【レポート】JAXA/ISASの「再使用観測ロケット」開発計画 - 航空機のように飛ばせるロケットを目指して
●世界最高性能の再使用ロケット・エンジンの開発に成功
ロケットが航空機のように宇宙を飛び交う。そんなSFのような、そしてかつて一度砕かれた未来が、ついに現実のものになるかもしれない。
宇宙航空研究開発機構(JAXA)の宇宙科学研究所(ISAS)では、何度でも使用できる観測ロケットを開発する構想を持っており、現在はその前段階として、機体形状の検討をはじめ、再使用ロケット・エンジンや軽量タンクなど、再使用観測ロケットの実現に向けて必要となる技術の実証が行われている。
そのうち、最も難しい技術のひとつである、再使用ロケット・エンジンの技術実証試験が完了したことを受け、2015年6月15日に報道関係者向けに説明会が開かれた。
今回は、再使用観測ロケット計画や、現在進められている技術実証プロジェクトの概要、そしてこの研究の先に待つ未来について見ていきたい。
○再使用観測ロケット
ISASは現在、超高層の大気の観測や天体観測、微小重力実験などを行う目的で、小型の観測ロケットを年に1機から2機ほど打ち上げている。観測ロケットというのは、H-IIAロケットなどの大型ロケットのように地球の周回軌道に人工衛星を投入するのではなく、高度150kmから300kmほどまで上昇し、観測や実験を行った後、そのまま海上に落下する。
この到達高度150kmから300kmというのが絶妙で、気球では高すぎて到達できず、逆に人工衛星にとっては低すぎるため、観測ロケットでしか到達できないという大きなメリットがある。また、システムとして小回りが利くため、実験提案から打ち上げまで短期間で実現可能で、理学・工学それぞれの実験でさまざまな研究成果が挙げられている。
しかし、ロケットや観測機器は使い捨てることになるため、打ち上げのたびにロケットと観測機器を新たに製作する必要があり、実験や観測が失敗した場合に修理して再挑戦といったこともできない。また、観測ロケットの需要は高く、現時点でも1年間に10回程度の実験が求められおり、さらにもっと多くの利用需要が眠っているとも考えられている。さらに、観測機器や実験試料の回収をしたい、観測する方向を自在にコントロールしたい、もっとゆっくり飛んでほしい、もっと低く、あるいは高く飛べ……といった多くの要求があるという。
そうした需要に応えるために計画されているのが「再使用観測ロケット」である。その名の通り、今までのように1回ごとに機体を使い捨てるのではなく、まるで航空機のように何度も再使用できる観測ロケットだ。
観測ロケットが再使用できるようになれば、実験装置を繰り返し使用できるため、今までより高価で精密な装置が積みやすくなり、試料を回収できることで地上の高性能な装置で分析ができるようにもなる。また、今まではロケット内の実験データを電波で地上に送ったりしていたが、機体内の記録装置に保存できるので、大容量のデータが得られるという。そして何より、機体を毎回造り直す必要がないため、高頻度の打ち上げができるようにもなる。
現在の検討では、再使用観測ロケットは全長13.5m、直径3.0m、打ち上げ時の質量は11.5tになるという。現在の使い捨て型の観測ロケットと比べると大きくなるが、これは地上に帰還するための推進剤を積む必要があることなどが関係している。ロケット・エンジンは底部に4基あり、そのうち1基が故障しても安全に帰還できるようにするとされる。
最大到達高度は100kmから150kmで、打ち上げ頻度は1日に2回以上を目指すとされ、同一の機体で、メンテナンスしつつ、100回以上の再使用を可能にしたいという。
開発費は70、80億円ぐらいが見込まれており、また打ち上げ1回あたりの運用費は数千万円ほどで、これは1機あたり数億円かかる現在の使い捨て型観測ロケットからすると約10分の1ほどになる。
現時点では再使用観測ロケットそのものには予算は付いておらず、いつ運用が始まるかなどの目処は立っていない。ただ、その前段階にあたる技術実証プロジェクトには予算が付き、2010年度から研究が行われている状況にある。
○再使用観測ロケット技術実証プロジェクト
