キャップストーン打ち上げはNASAのアルテミス月計画の始まりとなる

トースターほどの大きさの探査機が、まもなく月を周回する特別な軌道を探索します。これは、NASAのルナ・ゲートウェイ宇宙ステーションの計画軌道です。2020年代後半に展開予定のゲートウェイは、NASAのアルテミス月探査計画で旅する宇宙飛行士と装備の中継地点となります。この小型ながらも強力な探査機の打ち上げは、アルテミス計画の幕開けとなり、NASAの野心的な月探査計画をついに始動させることになります。

この勇敢な小型宇宙船は「キャップストーン」、より正式には「地球周回軌道自動測位システム技術運用・航法実験（Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment）」と呼ばれています。この宇宙船は、ニュージーランドのマヒア半島から6月27日午後9時50分（米国東部夏時間午前5時50分）に打ち上げられる予定のRocket Lab社のエレクトロンロケットに搭載されます。もし当日に打ち上げができなかった場合は、7月27日までの間に別の機会に打ち上げられる予定です。打ち上げ事業者は当初今月初めに打ち上げを予定していましたが、飛行ソフトウェアのアップデートのため延期することを決定しました。

「本当に興奮しています。これは実質的に、月に向けて打ち上げられ、放出される最初のキューブサットとなります」と、NASAエイムズ研究センターの小型衛星技術プログラムのキャップストーン・プログラムマネージャー兼副プログラムマネージャーであるエルウッド・アガシド氏は語る。「キャップストーンは、ゲートウェイが飛行する軌道や、月周回軌道を維持するための燃料と制御要件をより深く理解するための先駆者となるでしょう。」

キューブサットは、多くの機能を小さなスペースに詰め込み、通常は大型衛星よりも低コストです。「キューブ」とは、1辺が約4インチの標準ユニットを指します。多くのキューブサットは3Uフォーマットで、3つを繋げてパン1斤ほどの大きさの構成を形成します。キャップストーンは12U、つまり4つのキューブサットを組み合わせた宇宙船です。リチウムイオンバッテリーやアビオニクスシステムなど、すべてがこのコンパクトな箱に収まるように設計されており、電子機器とマイクロコントローラーが推進、ナビゲーション、データ処理を担当します。箱の両側には、翼のように水平方向に伸びる太陽電池パネルが設置されています。

これまで多くの宇宙船が月を周回してきましたが、キャップストーンの技術実証は他に類を見ないものです。特に、NASAとその商業パートナーが月周回軌道上の宇宙船の正確な位置を特定できるようにする測位システムが搭載されています。「地球では、GPSがその情報を提供してくれるのは当然のことと考えています」と、コロラド州ウェストミンスターにあるアドバンスト・スペース社のCEOであり、キャップストーンの主任研究者でもあるブラッドリー・チーサム氏は、5月のオンライン記者会見で述べました。しかし、GPSは地球の高層軌道には届かず、ましてや月には届きません。地球周回軌道を超えると、研究者たちは依然として地上システムに頼り、NASAジェット推進研究所が管理する巨大アンテナの国際システムであるディープ・スペース・ネットワークを介して宇宙船を追跡します。キャップストーンは、既に月周回軌道に配備されているルナー・リコネサンス・オービターを活用し、宇宙船間のナビゲーションシステムを提供します。チーサム氏によると、2つの宇宙船は地上システムに依存せずに通信し、互いの距離とそれぞれの位置を測定します。

キャップストーンは、弾道月面移転と呼ばれる迂回ルートで月へ向かいます。このルートはエネルギー消費量が少なく、3ヶ月かけて月まで移動します（宇宙飛行士はより直線的な軌道を数日で移動します）。その後、キャップストーンは楕円形の近直線ハロー軌道（NRHO）に突入します。NRHOは月を1週間かけて周回し、最遠点では月と43,500マイル（約73,000キロメートル）離れています。この経路は、地球、月、太陽の重力をバランスさせるという利点があり、燃料消費量を抑えることができます。これはゲートウェイステーションにとって重要です。

NRHOは常に地球の視界内にあり、月の背後に隠れることはありません。そのため、ゲートウェイは他の月探査機や地球のミッションコントロールセンターと常時通信することができます。と、探査機の設計・製造を手がけたテラン・オービタル社のCEO、マーク・ベル氏は語ります。「私たちは月のための通信ネットワークを構築しています。これ以上クールな場所があるでしょうか？」

