庞之浩 全国宇宙探査技術首席科学普及専門家

中国の宇宙ステーションは2022年末に軌道建設を完了して以来、国家の宇宙実験室となり、また現在の中国の宇宙史上で最大規模かつ長期間有人の管理が行われる宇宙実験プラットフォームとなっています。神舟19号の宇宙船の宇宙飛行士クルーが宇宙に入ると、中国の宇宙ステーションの応用と発展段階における第4回有人宇宙ミッションが正式に始まりました。

中国の宇宙ステーションにはどのような技術的特徴がありますか？将来どのような役割を果たすのでしょうか？以下で詳しくお答えします。

神舟16号クルーによって撮影された中国宇宙ステーション

1 全体的な概要

我が国が世界の極少数で独立して近地宇宙での長期有人飛行技術を掌握し、近地宇宙での有人科学技術実験および宇宙資源の総合的な開発利用を長期的に行う能力を具備するために、2010年9月25日、国家は13のシステムからなる中国初の近地軌道有人宇宙ステーションの開発を承認しました。12年の努力の結果、我が国はついに2022年末にこの目標を達成しました。

我が国初の宇宙ステーションの建設は、米国とソ連が先に単舱式を建設してから多舱式宇宙ステーションを建設する古い道を歩むことなく、直接世界の第三世代宇宙ステーション基準を超える多舱式宇宙ステーションを建設し、製品や原材料すべてを国産化し、重要な核心部品は100%自主制御を実現しました。

この宇宙テクノロジーのビルは、「天和」コアモジュール、「問天」実験モジュール、「夢天」実験モジュールの三つのモジュールが接続される基本構造を持っています。各モジュールの質量は20トン級で、順次打ち上げられ、軌道上でのドッキングと移動によって水平対称のT字型構造を形成しました。つまり、「天和」コアモジュールが中央にあり、「問天」モジュールと「夢天」モジュールが両側に接続されています。

中国の宇宙ステーションは独特の中国の特色と時代的特徴を持ち、転位機構と機械アームを組み合わせて、モジュールの移動とドッキングを行います。宇宙飛行士と機械アームの協力の下で、複雑な宇宙外建設や操作活動を完遂することができます。

宇宙ステーションの建設を完了するために、2021年に我が国は「天和」コアモジュールと「天舟」貨物宇宙船、「神舟」有人宇宙船をそれぞれ2機打ち上げ、1年間の重要技術検証を行いました。その後、2022年に我が国は宇宙ステーションの軌道建設段階を開始し、「問天」と「夢天」実験モジュールや「天舟」貨物宇宙船、「神舟」有人宇宙船をそれぞれ2機ずつ打ち上げ、宇宙飛行士の活動空間は110立方メートルに達しました。

宇宙ステーションの軌道建設段階が完了した後、2023年から我が国の宇宙ステーションは応用と発展の段階に入り、宇宙飛行士はチーム交代の方式を採用して、連続的に宇宙ステーションを訪れ、管理し、少なくとも10年間の宇宙科学研究や宇宙技術実験などの宇宙ステーション応用活動を展開します。

今回行われる神舟19号の宇宙飛行ミッションは、我が国の宇宙ステーションが応用と発展の段階に入る中での4回目の有人飛行ミッションです。彼らは神舟18号のクルーと軌道上で交代し、約6ヶ月間の滞在を行います。

現在、我が国の宇宙ステーションは長期間にわたり3人を搭乗可能で、半年ごとに交代します。宇宙飛行士の交代の6〜10日間の間、宇宙ステーションには最大6人がいます。各宇宙飛行士のチームは、過去に宇宙に行った宇宙操縦士が指令長を務め、残りのメンバーはタスクのニーズに応じて、宇宙操縦士、宇宙飛行工学者、およびペイロードの専門家で構成されます。

全体的に見て、我が国の宇宙ステーションは大きさを追求しないが、規模は適度で、経済的な利用が可能です。その特徴は、高い出発点、高い効果、新しいテクノロジー、強い保障です。海外の最も先進的な第四世代宇宙ステーションである国際宇宙ステーションと比較すると、我が国の宇宙ステーションは規模は相対的に小さいですが、応用効果は国際宇宙ステーションよりも高いです。例えば、我が国の宇宙ステーションの科研機器の重量が全体の重量に占める割合は国際宇宙ステーションよりも高く、我が国の宇宙ステーションでの科研機器の電力供給率も国際宇宙ステーションよりも高いです。

