ロケットの再利用の限界はどこにあるのでしょうか?垂直回復の「姿勢」は正しくなければなりません！

再利用はロケット開発における避けられないトレンドである

「再利用」というと、馴染みのあるような違和感を覚えることが多いです。 「身近なもの」といえば、人々が生活の中で使う交通手段、車、船、飛行機のうち、再利用できないものはどれでしょうか？一度使ったら捨てられるのはどれでしょうか？ 「奇妙」といえば、過去には打ち上げロケットの再利用の話はほとんど聞かれなかった。それらはすべて使い捨てであり、発射後にどこに落ちるかは誰にもわかりませんでした。打ち上げロケットはなぜこのようになっているのでしょうか?私たちは、打ち上げロケットの起源、有名なロケットの式から始めなければなりません。

ファルコン9ロケット、第1段の軟着陸に成功

前世紀の初め、航空技術の進歩により、人々は次第に大気圏に境界があることを発見し、その厚さまで推定するようになりました。従来の航空機は、空気の浮力に頼る気球であれ、空気力学的揚力に頼る飛行機であれ、大気圏を超えることはできません。

では、人間が大気圏外へ行けるツールはあるのでしょうか?地球は宇宙の中で球体であるため、基本的な力学の知識から推測すると、物体の速度が十分に速ければ、地球の周りを移動することによって発生する遠心力が、地球から物体に及ぼされる重力とバランスをとることができ、その結果、物体は大気圏を抜けて地球の周りの軌道に入ることができることがわかります。これは私たちが知っている最初の宇宙速度 7.8 km/s です。

ここでの鍵となるのは、どのようにして物体にそのような高速化を実現させるかという点です。この頃、ロケットの偉大な父、ツィオルコフスキーが登場しました。彼はロケットの公式を導き出し、打ち上げロケットを使って物体を地球の周りの軌道に送り込む実現可能な方法を提案した。

ロケットの原理の核心は、燃料を物体の速度増加に変換することです。しかし、化学推進剤自体の特性上、ロケットの離陸質量の大部分は推進剤の質量でなければなりません。現在、ロケットの燃料は通常、ロケット自体の重量の80％から90％を占めています。私たちが目にするロケット本体は、推進剤タンクとも言えます。技術レベルが比較的低かった頃は、使い捨ての打ち上げロケットでも、これほど軽い機体質量で離陸したり、これほど多くの推進剤を積んだりすることはできなかった。結局のところ、飛行中のロケットが経験する機械的環境は、通常の航空機よりもはるかに過酷です。

ツィオルコフスキーの偉大さは、数学的推論のみで多段ロケットの概念を提唱し、比較的低い技術レベルで人類が宇宙飛行を実現するための基礎を築いた点にある。多段式ロケットを使用しているため、燃料を使い果たしたロケットのサブステージの一部を1つずつ廃棄することができ、最終的なペイロードが十分な速度増加を得ることができるようになります。

ツィオルコフスキーが描いたロケット原理図

液体ロケットは一般に低軌道に到達するのに 2 段だけ必要ですが、固体ロケットは一般に 3 段または 4 段が必要です。これは固体ロケット推進剤の比推力が低いためです。静止トランスファー軌道打ち上げを実現するために、現在世界で主流となっているロケットは、一般的に3段式または2.5段式の構成を採用しています。例えば、米国のデルタとアトラス、ロシアのアンガラとプロトン、欧州宇宙機関のアリアン、中国の長征3Aシリーズの打ち上げロケットなどです。

再利用の要件は、着陸回復装置の設置や、繰り返しの飛行負荷に対処するための構造の厚みと強化など、構造質量の増加が必要になることを意味することがよくあります。このような状況では、初期の打ち上げロケットは多段式の使い捨てロケットでなければなりません。

しかし、技術の進歩により、ロケットの構造質量はますます軽くなり、強度はますます高くなり、打ち上げロケットの進化の傾向は、多段式から単段式へ、使い捨てから再利用可能へ、部分的再利用から完全再利用へと決定されます。

現時点では「ファルコン9」が最も先進的な打ち上げロケットと言える。これには2つの理由がある。1つは、このロケットが市場では珍しい2段式タンデムロケットであり、主流の静止トランスファー軌道（GTO）ペイロードに適応でき、水素と酸素の動力を使用しないことである。これは、ファルコン 9 が軽量構造と総合的なエンジン性能の点で非常に高いレベルに到達したことを示しています。一方、ファルコン9は部分的な再利用を実現しており、再利用率は80％に達しているからだ。

垂直リサイクルにより再利用能力が向上

使い捨ての打ち上げロケットの技術が成熟して以来、人類は再利用という目標に向かって進み始めました。この目標を達成するために、人類は多くの試みを行い、さまざまな技術的な道筋を提案してきました。

サターンIロケットは、再利用可能な打ち上げロケットのコンセプトに対する米国の最初の試みでした。 1960年代、NASAはパラグライダーの翼を使ってサターン1号ロケットの第1段を回収し、自律着陸を実現しようと試みました。しかし、当時の着陸技術が未熟だったため、計画は縮小された試験段階に留まりました。 1950年代にはソ連も小型気象ロケットをパラシュートで回収しようと試み、成功した。簡単な修理の後、小型ロケットは2回目の飛行を達成した。

