窓に亀裂、損傷した「神舟20号」を無人で地球に帰還へ

ミッション途中の異例の中断と高速のデブリ衝突

中国は、窓に亀裂が見つかり、同国の有人宇宙飛行計画で初めてミッション途中の帰還中止を決めたことを受け、損傷した宇宙船「神舟20号」を宇宙飛行士を乗せずに地球へ帰還させ、詳しく調査する。決定に先立つ1週間、天宮宇宙ステーションでは乗組員を安全に帰還させるとともに、軌道上に残るチームの緊急帰還手段を確保するため、緊急対応が続いた。

異常が見つかったのは、ドッキング解除を前にした11月5日の定期点検中だった。宇宙飛行士が帰還カプセルの窓の端に小さな傷を見つけた。その後、複数の角度から撮影した画像や、天宮の船外カメラの映像を確認したところ、表面の汚れではなく本物の亀裂であることが分かった。技術者らは、与圧された再突入カプセルの亀裂は応力や熱で広がる可能性があるため、乗組員を乗せたまま帰還するのは受け入れ難いリスクを伴うと判断した。

神舟20号の宇宙飛行士3人は、天宮での6カ月間の滞在を終えたばかりだった。予定通りに出発する代わりに、後続機を待つため9日間滞在を延長し、神舟21号に乗って帰還した。内モンゴル自治区の東風着陸場への着陸により、中国人乗組員による軌道上の連続滞在期間は、200日余りと過去最長を記録した。

損傷した神舟20号は、天宮にドッキングしたままだ。無人でドッキングを解除して再突入させ、帰還時の高負荷がかかる段階で亀裂のある窓がどう変化するかを技術者が調べ、将来の設計に役立つ飛行データを収集する。中国有人宇宙計画弁公室の報道官、季啓明氏は、機体は無人で帰還し、他の方法では得られない貴重な飛行中の測定データが得られると述べた。

窓に何が見つかったのか

計画当局者によると、原因は微小な宇宙デブリだった可能性が高い。砂粒より小さな粒子でも、低軌道では相対速度が毎秒数キロに達し、衝突することがある。衝突時に放出されるエネルギーは、ガラスや金属を欠けさせたり、ひび割れさせたりするほどだ。宇宙船の設計チームによると、神舟20号の窓には、内側の表面から外側の表面まで貫通する亀裂が生じ、窓の端近くで確認された。

中国航天科技集団の中国宇宙技術研究院で有人宇宙船システムの総設計師を務める賈世錦氏は、調査結果と乗組員へのリスクについて説明した。同氏によると、ガラス材料の専門家が、船内で撮影された写真や映像、天宮のロボットアームに搭載されたカメラの映像を精査した。その結果を踏まえ、当初の帰還計画を中止する判断が下された。

暫定的な判断では、宇宙デブリは1ミリ未満でしたが、信じられないほどの高速で飛行していました。亀裂は1センチ以上にわたっています。軌道上で直接調べることはできないため、神舟20号の帰還後に詳しく調査します。

有人宇宙船の窓は通常、複数の窓材や冗長な防護層で構成されている。神舟の窓は3層構造で、最外層には再突入時の極端な高温に耐える耐熱部材が使われており、温度は摂氏1,000度を超えることもある。いずれかの層に貫通亀裂が生じれば、設計者が与圧状態での帰還に見込んでいる安全余裕が損なわれる。地上のチームは、再突入中に亀裂が広がり、減圧を引き起こして高速のガスが船内に噴き込む最悪のケースも想定した。その場合、生命維持システムは数秒以内に機能不全に陥るおそれがある。こうしたリスクは受け入れられなかった。

緊急対応の経緯

亀裂の確認から12時間以内に、管制センターは神舟20号の帰還を延期し、緊急時の手順に切り替えた。乗組員は安全な帰還手段を待つため、天宮にとどまった。次の交代要員を乗せた神舟21号が到着すると、中国は異例の宇宙船交代を実施した。交代前の宇宙飛行士は新しい宇宙船で帰還し、到着したチームは当面の救命船がない状態となった。

この空白を埋めるため、宇宙計画当局は待機計画を前倒しした。遅延の発表からわずか20日後の11月25日、長征2号Fロケットが無人の神舟22号を打ち上げた。宇宙船は打ち上げから数時間後に自動ランデブーとドッキングを完了し、天宮に滞在する3人の宇宙飛行士に緊急脱出手段を再び確保した。このミッションでは追加物資や、神舟20号の出発準備にあたり損傷した窓を扱うための専用工具も運ばれた。