10月30日12時51分、神舟十九号と神舟十八号の宇宙飛行士チームが宇宙ステーションで合流しました（中国有人宇宙工学公式サイトの画像）

「天和」核心モジュール

核心モジュールは、その名の通り、宇宙ステーションの最も中心的で重要なコンポーネントです。2021年4月29日に打ち上げられた「天和」核心モジュールは、宇宙飛行士に50立方メートルの活動空間を提供します。このモジュールは、宇宙ステーションのユニファイド管理と制御を行うために使用されます。また、実験モジュール、有人宇宙船、貨物宇宙船などの宇宙機とのドッキングと軌道上での組み立てをサポートします。3名の宇宙飛行士が長期間生活・作業できる場所を提供し、いくつかの学科の宇宙科学実験や技術試験を行うことも可能です。大型機械アームとバックアップ気闸モジュールが装備されています。4台の科学実験キャビネット（発射時に3台持ち込まれたもの）をインストールでき、すでに研究成果を上げています。

「天和」核心モジュールは、ノードモジュール、生活制御モジュール、後部通路、リソースモジュールで構成されています。最大直径は4.2メートル（大柱段）、最小直径は2.65メートル（小柱段）です。

天和核心モジュール

ノードモジュールには3つの対接続口と2つのドッキングポートがあります。その中で、前方接続口は生活制御モジュールに接続されており、左右の2つは「問天」と「夢天」実験モジュールのための専用停泊位置です。軸方向と地面向けの接続口は有人宇宙船のドッキング用であり、今回の神舟十九号は軸方向の接続口にドッキングしています。この詳細は、今回の飛行ミッションのロゴにも反映されています。ノードモジュールには宇宙飛行士が早期に出るための対天向け接続口があり、これはバックアップ気闸モジュールの出入口です。

生活制御モジュールは小柱段と大柱段で構成されています。小柱段には3つの寝室と1つのトイレがあり、大柱段は乗組員が作業、制御、運動、レジャーを行う場所です。モジュール内には、宇宙ステーションの統一制御システム、科学機器、通信機器、コンピューターシステム、消防システム、空気処理システムなどが配置されています。密閉された生活制御モジュール内には、作業エリア、睡眠エリア、衛生エリア、食事エリア、医療監視エリア、運動エリアの6つの区画が配置されています。

資源モジュールは非密封モジュールで、宇宙ステーションに電力、推進燃料などの必要な資源を提供します。末端接続インターフェースは「天舟」貨物宇宙船と接続し、地上からの物資を受け取ります。

「天和」コアモジュールの姿勢制御は先進的な6つのモーメントジャイロ方式を採用しており、角モーメントの方向を変えることで制御トルクを生成します。その利点は、高い精度と信頼性です。

神舟19号有人飛行ミッション識別（中国有人航天工程公式サイトの画像）

「問天」実験モジュールの概略図

3「問天」実験モジュール

「問天」実験モジュールは2022年7月24日に打ち上げられ、我が国の宇宙ステーションの初の実験モジュールで、作業モジュール、エアロックモジュール、資源モジュールの3部分で構成されています。作業モジュールには3つの寝室、1つのトイレがあり、8台の科学実験キャビネットをインストール可能（打ち上げ時に4台持ち込まれました）。エアロックモジュールは宇宙飛行士の出舱に使用され、資源モジュールには大量の燃料、姿勢・軌道制御推進システム、大型フレキシブルソーラーパネルが装備されています。

中国が「問天」実験モジュールを先に打ち上げ、「夢天」実験モジュールと「天和」コアモジュールに接続するのは、「問天」実験モジュールが「マルチタスク」を備えているからです。

