2014/7/5

1

火星砂漠研究基地でのアナログミッション成果

を踏まえた有人火星探査ミッションの検討

宮嶋宏行 東京女学館大学

2014生態工学会年次大会2014年6月27日(金) - 28日(土）

プラサヴェルデ

Image credit: http://www.filesaz.com/will-private-mars-missionin-2018/#more-200

インスピレーション・マーズ

• 2013年にインスピレーション・マーズ財団がインスピレーション・マーズ

と呼ばれる有人火星飛行計画を発表。

• 米国人の男女二人を乗せて火星周辺に飛行し、地球に安全に帰還する

（ミッション目標）。

• 2013年、このミッションに関する国際学生設計コンペが火星協会から発表

され、15ヵ国、56大学から38チームがエントリー。

• 宇宙居住設計（University of Colorado Boulder, 2013秋学期）のグループワー

クで利用（客員教授として滞在）

• 日本チーム（慶應大・パデュー大など）もエントリーし最終選考へ

Image credit: IMF

火星協会学生設計コンペ、MDRS居住実験

• 文献Human Spaceflightに示された設計手順にもとづいてインスピレー

ション・マーズのミッションと宇宙船の設計について検討する。

• 火星協会国際学生設計コンペの評価法を利用して、設計案を評価する。

配点：コスト30点、設計技術の質30点、運用の単純さ20点、スケジュール20点

• 火星砂漠研究基地(MDRS)での居住経験（Crew132, Crew137）を踏まえ

て、与圧居住体積に着目する。

Team Nippon (Crew137)

経験則

ロケット方程式

地球低軌道での

初期質量IMLEO

有人宇宙船と

供給品の

質量・体積

居住設備

居住

居住居住

居住体積

体積体積

体積

ECLSS

人数

期間

場所

コスト

LCC

打ち上げ

システム

過去の有人宇宙活動のデータ

設計プロセス

1. ミッションの目的

2. ミッション要求と制約

• 機能、運用、制約

3. 代替ミッション・アーキテクチャの作成

• ミッション要素とトレードツリー

• 与圧体積と有人宇宙船の質量

• ECLSS方式と故障率

• ライフサイクル・コスト

4. ミッション・アーキテクチャのシステムド

ライバーとクリティカル要求の特定

5. ベースライン設計/運用概念

引用文献: Human Spaceflight

目標 (8)• 火星有人ミッションの可能性を示す• 有人深宇宙探査の技術的リスクを解決する• 深宇宙旅行における人間の生理学的研究を行う

要求 (4)• 最も早い時期の自由帰還軌道を利用する• 男女からなる２人の乗員• 乗員を安全に地球に帰還させる

引用文献: Inspiration Mars Foundation, Architecture Study Report Summary, Document Number: 806800151NC, November 20, 2013.

軌道と打ち上げウィンドウ

火星遷移軌道投入(TMI)燃焼日の制約

地球離脱 火星通過 地球帰還

2018/1/5 - 2018/8/20 - 2019/5/21

• 2017年末までにすべてのシステムを打ち上げる必要がある。• 開発期間が短いため、既存のシステムや技術を利用して、ミッションを実現する必要がある。

ミッション要素とトレードツリーミッションの主な要素は、クルー、軌道、宇宙船、打ち上げシステム、およびミッション運用である。

ミッション

ミッションミッション

ミッション

概念

概念概念

概念

CRV開発主体

開発主体開発主体

開発主体

居住体積

居住体積居住体積

居住体積,

m

3

/CM

ECLSS方式

方式方式

方式 オプション

オプションオプション

オプション

複数回で打ち

上げ

Orion

(政府)

18

貯蔵型 1

再生型 2

ハイブリット型 3

6

貯蔵型 4

再生型 5

ハイブリット型 6

Dragon

(民間)

18

貯蔵型 7

再生型 8

ハイブリット型 9

6

貯蔵型 10

再生型 11

ハイブリット型 12

１回で打ち上

げ

Orion

(政府)

18

貯蔵型 13

再生型 14

ハイブリット型 15

6

貯蔵型 16

再生型 17

ハイブリット型 18

Dragon

(民間)

