SpaceShipOneのしくみ

過去には、宇宙旅行は、資金が豊富で巨大な政府の宇宙プログラムの支援を受けてのみ可能でした。しかし、最初の非政府有人宇宙船であるSpaceShipOneの作成者は、それを変えることに着手しました。

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この船はすでに1つのレベルで成功を収めています。2004年10月4日に、1,000万ドルのAnsari XPrizeを獲得しました。コンテストでは、独立した設計者が、再利用可能な宇宙船を使って2週間に2回、3人を安全に宇宙に投入するよう求めました。

しかし、この賞はSpaceShipOneの開発の最終的な動機ではありませんでした。宇宙船の作成者は、宇宙旅行が星に挑戦したいという願望を持っている人を対象とした繁栄している商業ビジネスである世界を想像しています。

それはとてつもないことのように聞こえるかもしれませんが、チャールズリンドバーグのニューヨークからパリへの歴史的な1927年の単独飛行が25,000ドルのオルティーグ賞を受賞したことを考慮してください。そして、現代の航空業界を先導したのはリンドバーグの成功した飛行でした。ですから、宇宙旅行がディズニーワールドへの旅行と同じくらい一般的である今から数年後、私たちはSpaceShipOneを歴史のページをめくった事業として振り返ることができます。

スペースシップについて学びマシューGionta、それを建てた会社のチーフエンジニア-スケールド・コンポジッツ。この記事では、マシューがSpaceShipOneの仕組みと、この宇宙船での飛行の様子について説明します。また、設計の詳細、推進システム、およびそれをすべて生み出した民間資金による宇宙計画についても見ていきます。

歴史が作られました！

2004年6月21日、スペースシップワンは宇宙に参入した最初の民間航空機になりました。テストパイロットのMichaelMelvillは、SpaceShipOneを地表から62.5マイル（100 km）の高度に移動させました。この高度に飛ぶと、メルビルは公式に宇宙飛行士になります。

スペースシップワンとホワイトナイトは東部標準時9:45に離陸し、スペースシップワンは約50,000フィートでホワイトナイトから解放されました。数秒間の自由落下の後、メルビルはスペースシップワンのハイブリッドロケットモーターを80秒間発射し、3分間宇宙に推進しました。スペースシップワンは離陸後1時間強で無事着陸しました。

1. SpaceShipOneはどのように機能しますか？
2. ライドはどのようなものですか？
3. ホワイトナイト
4. スペースシップワン
5. 推進
6. スペースシップワンの内部
7. 課題
8. 一次下請け企業

問題の核心から始めましょう：クラフトはどのように機能しますか？マシュー・ギオンタがこの歴史的な飛行で何が起こるかを段階的に説明しているので読んでください。

HSW：では、SpaceShipOneはどのように機能しますか？

Matthew Gionta：SpaceShipOneは、ここでゼロから開発した2機のホワイトナイト航空機の腹の下に吊るされています。ホワイトナイトはターボファンエンジンを搭載した飛行機ですSpaceShipOneを最大45〜50,000フィート運ぶので、空気がすでにかなり薄い大気中の比較的高い位置から宇宙飛行を開始できます。 45,000フィート下がると、すでに地球の大気の約85％を通過しています。その高度では空気が非常に希薄になっているので、出発点として最適です。そこから宇宙船をホワイトナイトから降ろし、パイロットがセットアップし、航空機をすべてトリムし、ロケットブーストの準備ができてスイッチを投げると、スペースシップワンのハイブリッドロケットモーターが加速する間、10秒間滑空します。パイロットは通常の重力の約2〜3倍です。それは前方に通常の重力の約2倍で加速し、パイロットはすぐにほぼ垂直に引き抜き操作を開始します-彼はほぼまっすぐに進んでいます。