ところで、宇宙開発が好きな方なら、かつてISASが「RVT」という小さなロケットの飛行実験を行っていたことを憶えておられるかもしれない。RVT(Reusable Vehicle Testing)は1990年代後半から開発が始まり、2000年代の前後に複数回、垂直に離陸して上昇した後、垂直に地面に着陸するという飛行実験を行っている。再使用観測ロケット技術実証プロジェクトは2010年度から始まったが、そこにはRVTで得られた知見が多く活かされており、再使用観測ロケットはまさにこのRVTの直系の子孫にあたる。
再使用観測ロケット技術実証プロジェクトでは、再使用観測ロケットの実用化に向けて必要となる、さまざまな技術要素の研究開発が行われている。プロジェクトにはJAXAを中心に、三菱重工業などが参画している。
その中で開発されているもののひとつが、再使用ロケット・エンジンだ。再使用観測ロケットでは、まずフルパワーで上昇し、続いてエンジンを止めて慣性飛行を行い、そして着陸のためにふたたびエンジンに点火し、最終的には停止さたりと、何度も始動と停止を繰り返さなくてはならない。さらに、推進力を降下速度や姿勢に合わせて調整する必要もあるなど、通常のロケット・エンジンとはまったく違う動きを要求される。また1回限りではなく、簡単なメンテナンスだけで、何度も使えなくてはならない。
成尾助教は「スペース・シャトルのロケット・エンジンの設計寿命は55回とされている。しかし、実際には宇宙から帰ってくるたびに、エンジンを機体から降ろして、全部分解して点検するようなことをしていた。そこで私たちは、簡単な点検だけで100回再使用できるようなエンジンの開発を目指すことにした。スペース・シャトルから得た教訓というのは、単に再使用ができるというだけではだめで、頻繁に運用できなければ、結局はコストを下げることができない。私たちの開発したエンジンでは、航空機のようにロケットを繰り返し運用ができると考えている」と説明した。
同プロジェクトで開発されたエンジンは、推進剤に液体酸素と液体水素を使用する。推力は40kNで、また22%から109%の間で自由に可変させる(スロットリング)ことが可能だという。
エンジンの開発はプロジェクト開始と同じ2010年度から始まっており、設計や製造、部品単位での試験が繰り返された後、2014年度にエンジンのシステム全体の性能を確認する試験が実施された。この試験は、短時間の燃焼の1回の打ち上げに相当する量の負荷をかけられる「寿命加速試験方法」という手法を使用して行われ、今年2月までに、エンジンの起動と停止の累積回数は142回を記録、累積燃焼時間は3785秒にも達している。これにより、100回の打ち上げに相当する負荷に耐えられることが実証されたという。またその中で、垂直離着陸時や、飛行を中断しなければならない時などに推力を制御する性能と、応答性も実証され、さらに最短で24時間後に再打ち上げが可能な能力を持つことも実証されたという。
エンジン以外にも、たとえばタンクの中の推進剤の動きを制御する技術も必要となる。飛行中のタンク内の推進剤はちゃぷちゃぷと揺れ動いており、そのままロケット・エンジンに送り込もうとすると空気が混じってしまい、エンジンが破壊されることもある。そこで推進剤の液面を制御し、推進剤がしっかりエンジンに送り込まれるようにしなくてはならない。
またロケット・エンジンのノズルには、高度によって(周囲の大気圧によって)最大の性能が出せる最適な形というのがあるため、飛行中にノズルの大きさを変えられる仕組みも必要となる。
さらにエンジンなどが故障した際に、ロケットの判断でミッションを中断し、地上まで安全に帰還させるシステムも必要となる。
その他にも、機体の形状をどうするか、軽くて頑丈な推進剤タンクをどうやって造るかなど、いくつもの技術開発が進められている。これらが実際の再使用観測ロケットで採用されるかはまだわからず、別の技術を使うかもしれないし、あるいは運用を続ける中で改良が加えられるため、後々になってから実装するといったことが考えられている。
今年度には、新たに着陸脚の試験や、センサー類の試験なども予定されている。また、まだ具体的な日程や場所は未定なものの、実機よりやや小型の模型を使った滑空飛行試験も計画されているという。
今はまだ再使用観測ロケットそのものを開発する予算は認められていないが、もし開発が決定され、予算が付けば、最短で4年間で開発できるとしている。稲谷教授は冗談交じりで「2020年の東京オリンピックの会場の上空で飛ばせるようにしたい」と語った。