18

貯蔵型 19

再生型 20

ハイブリット型 21

6

貯蔵型 22

再生型 23

ハイブリット型 24

2014/7/5

2

与圧体積と有人宇宙船の質量

有人宇宙船の質量 経験則mbo = 592 x (人数 x 期間 [day] x 与圧体積 [m3])0.346

ロケット方程式mprop = mbo (e(∆v/Isp･g) - 1)

mbo : 燃焼後の質量

mprop : 燃料質量Isp : 比推力∆v : 増速度

許容限界 5.10 m3/CM, 性能限界 9.91 m3/CM, 最適 18.41 m3/CM

Mac M. Cohen, Testing the Celentano Curve, SAE 2008-01-2027に加筆

Mercury, 1.7

Gemini, 1.3

Apollo CM, 3.0

Apollo LM, 3.3

Vostok, 5.7Voskhod, 2.9

Soyuz, 1.3

Shenzhou, 17.0

Space Shuttle,

35.8

Skylab, 120.3

Salyut, 55.3

Mir, 181.4

ISS, 141.7

MDRS, 67.0

0.1

1.0

10.0

100.0

1000.0

1 10 100 1000

P

r

e

s

s

u

r

i

z

e

d

v

o

l

u

m

e

,

m

^

3

/

p

e

r

s

o

n

Mission duration, days

与圧体積与圧体積

サブシステ

ム、構造、

貯蔵、装備、

居住設備

サブシステ

ム、構造、

貯蔵、装備、

居住設備

正味

居住体積

正味

居住体積

与圧

与圧与圧

与圧居住

居住居住

居住体積解析の５つの経験則

体積解析の５つの経験則体積解析の５つの経験則

体積解析の５つの経験則

• 歴代の歴代の歴代の

歴代の有人宇宙

有人宇宙有人宇宙

有人宇宙船の体積

船の体積船の体積

船の体積

• 有人宇宙船の設計ガイドライン有人宇宙船の設計ガイドライン有人宇宙船の設計ガイドライン

有人宇宙船の設計ガイドライン

• 類似地上施設との比較類似地上施設との比較類似地上施設との比較

類似地上施設との比較

• パラメトリックサイジングツールパラメトリックサイジングツールパラメトリックサイジングツール

パラメトリックサイジングツール

• 概念設計法概念設計法概念設計法

概念設計法

Marianne Rudisill, Lunar Architecture Team: Phase 2 Habitat Volume Estimation: Caution When Using Analogs, Earth & Space 2008, 2008.

ECLSS方式と故障率の計算

人間の入出力物質量入力

入力入力

入力 kg/CM-day 出力

出力出力

出力 kg/CM-day

酸素 0.84 二酸化炭素 1.00

飲用水と調理用水 2.38 呼吸と汗 2.28

トイレ用水 0.5 尿とトイレ排水 2.00

洗浄用水 1.29 洗浄排水 1.29

合計 5.01 合計 6.57

シャワー N/A シャワー排水 N/A

食器洗浄用水 N/A 食器洗浄排水 N/A

衛生用水 N/A 衛生排水 N/A

LSSサブシステムの構成CO2除去(4BMS), 微量有害ガス制御(TCCS), 酸素生成(OGA), O2再生(Sabatier), 蒸気圧縮蒸留(VCD), 多層濾過(MF)

故障率の計算再生型 Pr(fail) = Σ fiR , i = 1,2,3･･･N

i: サブシステム ifi: サブシステム故障率R:サブシステム冗長数

1/10モデル（10%交換部品の場合）

貯蔵型 ポアソン分布を利用した冗長系の故障率計算

Harry W. Jones, Design and Analysis of a Flexible, Reliable Deep Space Life Support System, AIAA 2012-3418, 2012.

1/10モデル（10%交換部品あり）貯蔵型 500日以上再生型 1日間再生型2冗長 60日間再生型3冗長 218日間再生型4冗長 408日間再生型5冗長 591日間

再生率に対する再生型LSSの故障率比較

ミッション期間に対するLSSの故障率比較

• 貯蔵型• ハイブリット型-4（貯蔵型＋再生型4冗長）• 再生型(再生型5冗長)

1.E-17

1.E-16

1.E-15

1.E-14

1.E-13

1.E-12

1.E-11

1.E-10

1.E-09

1.E-08

1.E-07

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1 10 100 1000

P

r

(

f

a

i

l

)

Duration, days

Required

Storage

Storage and 10% spares

Recycling and 10% spares

Dual redundant recycling and 10% spares

Triple redundant recycling and 10% spares

Four-time redundant recycling and 10% spares

Five-time redundant recycling and 10% spares

1.00E-06

1.00E-05

1.00E-04

1.00E-03

1.00E-02

1.00E-01

1.00E+00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

P

r

(

f

a

i

l

)

Recycling rate, %

Pr(fail) single

Pr(fail) dual

Pr(fail) triple

Pr(fail) four-time

Pr(fail) five-time

Pr(fail) required

Day

Pr(fail)

500日

日日

日の

のの

の

要求

要求要求

要求

Pr(fail)

