JP2016026125A - 宇宙打ち上げ機の海上着陸及び関連のシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブースター段及び／又はこの他の部分を海上及び他の水域上のプラットフォーム上に着陸させて回収するための打ち上げ機システム及び方法を提供する。
【解決手段】再使用型宇宙打ち上げ機１００を打ち上げ地点１４０から海上の軌道で打ち上げる。ブースターエンジン停止及び上段の分離後、ブースター段１１０は、船尾からの向きで地球の大気圏に再突入する。次に、ブースターエンジンを再始動し、ブースター段は、予め位置決めされた海上航行プラットフォーム１５０のデッキ上への垂直動力式着陸を実行する。ブースター段が海上航行プラットフォームの方向に地球の大気圏を通って滑空する時に、双方向空力制御面１１８ａ，ｂがブースター段の軌道を制御する。海上航行プラットフォームは、自己のリアルタイムの位置をブースター段に送信するので、ブースター段は、漂流及び／又は他のファクタによる海上航行プラットフォームの位置の誤差を補正できる。
【選択図】図１

Description

〔引用により組み込まれる関連出願への相互参照〕
本出願は、「途中の打ち上げ機修復を含む宇宙打ち上げ機の海上着陸及び関連のシステム及び方法（ＳＥＡ ＬＡＮＤＩＮＧ ＯＦ ＳＰＡＣＥ ＬＡＵＮＣＨ ＶＥＨＩＣＬＥＳ ＡＮＤ ＡＳＳＯＣＩＡＴＥＤ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ， ＩＮＣＬＵＤＩＮＧ ＥＮ ＲＯＵＴＥ ＶＥＨＩＣＬＥ ＲＥＦＵＲＢＩＳＨＭＥＮＴ）」という名称の２００９年６月１７日出願の米国特許仮出願第６１／２１８，０２９号明細書、及び「宇宙打ち上げ機の海上着陸及び関連のシステム及び方法（ＳＥＡ ＬＡＮＤＩＮＧ ＯＦ ＳＰＡＣＥ ＬＡＵＮＣＨ ＶＥＨＩＣＬＥＳ ＡＮＤ ＡＳＳＯＣＩＡＴＥＤ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ）」という名称の２００９年６月１５日出願の米国特許仮出願第６１／１８７，２４３号明細書に対する優先権を請求するものであり、これらの両方は、引用によりその内容全体が本明細書に組み込まれている。

本出願は、以下の特許出願の主題の全体を引用により組み込んでいる：「展開可能なフレア面を有するロケット及び関連のシステム及び方法（ＲＯＣＫＥＴＳ ＷＩＴＨ ＤＥＰＬＯＹＡＢＬＥ ＦＬＡＲＥ ＳＵＲＦＡＣＥＳ， ＡＮＤ ＡＳＳＯＣＩＡＴＥＤ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ）」という名称の２００９年２月２４日出願の米国特許仮出願第６１／１５５，１１５号明細書、「固定のかつ展開可能な減速面及び／又は成形燃料タンクを有する打ち上げ機及び関連のシステム及び方法（ＬＡＵＮＣＨ ＶＥＨＩＣＬＥＳ ＷＩＴＨ ＦＩＸＥＤ ＡＮＤ ＤＥＰＬＯＹＡＢＬＥ ＤＥＣＥＬＥＲＡＴＩＯＮ ＳＵＲＦＡＣＥＳ， ＡＮＤ／ＯＲ ＳＨＡＰＥＤ ＦＵＥＬ ＴＡＮＫＳ， ＡＮＤ ＡＳＳＯＣＩＡＴＥＤ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ）」という名称の２０１０年２月２４日出願の米国特許本出願第１２／７１２，１５６号明細書、「高速打ち上げ機で使用するための双方向制御面及び関連のシステム及び方法（ＢＩＤＩＲＥＣＴＩＯＮＡＬ ＣＯＮＴＲＯＬ ＳＵＲＦＡＣＥＳ ＦＯＲ ＵＳＥ ＷＩＴＨ ＨＩＧＨ ＳＰＥＥＤ ＶＥＨＩＣＬＥＳ， ＡＮＤ ＡＳＳＯＣＩＡＴＥＤ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ）」という名称の２００９年６月１５日出願の米国特許仮出願第６１／１８７，２６８号明細書、及び「高速打ち上げ機で使用するための双方向制御面及び関連のシステム及び方法（ＢＩＤＩＲＥＣＴＩＯＮＡＬ ＣＯＮＴＲＯＬ ＳＵＲＦＡＣＥＳ ＦＯＲ ＵＳＥ ＷＩＴＨ ＨＩＧＨ ＳＰＥＥＤ ＶＥＨＩＣＬＥＳ， ＡＮＤ ＡＳＳＯＣＩＡＴＥＤ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ）」という名称の２０１０年２月２４日出願の米国特許本出願第１２／７１２，０８３号明細書。

本発明の開示は、一般的に宇宙打ち上げ機に関し、より詳細には、宇宙打ち上げ機を海上に着陸させるための及び／又は着陸地点から途中でこのような打ち上げ機を修復するためのシステム及び方法に関する。

ロケット動力式打ち上げ機は、人間及び人間以外のペイロードを宇宙空間に運ぶために長年使用されている。ロケットは、最初の人類を月へと送り、地球の軌道に多くの衛星を打ち上げ、無人宇宙探査機を打ち上げ、かつ軌道を周回する国際宇宙ステーションに補給品及び人員を打ち上げている。

有人及び無人宇宙飛行の急速な進歩にも関わらず、宇宙飛行士、衛星、及び他のペイロードを宇宙空間に送ることは、依然として費用のかかる計画である。この１つの理由は、最も従来型の打ち上げ機は一度しか使用されず、従って、「使い捨て型打ち上げ機」又は「ＥＬＶ」と呼ばれる。再使用型打ち上げ機（ＲＬＶ）の利点は、宇宙空間への低コストのアクセスを提供する潜在性を含む。

