OEV豆知識(25) 課題・問題その４ 倒壊(中)

　またまた間が空いてしまい、申し訳ありません。今回の豆知識、上下の２回の予定でしたが、後半を書いていたら長くなってしまい、上中下の３回に分けることとしました。何卒ご了承ください。

　さて、軌道エレベーターの倒壊について、前回は考えられる主な原因と、それに対する備えの考察を紹介しました。しかし、トラブルというのはいつか必ず起きるもので、備えがあっても倒壊するかも知れない。そうなったらどのような事態が生じるのか、それに対しどのように対処するかについて、自分なりの一考を紹介します。
　先に覚えておいていただきたいことがあります。軌道エレベーターの高度約２万5000kmから、静止軌道を挟んだ２万kmくらいの範囲位置にあるものは、何らかの原因で切り離されても、一定以上落下も飛び出しもしません。軌道エレベーターに加わっている力は、静止軌道、つまり高度３万6000kmを境に上下の方向へ引っ張られているのですが、上述の高度約２万5000km超の部分は一定以上の軌道速度を得ています。このため、もっと上や下の構造体とつながっていれば、そちらに引っ張られていきますが、そうでない限りこの部分は地上に落ちてくることも、宇宙へ向かって飛び出していくこともないので、これを念頭に置いてお読み下さい。
　その上で、軌道エレベーターの本体が千切れた場合に、

　(1)上昇または下降中の昇降機
　(2)ちぎれた本体

　──がそれぞれどうなるかに大別して考え、その時にどのような対処をとるべきかについてます。そして今回は、(1)の昇降機についてでです。
　本体とセットで考えなければならない点も多いのですが、ひとまずは単独で。何らかの原因で軌道エレベーターが寸断された時、昇降機（正式な業界用語ではエレベーターのシステム全体を「昇降機」というのですが、当サイトでは特に乗物を指して用います）に人が乗って上昇または下降、もしくは駐機中であったら、昇降機に何が起きるか？
　上述の高度約２万5000kmを、ここでは便宜的に「限界高度」と呼ぶことにします。昇降機が本体とくっついたままなら、この限界高度より下に位置していた場合は地球の方向へ、上なら宇宙の方へ、それぞれ本体と一緒に落ちるか飛ばされて行くことになります。
　昇降機が本体から離脱した場合は、限界高度より下は落下。限界高度から上の約２万kmくらいの範囲にあれば、地球を周回する楕円軌道に遷移して宇宙を漂流することになり、このうち静止軌道に非常に近ければ、ほぼそのまま静止軌道を周回します。で、約高度４万6000kmよりも上は、地球の重力を振り切って飛んで行ってしまい、位置関係次第では月に落下する可能性もあります。

　このような事態のために、どうすべきでしょうか？ 地上に近い方から、
　(1)-1 高度約50kmくらいまで
　(1)-2 高度約50kmから200～300kmくらいまで
　(1)-3 高度約300kmから約２万5000kmくらいまで
　(1)-4 それより上
　──に分けて考察します。

(1)-1 高度約50kmくらいまで
　まず(1)-1ですが、昇降機が高度50kmくらい、ようするに成層圏あたりまでの位置にいた場合は、生命維持部分のみを残して分離し、パラシュートで降下させるということで解決できるでしょう。実際、スペースシャトルの固体燃料ロケットブースター（SRB）が高度45～47kmくらいで分離され、パラシュートで海上に落下、回収されています。これに準じた発想で、昇降機に地上に降られる装備を付ける、と。
　SRBは無人ですから、海上に叩きつけられるように着水します。もし人間が乗っていたらただじゃ済まないであろうというのは想像つきますが、SRBはカラの状態でも約90tもあります。これに対しソユーズの帰還船は約３tですから、これを参考に考えると、昇降機の有人の生命維持部分を非常時には分離し、同様の手段で回収するのは不可能ではないでしょう。いずれにせよ、少なくとも高度50kmくらいまでは、無人とはいえ精密機械をパラシュートで降下させ、回収する技術は確立しているわけですから、あまり問題はないと思われます。

