スペースデブリと宇宙空間での戦闘について

スペースデブリのおさらい。現在と将来の問題。

はじめに

宇宙利用において問題であるととかく膾炙されるスペースデブリであるが、今現在スペースデブリはどの様な状態でありどの様に問題であるのかと、将来に於いて人類が宇宙に広く進出した際にスペースデブリがどの様に問題になってくるかをケース別に考察する。創作その他の参考にされたい。

スペースデブリとは

スペースデブリ(space debris、orbital debris、宇宙ゴミ)とは地球の衛星軌道上を何らかの意味のある活動を行う事なく周回している人工物である。天然の状態で存在している宇宙塵(space dust)や流星物質(meteoroid、メテオロイド)とは明確に区別される。

旧ソビエト連邦が1957年に最初の人工衛星を打ち上げて以降に世界各国で4千回を超える衛星その他の打上げ(弾道軌道の観測ロケットは除く)が行われ、それに伴いスペースデブリもまた発生してきた。更に軌道上での事故或いは科学実験更に軍事演習(弾道軌道のBMD実験は除く)でも発生した。

その多くは様々な理由で減速して大気圏に落下し燃え尽き或いは地上に落下する等したが、現在約4千5百トン余りが軌道上に残されていると推測されている。その多くは墓場軌道(静止軌道3万6千㎞より3百㎞ほど上空)より内側の約200万立方㎞の空間に存在している。尤もこれらスペースデブリは一様に散らばっている(その際の密度は1立方㎞あたり約2.25㎏である。)のではなく、ある程度固まって存在して軌道を巡っている。

スペースデブリと対になって語られる用語のケスラーシンドロームであるが、同現象の提唱者であるドナルド・J・ケスラー自身は collisional cascading(衝突連鎖?)と称している。

ともあれスペースデブリが別のスペースデブリと衝突してスペースデブリを増やし、またそれが別のスペースデブリと衝突してスペースデブリが指数的に数を増やす現象は、低軌道においては既に始まっていると言う検討もある。

現在における問題

結論から述べるとスペースデブリが問題となるのは現在の打上機が非力で高コストである事に尽きる。軌道上に投入できる質量が限られているが故に宇宙機は高機能化し、その機能を限られた質量に収める為に徹底して軽量化が行われて宇宙機そのものが華奢になり、スペースデブリとの衝突に弱くそして大量にスペースデブリを再発生させるのだ。

例を挙げると宇宙機を太陽熱から防護するサーマルブランケットは極薄のポリイミドフィルム(商品名カプトン)とPET繊維のシート(商品名ダクロン)の積層構造であり、破片となった場合でも質量は少ないが、別の宇宙機と交差衝突する軌道にあり充分な相対速度を得た場合には、その宇宙機のサーマルブランケットを引き裂いて新たなスペースデブリを多数生成するに足る運動エネルギを持つのである。

現在における問題からはいささか外れるがスペースデブリをこのまま放置すると数世紀内に原子炉衛星(であったスペースデブリ)を破壊するだろうであるとか人工衛星は今現在即ち20世紀末から21世紀初頭の10倍の運動エネルギーに耐えなければならないだろうと言う予測があるがそれもデブリの発生源たる人工衛星の構造が脆弱であるが故に発生するのである。

将来における問題

・将来におけるスペースデブリの状況を考察するための場合分けの条件として、打上機すなわち現在運用されている化学燃料を使用したロケットの性能としたい。さらに打上費用の21世紀初頭現在に対しての低減率をその性能の基準とする。

打上費用が同等~1/10

21世紀初頭現在に比べて増加する打上量に伴ってスペースデブリの量も増加するので、早い時期に21世紀初頭時点で既にケスラーシンドロームが始まっている中軌道から高軌道は避けて衛星が投入されることになるだろう。

その場合の人工衛星は比較的大きな静止軌道プラットフォームと、早期に大気の制動で軌道を離脱し落下する事が前提の低軌道の衛星が主となると考えられる。低軌道衛星は運用期間を伸ばすためにあえて近地点に大気の濃い高度を飛行し、外気を推進剤として使用するイオンスラスタの類を使用して再加速する様な運用が行われるかも知れない。

また、静止衛星においては静止軌道に投入されるまで中軌道高度から静止軌道高度を何度も往復し、その領域に存在するデブリ帯と大きな相対速度で交叉するのでホイップルバンパーが必須になる可能性もあろう。

さて本題の本領域での宇宙での戦闘だが21世紀初頭現在と変わらずASATは無人のASMやASSが使用される事になるだろう。打上費用の低減に伴いASSは高軌道から静止軌道までが作戦範囲になる事も考えられる。

ただし、一旦衛星の破壊を伴う戦闘が行われると後の地球周回軌道の利用に大きく影響を与えるために作戦の実行は慎重を期され禁忌に近い物になるか、或いは電子的や電磁的な手段で宇宙機を運用不能とするものになるだろう。

打上費用が1/10~1/100

この頃から現在に比べて多数の人員の低~静止軌道への常駐と定期的な交代が可能になる。そしてASATも有人機になり水雷艇(空雷艇?)やコルベットに相当する物が出現する。

前段階で大幅にスペースデブリが増えるため低~静止軌道の全ての領域でホイップルバンパーが必要になるだろう。そしてその宇宙機の装甲化により衛星の物理的な破壊のハードルも下がるため、前段階より攻撃的な戦闘が始まる可能性がある。

スペースデブリの増加に対処するための宇宙機の装甲化に伴い有人宇宙機からはガラス窓のコクピット(船橋)と言う牧歌的なものは姿を消すだろう。