45年前: スカイラブが地球の大気圏に再突入

1974年2月8日にスカイラブを離れる数日前、この宇宙ステーションにいた最後の乗組員は、将来スペースシャトルが再訪できるまで軌道上に留めておこうと高度を上げた。しかし、予想以上に太陽活動が活発だったため地球の大気が膨張し、この大型機の抗力が増大し、予想よりも早く軌道が下がってしまった。1978年、管制官は宇宙ステーションを再起動して姿勢を変え、大気の抗力を減らしてできるだけ長く軌道上に留めておこうとした。その間に、スペースシャトルの開発が遅れたため、最終的にシャトルが大気圏に再突入する前にスカイラブに再訪することは不可能になった。1979年7月11日、スカイラブは大気圏に再突入し、破片がインド洋とオーストラリアに落下した。スカイラブなどの大型宇宙船の軌道離脱から得られた教訓は、国際宇宙ステーションの最終的な軌道離脱に反映されるだろう。

左: 出発時に最後の乗組員の目に映ったスカイラブ。中央: スペースシャトルによるスカイラブのブーストミッション案のイラスト。右: ヒューストンにある NASA ジョンソン宇宙センターの漫画家が描いた、スペースシャトルによるスカイラブの再ブーストに関する、より風変わりな描写。

スカイラブ4号の宇宙飛行士が1974年2月8日にステーションを離れたとき、彼らはそれを269マイル×283マイルの軌道上に置いた。乗組員がステーションを離れたわずか翌日、ヒューストンにあるNASAジョンソン宇宙センターのミッションコントロールセンターのオペレーターは、いくつかの最終的なシステムチェックを実行し、スカイラブを重力勾配姿勢（つまり、より重い作業場が地球に面している）に向け、大気を排気し、電源をオフにした。この姿勢で、そして来たる太陽活動周期における太陽の活動により大気抵抗が増加し、スカイラブの高度が低下するという予測に基づき、科学者はステーションが1983年3月まで軌道上にとどまると見積もった。しかし、太陽活動周期は100年で2番目に活発なものにまで激化し、大気の擾乱によりスカイラブは重力勾配姿勢から外れ、抵抗が増加した。1977年までに修正された見積もりでは、スカイラブは1979年半ばには再突入すると予測されていた。 スペースシャトルはまだ飛行していなかったが、NASA は初期のミッションの 1 つで宇宙飛行士がスカイラブにロケット ステージを取り付け、それを使ってステーションをより高い保管軌道に乗せるか、制御された方法で太平洋に脱軌道させる計画を立てていた。169,000 ポンドのスカイラブは、当時までに再突入した宇宙船の中で最も重いもので、エンジニアは一部の部品が突入後も生き残ると信じていた。残骸を人口密集地域から遠ざけることは依然として優先事項であった。

左: 打ち上げから再突入までのスカイラブの高度のグラフ。右: スカイラブの再起動と追跡中に使用された 5 つの地上局の図。

スカイラブがこのシャトルミッションの到達まで十分に長く空中に留まるようにするため、NASA はそれを再起動する必要があった。スカイラブには自己再ブースト機能がないため、その減衰率はステーションの姿勢を変更することでわずかに制御できるだけであった。1978 年 3 月から 6 月にかけて、5 つの地上ステーションが提供する限られた通信を使用して、少人数の管制官チームが 4 年以上の休止期間を経てスカイラブを計画的に再起動した。驚くべきことに、ステーションのシステムは、最も重要なバッテリーを含め、その間良好な状態で持ちこたえていた。1978 年 6 月 11 日に管制官がスカイラブを完全に再起動したとき、その高度は 250 マイルまで低下しており、NASA は寿命を延ばすためにステーションを起動したまま姿勢を制御することを決定した。オペレーターはスラスタ姿勢制御システムを使用して、スカイラブをエンド オン ベロシティ ベクトル (EOVV) 最小抗力姿勢にするよう指示し、前端を飛行方向に向けた。 スカイラブは1979年1月25日までEOVV姿勢のままで、技術者らはこれによって宇宙ステーションの軌道寿命が3.5か月延びたと見積もった。1978年後半にはシャトルのスケジュールが遅れ、スカイラブを救うことはもはや不可能に思われた。1978年12月19日の記者会見で、NASAのジョン・F・ヤードリー宇宙輸送システム副長官は、シャトルの再ブースト・ミッションのキャンセルとスカイラブの姿勢制御の取り組みの終了を発表した。ヤードリーは、スカイラブを打ち上げたサターンVロケットの使用済み第2段を例に挙げ、スカイラブが制御不能な状態で再突入して破片が人口密集地域に衝突する可能性は低いと強調した。その空の第2段は、サイズこそ大きいが83,000ポンドでスカイラブより軽い

左: 速度ベクトル最小抗力姿勢の最終段階におけるスカイラブのイラスト。中央: 「スカイラブ落下」熱狂の漫画。 画像提供：シカゴ・トリビューン。 右: スカイラブの最終軌道の地上軌跡とインド洋とオーストラリアの残骸の跡。