貯蔵型

貯蔵型貯蔵型

貯蔵型

LSS

Pr(fail)

貯蔵型

貯蔵型貯蔵型

貯蔵型LSS

10% 予備貯蔵

予備貯蔵予備貯蔵

予備貯蔵

Pr(fail)

再生型

再生型再生型

再生型LSS

10%交換部品

交換部品交換部品

交換部品

Pr(fail)

2冗長

冗長冗長

冗長

再生型

再生型再生型

再生型LSS

10%交換部品

交換部品交換部品

交換部品

Pr(fail)

3冗長

冗長冗長

冗長

再生型

再生型再生型

再生型LSS

10%交換部品

交換部品交換部品

交換部品

Pr(fail)

4冗長

冗長冗長

冗長

再生型

再生型再生型

再生型LSS

10%交換部品

交換部品交換部品

交換部品

Pr(fail)

5冗長

冗長冗長

冗長

再生型

再生型再生型

再生型LSS

10%交換部品

交換部品交換部品

交換部品

1 2.E-03 3.72E-05 5.82E-11 1.59E-03 5.39E-07 1.92E-10 7.16E-14 2.77E-17

10 2.E-03 3.72E-04 5.82E-09 1.59E-02 5.39E-05 1.92E-07 7.16E-10 2.77E-12

100 2.E-03 3.72E-03 5.81E-07 1.59E-01 5.39E-03 1.92E-04 7.16E-06 2.77E-07

500 2.E-03 1.86E-02 1.45E-05 7.96E-01 1.35E-01 2.40E-02 4.48E-03 8.64E-04

サブシステ

サブシステサブシステ

サブシステ

ム

ムム

ム

質量

質量質量

質量,

kg/CM

体積

体積体積

体積,

m

3

/CM

再生型

再生型再生型

再生型 ハイブリッド

ハイブリッドハイブリッド

ハイブリッド型

型型

型-4

冗長 質量, kg 体積, m

3

冗長 質量, kg 体積, m

3

4BMS 30 0.15 5 300 1.5 4 240 1.2

TCCS 20 0.15 5 200 1.5 4 160 1.2

OGA 35 0.03 5 350 0.3 4 280 0.3

Sabatier 38 0.07 5 380 0.7 4 304 0.6

VCD 25 0.1 5 250 1 4 200 0.8

MF 10 0.04 5 100 0.4 4 80 0.3

Spares - - - 158 0.5 - 126 0.4

合計 - - - 1,738 5.9 - 1,390 4.8

サブシステム

サブシステムサブシステム

サブシステム

質量

質量質量

質量 体積

体積体積

体積 貯蔵型

貯蔵型貯蔵型

貯蔵型 再生型

再生型再生型

再生型 ハイブリッド

ハイブリッドハイブリッド

ハイブリッド型

型型

型-4

kg/CM-day m

3

/CM-day

kg for 501

days

m

3

for 501

days

kg for 50

days

m

3

for 50

days

kg for 92

days

m

3

for 92

days

酸素 0.84 0.002772 842 2.78 84 0.28 155 0.51

酸素タンク 0.31 0.001009 306 1.01 31 0.10 56 0.19

水 5.31 0.005310 5,321 5.32 531 0.53 977 0.98

水タンク 1.06 0.001060 1,062 1.06 106 0.11 195 0.20

LiOHとパッケージ 1.75 0.005000 1,754 5.01 175 0.50 322 0.92

酸素リーク 0.0088 0.000029 4.42 0.01 4.42 0.01 4.42 0.01

酸素リークタンク 0.0032 0.000011 1.61 0.01 1.61 0.01 1.61 0.01

窒素リーク 0.0353 0.000116 17.68 0.06 17.68 0.06 17.68 0.06

窒素リークタンク 0.0196 0.000065 9.83 0.03 9.83 0.03 9.83 0.03

合計 - - 9,318 15.3 960 1.6 1,738 2.9

合計 x 1.1 - - 10,250 16.8 1,056 1.8 1,912 3.2

LSSサブシステム質量

LSS運用に必要な物質量

クルーへの供給量ISS実績から計算

供給品

供給品供給品

供給品 質量

質量質量

質量, kg/CM-day 体積

体積体積

体積, m

3

/CM-day

食料 2.51 0.00757

19

クルー供給品 1.19 0.00486

19

メンテナンス 2.56 TBD

合計 6.26 0.0124

合計 x 1.1 6.89 0.0137

x 2 CM x 501 days 6,900 kg 13.7 m

3

開発・製造コスト

= 5.65 x 10-4 x Q0.5941 x (M/0.4536)0.6604 x 80.599 S x (3.8085 x 10-55(1/IOC-1900)) x B-0.3553 x 1.5691D