●「ロケットの次のゴール」を迎えるか、または「詐欺師ペテン師の世界」か
○再使用観測ロケットにまつわる疑問点
この再使用観測ロケットについては、いろいろと疑問点がある。
まず、なぜ燃料に液体水素を使うのか、という点だ。水素は密度が低いため、たくさん積もうとするとタンクの大きさがかさばり、機体のサイズや質量がどうしても増えてしまう。また水素エンジンはスピードは出せるが、大きなパワーは出しにくい。最終的に第一宇宙速度(秒速7.9km)ものスピードを出さなくてはならない人工衛星打ち上げ用ロケットにとっては、スピードが出せるという点が大きなメリットとなるが、単に高度100km前後まで飛んでそのまま戻ってくる観測ロケットにとっては不向きだ。しかも帰還のための推進剤も積まなければならないため、タンクの大きさも、衛星打ち上げロケットより割合としては大きくなる。
にもかかわらず再使用観測ロケットで採用された理由は、開発した技術を、より将来のロケットに活かしたいためだという。また、最近の世の中が水素社会になりつつあり、液体水素を使うロケットと接点があることから、それらの大学や企業などと共同研究ができるメリットもあるという。
再使用することで本当に安くなるのかという疑問もある。スペース・シャトルは安価に運用するために部分的な再使用方式を採用したが、再使用のためのメンテナンスにかかる費用が非常に高くなってしまったという歴史がある。再使用観測ロケットはスペース・シャトルとは異なり完全再使用で、また機体の規模も目的も異なるが、同じ轍を踏まないとは限らない。これについて、小川准教授は「部品レベルで検討した結果、運用費用について、10分の1ぐらいは確実に安くなるという試算が出ている」と、低コスト化への自信を語った。
もうひとつ、なぜ垂直離着陸方式を採用したのか、という点だ。米国では「スペースシップトゥ」のように、航空機に吊られて上空まで上がり、そこからロケット・エンジンで高度100kmまで上がり、飛行機のように滑空して帰ってくるという機体がある。またスペース・シャトルも打ち上げは垂直に上がっていくが、帰還時には翼で舞い戻ってくる。
これに対しては、1日に複数回飛ばすことを考えると、垂直離着陸式の方が手間がかからないのではないかと考えられていること、また日本には広い場所がないので、滑走路などを確保するのが難しいという問題があり、垂直離着陸方式であればその点を解決でき、また既存の発射施設を使える利点もあることが挙げられていた。
○さらにその先の未来へ
現在、世界のロケットは、機体を再使用することで打ち上げコストを引き下げようという動きが主流になりつつある。
たとえば米国のスペースX社は、ロケットの第1段を再使用することを目指し、「ファルコン9-R」ロケットの試験を繰り返している。また米国のユナイテッド・ローンチ・アライアンス社は、打ち上げ後に第1段のロケット・エンジンのみを分離し、パラシュートで降下させて空中で回収し再使用する「ヴァルカン」ロケットの開発をすると明らかにしている。フランスでも、第1段エンジン部分だけを分離し、プロペラを展開させて飛行機のように帰還し再使用する「アデリン」というシステムの開発が行われている。
さらに米国のブルー・オリジン社では、まさにISASの再使用観測ロケットのように、液体酸素と液体水素を推進剤とする垂直離着陸型の再使用ロケットの開発が進められており、今年4月には高度約100kmへの飛行に成功している。
一方日本では、現在三菱重工業とJAXAが共同で、H-IIAロケットやH-IIBロケットの後継機となる「新型基幹ロケット」の開発を進めているが、今のところ再使用化の計画はない。はたして、この再使用観測ロケットと新型基幹ロケットが融合し、新型基幹ロケットの第1段が地上に舞い戻ってくるような日はくるのかということは、誰でも期待を抱くところだろう。
質疑応答でも当然、そうした質問が飛び出した。それに対して稲谷教授は「スペースX社のように、新型基幹ロケットの1段目を再使用にする可能性はありうるだろう。そのときに、このエンジンでやってきたことは役に立つだろうとは思う。ただ、今のところ新型基幹ロケットはそのような設計開発はされていないと思うし、思考実験としてやったらどうなるか、ということは、(三菱やJAXAで)考えてられているとは思うが、まだ形になるような話にはなっていないと思う。将来とりうるチョイスのひとつとは思うが、これはなかなか難しいところで、スペースX社がやっているから日本も同じことをするのか、あるいはもっと先を行くべきのか、国の税金を使っていることなので、どういう道を行くのかはしっかり議論した上で決めるべきことだと思う」とのことであった。