1979年1月25日、管制官はスカイラブをEOVVから太陽慣性姿勢（運用期間中維持されていた姿勢）に操作し、太陽電池パネルが太陽に向けられたままになり、ステーションのバッテリーが充電された状態を保つようにした。研究によると、スカイラブが161マイル以下に降下すると、空気力学的トルクにより太陽慣性姿勢を維持するのが難しくなることが示された。6月20日、スカイラブが163マイルに達したとき、管制官はスカイラブに高抗力トルク平衡姿勢（TEA）を指示した。これにより管制官は、人や財産への潜在的な危害を最小限に抑えるために、主に水面上を飛行する最終的な再突入を実行するための最適な軌道を選択できるようになった。7月11日の軌道34,981はこれらの基準を満たしていた。 その軌道では、スカイラブは北米を通過した後、大西洋上を南東に飛行し、アフリカ南端を回り、インド洋を北東に横切って次の大きな陸地、主にオーストラリアの人口の少ない地域を通過した。再突入予定日、管制官はスカイラブに高度 93 マイルでゆっくりと回転するように指示し、アフリカ南端の東側への突入地点をより正確に狙い、インド洋上空で分解させた。この時点以降、地上はもはやステーションを制御できなかった。破片の足跡はおそらく 3,500 マイルに及ぶため、オーストラリアに破片が落下する可能性は残っていた。

左: 西オーストラリア上空のスカイラブ進入経路。宇宙ステーションの残骸を回収した場所が見える。中央と右: 西オーストラリア州エスペランスの博物館には、スカイラブの酸素タンクとチタンタンクが展示されている。 画像提供: Ben Cooper。

左: スカイラブの再突入時にヒューストンにある NASA ジョンソン宇宙センターのミッションコントロールのオペレーター。右: マネージャーとフライトコントローラーがスカイラブの再突入を監視している。

バミューダ基地での追跡では、スカイラブの大型太陽電池パネルがまだ作業場に取り付けられていることが示された。南大西洋のアセンション島の管制官は、スカイラブが上空66マイルを飛行中にスカイラブと連絡を取った。大型太陽電池パネルは、再突入ですでに加熱されていた作業場から分離し始めていた。分解したステーションがアセンションの航続距離外を通過すると、監視なしで再突入を続けた。スカイラブは最終的に、予想よりわずかに低い高度10マイルで分解し、衝突の足跡は計画よりも東に移動した。スカイラブの破片が西オーストラリアに落下し、アウトバックのいくつかの町の住民が聞いたソニックブームを生じた。実際に記録された破片の足跡は2,450マイルに及んだ。エスペランスの博物館には、回収された破片の一部が収蔵されている。スカイラブのフライトディレクター、チャールズ・S・ハーランは、事件後の記者会見で、「サプライズは終わった。もうサスペンスはない。スカイラブは地球上にある」と述べた。

左: 最後の出発乗組員が撮影したサリュート 7 号 – コスモス 1686 複合体。中央: サリュート 7 号 – コスモス 1686 複合体の再突入軌道。 画像提供: H. Klinkrad 提供。 右: アルゼンチンで回収されたサリュート7号の破片。 画像提供: Carlos Zelayeta。

スカイラブへの部分的に制御された突入とは対照的に、サリュート7号-コスモス1686複合体は、1991年2月7日にアルゼンチン上空で制御されていない再突入を果たした。複合体の重量は88,491ポンドで、スカイラブの約半分の質量であった。管制官は、これまでのサリュートステーションすべてを制御された再突入で太平洋に送っていたが、サリュート7号は再突入の2年以上前に通信が途絶えた。乗組員が最後にサリュート7号-コスモス1686複合体にいたのは、1986年6月であった。1986年8月、コスモス1686モジュールのエンジンは複合体の軌道を84マイル上げて295マイルにし、1994年に再突入すると予想された。スカイラブと同様に、管制官は、そのプログラムがキャンセルされる前に、サリュート7号をブランスペースシャトルで回収する可能性を検討した。 サリュート7号との最後の交信は1989年12月に行われた。スカイラブと同様、1980年代後半の予想を上回る太陽活動が降下を加速させた。ステーションは当初、重いコスモス1686を地球に向け重力勾配姿勢に入ったが、ステーションが1991年1月に高密度の大気に遭遇すると姿勢が大幅に低下した。制御不能と言われていたものの、2月5日には地上チームが抗力を減らして人口の少ない地域の上空を通過する軌道に直接進入するために正面姿勢にするよう指示したようだ。燃料枯渇により操作を完了できず、大気の抗力により機体はこの姿勢から外れた。南太平洋上での再突入が計画されていたが、サリュート7号は目標を超えアルゼンチン上空に落下し、いくつかの破片が回収された。

左: 1998 年のミール複合施設。中央: フィジーから撮影された 2001 年 3 月のミールの再突入。右: 2001 年 3 月のミールの再突入軌道。

大型宇宙ステーションの過去の再突入から得た教訓から、管制官は2001年3月にミール宇宙ステーションを制御された方法で太平洋に離脱させる3段階のプロセスを考案した。第1段階では、管制官は軌道抵抗を利用して、当時再突入した物体の中で最も重い285,940ポンドのステーションを平均高度140マイルまで降ろした。第2段階では、3月23日にドッキングしたプログレスM1-5がエンジンを2回噴射し、ミールの軌道を103 x 137マイルに下げた。2周後、プログレス号はエンジンを22分間噴射し、ミールを軌道から外した。ミールは南太平洋上で再突入時に燃え尽き、フィジーのナンディの観測員がその最後の瞬間を見守った。

軌道上にある最大の宇宙船、国際宇宙ステーション。

国際宇宙ステーションの最終的な管理された廃棄を見越して、NASA は 2024 年 6 月 26 日に、米国の軌道離脱機の開発と配送に SpaceX を選択しました。この機は、現在 2030 年に予定されている運用寿命の終了後、軌道上にある宇宙船としては最大かつ 90 万ポンドを超える最も重い宇宙船である宇宙ステーションを安全に軌道離脱させます。過去の経験から、有益な教訓を得ることができます。