宇宙のランデブーのための新しいドッキングシステム

欧州宇宙機関 (ESA) は、2機の宇宙船を容易にドッキングできる新しいシステムの実現に取り組んでいます。maxonはこの目的のために特別なドライブシステムを開発しました。

SENER / maxon / Sierra Nevada Corp.
ハードキャプチャシステム用に、maxonは、巻線2つとGPX 22 UPプラネタリギアヘッドを搭載したEC 32フラットモータを開発しました。
12個のmaxonドライブシステムが、ロック用フックを駆動します。各ドライブが、ブラシレスEC-4pole 30モータ2つとGPX 42 UPギアヘッドで構成されています。

過去に何度も行われたとはいえ、宇宙における2つの物体のドッキング操作は、常に細心の注意が必要な、危険をはらんだ作業です。極めて高速（ISS の場合は約28,000 km/h）で行われるこの作業は、修正も困難です。例えば、2つの物体が接近する際、姿勢制御用のスラスタは使用できません。排気プルームがダメージの原因となる可能性があるからです。損害を未然に防ぐため、宇宙貨物輸送機は国際宇宙ステーション (ISS) に装備されたロボットアームで捕獲され、手動で係留されます。一方、有人宇宙船はコンピュータ制御プロセスで直接ドッキングします。

このタイプのドッキング操作は、将来的にはより容易で安全になる予定です。このため、欧州宇宙機関 (ESA) はIBDM (International Berthing and Docking Mechanism) と呼ばれる新たなドッキングシステムの設計を産業パートナーに依頼しました。全世界の有力な宇宙機関が同意した国際ドッキングシステム規格 (IDSS) に準拠するこのシステムは、ISSや他のほとんどの宇宙船にも対応することになります。同機構による最初のミッションは、小型のスペースシャトルのような宇宙船「ドリーム・チェイサー」を使って行われる予定です。近々ISSへの貨物輸送を行うこの宇宙船は、シエラ・ネヴァダ社 (Sierra Nevada Corporation) が開発したものです。

吸収されるドッキング・エネルギー

IBDMは、アンドロジナス結合システムです。これは、両側のコネクタが同一である（オスとメスの区別がない）ことを意味します。硬質な内輪（ハードキャプチャシステム）と、6DoF (Six degrees of freedom) と力覚センサを有する軟質な外輪（ソフトキャプチャシステム）から成るこの仕組みでは、外輪によってまずはドッキング・エネルギーが吸収されます。そして、最終的な気密接続が行われ、2機の宇宙船をしっかりつなぎ合わせる機械的フックがこれを固定します。

セナー (SENER) 社は、ハードキャプチャシステムの開発と装備を担当しています。同社は現在、2020年に試験が予定されている認定用モデルの準備中です。「その後、IBDMはできる限り早急にISSへの貨物飛行に投入される必要があります」と、セナー社のガブリエル・イバッラ氏は語ります。次のステップのひとつはNASAの月面宇宙ステーションにおける使用も含まれています。この拠点は月の周回軌道上に乗り、将来的には火星で有人ミッションを行う際の基地となる可能性があります。

デュアルシステムで最大の安全性を実現

これはセナー社のエンジニアにとって、やりがいのあるプロジェクトです。「私たちはまず、ESAとNASAが定めたすべての必要条件を理解し、これらを満たす方法を考え出さなければいけませんでした。また、このドッキング機構は有人飛行にも対応しますので、安全性に関しても考える必要がありました」。使用される電気ドライブは、軽量であると同時に要求されるトルクを発揮し、信頼性も極めて高くなくてはいけません。これが、セナー社がドライブのスペシャリストmaxonと数年間にわたり協力関係にある理由です。

maxonのエンジニアはセナー社のために、非常に多様な機能を持つ2種類のドライブを開発しました。1つめのドライブは、2個のブラシレスEC-4poleモータとGPX UPギアヘッドで構成されています。このアクチュエータ12個が、IBDMドッキング機構でロック用フックを駆動します。2つめのドライブでは、フラットモータとプラネタリギアヘッドが組み合わされています。このタイプのドライブは11箇所で使用されており、差し込み式接続やカメラの保持、その他の補助機能を担っています。

IBDMドッキング機構は飛行に重大な影響を与えるアプリケーションであるため、リダンダントな（冗長化された）ドライブシステムが必要とされます。一次ドライブに障害が生じても、バックアップが機能しなければなりません。多くの場合、これを解決するのは緊急時に代役となるバックアップモータの存在であり、ロック用フックのアクチュエータにもこのアプローチが使用されています。しかしながら他のドライブシステムについては、maxonのエンジニアはこれとは異なる画期的な解決法を見出しました。モータの代わりに、ステータ（固定子）を追加したのです。従って、フラットモータにはステータが2つ、巻線も2つあります。それぞれが独立してロータを回転させることができ、スペースを節約しながらも安全性を保証するという独創的な解決法です。

ガブリエル・イバッラ氏は、maxonとの協力・連携関係を称賛しています。「チームは我々が求める要件を理解し、設計変更も非常に迅速です」。また、セナー社もmaxonも、メカトロニクスシステムに対する情熱を持っています。「設計から製造、試験までのサイクル全体に関与できるということは素晴らしく、非常に興味深い体験です。そしてシステムが初めて動き出した瞬間は、まるで我が子が、生まれて初めて歩き出したのを見るような気持ちになります」。