米国特許仮出願第６１／１５５，１１５号明細書 米国特許本出願第１２／７１２，１５６号明細書 米国特許仮出願第６１／１８７，２６８号明細書 米国特許本出願第１２／７１２，０８３号明細書

ＮＡＳＡのスペースシャトルは、大部分が再使用可能であるが、再使用可能構成要素の修理は、費用と時間を消費する処理であり、広大な地上インフラストラクチャーを必要とする。更に、再突入及び着陸に必要な付加的なシャトルシステムは、シャトルのペイロード機能を低下させる。商業的圧力が高まる時に、人間及び人間以外のペイロードのための宇宙空間への低コストアクセスの必要性が依然として存在する。

本発明の開示の実施形態により海上航行プラットフォーム上に着陸する宇宙打ち上げ機のミッションプロフィールを示す概略図である。 本発明の開示の実施形態により陸上又は他の打ち上げ地点から宇宙打ち上げ機を打ち上げて、海上航行プラットフォーム上に宇宙打ち上げ機を着陸させるためのルーチンを示す流れ図である。

本発明の開示のある一定の態様は、一般的に海上航行プラットフォーム上への再使用型打ち上げ機の垂直動力式着陸及びシステム及び方法に向けられる。本発明の開示の他の態様は、水上又は他の着陸地点からの途中の再使用型打ち上げ機の修復に関する。本発明の開示の様々な実施形態の完全な理解をもたらすために、以下の説明及び図１及び２にある一定の詳細を説明する。しかし、当業者は、以下に説明する詳細のいくつかを含まずとも、異なる構成、配置、及び／又は構成要素を有する他の実施形態を実施可能であることを認めるであろう。特に、本発明の開示の他の実施形態は、付加的要素を含んでもよく、図１及び２を参照して以下で説明する要素又は特徴の１つ又はそれよりも多くが欠けてもよい。更に、宇宙打ち上げ機及び宇宙打ち上げ機の打ち上げ及び着陸に多くの場合に関連する公知の構造及び処理を説明するいくつかの詳細については、本発明の開示の様々な実施形態を不要に曖昧にするのを避けるために以下の説明には説明しない。

図では、同一の参照番号が同一又は少なくとも一般的に同様の要素を識別する。いずれかの特定の要素の説明を円滑にするために、いずれの参照番号の１つ又は複数の最上位桁も、その要素が最初に紹介された図を指す。例えば、要素１１０は、図１に関連して最初に紹介されて説明されている。

宇宙打ち上げ機は、一般的に、飛行経路に沿った沿岸の打ち上げ地点から打ち上げられて経路から離脱し、自己の軌道のほとんどにわたって海上にある。この軌道は、ロケットの上空通過に関わる潜在的危険性に一般の人々をさらさないようにし、その結果、ブースター段が水中に落下することになる。しかし、水上着陸は、多くの理由によりブースター段の再使用を高価かつ困難にする。例えば、海水は、ロケット構成要素に対して非常に腐食性が高い可能性がある。更に、ロケット構成要素の多くは使用中に非常に高温になり、これらの高温の構成要素を冷たい海水で急冷すると、亀裂及び他の形態の損傷を引き起こす可能性がある。パラシュートによる着陸後の固体ロケット段の回収及び再使用は可能であり、これは、固体ロケットモータは、点火後は殆ど空のケーシングに過ぎないからである。しかし、液体燃料ロケット段は非常により複雑である。その結果、あるとしても僅かの液体燃料ロケット段だけが水上着陸後に再使用される。

ブースター段を陸上に着陸させるための概念が存在する。これらの概念は、ブースター段を飛行機のように水平に着陸させるか、又は自己の動力の下で又はパラシュート又は他の手段によって垂直に着陸させることを含む。しかし、これらの手法の全ては、あらゆる発射方位角及び潜在的な射程着陸区域のための地上の着陸地点を必要とするので、運用上の柔軟性を制限する。

ブースター段が上段から分離された後に自己のロケットエンジンを再始動して、打ち上げ地点に飛行して戻るという他の概念も提案されている。打ち上げ地点に来た状態で、ブースター段は、滑走路上への水平着陸、又は動力又はパラシュートのような他の手段による垂直着陸のいずれかを実行することになる。しかし、これらの手法のいずれも、帰還操作を実行するためのかなりの積載量の推進剤をロケットに運搬させる必要があり、軌道へのペイロード機能を低下させる。

図１は、本発明の開示の実施形態により海上航行プラットフォーム上への垂直動力式着陸を実行する再使用型打ち上げ機の飛行プロフィールを示す概略図である。図示の実施形態では、多段式軌道打ち上げ機１００は、第１又はブースター段１１０及び第２又は上段１３０を含む。ブースター段１１０は、前方端部１１４の方向に位置決めされた展開可能な空力面１２０と、船尾端部１１２の方向に位置決めされた１つ又はそれよりも多くのロケットエンジン１１６とを備えた段間構造を含むことができる。ロケットエンジン１１６は、例えば、液体酸素／水素エンジン、液体酸素／石油又はＲＰ−１エンジンなどのような液体燃料ロケットエンジンを含むことができる。他の実施形態では、ロケットエンジン１１６は、固体推進剤を含むことができる。以下でより詳細に説明するように、ブースター段１１０の船尾端部１１２は、ブースター段１１０の上昇及び降下軌道の両方を制御するための（制御面１１８ａ、１１８ｂなどとして別々に識別される）複数の移動可能制御面１１８も含むことができる。

