ISSのオンボード推進システム技術：宇宙空間での軌道維持と移動を可能にする力
はじめに：ISSを宇宙に留め、動かす技術
国際宇宙ステーション（ISS）は、地球上空約400kmの軌道を周回しています。この壮大な構造物を安定して運用するためには、単に打ち上げて終わりではなく、その軌道を維持し、必要に応じて変更する能力が不可欠です。この重要な役割を担っているのが、ISSのオンボード推進システムです。
地上での生活では意識することはありませんが、宇宙空間、特にISSが周回する高度でもわずかに大気が存在します。この大気抵抗によって、ISSは徐々に高度を失っていきます。また、補給船のランデブー・ドッキング、観測や実験に必要な特定の姿勢への変更、さらには宇宙デブリとの衝突回避など、様々な理由で軌道や姿勢の調整が必要となります。
ISSの姿勢制御には主に制御モーメントジャイロ（CMG）が使用されますが、軌道高度の変更や大きな姿勢変更、デブリ回避マヌーバなど、外力を直接与える必要がある場合には、推進システムの出番となります。本記事では、このオンボード推進システムの技術に焦点を当て、その仕組み、運用、そして宇宙工学における意義を解説します。
原理と仕組み：宇宙での「エンジン」
ISSのオンボード推進システムは、化学ロケット推進の原理に基づいています。推進剤を燃焼または分解し、発生したガスをノズルから高速で噴射することで、その反作用として推進力を得ます。
主要な構成要素は以下の通りです。
- 推進薬タンク: 推進剤を貯蔵するタンクです。ISSでは主にヒドラジン（N₂H₄）などの単元推進薬や、燃料と酸化剤からなる二元推進薬が使用されます。
- 加圧システム: 推進薬をスラスタに供給するために、タンク内をヘリウムなどの不活性ガスで加圧します。
- 配管・バルブ類: 推進薬の流れを制御するための複雑な配管と多数のバルブで構成されます。システムの信頼性を高めるために、多くの場合、冗長性が確保されています。
- スラスタ: 実際に推進薬を噴射して推進力を発生させる装置です。ISSには様々な推力を持つスラスタが多数搭載されています。
- 制御系: スラスタの噴射タイミングや時間を制御し、目的の軌道や姿勢に誘導するためのコンピュータ、センサー（加速度計、ジャイロスコープ）、ソフトウェアなどから構成されます。
(図解挿入推奨：ISSオンボード推進システムの概略図、推進薬タンク、配管、スラスタの配置概念図)
ISSの推進システムは、その構成モジュールや結合される補給船によって様々な種類が存在します。例えば、ロシアのズヴェズダモジュールには主エンジンと姿勢制御スラスタが搭載されており、過去には欧州のATVや日本のHTV、ロシアのプログレス補給船が、ISSに結合中にその推進システムを用いてISSのリブースト（軌道高度上昇）を行いました。現在では主にプログレス補給船や、近年ではノースロップ・グラマン社のシグナス補給船のリブースト機能が活用されています。
微小重力環境での課題:
地上とは異なり、微小重力環境では推進薬がタンク内で浮遊したり、壁に貼り付いたりするため、気体と液体が分離せず、スラスタにガスだけが供給される「ガス食い込み」のリスクがあります。これを防ぐために、タンク内部にベローズ（蛇腹状の隔壁）を設けたり、表面張力を用いて液体を吸い上げる構造（表面張力タンク：AST）を採用するなど、ユニークな技術が用いられています。また、正確な燃料残量を把握することも、微小重力下では困難な課題であり、様々な計測技術が研究・開発されています。
ISSでの実運用：軌道を「維持」し、「回避」する
ISSのオンボード推進システムは、主に以下の目的で使用されます。
- 軌道高度維持（リブースト）： 大気抵抗によりISSの高度は1日に約100メートル低下します。この高度低下を補うため、数週間から数ヶ月に一度、推進システムを用いて推力を発生させ、ISSの軌道高度を上昇させます。この運用は「リブースト」と呼ばれ、ISSの運用継続に不可欠です。
- 姿勢制御: CMGだけでは対応できない大きな姿勢変更や、CMGが飽和した場合の姿勢リセットに使用されます。
