宇宙機のドッキングおよび係留

宇宙空間において、二つ以上の宇宙機を連結させる一連の操作を「ドッキング」または「係留」と総称します。これらの結合は、一時的なものから宇宙ステーションのモジュール連結のように恒久的なものまで多岐にわたります。

厳密には、慣性飛行中の二つの宇宙機が自律的、または遠隔操作によって互いの接合部を合わせる行為を「ドッキング」と呼びます。これに対し、「係留（berthing）」は、ロボットアームなどを用いて、自身では能動的に移動しない機体やモジュールを、別の宇宙機の結合箇所に配置し固定する作業を指します。切り離し作業においては、特にロボットアームによる係留からの分離は手作業での対応が難しく、緊急時に迅速な退避が必要な状況には適さない側面があります。

結合の状態

ドッキングや係留による結合は、その段階によって「ソフト（暫定的）」な状態と「ハード（確定的）」な状態に分けられます。操作の開始時には、まず宇宙機が目標とする機体のドッキング装置に接触し、ラッチ（留め金）をかけることで暫定的な接続が確立されます。このソフトドッキング状態が確保され、両機間の気密が確認されると、次の段階である確定的ドッキングに進みます。確定的結合が完了し、ドッキング装置が完全に密閉された状態になれば、両機の内部ハッチを安全に開放し、搭乗員や物資の移動が可能となります。

ドッキング機構の種類

ドッキングおよび係留のメカニズムは、結合部の設計により「有性型」と「無性型」に分類されます。宇宙飛行の初期に使用された結合装置はすべて有性型でした。これは、結合する二機の宇宙機がそれぞれ異なる形状（「雄」型と「雌」型）を持ち、ドッキング過程でそれぞれ固有の役割を担う設計です。このため、同じ形状同士の機体（雄同士や雌同士）は結合できません。

これに対して、無性型のドッキングおよび係留機構では、結合する両機が同一形状の接合部を持っています。これにより、どの二機の間でも結合が可能となり、救助活動や共同ミッションの柔軟性が向上します。また、機構的な役割の互換性（冗長性）が確保され、飛行計画の自由度が高まり、特殊な飛行のための分析や訓練の負担を軽減することができます。

接続器（アダプター）

異なる形式のドッキングまたは係留装置を持つ宇宙機同士を結合させるために、「接続器」や「アダプター」と呼ばれる機械的・電気機械的な装置が使用されます。理論的には「ドッキング・ドッキング型」「ドッキング・係留型」「係留・係留型」の組み合わせが考えられますが、これまでに宇宙で使用されたのは前二者のみです。

代表的な接続器としては、1975年のアポロ・ソユーズテスト計画でアポロのドッキング機構とAPAS-75を結んだ「ASTPドッキング区画」があります。国際宇宙ステーション（ISS）では、現在の共通結合機構（CBM）とAPAS-95を結ぶ「与圧結合接続器（PMA）」が3基使用されています。また、APAS-95と将来のNASAドッキング機構（NDS）を結ぶための「国際ドッキング接続器（IDA）」も開発されていますが、最初の打ち上げは失敗し、後続機がISSに設置される予定です。これらの接続器は、ISSの国際協力委員会によって定められた国際ドッキング機構標準（IDSS）に適合するように設計されています。

有人宇宙機のドッキングと歴史的経緯

宇宙飛行の初期50年間において、ドッキングおよび係留の主な目的は、宇宙飛行士の輸送、宇宙ステーションの建設と補給、そしてこれらの実現のための技術試験でした。したがって、多くのミッションでは、結合する宇宙機の少なくとも一方が有人であり、目標となる機体（ステーションや月着陸船など）は居住可能な与圧空間を持っていました。例外的に、無人のサリュート7号やミールといったステーションに無人補給機がドッキングしたソ連の事例や、有人シャトルがハッブル宇宙望遠鏡（無人）を係留した事例などがあります。

無人宇宙機のドッキングの進展

2015年頃からは、コスト削減を重視する無人商業衛星によるドッキング計画が活発化し、状況が大きく変化しています。他の無人衛星へ自動または遠隔操作で補給を行う新型無人補給機の開発が進められています。特筆すべきは、これらの補給機が、必ずしもドッキングや軌道上補給を前提に設計されていない衛星との結合を目指している点です。

