スペースシャトル：次世代

昨年11月、NASAは老朽化したスペースシャトルを交換するという2年半にわたる計画について断固たる措置を講じた。

それはプロジェクトの核心を切り落としました。

NASA は、1986 年のチャレンジャー号の事故を受けて考案された一連の開発プログラムの最新のものである、いわゆるスペース ローンチ イニシアティブ (SLI) のシャトル代替部分を突然かつ静かに廃止し、同機関が既にこのプログラムに割り当てていた約 50 億ドルの大半を、現在のシャトルの改良に充てることに変更した。その中には、2020 年以降までシャトルが無事故で飛行できるようにするための安全対策も含まれていた。また、新しいシャトルの計画が保留になっているため、NASA は SLI が主にオービタル スペース プレーン (小規模で比較的安価な再利用可能な乗り物で、少人数の乗組員 (および他にはほとんど何も搭載されていない) を乗せることができ、使い捨てのロケットで打ち上げられる) の建造に集中すると発表した。NASA は、OSP が 2010 年に準備でき次第、同機関が次世代のシャトルを製造できるようになるまで、OSP が暫定的な代替輸送手段、「宇宙タクシー」として機能することを期待している。

NASA の決定は最後の手段だった。NASA が最近発表した新しいシャトルの設計と建造にかかる費用の見積もりは、60 億ドルから 350 億ドルに膨れ上がっていた。そして、その金額ですら、最良の推測に過ぎないと、NASA の次世代打ち上げ技術プログラム マネージャー、ギャリー・ライルズ氏は言う。数字の差は NASA の予算予測の難しさを反映しているとライルズ氏は言う。「コスト モデルに正確なデータを提供する技術プログラムを開発する必要がある」。SLI の価格には不確実性が多かったが、シャトルのコスト (打ち上げ 1 回につき 5 億ドル) は少なくとも既知の金額だった。その結果、NASA の職員は、30 年前のシステムにまた賭けるしかないと考えた。

しかし 3 か月後、コロンビア号は再突入時に分解し、乗組員 7 名が死亡し、NASA が新しいシャトル計画を棚上げする決定は問題のある結果を招いた。生き残った 3 機のシャトルは現在地上に留まっており、再び飛行する場合には、以前よりも運用コストが高くなる。安全、保守、検査のプロトコルが追加され、シャトルが 1 機減るため、飛行回数は減少するが、人員とインフラの固定コストは変わらない。結論: シャトルのコンセプトに多くの経済的および工学的問題が重くのしかかる中、NASA がシャトルをあと 20 年間飛行させる計画は、突然、盲目的な楽​​観主義に陥っている。

つまり、NASAは、これまでよりもはるかに早く、
シャトルに代わるものは何かという大きな課題が待ち受けていた。アイデアには事欠かない。SLI とその前身のシャトル代替プログラムが終了した主な理由は、NASA が、新しいシステムは単に効率や費用対効果を高めるだけではなく、シャトルを大幅に改良したものであるべきだと主張したためである。このため、これらのプロジェクトは往々にして過度に高価で野心的なものとなった。しかし、これらの提案の多くには、NASA が恐れていた 350 億ドルという数字よりも少ない費用で、改良されたロケット エンジン、合理化された地上支援手順、最新の安全性向上診断システムなどを備えた、より耐久性があり、よりシンプルな再利用可能な宇宙船を建造できる可能性を示唆する重要な技術情報が含まれていた。「シャトルが初めて飛行して以来、シャトルのような新しい宇宙打ち上げシステムの提案はほぼ毎年 1 件ありました」と、1980 年代にブリティッシュ エアロスペースで現在は廃止されたホトル再利用可能な打ち上げ機プロジェクトを管理していたボブ パーキンソンは言う。「そして、そのどれもが、現在のものよりも優れていたはずです。」