Q :開発・製造数M :システムドライマスS :ミッションタイプ (有人居住:2.13, 有人再突入:2.27), IOC :最初の運用年B :ハードウエアの世代(新規:1 , 第2世代:2)D :推定難易度 (平均:0, 難しい:2.5, 簡単:-2.5)

ライフサイクルコスト（LCC）

LCC = 開発・製造コスト ＋ 打ち上げコスト ＋ 運用コスト

• 開発・製造コスト: Advanced Mission Cost Model (AMCM)• 打ち上げコスト: 打ち上げ単価 x IMLEO• 運用コスト: 開発・製造コスト x 0.109 x (ミッション日数/365)

Orion Dragon Crew Node 3

(ISS)

Cygnus

(Cargo)

HTV

(Cargo)

乗員数 2 - 4 Max 7 - - -

ドライマス, kg 9,684 4,200 12,471 1,500 10,500

ペイロード, kg 6,000 - 2,000 6,000

与圧体積, m

3

19.5 (Hab8.9) 10 70 18.9 14

非与圧体積, m

3

- - - - 16

直径, m 5.0 3.7 4.4 3.07 4.4

長さ, m 3.3 2.9 7.2 3.66 9.8

運用期間 21 -210 日間 2 年まで - 30 日間 45 日間

打ち上げシステム Delta Heavy

(2014)

SLS (2017-)

Falcon 9 Space Shuttle Antares HIIB

運用開始年 2019 2010 2010 2013 2010

宇宙船

宇宙船宇宙船

宇宙船 基準宇宙船

基準宇宙船基準宇宙船

基準宇宙船

製造数

製造数製造数

製造数

Q

質量

質量質量

質量

M

タイプ

タイプタイプ

タイプ

S

初運用年

初運用年初運用年

初運用年

IOC

世代

世代世代

世代

B

難易度

難易度難易度

難易度

D

コスト

コストコスト

コスト

$M

クルー帰

還船CRV

Orion x 0.5 1 4,842 2.27 2017 1 2 4,634

改良型Dragon x 0.63 1 2,681 2.27 2017 2 2 1,562

火星移動

居住船

MTH

改良型Node 3 1 12,471 2.13 2017 3 0 1,287

改良型Cygnus x 2.8 1 5,040 2.13 2017 2 1 1,282

改良型HTV 1 10,500 2.13 2017 2 0 1,327

代表的な有人宇宙船・構造物の概要

クルー帰還船（CRV）、火星移動居住船（MTH）の開発・製造コスト

AMCMによる有人宇宙船の開発製造コスト計算

2014/7/5

3

2017年に利用可能な打ち上げシステムの比較

Falcon 9 Falcon Heavy

SLS Block I

SLS Block II

Delta IV Heavy

総質量, ton 333 1,400

2,497

2,951

733

ペイロードLEO, kg 13,150 53,000

77,000

143,000

23,000

ペイロードTMI, kg TBD 13,200

20,200

TBD

TBD

打ち上げコスト, M$ 56.5 77.1 500 140

フェアリング直径, m 5.2 5.2

TBD

8.4

5.0

初飛行,年度 2010 2014

2017

TBD

2004

Falcon Heavy利用の場合のトレードツリー

0

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

140,000

160,000

180,000

200,000

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

I

M

L

E

O

,

k

g

Habitable volume, m

3

/CM

Storage

Recycling

Hybrid-4

Option

居住

居住居住

居住

体積

体積体積

体積,

m

3

/CM

ECLSS型

型型

型

打

打打

打ち

ちち

ち上

上上

上げ

げげ

げ

システム

システムシステム

システム

打

打打

打ち

ちち

ち上

上上

上

げ

げげ

げ回数

回数回数

回数

ペイロード

ペイロードペイロード

ペイロード

LEO,

kg

要求

要求要求

要求

IMLEO,

kg

全与圧

全与圧全与圧

全与圧

体積

体積体積

体積, m

3

CS体積

体積体積

体積*1,

m

3

LSS体積

体積体積

体積*2,

m

3

LSS体積

体積体積

体積*3,

m

3

CS+LSS 体積

体積体積

体積*4,

m

3

評価

評価評価

評価

7

18

貯蔵型

Falcon

Heavy

3 159,000 184,657 72 13.7 16.8 5.5 19.2

8 再生型 3 159,000 156,222 72 13.7 7.7 6.5 20.2 x

9

ハイブリッド型-4

3 159,000 157,656 72 13.7 7.9 5.8 19.5 x

10

6

貯蔵型

3 159,000 149,931 24 13.7 16.8 5.5 19.2

11 再生型 3 159,000 121,496 24 13.7 7.7 6.5 20.2

12

ハイブリッド型-4

3 159,000 122,930 24 13.7 7.9 5.8 19.5

*1 クルー供給品 0.0137 x 2 x 501*2 LSS体積 = LSSサブシステム+ LiOH + 水 + 酸素 + 窒素*3 LSS体積 = LSSサブシステム+ LiOH*4 CS体積 + LSS体積 (LSSサブシステム + LiOH)