一つ目は、「問天」実験モジュールが「天和」コアモジュールと同様に、宇宙ステーションの統合管理と制御能力を備えていることです。したがって、コアモジュールに故障が発生した場合、「問天」実験モジュールで宇宙ステーション全体を制御でき、宇宙ステーション全体の設計の信頼性を向上させることができます。

二つ目は、「問天」実験モジュールが「天和」コアモジュールと同様に3つの寝室を持っており、コアモジュールに接続された後、宇宙ステーションは2つの宇宙飛行士のチームが合計6人で短期間同時に軌道上で生活、作業、交代するニーズを満たすことができるようになることです。

三つ目は、「問天」実験モジュールには、より広く、より快適で、より安全な専用の人員エアロックがあり、宇宙飛行士がより便利に出舱活動を行えるようにサポートし、彼らの安全を確保することです。神舟14号の乗組員から、宇宙飛行士はこの主要なエアロックから出舱します。このエアロックは外方が四角形で内方が円形で、外部に露出する実験プラットフォームを装備し、22の標準負荷インターフェースを配置しています。

四つ目は、「問天」実験モジュールのエアロックの外部に、3トンの耐荷重を持つ5メートルの小型機械アームが装備されており、機械アームのない「夢天」実験モジュールの上で作業することができ、大型機械アームと組み合わせて15メートルのより大きな機械アームを形成することができます。その位置精度は大型機械アームの5倍、姿勢精度は大型機械アームの2倍に優れており、精度がより高いさまざまな荷重やプラットフォーム機器の外部設置、メンテナンス、お世話などに適しています。

4「夢天」実験モジュール

2022年10月31日に打ち上げられた「夢天」実験モジュールは、作業モジュール、貨物エアロック、荷物モジュール、資源モジュールの4つのセグメントで構成されており、宇宙の科学研究と応用の「夢工場」です。

「夢天」実験モジュールの作業モジュールは宇宙飛行士の作業とトレーニングの場所であり、多くの科学実験キャビネットとトレーニング設備が備わっていますが、寝室やトイレはありません。

「夢天」実験モジュール構造図

その荷物モジュールと貨物気闸モジュールは、セットになった「双モジュール嵌套」形式で作業モジュールに接続されており、荷物モジュール内部には1つの貨物気闸モジュールが隠されていて、ガス漏れを減少させることができます。その中で、荷物モジュールは2つの展開式露出実験プラットフォームと1つの固定式の外部露出実験プラットフォームを装備しており、24の外部標準荷物作業位置を提供できます。貨物気闸モジュールは貨物出舱の専用通路であり、今までの世界で最大の貨物気闸モジュールです。

資源モジュールは大型柔軟太陽翼と二自由度の太陽追尾装置を備えており、宇宙ステーションの軌道運動姿勢と太陽の角度に応じて、太陽翼を実験モジュールの軸と太陽電池翼の軸に沿って回転させることができます。

「夢天」実験モジュールには13個の実験キャビネットが装備でき、発射時には9個が装備されています。その特徴は以下の通りです。

1つ目は「夢天」実験モジュールは宇宙飛行士が科学研究を行う場所であるため、寝室やトイレが配置されておらず、より多くの科学実験キャビネットを装備できるようになっています。

2つ目は「夢天」実験モジュールは主に微小重力科学研究に焦点を当てており、「問天」実験モジュールは主に宇宙生命科学研究を行うために使用されます。

3つ目は「夢天」実験モジュールの最大の特徴は貨物気闸モジュールがあり、その内部に荷物移送機構が1台あり、貨物が自動的に出舱できるようになっています。

四つ目は、「夢天」実験室に特別に配置された微小飛行器の軌道放出機構で、これにより、荷物転送機構と機械アームの協力のもと、百キログラム級の微小飛行器または複数の規格立方星の軌道放出のニーズに応えることができます。

5 先進的なテクノロジー

後発優位を活かし、我国の宇宙ステーションは多くの新しいテクノロジーを採用しました。例えば：

「天和」核心モジュールには、25トンの荷重能力を持つ10メートル長の「七自由度大型宇宙機械アーム」が装備されています。これは世界の第三世代宇宙機械アームのレベルに達し、モジュールの表面を這って移動できます。モジュールの位置変更、大型機器の移動、または宇宙飛行士自身の移動も、この機械アームを使って実行できます。宇宙飛行士の共同作業により、複雑な宇宙での作業も行うことができます。

