。2018年8月2日現在、運用を行っていない。
液滴群燃焼実験供試体 - 熱による自然対流が起きない微小重力下で燃料液滴群の燃焼の仕組みを観察する装置。
沸騰・二相流体ループを用いた気液界面形成と熱伝達特性