図示の実施形態では、ブースター段１１０の上に上段１３０を積み重ねているが、他の実施形態では、打ち上げ機１００及びこの変形は、本発明の開示の精神又は範囲から逸脱することなく他の構成を有することができる。例えば、一実施形態では、上段１３０及びブースター段１１０は、上昇中は、適切な分離システムにより並列に位置決めされ、相互に取り付けることができる。別の実施形態では、２つ又はそれよりも多くのブースター段１１０又はこの変形は、「ストラップ・オン」タイプの構成で上段１３０の周囲に位置決めすることができる。従って、本発明の開示は、図１に示す特定の打ち上げ機の構成に限定されない。

図示の実施形態では、打ち上げ機１００は、沿岸又は他の陸上の打ち上げ地点１４０から離陸し、次に、海洋１０２上に向う。この実施形態の一態様では、海上航行プラットフォーム１５０は、自己の位置を打ち上げ機１００にリアルタイムで通信するための放送局１５２を含むことができる。この情報により、打ち上げ機１００及び／又はブースター段１１０は、プラットフォーム１５０を目的地とする自己の飛行経路を継続的に検査及び／又は調節することができる。プラットフォーム１５０が漂流型船舶の場合、プラットフォーム１５０は、海洋の流れの強さ及び方向、風の強さ及び方向、漂流の現在の速度及び方向などのような様々な既存条件に基づいてプラットフォーム１５０の将来的な位置を自動的に予測するプラットフォーム位置予測器（例えば、適切な処理デバイス、メモリ、及び関連するコンピュータ実行可能命令）も含むことができる。例えば、プラットフォーム位置予測器は、打ち上げ機の着陸の予想時刻におけるプラットフォームの位置を予測するように構成することができる。更に、放送局１５２は、この情報をリアルタイムで打ち上げ機１１０及び／又はブースター段１１０に送信することができるので、打ち上げ機１００及び／又はブースター段１１０は、この情報を利用して自己の飛行経路を調節し、より正確に着陸地点を目的地とすることができる。高高度でのブースターエンジン停止（ＢＥＣＯ）後、ブースター段１１０は上段１３０から分離し、弾道軌道に沿って進む。次に、１つ又は複数の上段エンジン１３２（例えば、液体燃料エンジン）が点火して、上段１３０を軌道突入又は他の目的地へのより高い軌道１３４の方向に推進する。ブースター段１１０が地球の大気圏に再突入すると、それは、船尾端部１１２が海上航行着陸プラットフォーム１５０に向けて運動及び滑空の方向を指向するように方向転換する。別の実施形態では、ブースター段１１０は、機首から大気圏に再突入し、次に、着陸直前に船尾からの向きに方向転換することができる。更に別の実施形態では、ブースター段１１０が機首から大気圏に再突入して機首が下向き方向で着陸することができるように、ブースター段１１０の前方端部１１４に着陸用ロケット及び／又は適切な着陸ギア構造を取り付けることができる。

特定の打ち上げ軌道に応じて、海上航行プラットフォーム１５０は、沿岸の打ち上げ地点１４０から１００マイル又はそれよりも遠い射程に位置決めすることができる。ブースター段１１０が海上航行プラットフォーム１５０の方向に降下する時に、ブースター段１１０は、放送局１５２から受信したプラットフォーム位置データに基づいて、プラットフォーム１５０を目的地とする自己の滑空経路を調節することができる。追加的に又は代替的に、海上航行プラットフォーム１５０は、プラットフォーム１５０を所定の位置に固定し、又は必要に応じてプラットフォーム１５０を移動して漂流及び／又はブースター軌道の変化に対して調節するために、水中又は部分的に水中の推進システム（例えば、プロペラ又は他の推進装置を有する）を含むことができる。ケーブルを備えた１つ又はそれよりも多くのボートも、プラットフォーム１５０を固定し、又は必要に応じてプラットフォーム１５０を移動して漂流及び／又はブースター軌道の変化に対して調節するために使用することができる。

ブースター段１１０が海上航行プラットフォーム１５０の方向に降下する時に、ブースター段１１０は、船尾端部１１２上に位置決めされた空力制御面１１８、及び／又は前方端部１１４の方向に位置決めされた展開可能な制御面１２０を用いて自己の滑空経路を制御することができる。この実施形態の一態様において、展開可能な制御面１１４は、ブースター段１１０の重心（ＣＧ）の後方の空力抗力を発生させるために、例えば、シャトルコックの形で外向きに広がり又は展開する空力面を含むことができ、これが、ブースター段１１０を船尾からの向きに一定に保つのを助ける。この実施形態の別の態様では、ブースター段１１０の船尾端部１１２の方向に位置決めされた移動可能空力制御面１１８は、打ち上げ機１００が前方方向に移動している上昇中及びブースター段１１０が海上航行プラットフォーム１５０の方向に後方方向に移動している降下中の両方において、ブースター段１１０の姿勢及び／又は軌道を制御可能な双方向制御面を含むことができる。従って、この実施形態の一態様では、空力制御面１１８は、双方向の超音波制御面である。更に別の実施形態では、例えば、ブースター段１１０の前方端部１１４から適切なパラシュートシステムを展開し、降下の全体又は一部において降下の速度を減速及び／又は他の方法で制御することができる。

ブースター段１１０がプラットフォーム１５０の上方の適切な位置まで降下した（例えば、一部の実施形態では、約１００，０００フィートから約１，０００フィート、又は他の実施形態では約１０，０００フィートから約３，０００フィート）後に、ブースター段１１０は、自己の降下を減速するためにブースターエンジン１１６を再始動する。次に、ブースター段１１０は、低速でプラットフォーム１５０上への垂直動力式着陸を実行する。例えば、ブースター段１１０は、毎秒６０フィートの降下速度から毎秒１フィート又はそれ未満に減速することができ、着陸中のブースター段１１０の姿勢及び／又は位置を制御するためにブースターエンジン１１６のジンバル及び／又は姿勢制御のためのスラスタを用いて、着陸用プラットフォーム１５０上に着陸することができる。一実施形態では、ブースター段１１０は、適切な衝撃吸収着陸ギア上に着陸することができる。他の実施形態では、本発明の開示に従って海上航行プラットフォーム１５０上にブースター段１１０を適切に着陸させるために他の着陸手段を利用することができる。