飛躍、そして衰退

シャトルの何が問題なのかを理解するには、その仕組みを理解することが重要です。シャトルは正式にはスペース トランスポーテーション システムと呼ばれ、オービター (乗員と積荷を運ぶ翼のある乗り物) で、両側に固体ロケット ブースターが取り付けられた大きな外部燃料タンクに取り付けられています。点火すると、シャトルを発射台から離陸させる推力の大部分を提供する両方の固体ロケット ブースターとオービターの 3 つのメイン エンジンが点火します。ロケット ブースター モーターは、独自のキャニスターから固体燃料 (過塩素酸アンモニウムとアルミニウムの混合物) で駆動され、オービターのエンジンは外部タンクからの水素と酸素で駆動されます。打ち上げから約 2 分後、シャトルが宇宙の縁のすぐ上の約 28 マイルの高さに達したとき、固体ロケット ブースターの燃料がなくなり、外部タンクから切り離されます。それらはパラシュートで海に降下し、将来のミッションで使用するために回収されます。オービターと外部燃料タンクはさらに 7 分間上昇を続け、その後外部燃料タンクが分離して上層大気で分解します。オービターのエンジンにより、シャトルは地球表面から 150 マイルから 300 マイルの軌道上に乗せられます。ミッションの最後に、シャトルは飛行機のように着陸します。

1970年代初頭に設計されたとき、スペースシャトルは大きな飛躍を遂げた。スペースシャトルは、使い捨ての小型機を大型ロケットに搭載するアポロ時代のシステムを大幅に改良した、初の再利用可能な宇宙船だった。また、最大5万ポンドの積載量を備え、他のどの有人宇宙船よりも多くの機器、乗組員、貨物を運ぶことができた。

しかし、シャトルには重大な欠陥もあり、それは時が経つにつれて明らかになった。まず、NASAが当初想定していたよりも非効率で、運用コストも高い。シャトルの飛行には何千人もの人手が必要だが、その理由の1つは、シャトルのエンジニアが当初選択した技術の一部に問題があることが判明したことだ。膨大な数のコンピューターを考えてみよう。電気、エンジン、航空電子機器、通信など、機内の各システムは独立したコンポーネントであり、地上の担当者が監視する必要がある。さらに、ターンアラウンド時には、旧式の固体燃料ロケットブースターから、再突入時にシャトルが燃え尽きないようにするための脆弱なタイルシステムまで、あらゆるものを検査して修理するために何百人もの保守作業員が必要になる。固体燃料を使用するため、点火したら停止できず、そのため飛行の前に毎回の故障に備えて強化する必要がある。

オービターの重量とサイズが大きすぎることも欠点だ。システムが構築されたとき、ペンタゴンは故障した衛星を回収して地球に帰還させる能力を主張したが、そのためにはより大きく頑丈なオービターが必要だった。しかし、シャトルがその目的で使用されたことはほとんどなかった。また、NASA の目標は、公共および民間セクターの科学および衛星打ち上げ回収ミッションのために、シャトルを毎年 30 ～ 50 回宇宙に送ることだった。NASA は、大きなペイロードと特大のオービターの維持費は、シャトルとその乗組員を忙しくさせる長い列の顧客によって十分に相殺されると考えた。しかし、現実には、シャトルは平均して年間 5 回しか打ち上げられず、有料の顧客はほとんどおらず、NASA が期待していた規模の経済は実現しなかった。「最先端の技術が実用化される例を見ることはめったにありません」と Nasawatch.com の編集者 Keith Cowing 氏は言う。「設計を凍結した瞬間に生き続けるのです。」

1986年には早くも、連邦政府当局はシャトルを国家航空宇宙機と呼ばれる宇宙船に置き換えることを試みた。この流線型の乗り物は飛行機のように見え、超音速燃焼ラムジェット（スクラムジェット）と呼ばれる空気吸入エンジンで軌道に上がるはずだった。この試みは、スクラムジェット技術を追求するという決定が少し早計であることが明らかになった1993年に中止された。それ以来、検討中の他のアイデアがいくつかあったが（81ページのサイドバーを参照）、SLIは将来のシャトルがどのようなものになるかについて初めて完全な形になった絵を提示した一連の設計を生み出した。コンセプトは、ロッキード・マーティン、ノースロップ・グラマン、ボーイング、オービタル・サイエンシズなどによって設計された。それらはすべて、ペイロードを軌道に乗せるためにブースターを使用するが、シャトルとの類似点はそれだけである。たとえば、ボーイングの「バイミーズ」再使用型ロケット (RLV) は興味深い設計でした。これは、ほぼ同一の翼付きロケット 2 基を積み重ね、上部のロケットの上にオービターまたはペイロード コンテナを載せたものです。再使用型ロケットは、すべてのエンジンを噴射して垂直に離陸します。各ブースター ロケットの燃料がなくなると、RLV から切り離され、滑走路に着陸するために地球に戻ります。バイミーズ方式の利点は、2 つのロケットが実質的に区別がつかないため、翼付きブースターの設計を 1 つだけ構築、テスト、運用、保守すればよいことです。エンジン、着陸装置、制御装置、その他のシステムが 1 セットしかないため、シャトルよりも管理がはるかに簡単な宇宙船です。