そして、船は1分強の間まっすぐに出て行くのを加速し続けます。正確な数値は提供していません。そうすれば、誰かがリバースエンジニアリングを行うことができます。

ですから、私たちはまっすぐ上に約1分進み、およそ150,000フィートを燃え尽きます。モーターはその時点で燃焼を停止しますが、現在、船は時速2,000マイルを超えてまっすぐに移動しているため、惰性走行します。そこから、遠地点[SpaceShipOneが地球から最も遠い地点]に到達するまで、およそ150,000フィート上に惰性で進みます。それが遠地点に到達する直前に、パイロットはいくつかの空気圧アクチュエータを駆動する別のスイッチを切り替えます-それは航空機の尾と翼の後ろ半分を取り、ちょっと[それらを作ります] ...ジャックナイフのようにおそらく方法です考えてみてください。

航空機はジャックナイフで編まれており、これは、これから体験する大気圏再突入のために、航空機を配置するか、航空機を再構成します。そして、彼が向かっている間、あなたはまだそれを持っています、そしてそれで彼は始まります、そしてそれはその羽のために約15秒かかります、私たちがそれを呼ぶように、クラフトの後半は約65度上昇します。そして、彼は燃え尽き症候群の後からアポジまでずっとゼロgにかなり近い-それは本当にゼロgに近い[無重力]-を経験している間ずっとアポジを通り抜けます。

そして、彼は落ち始めます、そして、彼は落ちます、彼は彼がただの岩であるならば彼がするのと同じ放物線または弾道の軌道に沿って落ちます。誰かがそこに岩を投げたら、それは同じ種類の放物線になります。彼は弾道軌道に乗っており、それについて多くを行うことはできません。機体が大気圏に戻り始めて速度を上げると、上部でほぼゼロの速度に達し、ますます速度を上げていきます。そして、それがますます厚い空気に落ち始めると、このジャックナイフクラフトは、まるで腹が空気の流れにまっすぐにフロップするように、その腹全体を提示し、それ自体が空中をドライブしようとしている大きな断面積を与えますそれを減速します。

そしてそれはそれを遅くします。パイロットは、大気圏に戻るときに約5〜6gの減速を経験します。そして、彼はそれを約50,000フィート、おそらく60,000フィートまで下げ、そこでスイッチを切り替えて、尾のある通常の飛行機に戻し、本来あるべき場所に引きずります。そして、彼はその機動から飛び出し、グライダーのように飛行機のように再び飛行を開始します。彼はその時点でグライダーです。

そして、彼はそこから別の場所を滑空します...私たちが離陸した空港、ここモハーベに約10〜15分戻ります。

次のセクションでは、スペースシップワンに乗るのがどんな感じかをマシューに尋ねます。

SpaceShipOneは、パイロットと2人の乗客を軌道下のスペースに運ぶように設計されています。マシュー・ギオンタとの会話で、私たちは乗客がスペースシップワンに乗ることから何を期待できるかを尋ねました。

HSW：スペースシップワンに乗るのはどんな感じかを読者に説明してもらえますか？

M. GIONTA：これまでに乗った中で最もワイルドなジェットコースターで、上司[Burt Rutan]からの引用を盗んでいる可能性がありますが、彼はそこに優れた特徴を持っていると思います。加速が上がることを説明するとしたら...重力があなたを引き下げます。あります1グラムは、加速の、しかしあなたは実際に2つ以上のgで垂直に動いています。パイロットは約3gを感じます-私たちがそれを呼んでいるように、眼球が入っています。あなたの背中はあなたの全身の3倍の重さを感じています-そしてそれで、かなり強い加速が上がっています。モーターが停止すると、車両に抗力がありますが、推力はありません。そのため、シートベルトが宇宙空間であなたを拘束するまで、シートベルトを前方に飛ばします。さもなければ、あなたは正面の窓を通ってそして船の正面から飛んでいるでしょう。それで、あなたはその時点であなたのシートベルトにぶら下がっています、そしてそれは多分５秒かそこらの間です、そしてそれからあなたはちょっと座席に落ちます。そしてその時点で、gは約ゼロgになるまで継続的に減少し、約4分間の無重力状態になります。 あなたが上を越えて、そして戻ってくるとき、そしてあなたがそこにいる間、景色は壮観です。

低軌道衛星から、またはいくつかの最低高度でのスペースシャトルからさえも、地球について見たいくつかのビューは、基本的に、この航空機の窓から得られるビューとまったく同じです。そして、私たちのWebサイトには素晴らしい映像があります...