別の実施形態では、１つ又はそれよりも多くのジェットエンジン（図示せず）をブースター段１１０の船尾端部１１２又は他の部分に適切に取り付けて、垂直着陸操作の全て又は一部分を実行することができる。ジェットエンジンは、ブースター段の降下中に始動することができ、ブースターエンジン１１６の再始動と組み合わせて又はその代わりに使用することができる。ジェットエンジンは、ブースターエンジン１１６よりも燃料効率が良く、結果として、プラットフォーム１５０上への着陸中にブースター段１１０のより多くのホバリング時間及びより優れた制御をもたらすことができる。一実施形態では、ジェットエンジンは、ジェットエンジンを始動する前に展開してブースター段１１０を減速させる適切なパラシュートシステムと組み合わせて使用することができる。

一実施形態では、海上航行プラットフォーム１５０は、ブースター段１１０を着陸させて輸送するように構成された適切なデッキを備えた浮遊型外航バージ船とすることができる。一実施形態では、プラットフォーム１５０は、デッキの運動を最小限にするか又は少なくとも軽減して固定又は比較的固定位置に保つための水中スラスタを有する半潜水型海洋掘削プラットフォームのようなより複雑な船舶の一部分とすることができる。バージ船の実施形態では、着陸後、海上航行プラットフォーム１５０は、再使用ための修理及び／又は修復のために沿岸の打ち上げ地点１４０又は他の港に曳航して戻すことができる。一実施形態では、海上航行プラットフォーム１５０は、曳航船又は他の適切な船舶によって曳航することができる。他の実施形態では、海上航行プラットフォーム１５０は、ブースター段１１０を打ち上げ地点１４０又は他の港に輸送して戻すために、自己自体の推進システムを含むことができる。

図１を参照して上述した本発明の開示の実施形態に関連していくつかの利点が存在する。例えば、海上航行プラットフォーム上に着陸させることによってブースター段１１０を回収すると、多段式軌道打ち上げ機の打ち上げに関わるコストを低減する。更に、垂直動力式着陸を実行することにより、ブースター段は、再使用に必要な修理量を最小限にするか又は少なくとも軽減する方法で回収される。更に、上述の開示の実施形態は、ミッション発射方位角及び／又は射程着陸地点が変わる時に、海上航行プラットフォーム１５０を異なる海洋区域に移動することができるので、軌道打ち上げ機の運用上の柔軟性を改善することができる。更に、海上航行プラットフォーム１５０は、他の地点（例えば、他の沿岸打ち上げ地点）からの打ち上げをサポートするために世界の他の地域に移動することさえ可能である。沿岸の打ち上げ地点からの打ち上げに加えて、打ち上げ機１００は、海上航行プラットフォーム又は船舶上で海から打ち上げて、海上航行プラットフォーム１５０上に射程着陸させることができる。このような実施形態は、ペイロード機能を増大させるために海上プラットフォームからの赤道上の打ち上げに対して有利である場合がある。代替的に、他の実施形態では、打ち上げ機１００を海上航行プラットフォームから打ち上げて、次に、陸上への動力式垂直着陸を実行することによってブースター１１０を回収することができる。

上述の開示の実施形態は、大気圏に再突入してプラットフォーム１５０の方向に飛行する時に、ブースター段１１０を最も効率的な又は少なくとも非常に効率的な軌道で飛行させることにより、打ち上げ機１００のペイロード機能を改善することができる。ペイロード機能が改善するのは、陸上の着陸地点に帰還するためにブースター段１１０によって推進力を維持する必要がないからである。更に、上段１３０の分離後にブースター段１１０が着陸する所定の地点がどこであれ、そこに海上航行プラットフォーム１５０を位置決めすることができる。上述の実施形態は、陸上着陸に関するブースター段１１０の飛行軌道の逆進に関わる一般の人々の安全上の問題も軽減し又は解消することができる。

上述の開示の実施形態はまた、ブースター段１１０を沿岸の打ち上げ地点１４０又は他の陸上の修理施設のいずれかにいかに輸送して戻すかという問題も解決することができる。より具体的には、打ち上げ機のブースター段は、通常は非常に大型で、結果として、完全に組み立てられたこれらを輸送することは、重大な運搬上の課題及びコストを生じることがある。ブースター段が陸上に射程着陸することになっている場合、ブースター段を打ち上げ地点又は他の修理地点のいずれかに輸送して戻すという問題を解決する必要があることになり、ブースター段ほど大型のもの陸上移動は、運搬上及び財政上の課題である。対照的に、海上輸送は、ブースター段のような大型貨物を長距離にわたって輸送するコスト効率の良い手段である。本発明の開示の海上航行プラットフォーム１５０は、比較的低コストで打ち上げ地点の近くの港に曳航して修理及び再使用ために荷下ろしすることができる。

図１は、ブースター段の回収という関連で本発明の開示の実施形態を説明しているが、本発明の開示は、正確な垂直動力式着陸機能による軌道再突入打ち上げ機の回収に適用することもできる。この手法の１つの利点は、再突入打ち上げ機を着陸させるのに適切なあらゆる海洋区域又は他の水域（例えば、海峡、湖、その他）内に海上航行プラットフォーム１５０を位置決めすることができる点である。更に、複数の海上航行プラットフォームを世界中の所定の地点に位置決めして、必要に応じて、中断されたミッションのための予備の着陸区画を提供することができる。

