複合材が切り拓いた宇宙探査の歴史

 

2019年7月20日は、初のアポロ月着陸から50周年の記念日でした。アポロカプセル製造当時、複合材業界はまだ初期段階で材料は広く使用されていませんでしたが、アポロカプセルは、エポキシ・ノボラック樹脂にシリカ繊維をガラス繊維・フェノール・ハニカム・マトリックスで分散させたアブレーティブ・ヒート・シールド「アブコート」の形で初期複合材技術を使用していました。ガラス繊維ハニカムが一次構造に接着され、ペースト状材料が各セルに個別に注入されました。アポロ以降、先進複合材は飛躍的に進化し、打ち上げ機、スペース・シャトル、衛星、宇宙望遠鏡、国際宇宙ステーションで重要な役割を果たしてきました。

 

今日、人類は宇宙探査へのエキサイティングな新たなステップを踏み出そうとしています。現政権は2024年までに米国宇宙飛行士の月帰還を求め、NASA（米国航空宇宙局、ワシントンD.C.、米国）の有人宇宙探査プログラムに2021年予算250億ドル以上を発表しました。NASA長官ジム・ブライデンスタインは、この予算を「NASA史上最強の予算の一つ」と呼んでいます。

再びの月探査に加え、NASAには太陽から最外惑星の氷衛星、さらにはその先まで太陽系を研究する現在および今後のミッションがあります。太陽探査ミッションは現在進行中：執筆時点で、パーカー・ソーラー・プローブが太陽大気を監視中、ソーラー・オービターが打ち上げ成功。系外惑星と遠方銀河探査も、トランジット系外惑星探査衛星（TESS）ミッションとジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で進められており、後者は過去1年で打ち上げ準備に大きく前進しました。

国家・国際宇宙機関と民間企業の連携強化により、新宇宙船とプログラムも近年生まれています。例えば、スペースX（カリフォルニア州ホーソーン、米国）のクルー・ドラゴン宇宙船、ボーイング・スペース・アンド・ローンチ（バージニア州アーリントン、米国）のスターライナー宇宙船は、2011年7月のスペース・シャトル・プログラム終了以来初の米国有人宇宙飛行を競っています。両社はNASAと試験飛行を実施し、2021年の有人ミッションを目指しています。

NASA宇宙プログラムへの支援強化から商業宇宙の爆発的成長まで、人類は真に次の偉大な宇宙時代を迎えようとしています。複合材と先進材料は、このすべての探査を可能にする打ち上げ機、宇宙船、機器の製造でますます大きな役割を果たしています。

 

 

月

人間を月へ帰還させる包括的プログラムは、月の女神で狩猟の女神、アポロの双子の姉妹アルテミスにちなんで名付けられました—そのプログラムの範囲は広大です。アルテミスは月周回基地を確立し、宇宙飛行士が月をさらに探査できるだけでなく、最終的な火星ミッションの前哨基地として月を利用できるようにします。アルテミスプログラムを構成する複数プロジェクトには、新型重量級打ち上げシステム「スペース・ローンチ・システム（SLS）」、オリオン乗員船、月周回宇宙ステーションゲートウェイ、月着陸船が含まれます。先進複合材はこれらすべてのコンポーネントに何らかの形で関与しています。

 

重量級ランチャー。 出荷準備中のSLSロケット・ステージ。 出典 | NASA

 

スペース・ローンチ・システム（SLS）

NASAの新型重量級打ち上げ機は、地球軌道を超えた探査を可能にすることを目的としています。2015年、NASAはエレクトロインパクト（ワシントン州ムキルテオ、米国）の自動ファイバー積層（AFP）マシンに投資し、直径8m超のサンドイッチ構造大型ロケット部品を製造しました。カーボンファイバー・スキンとアルミニウム・ハニカム・コアで構成されます。AFPヘッドは最大16スプールのカーボンファイバーを保持し、21フィート・ロボット・アームの先端に位置し、ファイバーを工具面に精密パターンで配置し、さまざまな形状・サイズの構造を形成します。

類似のサンドイッチ構造は、RUAGスペース（アラバマ州ディケーター、米国）が手積層プロセスで製造しています。同社はダイネティクス（アラバマ州ハンツビル、米国）と協力し、SLS上段をオリオン乗員モジュールに接続するユニバーサル・ステージ・アダプター（USA）を開発中。RUAGスペースが、アダプターの8.4m径シェルを製造し、4枚の複合材ハニカム・コア四分円パネルをホット・ボンディングで接合します（詳細はこちら）。

 

