スペースデブリの衝突を避けるためにNASAがISSを管理する方法

私たちの約400キロメートル上の軌道にある国際宇宙ステーションは、人類の歴史の中で最も複雑で高価な工学プロジェクトの1つです。 ステーションの重量は約400トンで、その寸法はアメリカンフットボールのフィールドのサイズよりわずかに大きくなっています。 そのアセンブリには、ロシアと米国からの数十回の打ち上げ（37回のスペースシャトル飛行を含む）と、宇宙空間での155を超える宇宙遊泳と宇宙飛行士が必要でした。これは、当時の宇宙遊泳の総数の2倍です。





^{アメリカンフットボールのISSとフィールドサイズの比較}



ISSの建設と打ち上げには、人類に約1500億ドル、13年間の作業が必要でした。 そして、まさにその瞬間、私たちの頭上にあるどこか6人が宇宙で働いています。 もちろん、駅は移動せずにそこにぶら下がるだけではありません。 ISSの軌道自体は、大気抵抗のために減少する傾向があります-この減少の速度は年間約2キロメートルです-そのため、ステーションは必要な高度に留まるために時々押される必要があります。 さらに、この巨大な構造全体は非常に可動性が高く、スペースデブリとの衝突を回避するために、3次元で移動、回転、傾斜させることができます。 たとえば、小惑星がその上を移動している場合、どのようにして400トンのややもろいISSを移動することができますか？

トム少佐への地上管制

^ISS制御室



軌道上でステーションを移動する方法を理解するために、私はジョンソン宇宙センターに乗り込み、ジョシュ・パリスに会いました。 パリスは、ISSの飛行制御室のコンソールに座っている人の1人です。 実際、彼の位置はTOPOと呼ばれます-軌道を備えた作戦責任者（軌道運用担当官）。 有人飛行の最初の日からそうであったように、そのような地位を保持している人々は、豊富な経験と豊富な知識を持っています-パリスと彼の同僚は、ISSの舵を取る権利を得るために何年も勉強しました





^{ジョシュ・パリス}



「私たちは、ステーションの現在の位置と、ドッキングを希望する船、一定時間後に到着する場所、そして何にも衝突しないようにする責任があります」とParrisは説明します。 ISSの軌道（400 km）には多くの衛星はありませんが、そこにはたくさんのスペースデブリがあります。 過去数年にわたって、ステーションとデブリとの衝突の可能性について何百ものレーダーメッセージが受信されてきました。 2013年にのみ、67の潜在的に危険な状況がありました。



「これらの断片は何ですか？」私は尋ねました、「それは衛星を破壊する中国の実験のためですか？」

「大部分はい」とパリスは答えます。「さらに、コスモスとイリジウムの衛星の衝突後、大量の残骸が残った。 これらのフラグメントはすべて、すでに軌道の高さまで降下していることに注意してください。 より高い軌道でも、私たちに降りかかる可能性があるすべてのゴミでいっぱいです。」

「そして、これらすべてを追跡しているのは誰ですか？ 映画に示されているように、美しいグラフィックを備えた大きなコンピューター生成マップを持っていますか？」

「USSTRATCOM [ 米国陸軍の戦略司令部 、およそ]の部隊は 、ヴァンデンバーグ空軍基地でこれを行っています」とパリスは説明します。 「彼らは宇宙デブリのすべての既知の破片のカタログを維持し、1日約3回、ISSの軌道をカタログのデータと比較します。 危険な接近を私たちに通知するのは彼らです。」



危険な和解？ 怖いですね。 Parrisに詳細を尋ねると、彼はISSの周りに、高さ4キロメートル（駅から上下2キロメートル）、幅25キロメートル、幅25キロメートルのピザの箱の形の「保護境界線」があると説明しました。 デブリの1つがこの境界に落ちた場合、USSTRATCOMはこれをNASAに通知します。