図２は、本発明の開示の実施形態により宇宙打ち上げ機、例えば、軌道打ち上げ機を打ち上げて着陸させる方法のフロールーチン２００を示している。この実施形態の一態様において、ルーチン２００は、図１を参照して上述した打ち上げ機１００によって実施することができる。別の実施形態では、ルーチン２００又はこの一部分は、軌道打ち上げ機、非軌道打ち上げ機、深宇宙及び惑星間打ち上げ機などを含む他の種類の打ち上げ機によって利用することができる。

ブロック２０２において、ルーチンは、ブースターエンジンの点火及び打ち上げ地点（例えば、沿岸の打ち上げ地点のような陸上の打ち上げ地点）からの発射で始まる。上述のように、他の実施形態では、ミッションは、浮遊プラットフォーム、バージ船、船舶、又は他の大型船のような海上の発射台からの発射で開始することができる。ブロック２０４において、所定の高度でブースターエンジン停止が発生する。ブロック２０６において、上段がブースター段から分離し、１つ又は複数の上段エンジンを始動する。

ブロック２０８において、ブースター段は、上段の分離後に自己の弾道軌道に従いながら方向転換する。より具体的には、ブースター段は、船尾からの向きに飛行するように方向転換する。一実施形態では、ブースター段の方向転換は、ブースター段のＣＧの後方の抗力を発生させるためにブースター段の前方端部から外側に広がる展開可能な空力面（例えば、フレア面）を用いて達成することができる。他の実施形態では、ブースター段を方向転換するために、空力制御面に加えて又はこの代わりにスラスタ（例えば、ヒドラジンスラスタのようなロケットスラスタ）を利用することができる。例えば、ブースター段の方向転換が、空力制御面が効果のない宇宙空間で発生する場合、ブースター段を方向転換するためにスラスタを利用することができる。

ブロック２１０において、空力抗力及び／又は制御面は、打ち上げ機が地球の大気圏に再突入する前に又はその途中に展開される。ブロック２１２において、ブースター段は大気圏に再突入して、海上航行着陸プラットフォームと連絡を取る。代替的に、打ち上げ機は、再突入前に海上航行着陸プラットフォームと連絡を取ることができ、又は飛行全体にわたって海上航行プラットフォームと連絡を取ることができる。ブロック２１４において、ブースター段は、海上航行着陸プラットフォームの方向に滑空し又は他の方法で弾道軌道に従う。

判断ブロック２１６において、ルーチンは、海上航行プラットフォーム上にブースター段を正確に位置決めするためにブースター段の滑空経路を調節する必要があるかを判断する。調節する必要がない場合、ルーチンはブロック２２０に進み、ブースター段は、海上航行プラットフォームの方向に滑空し続ける。滑空経路の調節が望ましい場合は、ルーチンは、ブロック２１８に進み、ブースター段の滑空経路を変更するために空力制御面を移動する。ブースター段の滑空経路の変更の代わりに又は追加的に、ルーチンはまた、例えば、着陸用プラットフォームに付随する推進システムを用いて又はプラットフォームを曳航することにより、着陸用プラットフォームの位置を調節することができる。

滑空経路及び／又は着陸用プラットフォームの位置を調節した後、ルーチンは、判断ブロック２２２に進み、着陸の最終段階のために着陸用プラットフォーム上にブースター段が適切に位置決めされているかを判断する。位置決めされていない場合、ルーチンは、判断ブロック２１６に戻って繰り返す。打ち上げ機が最終着陸手順のために着陸用プラットフォーム上の適切な位置にある場合、ルーチンは、ブロック２２４に進み、ブースターエンジンを再点火する。ブロック２２６において、打ち上げ機は、海上航行プラットフォーム上への垂直動力式着陸を実行し、ルーチンの飛行部分は終了する。

しかし、一実施形態では、ルーチン２００は、プラットフォーム及びブースター段を修理及び再使用ために打ち上げ地点又は他の港に移動して戻すことによってブロック２２８で継続することができる。ブロック２３０において、ブースター段は、必要に応じて修理され、新しい打ち上げ機上に取り付けられる。ブロック２３０から、ルーチンはブロック２０２に戻り、新しい打ち上げ機に関して繰り返す。

特定的な実施形態では、海上航行プラットフォームは、発射台からの方位角及び距離の両方で打ち上げ機の第２段の分離を改善及び／又は最適化する方法で位置決めすることができる。例えば、少なくとも一部の事例において、海上航行プラットフォームを移動する機能により、ブースターの着陸地点がそれほど厳しく制限されないので、打ち上げブースターが打ち上げ機の残り部分から分離するために利用可能な地点の範囲を拡大することができる。ブースターの降下の軌道を制御する機能により、利用可能な着陸地点の範囲を更に拡大することができる。

上述の実施形態のいずれにおいても、打ち上げ機が着陸した状態で、処理全体は、打ち上げ機を迅速に点検に戻すのを容易にするための付加的な段階を含むことができる。例えば、打ち上げ機は、打ち上げ地点へ戻る輸送時間を短縮するために、比較的低速で海上を航行するプラットフォームからより高速な水上艦に積み替えることができる。積み替えに加えて又はこの代わりに、再使用型打ち上げ機は、着陸地点から打ち上げ地点への輸送中に修復することができる。両方の特徴の態様を、海上で回収される打ち上げ機という関連で以下に更に説明する。他の実施形態では、これらの特徴の特定の態様（例えば、着陸地点からの途中で打ち上げ機を修復する）は、陸上の回収を含む他の回収構成に適用することができる。