- デブリ回避マヌーバ： 地球を周回する宇宙デブリがISSに接近し、衝突リスクがある場合、推進システムを用いてISSの軌道を変更し、デブリを回避します。これはISS搭乗員の安全を確保するための最も重要な運用の一つです。
- ランデブー・ドッキング支援: 補給船や宇宙船がISSにドッキングする際、ISS側が姿勢や軌道を微調整するのに推進システムが使用されることがあります。
(グラフ挿入推奨：ISSの軌道高度の年間推移と、リブーストによる高度回復を示すグラフ) (写真挿入推奨：ISSにドッキングしたプログレス補給船の後部スラスタ、またはシグナス補給船の写真)
これらの運用は、地上の管制センターからの指令に基づいて行われます。リブーストやデブリ回避マヌーバは事前に軌道計算が行われ、最適な噴射タイミングや時間が決定されます。スラスタの噴射中は、ISS全体に振動や加速度が発生するため、船内での活動や科学実験に影響を与える場合があります。そのため、運用計画は綿密に調整されます。
運用上の課題としては、推進薬の搭載量に限りがあることが挙げられます。推進薬は補給船によって定期的に届けられますが、その量はISSの運用期間やマヌーバの頻度によって変動します。効率的な軌道維持やデブリ回避計画は、推進薬の消費量を最小限に抑える上で非常に重要です。また、スラスタ自体の劣化や故障リスクも考慮に入れ、冗長性の確保や定期的な状態監視が行われています。
応用と発展：未来の宇宙推進へ繋がる技術
ISSのオンボード推進システムで培われた技術は、将来の宇宙活動においても重要な基盤となります。
- 深宇宙探査機: 微小重力下での正確な推進薬管理技術は、長期間にわたる惑星間航行を行う探査機にとって不可欠です。
- 軌道上サービス: 寿命が来た衛星への燃料補給、デブリ除去、軌道変更を行う軌道上サービスミッションでは、精密なランデブー、ドッキング、そして推進システムの運用技術が求められます。
- 将来の宇宙拠点: 月周回プラットフォームや月面基地、火星探査ミッションなど、将来の宇宙拠点や惑星基地の建設・運用においても、輸送船の推進システム、基地の姿勢・軌道制御システムとして、ISSで得られた知見が活かされます。
- 推進薬技術の進化: ISSで使用されているヒドラジンは毒性が高いため、より安全で高性能なグリーンプロペラントや、電気推進（イオンエンジンなど）といった新しい推進技術の研究開発が進められています。しかし、化学推進はその高い推力密度から、今後も軌道変更や姿勢制御において重要な役割を担い続けると考えられます。
- 自律システム: 将来的には、より自律的な軌道制御やデブリ回避マヌーバが可能になるよう、AIや機械学習を用いた制御アルゴリズムの研究も進められています。
大学で宇宙工学を学ぶ学生にとって、推進システムは流体力学、熱力学、材料工学、制御工学、軌道力学など、様々な分野の知識が統合される魅力的な研究テーマです。スラスタの設計、推進薬の選定・開発、タンク構造の最適化、微小重力下での流体管理、高精度な軌道・姿勢制御アルゴリズムの開発など、多くの課題が残されており、将来の宇宙開発を支える重要な技術領域と言えます。
結論：ISSを支え、未来を拓く推進技術
ISSのオンボード推進システムは、地味ながらもISSの安全な運用とミッション遂行を支える屋台骨となる技術です。大気抵抗による軌道低下を補い、デブリとの衝突を回避し、姿勢を制御することで、ISSは宇宙における私たちの活動拠点としての機能を維持しています。
微小重力下での推進薬管理、高信頼性なシステム設計、限られたリソース（推進薬）の効率的な運用など、ISSという特殊環境ならではの様々な技術的課題を克服することで、このシステムは成り立っています。
この推進システムで培われた技術や運用ノウハウは、単にISSを維持するためだけのものではなく、将来の深宇宙探査、軌道上サービス、そして人類の活動領域をさらに広げるための基盤技術として、進化を続けています。宇宙工学を志す皆さんにとって、推進技術は基礎から応用、そして未来の研究開発まで、深く探求する価値のある分野と言えるでしょう。