再使用型ロケットの試験に高度10キロメートルが選ばれたのはなぜですか?

（インターネットからの写真）

なぜみんな10キロメートルを選ぶのでしょうか？この数字の響きがいいからでしょうか？

近年、再使用型ロケット技術の開発は、世界の航空宇宙分野で話題になっています。特に商業宇宙分野では、各国の企業が垂直離着陸が可能な再使用型ロケットの開発を競っています。この過程で、高度10キロメートルは、再現性のあるロケット技術を検証するための重要な「閾値」となったようだ。米国のSpaceXにしても、第八科学院の検証用矢にしても、すざく3号のVTVL-1にしても、テストでは高度10キロメートルが常に繰り返し登場している。では、なぜこの高さを選んだのでしょうか?繰り返し可能なロケット技術の検証にとって、これは何を意味するのでしょうか?このハードルを乗り越えた後、前途は本当に平坦になるのでしょうか？今日は、少し時間を取って具体的にお話ししたいと思います。

最初に答えなければならない質問は、高度 10 キロメートルが何を意味するかということです。実際、ロケット打ち上げにおいて、10キロメートルの高さは特に重要な「マイルストーン」ではありません。まだ大気圏を突破しておらず、地球の対流圏内に留まっています。しかし、これは再利用可能なロケットにとって非常に重要な高度です。まず、高度10キロメートル以下の大気の密度は比較的高く、空気抵抗が強くなります。このような環境では、ロケットは上昇時と下降時の両方で大きな圧力と空気抵抗を受けることになります。これは、ロケットの姿勢制御システム、安定制御システム、グリッドラダーなどの補助装置がすべて厳しいテストを受ける必要があることを意味します。さらに、この高度ではロケットは「最大動圧」を経験します。これは、空気力によってロケットに及ぼされる最大圧力です。これはロケット飛行の最も複雑な段階の 1 つです。構造上の損傷や故障を避けるために、この段階ではロケットが安定した状態を保つ必要があるためです。第二に、10キロメートルは、ロケットが飛行中に超音速状態と亜音速状態の間で変化する必要がある高度です。再使用型ロケットにとって、これは「遷音速」制御能力を検証する機会でもあります。遷音速とは、ロケットが音速未満の亜音速から音速を超える超音速に移行するプロセスを指します。この段階では、気流の変化によりロケットの姿勢や制御システムに大きな乱れが生じる可能性があります。したがって、10キロメートルの飛行高度では、ロケットの耐久性をテストできるだけでなく、遷音速でのロケットの安定性と精密な制御能力も検証できます。この高度は、極限状況下でのロケットの性能をテストするものであるため、重要なテストポイントとして選ばれました。

では、この 10 キロメートルの飛行を完了するということはどういう意味でしょうか?これはロケット技術における大きな進歩を示すものであると言える。まず第一に、ロケットが帰還し、そのような高度で着陸に成功したということは、基本的な再利用性があることを意味します。中国のZQ-3の設計チームが強調したように、今回の飛行成功は、エンジンやグリッドラダーなどのロケットのコアコンポーネントが帰還プロセス中に正確に連携し、安定した状態を維持できることを実証した。しかし、この高度でのテストに成功したからといって、今後障害がなくなるわけではありません。 10キロメートルの飛行により、いくつかの複雑な環境におけるロケットの適応性と制御性が検証されたが、真の軌道レベルの飛行にはまだ程遠い。高度が上がると、ロケットはより厳しい課題に直面します。特に、大気圏再突入時の高温と超高速が課題となります。中国の繰り返し打ち上げロケット技術にとって、10キロ飛行の成功は技術の検証が重要な段階に入ったことを意味する。ロケットの垂直離着陸技術は初期の成果を上げているが、今後取り組むべき課題としては、より高い高度での垂直回復をどのように実現するか、再突入時に発生する膨大な熱と運動エネルギーをどのように処理するかなどがある。たとえば、大気圏への再突入時に発生する高温から効果的に身を守る方法など。ロケットの着陸精度と速度制御をさらに向上させる方法。そして、ロケットの構造が、繰り返しの使用による疲労摩耗に耐えられるほど軽量でありながら、十分に強度があるかどうかです。技術が成熟し、飛行回数が増えるにつれて、これらの問題は徐々に解決されるものと期待しています。

我が国の再使用型ロケット技術の発展と現状について言えば、SpaceXの功績は避けて通れない点である。 SpaceXは2000年代初頭から再使用型ロケットの開発に力を入れており、2015年に初めてロケットの垂直回収に成功しました。その後もSpaceXは軌道レベルロケットの回収と再利用を何度も実現し、航空宇宙産業のコスト構造を一変させました。対照的に、中国の再使用型ロケット技術は遅れてスタートした。近年大きな進歩が遂げられているものの、SpaceX との間にはまだ一定の差が残っています。すざく3号VTVL-1を例にとると、中国の現在の試験はまだ高度10キロでの垂直離着陸段階にあるが、スペースXはすでに軌道レベルのロケットの海上回収と再利用を達成している。しかし、これは中国の宇宙産業が追いつくチャンスがないことを意味するものではない。近年、中国は航空宇宙技術の研究開発に多大な資源を投入し、多くの実験で大きな進歩を遂げてきました。時間的に言えば、中国の再使用型ロケットがSpaceXの現在の実用レベルに達するまでには5〜10年ほどかかるかもしれない。しかし、中国の巨大な市場需要と民間企業の技術革新への投資により、その差はさらに縮まるだろう。

全体として、10キロメートルの飛行試験は技術検証における重要なステップであるだけでなく、将来の宇宙探査の基礎となるものでもある。我が国はこの分野で遅れてスタートしましたが、継続的な投資と技術の蓄積により、近い将来にSpaceXに追いつき、我が国独自の再利用可能な宇宙飛行の時代を迎えることが期待されています。

この記事は科学普及中国創造育成プログラムの支援を受けた作品です。

著者: ガン・シュドン、人気科学ビデオの制作者

査読者: 周 炳紅、中国科学院国家宇宙科学センター研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司