ノースロップ・グラマンは、SLI 期間中特に忙しかった。同社は、6 基のエンジンと特大の翼を備えた巨大なジェット機を使用してブースターを 40,000 フィートまで運び、そこでブースターを切り離してロケットを発射し、軌道への最終ジャンプを行う発射装置を含む、いくつかの乗り物を提案した。また、ノースロップはオービタル・サイエンシズと共同で、オービターを運ぶ上段スペースプレーンの下に 2 つの同一のタンク型ブースターを搭載した RLV を開発した。これらのいわゆるフライバック ブースターには、ブースターが上段を大気圏外に打ち上げた後、地球に戻るための動力源となるジェット エンジンが取り付けられている。

表紙に掲載されている乗り物、アンドリュース・スペース・アンド・テクノロジー社のグリフォン・コンセプトは、さらに遠くまで到達します。飛行機のような発射台が、高高度で打ち上げられる前に、軌道衛星をマッハ 6 まで加速します。グリフォンの革新的な推進システムは、空気から吸引して圧縮した液体酸素を燃料として使用します。

SLI候補機の最も重要な点は、開発者らが現在のシャトル設計の最も大きな欠陥をすべて技術的に排除したことだ。まず、使用後に徹底的な再構築を必要とする時代遅れの固体ロケットブースターはなくなり、主に水素や灯油で作動する最新の液体燃料ロケットエンジンに置き換えられた。液体燃料ロケットエンジンは点火後に停止したり減速したりできるため、はるかに安全である。もう1つの長らく待たれていた改良点は、SLIのエンジニアらが繊細で不安定な耐熱タイルシステムを排除したことだ。代わりに、セラミックファイバー断熱ブランケットの上にニッケル合金の外皮を施した軽量の「シングル」を使用して、オービターと上段ブースターを再突入の危険から保護する。もろいタイルと異なり、金属外皮のシングルは機体にしっかりとボルトで固定できる。

次世代シャトルのコンピューターも全面的に刷新された。地上でのミッションにおけるあらゆる小さな出来事を監視するために必要な膨大な労働力を削減するため、SLI 機内の温度、圧力、歪み、振動などを測定する各計器には、RLV 全体に広がるネットワークのノードとしても機能する独自のコンピューターが組み込まれている。このネットワークはエキスパート システムで構成されている。これらのプログラムは、ネットワーク上の各コンピューターからの信号を常に読み取り、リアルタイムで問題を切り分け、故障を予測することができる。現在のシャトルにはない脱出システムと組み合わせることで、コンピューターは事故の際に脱出のタイミングを知らせたり、乗組員カプセルを RLV の危険な部分から切り離したりして、乗組員の命を救うことができる可能性がある。「安全には 3 つのレベルがあります」とノースロップ グラマンの宇宙システム ディレクター、ダグ ヤングは言う。「1 つ目は、機体の信頼性を高めることです。2 つ目は、乗組員に脱出システムを提供することです。3 つ目は、乗組員が脱出のタイミングを把握できるようにすることです。」

シャトルとのおそらく最大の相違点は、新しい発射機と軌道船の設計が NASA の実際のニーズ、つまりスリム化され、時には無人再利用可能な打ち上げ機にはるかに適した規模になっていることです。現在のシャトルは、その最大積載量に達することはめったになく、乗組員を必要としないこともしばしばです。SLI のコンセプトには、衛星を軌道に乗せたり、科学実験を遠隔で実施するなどの搭載タスクが自動化できる場合は、乗組員なしで移動する小型の軌道船が含まれています。