また小川准教授は会見後、「これからのロケットは再使用化が主流になると思われるか」という質問に対して、「たしかに、世界はふたたびロケットの再使用化に向けて動き出しているようだ。ただ、私たちはさらにその先の未来を見据えて、私たちのやり方が世界の主流になるようにやらなければならないと思う」と語った。
さらにその先、というのは、完全な再使用ロケットのことだ。ファルコン9-Rやヴァルカン、アデリンは部分的再使用、つまり機体の一部を再使用しているにすぎない(スペース・シャトルも同様)。しかし、本当に航空機のようにロケットを飛ばしたいのであれば、当然ながら航空機と同じように、ロケットの機体すべてを再使用することが望ましい。そうした機体の構想は古くからあり、ロケットの全段をそのまま再使用する単段式ロケットや、2段式ながら上段が別々に帰還して再使用できるロケットなどが考案され、たとえばNASAでは、1980年代から90年代にかけて、X-30やDC-X、X-33、ヴェンチャースターといった機体の開発が行われた。しかし、どれも技術的な障壁にぶち当たり、結局実現することなく消えている。
だが、それから技術も発達し、またスペースX社などがロケットを実際に再使用することを試みつつあり、完全再使用の衛星打ち上げロケットの開発に、ふたたび挑むべき時代がやってきているのかもしれない。
稲谷教授は「誰でも行ける宇宙旅行や、太陽発電衛星の建設といった事業が経済的に成り立つためには、1日に何十回も飛べたり、機体を1000回ほど再使用できたりできる航空機のようなロケットを実現し、今より打ち上げコストを2桁ほど下げないといけない」と語る。
また稲谷教授は「最終的にはスペース・シャトルよりも、もっと良いものを造りたい。たとえば羽田空港では、1日1000回ほど飛行機の離発着がある。再使用観測ロケットが目指しているのは1日10回程度であり、まだ2桁も少ない。それでも飛行機のように運用できるロケットが実現できないはずはない。それをゴールとして、若い人も含めて、そうしたロケットの実現に向けた活動が活発になればと思う」と期待を語った。
○『「ロケットの次のゴール」または「詐欺師ペテン師の世界」』
ところで、稲谷教授は今から10年前、2005年のお正月に、ISASニュースに『「ロケットの次のゴール」または「詐欺師ペテン師の世界」』と題した記事を寄稿している。その主張は今回の説明会と変わわらず、宇宙旅行や太陽発電衛星の建設などを実現するには打ち上げ費用を安くすることが重要であり、そのためには高い頻度で繰り返し打ち上げができる、使い捨て型のロケットとはまったく異なる思想のロケットが求められることが解説されている。
そのユニークな題名は、稲谷教授と、糸川先生の弟子でもあった長友信人名誉教授との間で交わされた、「もし再使用ロケットを造ろうとお金を集めるも、失敗に終わった場合、詐欺師やペテン師の仲間入りをしてしまうことになる」という内容の会話から採られている。ちなみに長友教授もまた、考えが時代の先を行きすぎていたため、山師と呼ばれることがあったという。
この記事が書かれた2005年というと、スペース・シャトルの後継機となるはずだった新型シャトルの計画はすべて消え、また2年前にはスペース・シャトル「コロンビア」の事故も起き、スペース・シャトルは失敗作だったという見方が広がり、再使用ロケットというものの実現性に疑いの目が向けられていたころだ。一方でロシアは、半世紀近く形の変わらない古めかしい使い捨てロケットを使い、安価に、そして安定した打ち上げを続けていた。それを背景に、当時は「ロケットを安くするには、使い捨てロケットを大量生産してコストダウンすることが正解」という風潮が強かった。
あれから10年が経った今、世界のロケットはふたたび、やり方はさまざまなれど、機体を再使用する方向へ舵を切りつつある。そしてその流れはおそらく止まることはないだろう。もし将来、稲谷教授を詐欺師やペテン師などと呼ばねばならない日が来るとしたならば、それは日本のロケット産業の敗北を意味することになろう。
(鳥嶋真也)