... [だからあなたは]あなたが大気圏に戻り始める前に、数分間無重力状態になっています。それは騒々しく、ゴロゴロと揺れ、たくさんのgで、おそらく6gでピークに達します。そして、その時点で意識を保つことさえかなり難しくなります、しかしあなたがかなり良い状態にありそしてあなたがそれのために訓練されていればあなたはそれをすることができます。そして、あなたはグライダーとしてそこから飛び出します、そしてそれはただ平和なグライダーの乗り物です。戻ってきて、宇宙に行ったばかりだと気づいたら、さらに15分ほど観光する必要があります。あなたは宇宙飛行士の翼を獲得しました...それは宇宙飛行士としての資格を得るための高度です。

HSW：うわー。

M. GIONTA：ほら、かなりかっこいいです。乗るのにかかると思う金額を喜んで払ってくれる裕福な人はたくさんいると思います。

HSW：そしてもちろん、最終的には、これをますます費用対効果の高いものにするという考えが...

M. GIONTA：ええ、これがどこに及ぶのか誰が知っていますか？多分それは軌道宇宙旅行にまで及ぶでしょう？それは論理的な進歩だと思います。宇宙で少し休暇をとるのはちょっとクールだと思いませんか？

次のセクションでは、スペースシップワンの旅を支援するホワイトナイトクラフトのデザインを見ていきます。

マシューから学んだように、スペースシップワンは一人で星への旅をすることはできません。ホワイトナイトと呼ばれる空母の助けが必要です。宇宙旅行における最大の費用と危険の1つは、地上から宇宙船を打ち上げることです。地上打ち上げに必要な燃料のコストだけが異常です。プロセスを合理化するために、スペースシップワンは約50,000フィートの高度でホワイトナイトの腹から発射します。

2003年4月にデビューしたホワイトナイトは、高高度のツインターボジェット研究機です。その主な仕事は、スペースシップワンを宇宙に打ち上げるための空中プラットフォームとして機能することです。

ホワイトナイトは、スペースシップワンを腹に取り付けた状態で、通常の滑走路から飛行機のように離陸します。2隻の船はホワイトナイトの力で所定の高度まで一緒に飛行します。その後、ホワイトナイトはスペースシップワンを解放し、漂流します。ホワイトナイトを離れると、スペースシップワンは軌道下の宇宙への旅を始めます。

効率の観点から、ホワイトナイトは2番目の非常に重要な機能も果たします。White Knightは、SpaceShipOneとまったく同じコックピット、アビオニクス、電子制御システム、空気圧、トリムサーボ、データシステム、および電気システムを使用して設計されています。そのため、ホワイトナイトはスペースシップワンを操縦するパイロットを訓練するのに最適です。

SpaceShipOneパイロットトレーニングにリアリズムを追加するために、ホワイトナイトは高い推力重量比と強力なスピードブレーキで設計されました。これらの機能は、宇宙飛行操作をシミュレートするのに役立ちます。

飛行機として、ホワイトナイトはそれ自体が注目に値する工芸品です。スケールド・コンポジッツによると、ホワイトナイトのユニークなデザインは、「偵察、監視、大気研究、データリレー、通信、イメージング、超小型衛星のブースター打ち上げ」にも適しています。

次のセクションでは、SpaceShipOneクラフトを見ていきます。

試験結果

ホワイトナイトのテストの概要を表示するには、ホワイトナイトの飛行テストの概要を参照してください。

X-15A

ホワイトナイトは印象的な航空機ですが、ショーのスターであるスペースシップワンは間違いありません。

SpaceShipOneは、Scaled Compositesによって、「高度100kmまでの軌道下飛行用に設計された3か所の高高度研究ロケット」と説明されています。おそらく、スペースシップワンの最も驚くべきことの1つは、飛行中に3つの異なる構成に変化するという事実です。これらの構成により、SpaceShipOneはブースト、エントリー、ランディングに理想的な形になります。（3つの構成すべての画像については、前のセクション「スペースシップワンはどのように機能しますか？」を参照してください。）技術的には宇宙船ですが、飛行中はほとんどの時間を地球の大気圏で過ごします。最も際立っている構成の1つは、「フェザー」構成です。