キャップストーンが月周回軌道に到着すると、ナビゲーションシステムのテストが行われます。一方、地球上のエンジニアは燃料消費量を監視し、独自の軌道を維持できるかどうかを確認します。これは、将来のゲートウェイ宇宙ステーションに必要なエネルギー量を予測するのに役立ちます。「宇宙船の軌道設計という私たちの分野では、実際に宇宙に打ち上げる前に物理的な実験を実際に宇宙に送り込むことは、なかなか珍しいことです」と、NASAのゲートウェイプログラムのミッション設計リーダーであるダイアン・デイビス氏は言います。「宇宙でどのように機能するかを見るのが、とても楽しみです。」

ゲートウェイは完成すると、2つのクルーキャビンを中心とし、科学・貨物モジュール、サービスモジュール、エアロックなどの要素が接続されます。国際宇宙ステーションよりも小規模な遠隔基地となり、地球からやってくる宇宙飛行士や、月への旅のベースキャンプとして利用する宇宙飛行士など、一度に少数の宇宙飛行士が滞在します。

キャップストーンミッションはNASAと産業界の協力によって実現しており、NASAの中小企業技術革新研究プログラムの恩恵を受けているとアガシド氏は語る。宇宙船を所有・運用するアドバンスト・スペース社に加え、キューブサット・プラットフォームについてはカリフォルニア州アーバインのテラン・オービタル社のタイヴァック・ナノサテライト・システムズ社、推進システムについてはカリフォルニア州サンルイスオビスポのステラ・エクスプロレーション社と提携した。ロケット・ラボ社はエレクトロン打ち上げロケットとルナ・フォトンと呼ばれる上段ロケットを提供した（小型宇宙船は巨大なロケットで飛ぶ必要はない。小型のエレクトロンの高さはスペースX社のファルコン9の4分の1程度で、NASAのスペース・ローンチ・システムはそれよりも高い）。これらをすべて合わせると、打ち上げコストは1,000万ドル弱、ミッションコストは2,000万ドル弱となり、月への旅としては手頃な金額だ。

NASAは、ゲートウェイ宇宙ステーションの建設にあたり、ノースロップ・グラマン社とマクサー社（最初の乗組員用キャビンと太陽電気推進システム担当）を含む他の民間パートナー、そして欧州宇宙機関（ESA）と日本の宇宙機関（JAXA）と協力関係にあります。これらの最初のコンポーネントは、2024年にスペースX社のファルコン・ヘビーで打ち上げられる予定で、その後、乗組員が訪問し、組み立て作業を支援する予定です。「完成後、乗組員は科学研究や月面ミッションの拠点として利用します」とデイビス氏は述べています。「目標の一つは、火星探査に活用する前に、これらの深宇宙技術を地球近傍で実際に動作させる様子を見せることです。」

この夏、NASAは月への帰還と将来の火星探査ミッションに向けて、いくつかの大きな一歩を踏み出す予定です。まず、NASAはアルテミス1号の打ち上げに使用される大型ロケット、スペース・ローンチ・システム（SLS）のさらなる試験を行うかどうかを決定する必要があります。このロケットは最近ケープカナベラルの発射台に搬出され、NASAのSLSチームは月曜日に練習のカウントダウン試験をほぼ完了させました。NASAが計画を実行に移した場合、アルテミス1号は早ければ8月にも打ち上げられる可能性があります。SLSと無人宇宙船オリオンは月を周回軌道に乗せ、様々な二次ミッションのために10基のキューブサットを展開する予定です。

初の有人ミッションとなるアルテミス2号は、2024年に月面フライバイを実施します。そして2025年に予定されているアルテミス3号では、一部の宇宙飛行士がゲートウェイに送られ、残りの宇宙飛行士は半世紀前のアポロ計画以来初めてNASAの月面着陸を行います。乗組員は月面の地形探査のために新しい宇宙服を着用します。

しかしまず、キャップストーンは彼らより先に偵察を行い、新しいナビゲーション技術がどれだけうまく機能するかを確認する必要があります。「これらの機能の一部を実証し、次のミッションに活用できることに興奮しています」とアガシド氏は言います。「いつものように、皆、待ちきれません。」