^{ISSの位置と軌道を表示するメインディスプレイ、およびISSにサービスを提供する主な地上局}



オペレーターは、この「ピザの箱」に収まるすべてのものを監視し、監視対象の各オブジェクトの衝突の確率を計算します。 したがって、各オブジェクトは、衝突の確率に基づいてハザードクラスを受け取ります。 1/10000〜1/100000の衝突の可能性があるオブジェクトは、「黄色」レベルになります。 この操縦が現在のプログラムに影響を与えない限り、たとえば操縦が時間通りに連合を打ち上げる機会を失う場合など、飛行規則はそのような物体が現れた場合にステーションを移動することを規定しています。 衝突の可能性が1（100％）から1/10000までのオブジェクトには、赤い危険レベルが宣言されます。 そのような場合、規則はより厳格です-移転がゴミそのものよりも危険でない限り、ステーションを移転する必要があります（たとえば、ISSが機器を損傷し、ステーションの移転操作がさらに損傷する場合）。

加速器とジャイロ

ISSは、そのサイズと脆弱性のため、非常に機動性があります。 4つのジャイロダイン （Control Momentum Gyros-CMG）が装備されており、宇宙での向きを変更できます。 ジャイロの位置はADCO（姿勢決定および制御責任者）と呼ばれ、TOPOがゴミとの衝突を回避する最適な方法を決定するのを助ける人によって制御されます。





^{職場のADCO。 野球のバットに注意してください-向きを調整する}



これに加えて、ステーションには、移動と回転を可能にするアクセラレータのセットがいくつかあります。 スターサービスモジュールにはアクセラレータが装備されています。 駅にドッキングされた船にも加速器があります（進行状況など）。 典型的なステーション回避操作では、通常、約1 m / sのデルタVが必要です。



監視する必要がある重要なパラメーターの1つは、ステーションの質量です。これは、目的のデルタVを達成するために必要な推力の正確な量が、移動する質量に依存するためです。 基本的に、船がドッキングまたはドッキング解除されると、ステーションの質量が変化します。 操縦中に達成されるデルタVの値は、乗組員の日常作業に何らかの影響を与えるには小さすぎます-操縦がいつ行われるかは知っていますが、運動自体は地球から制御され、乗組員は特別なことをする必要はありません。



「だから、彼らはジョイスティックで座って、ステーションを操縦しませんか？」

「いいえ」とパリスは笑い、「すべては地球から完全に制御されています。」

戦いに！

そのため、黄色または赤色のコードが破片に割り当てられると、行動する時が来ます。 駅に最も近いアプローチの28.5時間前に、オペレーターは回避操作の計画プロセスを開始します。 しかし、なぜ正確に28.5時間ですか？ かなり奇妙な数字のように見えます。 「ターンは、ステーションのロシアのセグメントによって実行されます」とParrisは説明します。 「ヒューストンとロシアのMCCの時差を考えると、ロシアの専門家はいわゆるサイクログラムを作成するのに28.5時間で十分です-ステーションに送信される操作を完了するために必要なアクションの正確なシーケンス。 それに、そのような保護区により、ゴミを追跡する時間が増えました。」



TOPOは、ロシアの弾道専門家とともに、デルタVの値など、回避に十分なパラメーターを決定します。 次に、彼らはUSSTRATCOMに連絡して、計画された機動により危険な難破船をかわすことができることを確認しますが、同時に他の物体の軌道に誘導しません。 演習が最終的に実行されると、ステーションのコンピューターがそれを担当し、地球上の専門家だけがプロセスに従います。 そのため、実際には、ハンドルを握ってISSを「操縦」することは不可能です。すべての動きは慎重な計画の後に実行され、プログラムに従ってエンジンの起動は常に自動的にのみ行われます。

最悪のシナリオ

上記のプロセスが過度に複雑であると思われる場合は、人間の命がかかっていることを忘れないでください。 「監視対象サイトの1つに遭遇すると、ステーションが失われる可能性があります」とParris氏は言います。 「ISSは非常に高速で移動しています[約7.6 km / s、約Per。]。衝突は災害になります。」 追跡されるスペースデブリのサイズの下限は10センチメートルです。 はい、「ステーションロス」はまさにあなたが考えたことです。 十分な大きさのゴミは、ステーションの機器を損傷するだけでなく、乗組員の死亡につながる可能性があります。