特定的な実施形態では、打ち上げ機（例えば、第１段の再使用可能ブースターシステム又はＲＢＳ）は、海上航行着陸プラットフォーム上への着陸後かつ処理職員が打ち上げ機に近づく前に、直ちに及び／又は自律で安全な状態に置かれる。自律の安全活動は、推進タンク及び圧力ボトルの排出及びあらゆる空力面の格納を含むことができる。打ち上げ機は、次に、沿岸の打ち上げ地点又は積み替え地点により早く戻るために別のより小型の船舶に積み替えることができる。別の実施形態では、打ち上げ機は、着陸用プラットフォームのデッキに固定することができ、プラットフォームは、沿岸の打ち上げ地点又は積み替え地点に曳航されるか又は自己の推進力の下で移動して戻ることができる。いずれの場合にも、打ち上げ機は、海上輸送のための垂直又は水平位置に関わらず、海上クレーン（又は他の適切な装置）によって移動して打ち上げ機を固定し、打ち上げ地点にある打ち上げ機処理施設に戻すためにドックで降ろしてトラックに載せることができる。

途中の間及び打ち上げ機処理施設では、打ち上げ機は、次の打ち上げのために処理することができる。各打ち上げの前に通常行われる修復活動は、整備項目（ある場合）、洗浄、ガス圧ボトルの再充填、電池の再充電、必要に応じて断熱システム素材の修復、及び／又は空気圧、アビオニクス、及び水圧サブシステムの機能試験を含むことができる。途中の間及び打ち上げ機処理施設では、打ち上げ機は、ペイロード及びペイロードフェアリングと予め統合することが可能な使い捨て型上段と嵌合することができる。他の場合には、打ち上げ機は、ペイロードモジュールと直接に嵌合することができる。定期的に、エンジンの分解修理のような大規模点検も実施することができる。

上述の処理活動中に、システム全体が単一の海上航行プラットフォームを含み、これを用いて打ち上げ機を沿岸の打ち上げ地点に輸送して戻す場合には、最初の打ち上げ機が打ち上げ地点に戻る輸送中に第２の打ち上げ機の着陸のために、打ち上げ機を降ろした後にプラットフォームを着陸区画に再び位置決めすることができる。システム全体が２つの海上航行プラットフォームを含む場合には、一方の海上航行プラットフォームが飛行と飛行の間に着陸区画に残り、他方のプラットフォームが沿岸に戻る。更に別の実施形態では、システムが２機の打ち上げ機と、１つの海上航行着陸プラットフォームと、打ち上げ機をプラットフォームから打ち上げ地点に輸送する別の船舶とを含み、この場合も、飛行と飛行の間に１つの着陸用プラットフォームが着陸区画に残ることができる。別の船舶は、特定的な実施形態では、海洋船舶又は空挺船を含むことができる。

上述の実施形態のいずれにおいても、例えば、海洋環境で処理を確実に実行することができ、かつ後続処理と適正に順序付けられるという条件の下で、打ち上げ機の輸送中に修復処理のあらゆる適切な態様を実行することができる。

本明細書では、例証目的のために本発明の具体的な実施形態を説明したが、本発明の様々な実施形態の精神及び範囲から逸脱することなく様々な修正を加えることができることは以上から認められるであろう。例えば、上記では海上に打ち上げ機を着陸させるという関連で本発明の開示の様々な実施形態を説明したが、他の実施形態では、例えば、湖、湾、大洋、海峡、又は場合によっては大きい川を含む他の水域上に打ち上げ機を着陸させるために上述のシステム及び方法を使用することができる。更に、上記では本発明の開示のある一定の実施形態に関連する様々な利点をこれらの実施形態の関連で説明したが、他の実施形態も、このような利点を示すことができ、本発明の範囲に収めるために全ての実施形態がこれらの利点を示すことは必ずしも必要ではない。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲による以外は制限されない。

１００ 打ち上げ機
１１０ ブースター段
１１２ 船尾端部
１１４ 前方端部
１１８ａ、１１８ｂ 移動可能制御面
１２０ 展開可能な空力面

Claims (69)