オリオン多目的乗員船

ロッキード・マーティン（メリーランド州ベセスダ、米国）製造のコマンド・モジュールと、欧州宇宙機関（ESA、フランス・パリ）提供、エアバス・ディフェンス・アンド・スペース（ドイツ・オットーブルン）製造のサービス・モジュールで構成されるオリオンは、アルテミスプログラムの心臓部で、宇宙飛行士を宇宙へ運び、宇宙旅行中の探査ビークルとして機能し、乗員を地球へ帰還させます。

オリオンの推進システムには、エアロジェット・ロケットダイン（カリフォルニア州サクラメント、米国）製造の多数コンポーネントが含まれ、R-4Dエンジン・ファミリー基盤の110ポンド推力バイプロペラント補助エンジン8基などがあります。エアロジェット・ロケットダインは、打ち上げ中止システム（LAS）射出モーターと宇宙船用複合材オーバーラップ圧力容器も提供。2020年初頭、エアロジェット・ロケットダインは固体ロケット・モーター・ケース製造用カーボンファイバー巻回機を設置しました（詳細はこちら）。

再突入用に、オリオンは直径5mのカーボンファイバー・ヒート・シールドを使用し、ロッキード・マーティン がサンドイッチ構造で製造：カーボンファイバー・スキンとチタン・ハニカム・コア。ヒート・シールドはアブコート・パネルで覆われます—アポロミッションで使用された同じアブレーティブ材料（詳細はこちら）。

アブレーティブ材料の4つの圧縮パッドが、チタン・ボルトでコマンド・モジュールとサービス・モジュール接続点にヒート・シールドに取り付けられます。圧縮パッドは、打ち上げと上昇時の構造荷重、分離時のパイロ・ショック（爆発ボルトから）、再突入要求である高温耐性とアブレーションを満たさなければなりません。初飛行オリオン試験機ではカーボンファイバー/フェノール・パッドを使用しましたが、飛行後層間クラックの証拠が見られ、3D織布ソリューション「3D多機能アブレーティブTPS（3D-MAT）」に置き換えられました。これはバリー・リボン・ミルズ（ペンシルベニア州バリー、米国）の3D織布クォーツ材料と、東レアドバンスト・コンポジツのシアネート・エステル樹脂システムを使用します（詳細はこちら）。

 

月周回プラットフォーム・ゲートウェイ（LOP-G）

ゲートウェイは、NASAがロシア、カナダ、日本、欧州宇宙機関など国際パートナーと共同開発する月周回宇宙ステーションです。ゲートウェイの役割は、月探査支援と火星ミッション最終段階の前哨基地としての機能です。ステーションの各モジュールは開発中で、何らかの形で複合材を採用する見込みです。

空軍研究所（AFRL、オハイオ州デイトン、米国）とデプロイアブル・スペース・システムズが開発したロール・アウト・ソーラー・アレイ（ROSA）は、高ひずみ複合材（HSC）を使用し、ゲートウェイ・プログラムで採用されます。HSCは薄く軽量な複合材で、小型パッケージに収納し、展開時に広がるよう設計されています。ROSAシステムは2本のカーボンファイバーHSCブームを使用し、大型ソーラー・アレイ・ブランケットをロール・アウトしてテンションをかけます（HSC詳細）。

ゲートウェイへのもう一つの潜在的貢献はカナダアーム3。カナダ宇宙機関（ケベック州ロンゲール、カナダ）提案の、カーボンファイバー複合材製8.5mロボット・アーム。以前のカナダアーム・システムはスペース・シャトルと国際宇宙ステーション（ISS）で使用されてきました。

 

月着陸船

多数の企業がアルテミス向け月着陸システム・コンセプトに取り組んでおり、すべてに複合材採用の可能性があります。例えば、ブルー・オリジン（ワシントン州ケント、米国）はロッキード・マーティン、ノースロップ・グラマン（バージニア州フォールズ・チャーチ、米国）、ドレイパー（マサチューセッツ州ケンブリッジ、米国）と提携し、3機構成月着陸システムを提案：ブルー・オリジンのブルー・ムーン月着陸船、ノースロップ・グラマン提供の「トランスファー・エレメント」ビークルで月周回軌道に着陸システムを位置決め、ロッキード・マーティン提供の「アセント・エレメント」ビークルで月面から宇宙飛行士を月周回軌道へ帰還。降下誘導システムとフライト・アビオニクスはドレイパー提供。その他、ボeing、ダイネティクス、スペースX、シエラ・ネバダ・コーポ（コロラド州ルイビルとウィスコンシン州マディソン、米国）なども月着陸船コンセプトに取り組んでいます。

有人月着陸船に加え、NASAは多様な科学調査と大型技術実証ペイロードを可能にする小型・中型月着陸船の需要も予測しています。

 