具体例として、対地同期軌道（GEO）にある通信衛星への燃料補給サービスを提供する「宇宙インフラサービス（SIS）」や、燃料移送ではなく姿勢制御能力を提供する「飛行延長機（MEV）」があります。これらはそれぞれ異なるドッキング技術を採用しており、SISはアポジキックモーター周囲へのリング状アタッチメント、MEVはキックモーターノズルへの探針挿入方式を用いる予定です。

無人ドッキングのための装置が取り付けられた有名な例として、ハッブル宇宙望遠鏡があります。2009年のSTS-125ミッションで、望遠鏡後部に暫定的把持機構（SCM）が設置されました。これは、ハッブルの運用終了後に無人機が軌道離脱のために係留する際に使用される予定で、将来のオリオン宇宙船とのドッキングを想定しNASAドッキング機構と互換性を持つように設計されています。

非協力的ドッキング

「非協力的」な宇宙機とは、自身による能動的な姿勢制御や移動ができず、他の機体による捕獲に自ら協力しない状態にある物体を指します。操作不能になった衛星やデブリなど、非協力的な物体とのドッキングは、回収や軌道離脱といった目的のために実行価値があります。

非協力的な対象とのドッキング技術は理論化されていますが、これまでの宇宙飛行の歴史において、唯一の明確な例外は機能停止したサリュート7号ステーションを修理したソユーズT-13ミッションです。それ以外は、結合する両機が操縦可能で制御下にある状況で実施されてきました。しかし、2007年のオービタル・エキスプレス計画では、制御された宇宙機のロボットアームによる非協力的衛星の捕捉実験に成功しており、この分野の研究開発が進められています。

サリュート7号回収計画の事例

1985年、太陽電池と遠隔装置の故障により通信が途絶し、制御不能に陥った宇宙ステーション「サリュート7号」へのソユーズT-13のドッキングは、宇宙空間での修理における最も印象的な偉業の一つとされています。搭乗したロシアの飛行士、ウラジーミル・ジャニベコフとヴィクトル・サヴィヌイフは、自動ランデブーシステムが機能しないサリュートに対し、携帯式レーザー距離計を用いた手動での接近を決断しました。回転するサリュートにソユーズの動きを同期させ、前部ドッキングポートへの暫定的ドッキングに成功。その後確定的結合を確立しましたが、ステーション内部はすべての電力系統が停止し極寒でした。両名は空気をサンプリングして安全を確認した後、厚着をしてサリュートに侵入し修理を開始。一週間以内にシステムを復旧させ、無人補給機のドッキングを可能にしましたが、内部環境が完全に回復するにはさらに時間がかかりました。この事例は、極限状況下での非協力的ドッキング成功例として特筆されます。

無人・自律ドッキング技術の展望

非協力的対象へのランデブーおよび捕獲技術は、オービタル・エキスプレスのような実験を通じて実証が進んでいます。解決アプローチとしては、まず追跡側宇宙機が対象との相対速度をゼロにする制御を行い、その後、規格化されたドッキング装置を持つ場合は通常のドッキング操作に進むという二段階が考えられます。

NASAは、人間の介入なく、他のバックアップなしに二機の宇宙機がランデブー・ドッキングする能力を「自動・自律ランデブーおよびドッキング」と定義し、重要な技術課題としています。これには、高性能センサー、高度なソフトウェア、リアルタイム制御などの技術進歩が不可欠です。この技術は、軌道上での燃料補給や部品交換、惑星間ミッションにおける複雑な組み立て作業など、将来の宇宙活動の根幹をなすと考えられています。

NASAは自動・自律ランデブーおよびドッキング技術の開発・実証を目指し、ARDV（Automated/Autonomous Rendezvous & Docking Vehicle）のような計画を推進しています。特に、非協力的機体への接近に使用するレーザーセンサーや、非協力的衛星と結合するためのドッキング機構の開発が、自律飛行成功のための鍵とされています。非協力的宇宙飛行体の捕獲・連結技術は、NASAの技術ロードマップでも最重要課題の一つとして位置づけられています。

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