SpaceShipOneによると：宇宙への白い騎士の乗車：

SpaceShipOneは、大気圏の高いところから宇宙に垂直に打ち上げられます。ロケットブーストによって作成された弧の頂点に達すると、勢いを失い、地球に戻ります。降下を遅くするために、SpaceShipOneは最大の表面積を空気の流れにさらす構成に変換します。これは途方もない抗力を生み出し、船が落下するときに船の速度を落とします。

SpaceShipOneに組み込まれたイノベーションに関する限り、これは氷山の一角にすぎません。

SpaceShipOneの機能：

次のセクションでは、SpaceShipOneを宇宙に投入するユニークなロケットモーターについて説明します。

ジョンタは説明します：

SpaceShipOneは、Scaledがハイブリッドモーターと呼ぶものを使用します。これは、モーターが固体ロケットモーターと液体ロケットモーターの両方の要素を組み合わせているためです（ロケットエンジンのしくみを参照）。これにより、SpaceShipOneを音速の2倍に加速できる独自のモーターが実現します。しかし、これを行うために燃焼する燃料はさらに興味深いものです。

すべてのタイプのロケット燃料は、燃料と酸化剤の2つの成分で構成されています。燃料に大きな熱のバーストを追加し、次に酸化剤を導入することにより、宇宙に航空機を推進する持続的な爆発の結果が得られます。固体ロケット燃料では、酸化剤が燃料に埋め込まれています。液体システムでは、2つのコンポーネントは航空機に別々に保管され、点火中に結合されます。この後者のシステムの問題は、従来の燃料と酸化剤は高価であり、保管するのが危険であるということです。コストとリスクの両方を削減するために、SpaceShipOneはヒドロキシ末端ポリブタジエン（タイヤゴム）と亜酸化窒素（笑気）の混合物によって推進されます。ゴムは燃料として機能し、笑気ガスは酸化剤として機能します。

笑気ガスの固有の特性は、プロジェクトでさらに数ドルを節約するのに役立ちます。亜酸化窒素は室温で自己加圧します。これにより、スペースシップワンに複雑なポンプと配管のシステムを装備して、飛行中に酸化剤と燃料を組み合わせる必要がなくなります。

次のセクションでは、SpaceShipOneの内部について説明します。

比較

スペースシップワンとホワイトナイトの速度の違いを理解するために、スペースシップワンは宇宙に打ち上げ、そこで3分間過ごし、地球に急降下し、ホワイトナイトが着陸に近づく前に滑走路に着陸することができます。

試験結果

エンジンテストログを表示するには、ロケットモーター地上テストを参照してください。

SpaceShipOneの内部には、直径60インチ（152 cm）の小さなコックピットがあり、船の機首から入ります。コックピットは気密圧力容器です。加圧されたコックピットは、コックピットと軌道下空間のほぼ真空との間に圧力差を生み出します。船の構造に押し出されるこの内圧により、構造は再突入時に船に作用する大きな力に耐えることができます。

コックピットにはデュアルシールが装備されており、構造全体が2番目のスペースに適したシェルに囲まれています。SpaceShipOneの多くの窓はそれぞれ、特殊な二重ガラスであり、各窓だけで飛行の圧力と力に耐えることができます。この倍増により、どちらかの窓にひびが入った場合でも、乗客は安全になります。

コックピット内の空気は、3つの部分からなるシステムによって通気性があります。通気性のある空気は、酸素ボトルによって一定の割合で追加されます。吐き出された二酸化炭素は吸収システムによってキャビンから除去され、湿度は空気から水蒸気を除去するために作成された追加の吸収装置によって制御されます。飛行中、コックピットは快適で涼しく、乾燥した状態を保ちます。