アルテミス・スーツ

2019年10月、NASAは2つの新宇宙服設計を発表—新型探査船外活動移動ユニット（xEMU）とオリオン乗員生存システム（OCSS）スーツ—両方ともアルテミスプログラム月ミッションで使用されます。

xEMUスーツは、現在船外活動（EVA）で使用されているスーツ対比で可動域が大幅改善と報告されています。NASAと長年宇宙服製造で関係のあるILCドーバー（デラウェア州フレデリカ、米国）によると、xEMUスーツは2016年にNASAへ納入された先進ウォーキング・スーツZ-2のアップデート版です。

「2016年以来、ILCドーバーはウォーキング・スーツ、ゼロ・Gスーツ、ランチ・エントリー・スーツの設計改良を継続しています」と、ILCドーバー製品マーケティングのダン・クロップは述べます。

Z-2宇宙服プロトタイプは、設計にカーボン/エポキシ胴体と腰部要素を採用しています（複合材の宇宙服利用詳細は「火星では、どんなスーツでも通用しない」参照）。

NASAのOCSS宇宙服は、オリオン乗員用の加圧打ち上げ・再突入スーツとして設計。NASAは新設計の材料詳細を公開していませんが、相応量の複合材が関与していると推測されます。シャトル時代の打ち上げ・再突入スーツは、デュポン（バージニア州リッチモンド、米国）の難燃性メタ・アラミド・ノーメックス外層を採用。以前の船外活動移動ユニット（EMU）は、ノーメックス、デュポン開発のパラ・アラミド・ケブラー、ゴア・テックス（W.L.ゴア・アソシエイツ製防水透湿ファブリック・メンブレン、デラウェア州ニューアーク、米国）の組み合わせを使用していました（詳細はこちら）。

 

火星

アルテミスイニシアチブの大部分は、人間を火星へ送る舞台設定です。 한편、NASAは今夏、無人火星ミッションにも取り組んでおり、新型ロボット・ローバーとロボット探査ヘリコプターを赤い惑星に設置します。

カプセル形状のエアロシェルが、火星2020ローバーを火星大気突入と着陸時に保護します。エアロシェルはアルミニウム・ハニカムにカーボンファイバー・スキンで構成。ヒート・シールドはタイル状フェノール含浸カーボン・アブレーター（PICA）熱防護システムを使用。

火星2020ローバー自体は約10フィート長、9フィート幅、7フィート高（3m長、2.7m幅、2.2m高）。NASAはローバー構築材料詳細を公開していませんが、アドバンスト・コンポジット・トレーニング（ACT、カナダ・オンタリオ州ロンドン）が、NASAジェット推進研究所（JPL、カリフォルニア州パサデナ、米国）の火星2020ローバー構築用複合材使用コンサルタントを務めたことは知られています（詳細はこちら）。

重量2,314ポンド（1,050kg）、平均的コンパクト・カーより軽量。赤い惑星への旅路で軽量かつ耐久性が必要で、カメラと科学機器、さらに火星ヘリコプター—もう一つの複合材集約クラフト—を搭載するため十分な強度も必要です。

火星ヘリコプターは、1,500個以上の個別カーボンファイバー・ピース、航空機グレード・アルミニウム、シリコン、銅、箔、フォームで構成され、重量4ポンド（1.8kg）以下です（詳細はこちら）。

 

 

太陽

現在、太陽とその振る舞いの理解向上を目指す2つのミッションが進行中で、両方とも地上電気システム、衛星通信、GPSに影響を与える太陽嵐予測を最終目標としています。

 

パーカー・ソーラー・プローブ

パーカー・ソーラー・プローブは2018年8月打ち上げ、太陽コロナと太陽風の研究のためイン・シツ測定と撮像を実施。この領域の極端な温度に耐えるため、プローブは厚さ4.5インチの軽量反射シールドを使用。この熱防護システム（TPS）は、カーボンファイバー複合材フォームを2枚のカーボン積層板でサンドイッチし、太陽側表面に白色セラミック塗料をコーティングしたもの。シールドはジョンズ・ホプキンス応用物理研究所（メリーランド州ローレル、米国）設計、カーボン・カーボン・アドバンスト・テクノロジーズ（テキサス州ケネデール、米国）製造。

プローブのほとんどの機器はTPS後方に収納され、ヒート・シールド縁のセンサーが宇宙船位置を正しく保ちます。クラフト動力用ソーラー・アレイは、ヒート・シールドの影に収納可能で保護されます。約1ガロンの水を循環させるシンプルな冷却システムも、ソーラー・アレイと機器を冷却するために採用されています。

2019年1月、NASAはパーカー・ソーラー・プローブが第4回太陽最接近（ペリヘリオン）後、設計通り動作中と報告。クラフトのTPSは新記録温度1,134°F（612℃）に達しましたが、この保護ヒート・シールド後方の宇宙船と機器は約85°F（30℃）に維持されました。2024-25年の最も近い3回のペリヘリオンでは、TPSは約2,500°F（1,370℃）を見る見込みです。