全与圧体積 > CS体積(*1) + LSS体積(*3) = (*4)

与圧体積とIMLEO

質量配分

質量配分質量配分

質量配分 質量

質量質量

質量, kg

構造 4,022

機構 1,564

熱防御 1,787

高度制御 447

電力 2,681

アビオニクスと制御 1,787

ECLSS (Hybrid-4 LSS) 1,390

クルー居住設備 1,787

クルー帰還機(CRV) 2,681

ドライマス

ドライマスドライマス

ドライマス（

（（

（推進

推進推進

推進システム

システムシステム

システム含

含含

含まない

まないまない

まない）

））

） 18,146

推進システム 9,059

ドライマス

ドライマスドライマス

ドライマス 27,205

クルー 220

クルー供給品と生命維持の消費物資 8,812

ドライマス

ドライマスドライマス

ドライマス + クルー

クルークルー

クルー + 消費物資

消費物資消費物資

消費物資 36,237

火星遷移軌道投入燃料 120,603

高度制御燃料 816

質量推算値

質量推算値質量推算値

質量推算値 157,656

宇宙船

宇宙船宇宙船

宇宙船 体積

体積体積

体積 項目

項目項目

項目 体積

体積体積

体積, m

3

MTH 非与圧部 水 1.2

64 m

3

2 m

3

酸素 0.7

窒素 0.1

与圧部 クルー供給品(CS) 13.7

72 m

3

LiOH 1

LSSサブシステム

(Hybrid-4 LSS) 4.8

装備 11.5

居住空間 31

CRV 装備 5

10 m

3

居住空間 5

項目

項目項目

項目 コスト

コストコスト

コスト, $M

開発・製造コスト (Dragon modified + Node 3 modified) 2,849

打ち上げコスト = 1454 $/kg x IMLEO 229

運用コスト =開発・製造コスト x 0.109 x 501days/365says 426

合計 3,504

MTH、CRV質量配分 MTH、CRV体積配分

ミッション全体のライフサイクルコスト

経

験

則

、

19%

軽

量

化

ベースライン設計/レイアウト

7.2 m 2.9 m10 m

火星遷移軌道投入TMIシステム推進装置 9,059kg燃料 120,541 kg

火星移動居住船MTH18,146 kg

与圧体積 62 m3

3.7 m

帰還船CRV2,681 kg

与圧体積10 m3

4.4 m

搭載物資

クルー供給品 6,900 kg, 13.7 m3

生命維持 3,302 kg, 5.8 m3

基準ミッション/ 運用概念

501日間の飛行

火星に到達、

フライバイ

地球へ帰還

LEOでCRV, MTV, TMIシステム・ドッキング

Falcon Heavy

乗員打ち上げ

x 1貨物打ち上げ

x 2

火星遷移軌道投入

(TMI)燃焼

まとめ

• 文献Human Spaceflightに示された設計手順にもとづいてインスピレーション

マーズのミッションと宇宙船の設計について検討した。

• 乗員と貨物を３回のFalcon Heavy打ち上げで運び、３つのエレメントがLEO

でドッキングし、1回の火星遷移軌道投入燃焼により火星に向かう。そして

火星でのフライバイを利用し自由帰還軌道で地球に帰還する。

• 一人当たりの与圧居住容積を6 m

3

から 18 m

3

(全与圧体積24 m

3

to 72 m

3

)に変化

させた場合の地球低軌道での初期質量 (IMLEO)を経験則とロケット方程式を

用いて推算した。

• 与圧体積が10m

3

の帰還船CRV、62m

3

の火星移動船MTHからなる有人宇宙

船を設計した。

• 貯蔵型、再生型、ハイブリッド型のLSSの故障率を比較し、500日以上

の信頼性を確保できるハイブリッド型LSS（4冗長、92日x1.1を貯蔵）を

採用した。

• この設計案は火星協会の国際学生コンペの評価基準の要求を満たす。

• コスト最小、（熱防護と放射線対策を除けば）実績のある技術を利用、

単純な運用、最小の開発と訓練でスケジュールの進捗管理が容易。