有人宇宙飛行のコストを削減するために、「天和」核心モジュールと「問天」実験室は再生型生命維持システムを採用しています。宇宙飛行士が呼気として排出する水蒸気は冷凝水として回収され、排泄物も回収されて浄化され、再び飲料水および生活用水として使用されます。再生処理を経て、94%以上の宇宙飛行士の生活用水と空気の冷凝水が再び宇宙飛行士の日常利用と酸素電解に供給されます。今後は、酸素を電解生成する際に生じた水素を宇宙飛行士の呼気中の二酸化炭素と化学反応させて酸素を生成し、生活廃棄物の処理と再利用技術を使って、物資の再生循環利用レベルをさらに向上させ、上昇補給量を最大限に減らし、宇宙ステーションの運営コストを低下させます。

核心モジュールは初めて大面積の展開・収束可能な柔軟な太陽翼を一対採用しました。その単翼展開長は12.6メートルに達し、両翼展開面積は134平方メートルに達します。従来の刚性及び半刚性の太陽翼と比較して、柔軟な翼は体積が小さく、展開面積が大きく、出力重量比が高く、すべてを収納した際には刚性太陽翼の体積の1/15に過ぎません。その他の二つの実験室の太陽翼はさらに大きく、より多くの電力を生成して宇宙ステーションの電力需要に応えています。

次に、核心モジュールは従来の化学エネルギーによる軌道制御エンジンと姿勢制御エンジンに加えて、4台の高出力ホール電 propulsion エンジンが追加されており、その効率は化学エネルギーエンジンの数倍高いため、核心モジュール自身の推進剤の消耗を効果的に節約し、貨物宇宙船による宇宙ステーションの燃料補給の負担を軽減します。このため、我国の宇宙ステーションは現在2年で3隻の「天舟」貨物宇宙船を発射することができ、これは「天舟」貨物宇宙船の運搬能力の大きさにも関係しています。

6 未来の展望

現在、中国は宇宙ステーションの支援能力、微小重力と放射線環境、宇宙飛行士の長期間の軌道滞在、地球と宇宙の往復などの有利な条件を活用して、科学の最前線での革新的な実験や応用研究を進めており、科学と技術の分野での重大な突破を目指しています。

今回の神舟19号乗組員は、計画中の「宇宙の物質の探求」というテーマを中心に、宇宙生命科学、微小重力基礎物理学、宇宙材料科学、宇宙医学、宇宙新技術などの分野をカバーし、微小重力条件下でのタンパク質結晶の構造解析、ソフトマテリアルの非平衡動力学など86項目の宇宙科学研究と技術試験を行う予定です。基礎理論の前線研究、新素材の製造、宇宙放射線と無重力生理効果のメカニズム、亜磁気生物効果および分子メカニズムなどの分野で一連の科学成果を得ることが期待されています。

「巡天」光学望遠鏡

将来的には、中国の宇宙ステーションシステムは、世界初の宇宙機「母港」となることが期待されています。軌道上で他の宇宙機のメンテナンスを行うことが可能です。例えば、今後、中国は「天宮」宇宙ステーションと同軌道で飛行する「巡天」宇宙望遠鏡を打ち上げる予定であり、長時間運用された後、必要に応じて宇宙ステーションに向かい、「天宮」と会合してドッキングし、宇宙飛行士による推進剤の補充、設備のメンテナンスおよび荷載設備のアップグレードなどの活動が行われ、その後分離して元の運行軌道に戻って作業を続けます。

必要に応じて、中国の宇宙ステーションはさらに拡張でき、「T」字型から「十」字型、さらには「干」字型に拡張することで、宇宙ステーションの活動空間を増やすことが可能です。

要するに、中国の宇宙ステーションは単なる中国の宇宙ステーションではなく、人類の宇宙技術の発展を促進し、人類全体に利益をもたらす宇宙ステーションです。将来的には、重大な科学的価値を持つ研究成果や、重大的な戦略的意義を持つ応用成果を得ることが期待されています。