 

ソーラー・オービター

ソーラー・オービター、欧州宇宙機関（ESA）とNASAの共同ミッション、2020年2月打ち上げ。オービターは、太陽極の史上初画像を提供するユニークな軌道を飛行し、包括的機器セットで観測します。

宇宙船は、各種機器用アパーチャーを持つカーボンファイバー複合材/チタン積層ソーラー・シールドで保護されます。324ポンドのヒート・シールドは最大970°F（521℃）耐え、0.05mm厚チタン・フォイル層で熱反射。シールドは2.94×2.56m、厚さ約5cmの支持パネルで支えられ、軽量アルミニウム・ハニカムに高熱伝導性カーボンファイバー・スキン2枚で構成。さらなる保護として、572°F（300℃）耐性の多層断熱材。ソーラー・オービターのヒート・シールドは、薄い黒色リン酸カルシウム層でコーティングされています。

 

 

太陽系の彼方へ

2019年8月、ノースロップ・グラマンのカリフォルニア州レドンド・ビーチ施設で、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の光学望遠鏡要素（鏡と科学機器含む）と宇宙船要素（JWSTのサンシールドと宇宙船を結合）が初めて機械的に接続されました。両コンポーネントは個別にテスト済みでしたが、これが2つの半分が単一観測所として結合された最初の瞬間です。このマイルストーンは、望遠鏡が2021年打ち上げ予定に向け前進する上で重要でした。

JWSTは史上最強・最複雑な宇宙望遠鏡—ハッブル望遠鏡の100倍の性能。赤外線光で宇宙を探査する設計で、天文学者が宇宙で最も遠方の物体を観測し、遠方恒星、系外惑星、最初に形成された銀河の画像を得られます。望遠鏡はまた、複合材が衛星と宇宙船をどう可能にするかのエキサイティングな例です。

望遠鏡プラットフォームは3主要コンポーネントで構成：光学望遠鏡要素（OTE）、統合科学機器モジュール（ISIM）、宇宙船要素（SCE）で、宇宙船バスとテニス・コート大のサンシールドを含みます。

JWSTは、望遠鏡の鏡、機器、その他要素—総計2,400kg超（2.5トン）のハードウェア—を支えるカーボンファイバー・バックプレーンを採用。構造はまた、長時間光収集中の望遠鏡安定性を維持する責任もあります。バックプレーンは、-406°F〜-343°F（-243℃〜-208℃）の極端な温度範囲で38ナノメートル以内に変位を抑制しなければなりません。

バックプレーンは、東レアドバンスト・コンポジツ提供カーボンファイバーと、ヘクセル（コネチカット州スタンフォード、米国）提供シアネート・エステル樹脂のプリプレグで製造。構造には10,000個超の軽量カーボンファイバー複合材部品を含みます。バックプレーン全体はセンター・セクション、ウィング・アセンブリ、バックプレーン・サポート・フィクスチャ（BSF）を含み、完全展開時約24フィート高×19.5フィート幅×11フィート超奥行き（7.3×5.9×3.4m）。重量わずか2,180ポンド（989kg）ですが、自重の300%以上にあたる7,300ポンド超（3,311kg）の機器を支えます。

主鏡とバックプレーン構造に加え、JWSTのOTEには展開式タワー・アセンブリ（DTA）、副鏡支持構造、望遠鏡科学機器と冷却システムを収納するISIMフレームワークが含まれます。これら構造は、東レアドバンスト・コンポジツの超高弾性率カーボンファイバーとシアネート・エステル樹脂プリプレグで製造されています。

「これらの材料は非常に良い光学ベンチ材料です」と、東レのサーモセット製品マネージャー、ショーン・ジョンソンは述べます。「UHMファイバーの高剛性が非常に安定した構造を提供し、一定の減衰効果もあります。JWSTが遭遇する低温で非常に良好です。」

SCE（宇宙船バス）も東レのカーボンファイバー複合材で製造され、宇宙船の推進、観測所サポート・システム、太陽光発電、アクティブ冷却システム、通信を収容。バスは同時に軽量でありながら、打ち上げ時に観測所を支えながら45トン相当の力に耐えられる必要があります。

2019年10月、JWSTはサンシールド展開試験に合格し、現在2021年打ち上げ予定です（詳細はこちら）。

 

巨大な一歩

今後数年が、宇宙探査の全く新しい時代の舞台を設定します。この新たな黄金時代に必要な宇宙船とシステムが進化し続ける中、複合材サプライヤーとファブリケーターは常に材料と技術を新たな限界へ押し上げる挑戦を受け続けるでしょう。