微小なデブリが大きな問題を引き起こす理由

低軌道上の物体は、毎秒およそ7～8キロという高速で移動している。2つの物体が異なる角度から接近すれば、相対速度はさらに高くなることがある。地上から追跡できないほど小さな破片でも、その速度では莫大な運動エネルギーを持つ。1ミリ未満の粒子でも金属にくぼみを作り、ガラスにひびを入れ、断熱ブランケットを損傷させることがある。過去には、確認されたより大きなデブリの衝突によって、太陽電池パネルに傷がつき、ラジエーターの冷却材配管が貫通し、宇宙船の窓が砂を吹き付けられたように傷ついた例もある。

技術者は、こうした環境に耐えられるよう有人宇宙船を設計する。表面の多くは、ウィップル・シールドと呼ばれる多層のバンパーで保護されている。これにより、小さな粒子が耐圧殻に到達する前に砕かれる。窓はより難しい課題だ。ドッキングや周囲の状況把握には視界が必要なため、窓を厚い遮蔽材で覆うことはできない。その代わりに、設計者は強化素材を使った厚い多層窓を採用し、視界が不要なときには保護カバーを付け、窓の大きさと数を抑えている。こうした対策を講じても、粒子が不運な角度や非常に高速で衝突すれば、損傷が生じる可能性は残る。

追跡ネットワークは、カタログ化が可能な大きさの物体を3万個以上監視している。さらに小さく、追跡できない破片は数百万個に上るが、それでも損傷を与える大きさがある。デブリには、使用済みロケット段や古い衛星、衝突で生じた破片、微小な天然の宇宙塵などがある。国連や各国の宇宙機関は、衛星の不動態化、ミッション終了後の計画的な再突入、責任ある廃棄軌道の利用といったデブリ低減策を推奨している。こうした取り組みがあっても、利用の多い軌道帯では物体の密度が上昇し続けている。

宇宙飛行士は、リスクを下げるために回避機動と遮蔽を組み合わせている。宇宙ステーションや訪問中の宇宙船は、追跡対象のデブリを避けるため定期的に軌道を調整する一方、危険な接近が予測される際には乗組員が帰還カプセル内に避難する。近年、宇宙交通の調整強化やデータ共有を求める声が高まっている。中国は各国とのデブリ共同観測プロジェクトを推進し、脅威への対処に向けて軌道離脱用帆や高精度追跡などの技術に投資している。

中止の判断は安全を最優先したもの

神舟20号は通常の再突入時の負荷に耐えられた可能性が高いが、軌道上でそれを証明する方法はなかった。リスク管理では、発生確率と結果の重大さの両方が考慮される。亀裂が致命的に拡大する可能性は低かったかもしれないが、そうなれば結果は死に直結する。健全な帰還船を待ち、その後、損傷した宇宙船を人を乗せずに地球へ帰還させるのが、より安全な選択だった。

ミッション指揮官の陳冬氏は、着陸後、この判断について語った。同氏は、今回の出来事は宇宙探査に規律と忍耐が必要であることを示したと述べた。

人類の宇宙探査の道は平坦ではなく、困難や課題に満ちています。

中国の宇宙ステーション計画で初めて、交代する乗組員が自分たちの打ち上げに使われたものとは別の宇宙船で地球に帰還した。今回の運用でミッションは9日間延長され、国内の滞在期間記録が更新されたほか、今後の乗組員の標準手順となる緊急打ち上げ・着陸の手順も試された。

無人帰還と調査の内容

数日から数週間のうちに、飛行管制官は神舟20号の標準点検を行い、ハッチを閉めて、天宮からドッキングを解除するよう指令する。宇宙船は軌道離脱噴射を行って軌道を外れ、定められた経路を通って再突入する。ゴビ砂漠の東風着陸場に待機する回収チームが、パラシュートで地上に降りたカプセルを確保する。

技術者が求めているのは、より詳しく観察することだけではない。再突入時に亀裂のある窓がどう変化するかについて、現実に即したデータを得ることを目指している。温度、圧力、振動センサーにより、亀裂が熱の蓄積や空気力、音響振動にどう反応するかを記録できる。季啓明氏は、帰還によって「最も実際に即した実験データ」が得られると述べた。これは、チームが現実の再突入時にかかる負荷をモデルや地上試験と比較することを示唆している。こうした情報は将来の設計を強化し、まれではあるものの重大な異常に備えた飛行規則の改善につながる。