1. １つ又はそれ以上のロケットエンジンを含む宇宙打ち上げ機を備えた、宇宙空間へのアクセスを提供するシステムであって、
   前記宇宙打ち上げ機は、
   １つ又はそれ以上のロケットエンジンの少なくとも１つに点火して前記宇宙打ち上げ機を機首からの方向で宇宙空間に打ち上げて、
   大気圏に再突入するために前記宇宙打ち上げ機を船尾からの方向に指向させて、
   前記１つ又はそれ以上のロケットエンジンの少なくとも１つからの推力を用いて実質的に船尾からの方向で水域の着陸構造体上に前記宇宙打ち上げ機を着陸させる、
   ことを含むルーチンを実行するように構成されるシステム。
2. 前記宇宙打ち上げ機は、多段式宇宙打ち上げ機であり、少なくとも１つのブースター段及び第２段を含み、前記宇宙打ち上げ機は、少なくとも１つのブースター段を点火、指向、及び着陸させるように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記宇宙打ち上げ機は、制御面を含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記制御面は、宇宙打ち上げ機の前方及び後方に向かって位置決めされた双方向制御面であり、前記宇宙打ち上げ機を上昇中及び降下中に制御する、請求項３に記載のシステム。
5. 前記制御面は、前記宇宙打ち上げ機の外面に対して移動可能である、請求項３に記載のシステム。
6. 前記制御面は、展開可能な制御面であり、前記宇宙打ち上げ機は、該宇宙打ち上げ機が打ち上げられた後で該宇宙打ち上げ機が着陸する前に前記制御面を展開するように構成される、請求項３に記載のシステム。
7. 前記宇宙打ち上げ機は、前端及び後端を含み、前記少なくとも１つのエンジンの噴出口は、前記後端に向かって位置決めされ、前記制御面は、前記前端に向かって位置決めされる、請求項３に記載のシステム。
8. 前記宇宙打ち上げ機は、後端及び前端を有し、前記宇宙打ち上げ機は、前記前端に向かって位置決めされた制御面をさらに含み、前記移動可能制御面は、前記宇宙打ち上げ機が実質的に船尾からの向きの状態で、前記宇宙打ち上げ機の重心の下流で前記宇宙打ち上げ機上に空気力を発生するように位置決めされる、請求項１に記載のシステム。
9. 前記着陸構造体をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
10. 前記着陸構造体は、半潜水型プラットフォームを含む、請求項９に記載のシステム。
11. 前記着陸構造体は、前記宇宙打ち上げ機の位置に対応する情報を受信し、前記情報の少なくとも一部に基づいて前記着陸構造体の位置を調整するように構成される、請求項９に記載のシステム。
12. 前記着陸構造体は、少なくとも一部において現在の状况に基づいて前記着陸構造体の将来の位置を予測するように構成された位置予測器を含む、請求項９に記載のシステム。
13. 前記状况は、前記水域の海流の強さ、海流の向き、前記水域上の風の強さ、風の向き、前記着陸構造体の漂流方向、又は前記着陸構造体の漂流速度のうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記着陸構造体は、複数の着陸構造体のうちの１つである、請求項９に記載のシステム。
15. 前記複数の着陸構造体のうちの１つは、予備着陸構造体を含み、前記宇宙打ち上げ機は、前記予備着陸構造体上に着陸するように構成される、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記宇宙打ち上げ機は、中断されたミッション中に前記予備着陸構造体上に着陸するように構成される、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記宇宙打ち上げ機は、前記着陸構造体の位置に対応する情報を受信し、前記情報の少なくとも一部に基づいて前記宇宙打ち上げ機の飛行経路を調整するように構成される、請求項１に記載のシステム。
18. 前記情報は、前記着陸構造体の予測位置に対応する、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記宇宙打ち上げ機が運ぶ１つ又はそれ以上のスラスタをさらに備え、前記宇宙打ち上げ機は、前記１つ又はそれ以上のスラスタを作動させて、大気圏の再突入の前に前記宇宙打ち上げ機を船尾からの方向に指向させる、請求項１に記載のシステム。
20. 前記ルーチンは、前記宇宙打ち上げ機が大気圏に突入する際に前記宇宙打ち上げ機を船尾からの方向に指向させる、請求項１に記載のシステム。
21. 宇宙打ち上げ機を備える宇宙空間へのアクセスを提供するシステムにおいて、
    前記宇宙打ち上げ機は、
    前記宇宙打ち上げ機を機首からの方向で大気圏外に打ち上げるように構成された１つ又はそれ以上の点火可能なロケットエンジンと、
    大気圏に再突入するために前記宇宙打ち上げ機を船尾からの方向に指向させるように構成された、１つ又はそれ以上のスラスタと、
    前記宇宙打ち上げ機が打ち上げられた後で、前記宇宙打ち上げ機が前記１つ又はそれ以上のロケットエンジンの少なくとも１つからの推力を用いて実質的に船尾からの方向で水域の着陸構造体上に着陸する前に展開するように構成された制御面と、
    を含むシステム。
22. 前記宇宙打ち上げ機は、第１のブースター段及び第２段を含み、前記第２段は、打ち上げ後かつ前記第１段が船尾からの方向に指向して着陸する前に、前記第１段から分離するように構成される、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記制御面は、移動可能制御面である、請求項２１に記載のシステム。
24. 前記制御面は、双方向制御面である、請求項２１に記載のシステム。
25. 前記制御面は、前記宇宙打ち上げ機の降下中かつ着陸前に前記宇宙打ち上げ機を制御する、請求項２１に記載のシステム。
26. 前記宇宙打ち上げ機は、重心を有し、前記制御面は、前記宇宙打ち上げ機が実質的に船尾からの向きの状態で、前記重心の下流で前記宇宙打ち上げ機上に空気力を発生するように位置決めされる、請求項２５に記載のシステム。
27. 前記宇宙打ち上げ機は、前端及び後端を含み、前記制御面は、前記前端に向かって位置決めされる、請求項２１に記載のシステム。
28. 前記宇宙打ち上げ機は、段間構造体を含み、前記制御面は、前記段間構造体で運ばれる、請求項２１に記載のシステム。
29. 前記着陸構造体をさらに備える、請求項２１に記載のシステム。