幸いなことに、Parrisは、ステーションの軌道上の10 cmを超えるデブリデータを包括的に推定しています。 「さらに、ステーションにはシールドがあります[力場ではないことは残念です-約Per。]微小met石やその他の類似物に対する保護のため。 残念ながら、シールドの引張強度と追跡可能なデブリの最小サイズの間には小さな隙間があります。 ただし、緊急事態を防ぐために最善を尽くしています。」



暗くなりすぎないようにしようとすると、最悪の場合、NASAがISSが予期せぬ衝突に直面していることを発見した場合に何が起こるかを考えました。 ほとんどの場合、USSTRACOMの従業員はNASAに衝突の可能性について3日間の警告を出しますが、時々何かを見逃すことがあります。 「通常、事前に知っているものを飛び回る方法を見つけることができます」とParrisは説明します。 しかし、ロシアの同僚と回避策を講じるために必要な28.5時間がない場合は、いわゆるPDAM-所定のデブリ回避策を実行できます。 これは事前に記録された操作で、0.5 m / sのオーダーのデルタVで行われ、非常に迅速に実行できます。 最後に、例えば、ISSを他の破片の軌道に乗せる場合など、実行できない場合でも、ステーションの乗組員は、ソユーズのドッキングされた船に乗り込み、必要に応じて完全に避難の準備ができた衝突を待ちます。 最初の人が駅に現れた瞬間から、この手順を3回実行する必要がありました。





^{2013年5月のステーション構成。 ドッキングされたソユーズ船とプログレス船の表示}



実際、PDAMの操作は2011年の事件の後に開発されました。 その後、NASAは衝突の可能性についての警告が遅すぎたため、基地の乗組員は北軍を隠蔽する必要がありました。 その結果、約725メートルの距離でISSを逃した破片ができました。 NASAは、PDAMの開発により、このような状況が二度と起こらないことを望んでいます。

日々

TOPOがスペースデブリに対するステーションの位置を計算しない場合、他の何百ものもので忙しくなります。 「残骸を追跡しない場合-今では、そのような小康状態のように見えます-実行する必要がある曜日ごとに多くのタスクがあります。 すでにステーションの正確な位置を追跡しているので、さまざまなMCC、特にゴダードの飛行力学センターと連携しています。」 Parrisは、TOPOがゴダードの人々にステーションの正確な位置に関する情報を提供し、さまざまなNASA追跡システムがアンテナを正確に配置できるようにすることを説明しました。





^{彼の職場でのパリス}



一般的に、回避策の計画を除き、TOPOの仕事は主に受動的な監視です。 彼の職場では、Parrisと同僚は3台のモニターで作業しています。 「最初のモニター-地上のGPSデータ。 左側の3つの列で、地上のデータとステーションのテレメトリーデータを比較します。 これは、ISSの意見では、地上追跡ステーションの意見のある場所と比較するために必要です。 中央のモニターは、ISSの空間位置も追跡します。 「グラフは、異なるデータソースの違いを示しています。 通常、それらはすべて一本の直線のように見えます」とParrisは説明します。



中央のモニターの右側、比較グラフの後ろに、TOPOが必要とするステーション機器のステータスを表示するウィンドウがあります。 最後に、右側のモニターには、NASAが天体暦を計算するために使用するソフトウェアがあります。 「上部にステーションの動きベクトルのリストが表示され、下部にISSのすべての天体暦のカタログが表示されます。」 パリスはまた、TOPOが回避作戦に取り組んでいる場合、画面上にまったく異なるアプリケーションのセットがあると強調しました。 コンピューター自体は通常のLinux PCです（フライトコントロールルームにはWindows 7コンピューターもありますが、メインコントロールモニターはLinux上で動作します）。 これは、各コンソールが一意であり、その再構成に数日ではないにしても数時間かかっていた当時の結果です。

結果は何ですか？

ISS管制室は、ジョンソン宇宙センターの30階の2階にあり、アポロミッション管制室として使用されていた2つの部屋の1つを占めています（3階の2室は、ほぼ同じ状態に復元されましたアポロミッション、そしてジョンソン宇宙センターへの遠足の一部として彼女を訪問することができます）。 私が去ったとき、パリスはすでに彼の職場を取り、宇宙空間を飛行するステーションのパラメータを研究し、衝突の可能性を注意深く観察していました。 これは終わりのない作品であり、常に警戒する必要があります。