(1)-2 高度約50kmから200～300kmくらいまで
　成層圏から上ですが、これがかなり厄介です。まず前提として、地上から上がってきたら、このあたりで別装備の昇降機に乗り換える必要があると考えます。乗物の材質や耐熱性によりますが、高度数百kmくらいまでは、加速して空力加熱で燃え尽きない範囲で済む可能性がありますので、アポロやソユーズの帰還船の再突入カプセルのようなものを昇降機に装備する（あるいは昇降機全体をそのような仕様にする）ことで、地上へ帰還するということにします。かなり危険ですけどね。
　ただし、アポロやスペースシャトルは地上に対して斜めに落下してくるのですが、軌道エレベーターから落ちたら、高度にもよりますが、コリオリで若干斜めになるものの、地上に対しおおむね真っすぐに近い角度で落ちてくるはずです。大気の抵抗でブレーキをかけられる距離がとても足りないでしょう。軌道エレベーターの高度300kmあたりから落下したら、成層圏に達する頃にはシャトルなどの再突入速度と同等のスピードに達してしまうと思われ、実質的には、この手が通じるのはせいぜい高度100kmや200km、よくても300kmくらいまでが限界であろう、という風に区分した次第です。

(1)-3 高度約300kmから約２万5000kmくらいまで
　ではこれより上ですが、 一番手っ取り早いのは、単純に命綱に相当するケーブルを静止軌道ステーションからくっつけたまま上下すりゃいいんじゃない？ と思っているんですね。本体にしがみつく以外に、そのような命綱を付けといて、本体が破断したらパージして、命綱をたぐって、ステーションの方にも引っ張ってもらって自力帰還すると。下から昇ってくる場合は、途中まで垂れている命綱につかまるわけです。この命綱は多いほどいいです。
　これは応急措置で良く、千切れていったん本体との接続を失った後、命綱で上昇して、千切れた本体の端っこに再びしがみつくと。もっとも、これなら通常の昇降時にも引っ張ってもらえば昇降機側の動力が不要という見方もできますが。相対的に静止軌道ステーションが引っ張られてしまいますが、まあなるべく巨大化して質量の比を大きくするとともに、静止軌道ステーションには当然姿勢制御機構があるはずですので、昇降機と引っ張り合っている間、姿勢維持しようということで。
　命綱まで一緒に切れてしまったら？ 落ちて燃え尽きるしかない。。。じゃ困りますから、一応の回答はあります。これは、総合的な回答でもあるので、後ほどまとめて。

(1)-4 さらに上
　限界高度の範囲内では、昇降機はある程度落下したら微妙に長めの楕円軌道に遷移して、要するにそれ自体が独立した人工衛星になってしまいます。とりあえず落ちてきたり、外側に飛び出したりする心配はありませんが、代わりに宇宙空間を漂流することになります。静止軌道より外側では、この上下関係が逆になります。これを踏まえた上での対処をいくつか。。。
　いずれのケースも、漂流している間の生命維持は極力長く持たせることは当然ですが、(1)-3で説明したように、命綱につながっていれば、それで解決はできると思います。で、この高度の場合は、命綱が本体と一緒に切れてしまった場合に備えて、昇降機が自力の宇宙船として行動できる機能を持たせることができれば、それに越したことはないでしょう。で、いったん切り離されてしまった本体の切れはしに再び自力で取りつくと。あとは、脱出ポッドなどもあるといいですが。
　ちなみに、時間の制約さえなければ、この限界高度の範囲内であれば、軌道に乗っていずれは元にいた位置に戻ってくるんですよ。ですが、限りなく静止軌道に近い楕円軌道などに乗ったら何日かかるかわかったもんじゃありません。ですので、生命維持機能は極力長期持たせるにしても、１周するまで待つのは無理がある気がします。持久戦よりも自力帰還に機能を優先させた方がいいかも知れませんね。

　上述したように、静止軌道から上は、それより下の対処をほぼ上下逆に使うことが主な選択肢になりますが、あとは限界高度の上限よりも上の場合。これは、やはり命綱をつけておくのが望ましいと思いますが、本当に飛んで行ったらまず助からないですね。人工惑星と化すか、月の引力につかまって落下するか、どちらにしろ絶望的な末路が待っています。
　代わりに地上に落下して叩きつけられたり、燃え尽きたりする心配はないですから、上記の命綱や宇宙船としての機能に期待するほか、あとは救助体制を二重三重に組んでおくことが必要だと考えます。とはいえ実際は気休めで、いったん放り投げられたら救助は不可能じゃないかなあ。。。？ この回答も含め、上記全般について、これ以外の総合的な回答を考えてはいますが、これは構造体の方とまとめて最後、つまり次回に述べます。

今回のまとめ
(1) 本当に倒壊した場合の考察は、本体と昇降機に大別される（今回は昇降機）。
(2) 倒壊した際の昇降機の挙動および対処は、パラシュート降下、カプセルでの再突入、漂流など、高度によって異なる。
(3) 高度によっては救助等は困難になる。