管理された実験室に運ばれた後、専門家は亀裂の形状を測定し、衝突箇所に残った付着物を分析し、降下中に亀裂が進展したかどうかを確認できる。また、軌道上のデブリとは無関係な潜在的欠陥を排除するため、窓の製造記録や取り付け工程も調べる。

天宮での運用と救命船の役割

神舟22号がドッキングしたことで、現在の乗組員は、病気や別の緊急事態が発生した場合に脱出できる手段を確保した。長期滞在型の宇宙ステーションでは、乗組員に即応可能な帰還カプセルを割り当てる。帰還カプセルは、何カ月も待機した後、短時間で地球に戻る救命船であり、タクシーであり、耐熱シールドでもある。天宮は交代時に宇宙飛行士6人を受け入れられるが、生命維持システムは長期滞在では3人向けに調整されている。健全な帰還船をドッキングした状態に保つことは、この運用モデルの中核だ。

中国は、神舟宇宙船と長征2号Fロケットをそれぞれ待機状態にしている。このシステムは迅速な出動を想定しており、緊急事態に備えてソユーズや有人宇宙船を維持するロシアや米国の方式に似ている。神舟22号の緊急打ち上げは、こうした即応態勢を示した。また、宇宙ステーションの運用を支える工具、予備部品、実験機器を届ける補給ミッションでもあった。

他のミッションで同様の事態にどう対応したか

宇宙飛行の歴史には、神舟20号の判断が慎重だったことを裏付ける事例がある。2022年には、国際宇宙ステーションにドッキングしていたロシアのソユーズ宇宙船で、微小隕石が冷却材配管に穴を開けた。その宇宙船で帰還する予定だった乗組員は、代替のソユーズが無人で打ち上げられるまで軌道上にとどまった。NASAの宇宙飛行士フランク・ルビオ氏とロシア人宇宙飛行士2人は、滞在を延長した後、安全に帰還した。

別の事例では、米国の有人カプセルの試験飛行でスラスターと推進系の問題が発生し、2人の宇宙飛行士が予定を大幅に超えて国際宇宙ステーションにとどまることになった。2人は地上のチームが安全な帰還方法を検討する間、滞在中の乗組員の作業に加わった。どちらのケースでも、結果を左右したのはスケジュールの圧力ではなく、慎重さと冗長性だった。神舟20号の対応にも同じ考え方が表れている。

今後数カ月の注目点

次の節目となるのは、神舟20号の無人帰還と飛行後の分析、救命船としての神舟22号を伴う運用の継続、そして天宮での科学実験と保守作業の着実な実施だ。神舟21号で打ち上げられた交代要員には、中国人宇宙飛行士として最年少の宇宙飛行士が含まれる。そのうち1人は、長期にわたる生物学・人間工学研究の一環として、1年以上宇宙に滞在する見通しだ。緊急時の帰還手段が再び確保されたことで、こうした計画を進められる。

中国の有人宇宙飛行計画では飛行中の故障があまり起きておらず、今回の出来事は際立っている。同時に、成熟した対応も示した。チームは乗組員の安全を優先し、宇宙ステーションの安全策を回復するため迅速な打ち上げを実施した。そして損傷した宇宙船を持ち帰って体系的に調査することで、異常を教訓に変えた。調査結果は、今後のミッションにおける窓の設計、衝突防護、飛行再開の規則に反映される可能性が高く、今 decade 後半に計画されている月面着陸にも役立つとみられる。

要点

• 窓に亀裂が見つかり、乗組員を乗せた再突入が危険になったため、神舟20号は無人で地球に帰還する。
• 陳冬、陳中瑞、王傑の宇宙飛行士3人は、9日間の遅延後に神舟21号で無事帰還し、国内の滞在期間記録を更新した。
• 11月25日の緊急打ち上げで無人の神舟22号が天宮に向かい、救命船となるとともに工具や物資を届けた。
• 技術者は、1ミリ未満のデブリが窓材を貫通する1センチ超の亀裂を生じさせたとみている。
• 季啓明氏は、無人帰還によって再突入時の亀裂の挙動に関する実際の飛行データを収集すると述べた。
• 中国は東風着陸場への着陸後、カプセルを分析し、将来の設計や飛行規則の改善に役立てる。
• 今回の事例は、低軌道におけるデブリの継続的なリスクと、乗組員救出の待機計画の重要性を浮き彫りにした。