30. 前記着陸構造体は、バージを含む、請求項２９に記載のシステム。
31. 前記着陸構造体は、半潜水型プラットフォームを含む、請求項２９に記載のシステム。
32. 前記着陸構造体は、自己推進型である、請求項２９に記載のシステム。
33. 前記着陸構造体は、少なくとも一部において現在の状况に基づいて前記着陸構造体の将来の位置を予測するように構成された位置予測器を含む、請求項２９に記載のシステム。
34. 前記宇宙打ち上げ機は、前記着陸構造体の位置に対応する情報を受信し、前記情報の少なくとも一部に基づいて、前記制御面は、前記宇宙打ち上げ機の飛行経路を調整する、請求項２９に記載のシステム。
35. 前記情報は、前記着陸構造体の予測位置に対応する、請求項３４に記載のシステム。
36. 前記制御面は、前記宇宙打ち上げ機が弾道軌道上にある間に前記宇宙打ち上げ機を船尾からの方向に指向させる、請求項３４に記載のシステム。
37. 前記１つ又はそれ以上のスラスタは、船尾からの向きでの着陸中に前記宇宙打ち上げ機の姿勢を制御する、請求項２１に記載のシステム。
38. 宇宙打ち上げ機を運用する方法であって、
    前記宇宙打ち上げ機を地球から機首からの方向で宇宙空間に打ち上げる段階、
    を含み
    （ａ）前記宇宙打ち上げ機を打ち上げる段階は、前記宇宙打ち上げ機の１つ又はそれ以上のロケットエンジンを点火する段階を含み、
    （ｂ）前記宇宙打ち上げ機は、大気圏に再突入するために船尾からの方向に指向して、前記１つ又はそれ以上のロケットエンジンの少なくとも１つからの推力を用いて実質的に船尾からの方向で水域の着陸構造体上に着陸するように構成されており、
    前記方法はさらに、
    実質的に船尾からの方向で前記着陸構造体上に着陸した後で、前記宇宙打ち上げ機を陸上に戻す段階、
    を含む方法。
39. 前記宇宙打ち上げ機を次の打ち上げで再使用する段階をさらに含む、請求項３８に記載の方法。
40. 前記宇宙打ち上げ機を戻す段階は、前記宇宙打ち上げ機を海上で修復した後に戻す段階を含む、請求項３８に記載の方法。
41. 前記宇宙打ち上げ機は、陸上に到着した際に洗浄、再充電、試験の少なくとも１つが行われる、請求項４０に記載の方法。
42. 前記宇宙打ち上げ機を戻す段階は、前記宇宙打ち上げ機が前記着陸構造体から別の船舶に移動された後に、前記宇宙打ち上げ機を前記別の船舶によって戻す段階を含む、請求項３８に記載の方法。
43. 前記別の船舶を前記着陸構造体に配備して前記宇宙打ち上げ機を回収する段階をさらに含む、請求項４２に記載の方法。
44. 前記宇宙打ち上げ機を打ち上げる段階は、ブースター段及び第２段を打ち上げる段階を含み、前記宇宙打ち上げ機を戻す段階は、前記ブースター段を戻す段階を含む、請求項３８に記載の方法。
45. 前記宇宙打ち上げ機を戻す段階は、前記第２段の無い前記ブースター段を戻す段階を含む、請求項４４に記載の方法。
46. 前記着陸構造体を配備する段階をさらに含む、請求項３８に記載の方法。
47. 前記着陸構造体を配備する段階は、前記着陸構造体を自己の動力の下で配備する段階を含む、請求項４６に記載の方法。
48. 前記着陸構造体を配備する段階は、前記着陸構造体を曳航する段階を含む、請求項４６に記載の方法。
49. 前記宇宙打ち上げ機の位置に基づいて前記着陸構造体を指向させる段階をさらに含む、請求項４６に記載の方法。
50. 前記着陸構造体は、半潜水型である、請求項４６に記載の方法。
51. 前記着陸構造体は、複数の着陸構造体のうちの１つであり、前記複数の着陸構造体を配備する段階をさらに含む、請求項４６に記載の方法。
52. 宇宙打ち上げ機を運用する方法であって、
    前記宇宙打ち上げ機を、前記宇宙打ち上げ機の１つ又はそれ以上のロケットエンジンによって、地球から機首からの方向で宇宙空間に打ち上げる段階と、
    前記宇宙打ち上げ機を大気圏に再突入するために船尾からの方向に指向させる段階と、
    前記１つ又はそれ以上のロケットエンジンの少なくとも１つからの推力を用いて実質的に船尾からの方向で水域の着陸構造体上に着陸させる段階と、
    を含む方法。
53. 実質的に船尾からの方向で前記着陸構造体上に着陸した後で、前記宇宙打ち上げ機を陸上に戻す段階をさらに含む、請求項５２に記載の方法。
54. 前記宇宙打ち上げ機を戻す段階は、前記宇宙打ち上げ機を海上で修復した後に戻す段階を含む、請求項５３に記載の方法。
55. 前記宇宙打ち上げ機は、陸上に到着した際に洗浄、再充電、試験の少なくとも１つが行われる、請求項５４に記載の方法。
56. 前記宇宙打ち上げ機を戻す段階は、前記宇宙打ち上げ機が前記着陸構造体から別の船舶に移動された後に、前記宇宙打ち上げ機を前記別の船舶によって戻す段階を含む、請求項５３に記載の方法。
57. 前記別の船舶を前記着陸構造体に配備して前記宇宙打ち上げ機を回収する段階をさらに含む、請求項５６に記載の方法。
58. 前記宇宙打ち上げ機を打ち上げる段階は、ブースター段及び第２段を打ち上げる段階を含み、前記宇宙打ち上げ機を戻す段階は、前記ブースター段を戻す段階を含む、請求項５３に記載の方法。
59. 前記宇宙打ち上げ機を次回の打ち上げで再使用する段階をさらに含む、請求項５２に記載の方法。
60. 前記宇宙打ち上げ機を戻す段階は、前記第２段の無い前記ブースター段を戻す段階を含む、請求項５８に記載の方法。
61. 前記着陸構造体を配備する段階をさらに含む、請求項５２に記載の方法。
62. 前記着陸構造体を配備する段階は、前記着陸構造体を自己の動力の下で配備する段階を含む、請求項６１に記載の方法。
63. 前記着陸構造体を配備する段階は、前記着陸構造体を曳航する段階を含む、請求項６１に記載の方法。
64. 前記着陸構造体は、半潜水型である、請求項６１に記載の方法。
65. 前記着陸構造体は、複数の着陸構造体のうちの１つであり、前記複数の着陸構造体を配備する段階をさらに含む、請求項６１に記載の方法。
66. 前記複数の着陸構造体のうちの少なくとも１つは、予備着陸構造体である、請求項６５に記載の方法。
67. 中断されたミッション中に前記宇宙打ち上げ機を前記予備着陸構造体へ方向転換させる段階をさらに含む、請求項６６に記載の方法。
68. 前記着陸構造体を所定の位置に保持する段階をさらに含む、請求項５２に記載の方法。
69. 前記着陸構造体を所定の位置に保持する段階は、１つ又はそれ以上のボートを用いて前記着陸構造体を所定の位置に保持する段階を含む、請求項６８に記載の方法。

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