**それは会計だよ、バカ
**

NASAがシャトルを新しい宇宙船に置き換えるかどうかは、同機関の悲惨な予算管理能力を改善できるかどうかにかかっている。昨年9月に発行されたSLIに関する報告書で、議会会計検査院はNASAが近代的な財務管理を欠いていると非難した。したがって、NASAがシャトル代替プログラムを中止したのは、必ずしも費用がかかりすぎたからではなく、NASAが実際に費用がいくらになるか見当もつかなかったからであるのは驚くに当たらない。「SLIは一見シンプルだが、安全性と信頼性に関して非常に積極的な目標があった」とボーイングのファントムワークスで先進宇宙および打ち上げシステム担当ディレクターを務めるケビン・ネイファートは言う。
そして運営コスト。」

シャトルの代替機を提案するにあたり、NASAはビジネススクールの基本ルール「品質、スピード、コストのうち、2つを選べ」を無視した。10年以内に新しい宇宙船が登場すると見込んでいたNASAのプログラムのベンチマークでは、NASAは1万回の飛行で乗組員が1回以上行方不明にならないことを保証したかった。これはシャトルの予想性能の40～70倍、これまでの実績の180倍にあたる。NASAは、数週間おきに打ち上げる3機または4機の宇宙船の運用コストを年間わずか5億ドルに抑えるよう要求した。これはシャトル1回分の費用とほぼ同じで、素晴らしいアイデアだが実現不可能な要求だ。「コストが2分の1でもあれば素晴らしい」と、SLIが削減される前にオービタル・サイエンシズの高度プログラム担当ゼネラルマネージャー、アントニオ・エリアス氏は語った。 「もしNASAが年間30億ドルの[シャトル予算]を15億ドルに削減できれば、新しい再利用可能な打ち上げロケットのコストは正当化されるだろう」

航空専門家は、NASA がビジネス モデルを変更し、新しいシャトルの経済性に関する理解を深めれば、現在開発中の RLV の設計は、NASA が新しいシャトルのコストとして予測している 350 億ドルよりはるかに安く製造できると主張している。たとえば、非現実的に完璧で信頼性が高すぎる機体を求めると、RLV の価格に数億ドルが追加されることになるが、NASA がはるかに安価で保守が容易なコンピューター制御の乗員脱出システムを受け入れる方がよい選択肢かもしれない。そうすれば、RLV は現在のシャトルよりも安全になり、製造コストも低くなる。

実のところ、NASA はコロンビア号の事故の余波に気をとられており、シャトルに関する意図についてはあいまいなままである。NASA は、来年までにシャトルの代替スケジュールについて決定を下すとしている。1 つの可能性としては、軽量燃料タンクやより高度なロケット エンジンなどの主要部品の開発に 5 年を費やすことが考えられる。その後、2009 年に NASA は、それらの技術に基づいてフルスケールの RLV の建造を進めるかどうかを決定する可能性がある。代替シャトルは 2015 年までに飛行する可能性がある。あるいは、NASA が新しい RLV の建造をさらに延期することを選択した場合、その間に改良された複合材料やスクラムジェットなどの「広範囲で長距離の」技術の開発に費やすことも可能である。

しかし、NASAが現在保有する再利用可能な宇宙船を、空気呼吸式のスクラムジェット推進の単段式軌道投入機（提案されている国家航空宇宙機の新バージョン）に置き換えるという長期的な希望は、何年も実を結ばないだろう。NASAは、極超音速での推力維持や、そのような高応力の用途に耐えられる複合材料の開発など、重要な技術的ハードルを克服するまでにはまだほど遠い。スクラムジェットはNASAが次に建造するRLV、あるいはそのさらに次のRLVになる可能性は低いため、宇宙専門家は、NASAは再利用可能な宇宙機を保有せずに手ぶらでいるリスクを冒す余裕はないと主張している。「NASA​​は遊ぶのをやめて、乗り物を作る必要がある」と、1950年代から極超音速航空機と宇宙機の設計に携わってきたセントルイス大学のポール・チズ教授は言う。

ビル・スウィートマンはポピュラーサイエンス誌の寄稿編集者です。