このシステム全体が、Scaledが「シャツスリーブ環境」と呼ぶものを作成します。コックピットのデザインのおかげで、乗客はSpaceShipOne内で宇宙服を着る必要はありません。

SpaceShipOneのユニークなコントロールについて議論するために、私たちはチーフエンジニアのMatthewGiontaに目を向けます。

次のセクションでは、SpaceShipOneを作成する際のいくつかの課題について説明します。

まったく新しい種類の宇宙船をゼロから作成するには、独自の課題が伴います。チーフエンジニアのGiontaは、SpaceShipOneを作成するときにScaledチームが直面したいくつかのハードルを掘り下げます。

「多くの技術的課題」とGiontaは経験を要約すると言います。彼は続けます：

音速よりも速く移動できる船の設計には、独特の特性と要件があります。設計者は、音速と超音速の両方で移動することを目的とした船の性能、空気力学、負荷特性、安定性、および制御に特別な注意を払う必要があります。

このようなクラフトを作成してテストするために必要な機器は、既成のテクノロジーではありません。そして、その機器は少なからず価格で提供されました。ジョンタは説明します：

多くの場合、Scaledチームは、SpaceShipOneを機能させるために必要なツールと機能を作成する必要がありました。例として、Giontaは、SpaceShipOneで再発明された反応制御システムがどのように機能するかを説明しました。

追加の課題は、空中発射宇宙船の形で発生しました。

次のセクションでは、SpaceShipOne：TierOneを製造している民間資金による宇宙プログラムを見ていきます。

課題について話す...

このロケットのすべては、米国連邦政府の祝福を持っていなければなりませんでした。2004年4月1日、連邦航空局の商業宇宙輸送局は、Scaled CompositesLLCへの軌道下有人ロケット飛行の初めてのライセンスを発行しました。

スケールド・コンポジッツCEOバート・ルータン氏とマイクロソフトの共同創業者ポール・G.アレンは、安全、経済的、商業宇宙旅行が可能であることを証明するための努力の先頭に立っています。この取り組みは、として知られている私費、駆け出しの宇宙プログラムの形で形をとっているティアの一つ。

ルタンは、航空工学の分野で多くの業績を上げていることで知られています。その中には、彼の航空機ボイジャーの設計があります。ボイジャーは、給油せずに地球を飛び回った最初の飛行機でした。チームリーダーとして、Rutanは、人々を軌道下の宇宙に運ぶことができる船を建造することにより、TierOneが実行可能な宇宙プログラムであることを証明することを約束しました。アレンは、仕事を成し遂げるために必要な資金、リソース、サポートを提供することに尽力しています。一緒に、2つは商業宇宙旅行のためのドライブの顔になりました。

プロジェクトとそれに取り組んでいる人々に対するアレンの信念は明らかです。

Rutanと彼のScaledCompositesチームは、この宇宙プログラムをゼロから構築しています。わずか数年で30人未満の人々で、TierOneプログラムは業界で最も革新的なデザインのいくつかを生み出しました。

バート・ルータンは、ティア1の歴史と方向性について次のように述べています。

スペースシップワンやその他の宇宙船の詳細については、次のページのリンクを確認してください。

スケーリングされたコンポジット

LLCは1982年にバートルータンによって設立されました。カリフォルニアのモハーベ空港にあるその場所から、あらゆる種類の実験用航空機と宇宙打ち上げロケットを設計します。Tier Oneは、Scaledで進行中のプログラムの1つにすぎません。

履歴書：バート・ルータン

• 1965年-1972年：米空軍の飛行試験プロジェクトエンジニア
• 1972年-1974年：カンザス州ニュートンのBedeAircraftのディレクター
• 1974年：軽飛行機と技術教材を開発するためにRutan AircraftFactoryを設立
• 1982年：ScaledcompositesLLCを設立。

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参考文献