宇宙服の設計を進化させるSolosuits社

宇宙服の設計が製品開発業者に依頼されることはほとんどありません。機械システム、体格の違い、生命維持のための制約などをすべて一体の宇宙服に盛り込み、正常に機能させる必要があります。1つでも欠陥があると、即座に大惨事へとつながる可能性があるため、すべての構成部品が確実に機能する必要があります。

ヒューストンを拠点に宇宙服を開発しているSolosuits社は、卓越したエンジニアリング設計を通じて、次世代の宇宙服の設計に取り組んでいます。このスタートアップ企業の目的は、一つひとつの構成部品を継続的に改良することで、性能、安全性、使いやすさに関する厳格な要件を満たす宇宙服を開発することです。この目的を達成するうえで最も困難なのが、宇宙服グローブの開発です。

宇宙服グローブを開発するためには、相反するいくつかの工学的要件に対応しなければなりません。グローブは密閉加圧システムの一部であると同時に、そのグローブを着用した人間が手作業を器用に行える必要があるため、宇宙服の構成要素の中でも設計が極めて困難です。Solosuits社主任設計者のNik Moiseev氏によると、グローブは数多くの関節部分と可動機構を備えるだけでなく、宇宙服全体で共通する多数の性能要件を満たす必要があります。「グローブは宇宙服の中でも最も設計が困難な部分です」と同氏は述べます。

グローブは、内部の気圧を保持する密閉システムとして宇宙飛行士の手を外部環境から守ると同時に、自由な動きを可能にするものでなければなりません。これが、根本的な制約をもたらすことになります。内部圧力の影響で関節を動かすのが困難になるのです。これが船外活動(EVA)用グローブを設計するうえでの大きな課題になっているとNASAの調査報告にも明記されています。  手を動かすために必要な労力が増し、それが手の疲労につながります。そのため、圧力を保持し、漏れを防ぎ、構造的完全性を維持するだけでなく、関節トルクを軽減し、手を精密に何度も動かすことのできるグローブを開発する必要があります。

この課題をさらに難しくしているのが、人間の手です。手は、人体の中でも最も複雑な仕組みを持ち、器用な動きをする部位です。「グローブには小さな部品が非常に多く含まれています」と、宇宙服エンジニア兼技術者のArtem Kozhemyakin氏は述べます。また、グローブは、ベアリング、着脱、構造要素など、さまざまな周辺ハードウェア システムと一体化する必要があり、これが動きやすさや使いやすさに影響を及ぼします。

さらに、体格の違いも考慮しなければなりません。さまざまな体格の宇宙飛行士に対応しながら、長期使用において各要件(フィット感、可動範囲、熱、快適性など)を一貫して満たす必要があります。このような制約のなか、一切の妥協なく、圧力を保持しつつ、さまざまな体格の宇宙飛行士が自由に動けるシステムを開発する必要があります。

デジタル イテレーションによる性能評価

上記の課題に対応するため、Solosuits社は3Dモデリング ソフトウェアを使用しています。具体的には、SOLIDWORKS®Designを使用することで、体系的なデジタル ワークフローを通じて、宇宙服の構成部品を開発しています。 Solosuits社は小規模なスタートアップ企業ですが、優れた3Dモデリング ツールを利用することで、物理的な試作品を何度も作成するコストや時間をかけることなく、迅速にモデル作成とイテレーションができます。「SOLIDWORKS for Startupsプログラムを使用することで、(ハイエンドのメカニカルCADに)コストをかけることなく、モデル作成と試作品作成を迅速に行うことができます」と、Kozhemyakin氏は熱く語ります。これにより、製造性を考慮した設計をプロセスに組み込んで、時間や材料を無駄にすることなく、より持続可能な製品開発を実現できます。

複数の設計形状を生成および評価できることは、SOLIDWORKSの主な特長の1つです。Moiseev氏によると、CADソフトウェアにとって最も重要なのは、「迅速に組み合わせて、さまざまなオプションを検討する」ための機能です。この機能はグローブの設計では特に重要です。グローブを設計する際には、形状をわずかに変更するだけで、動きやすさ、密閉の完全性、全体的な使いやすさ、性能に影響が生じるためです。

Solosuits社は、SOLIDWORKS Simulationを活用することで、製品開発ライフサイクルの範囲内で、ハードウェアを実際に製造する前に性能を評価しています。 設計を仮想的に評価することで、潜在的な問題を早期に特定し、構成部品を製造する前に改良できるため、無駄を削減し、より持続可能な製品開発が実現します。

もう一つ、革新的なエンジニアリング設計のために欠かせないのが、人体測定データに基づくデジタル人体モデルです(SOLIDWORKSはZygote社と提携しています)。 デジタル人体モデルにより、体格の違いが宇宙服にどのような相互作用をもたらすかを評価できます。実際の宇宙服では、加圧によって動きが制限されますが、仮想的な加圧システムを使用することで、Solosuits社のエンジニアは、実際の人間や物理的な試作品に頼ることなく、フィット感、可動範囲、関節部分の動きなどを評価できます。

構成ベースの設計、シミュレーション、人間中心のデジタル評価を実施してから、実際のモデルを作成することで、複雑な要件に対応しながら、製造性と機能性を両立させた設計を実現できます。

物理的な試作品を減らして、時間とコストを削減

Solosuits社は、製品開発ライフサイクルの大部分をデジタル環境に移行することで、物理的な試作品作成への依存度を下げています。「物理的に作成して実際に人間が着用してテストする」代わりに、複数の設計を仮想的かつ同時に検証できるため、製品開発時間を短縮できるとKozhemyakin氏は言います。

複数の形状を同時に評価することで、イテレーションを迅速化できます。グローブの性能の決め手となるのは、多数の小さな部品や関節部分の相互作用です。仮想テストにより、何度も作り直すことなく、動きやすさや密閉性の改良を効率的に進められます。

加えて、人体測定データに基づく人体モデルを活用することで、設計プロセスの早期段階における人間工学的検証を改善できます。1つの公称寸法だけでなく、さまざまな体格の宇宙飛行士が装着した際の性能を評価できるため、物理的な試作品を実際に作成する前に、フィット感、可動範囲、動きやすさなどに関する制約を特定できます。

さらに、このアプローチにより、一貫性を維持しながら設計を進化させていくことができます。シミュレーション、構成テスト、人間中心の評価に基づく反復的な改善を組み込んだ製品開発ライフサイクルを通じて設計を進化させることで、「より信頼でき、より強く、より快適」な製品になるとMoiseev氏は述べます。

極限環境での人間中心の設計の推進

Solosuits社が設計している宇宙服は、想像し得る最も過酷な環境で人間が活動するためのものです。単に飛行士の生命を維持できるだけではなく、動きやすさ、快適性、使いやすさも追求しなければならないという課題があります。

SOLIDWORKS Designを活用して、設計のモデリング、シミュレーション、評価をデジタル化することで、同社は、より正確かつ効率的にこの課題に取り組み、卓越したエンジニアリング設計という目標を達成できます。その結果として実現する開発プロセスは、継続的に改善を重ね、物理的なテストへの依存を軽減し、各設計イテレーションの信頼性を高めます。

民間企業による宇宙活動の拡大に伴い、安全性と動きやすさを兼ね備え、製造性を考慮した設計のシステムを開発する技術力が今後ますます重要になります。