1977年、米国のスペースシャトルは垂直離陸と水平着陸による初の有人試験飛行を完了した。スペースシャトルで使用された2つの固体ロケットブースターはパラシュートで減速され、その後海上に着水し、回収されて再利用されました。 21 世紀に入り、SpaceX の Falcon シリーズ ロケットと Blue Origin の New Shepard ロケットは、どちらも垂直打ち上げと垂直回収によるロケットの回収と再利用を実現しました。

スペースシャトル アトランティス

さらに、完全に再利用可能な単段式軌道車両による探査も数多く行われてきました。 1986年、米国は空気吸入エンジンを搭載した国家宇宙飛行機（NASP）の開発を提案したが、開発コストの高さと技術的な困難さから、1994年にプロジェクトは中止を余儀なくされた。1996年、米国は再び、ロケット推進単段軌道船ベンチャースターの縮小版試験機であるX-33の開発を決定した。しかし、技術的に難易度が高く、スケジュールが遅れたため、2001年に計画は中止されました。

再使用型打ち上げシステムは、離着陸方法の違いにより3つのタイプに分けられます。

最初の方法は、水平離陸・水平回収です。

水平離陸・水平回収発射システムの動力形態は、一般的には空気吸入複合動力である。空気吸入複合動力により、さまざまな飛行高度とマッハ数で最適な動作モードを実現し、最高の加速と巡航要件を達成できます。大気中の酸素を最大限に活用して自身の離陸重量を軽減できるため、将来最も有望な動力システムとなる。 1990年代に各国の空気吸入式単段式軌道宇宙飛行機計画が技術的困難さの高さから中止された後、各国はより実用的なアプローチを採用し、まずより成熟したロケット動力を開発し、次に技術的に難しい空気吸入式複合動力を開発しました。

2つ目の方法は、垂直離陸・水平回収です。ロケット推進二段式軌道再使用ロケットでは、垂直打ち上げ方式が採用されており、離陸時および飛行時の軸荷重が主な荷重となります。構造設計はシンプルです。同時に、垂直離陸では空気抵抗による損失が少なく、大気圏を素早く通過することができます。翼と胴体の組み合わせの空力形状により、着陸前に大気の抵抗を利用して減速する水平着陸モードを採用できます。しかし、飛行中の空気抵抗や空気加熱は垂直着陸時よりも大きくなるため、翼や胴体に熱保護対策を施す必要がある。さらに、水平着陸には、タキシングと減速のためにより長い滑走路が必要になります。航空力学、制御、熱防御などの技術的困難さが比較的大きく、着陸滑走路などのインフラの建設期間が比較的長い。水平帰還型の有翼再使用型機は、優れた極超音速飛行能力と迅速な対応能力を備えています。

垂直離陸・水平回収の代表的な例は米国のスペースシャトルです。地上と低軌道の間で人や荷物を輸送する宇宙船です。有人宇宙船と輸送機の両方の機能を持ち、飛行機のように着陸する宇宙システムです。スペースシャトルは複雑すぎる上、人と貨物の両方を運ぶことができ、運用効率が低く、年間10回未満し​​か飛行しないため、運用コストのかかる航空機となっている。実際には、経済性、安全性、信頼性の面で期待された目標は達成されていないことがわかっています。 2011年7月、米国のスペースシャトルは135回目のミッションを完了し、正式に退役した。統計によると、スペースシャトル計画の総額は1,960億ドルで、スペースシャトル1機あたりの費用は約120億ドル、打ち上げ1回あたりの費用は約4億5,000万ドル（予算の約10倍）となっている。

3番目の方法は垂直離陸/垂直回復です。

このロケットは螺旋状の空力形状とシンプルな構造設計を採用しています。一般的には垂直着陸方式を採用しています。着陸に使用される構造物の追加重量は比較的小さい。水平着陸方式に比べ、空力、制御、熱保護技術の難易度は低くなります。しかし、エンジンには広範囲の推力調整能力が求められ、推進剤の減速を温存する必要があり、その結果、積載能力が部分的に失われることになります。

垂直離陸・垂直回収の代表的なものとしては、スペース・エクスプロレーション・テクノロジーズ社のファルコンシリーズロケットやブルーオリジン社のニューシェパードロケットが挙げられます。両機ともロケットの回収・再利用を何度も達成しており、技術の成熟度が十分に検証されている。同時に、ロケットの使用コストも大幅に低下しました。イーロン・マスク氏によると、第一段ロケットの回収と再利用により、現在のコストをさらに70%削減できるという。

ブルーオリジン ニューシェパード

ドイツの軌道船

まとめると、水平離陸・水平着陸技術は比較的難しく、短期間でエンジニアリング応用能力を備えることは困難である。垂直離陸/水平着陸は工学的に実施できる条件を備えているものの、使用と保守のコストが高く、通常、事業者が負担することができません。垂直離陸・垂直着陸はロケットの構成を変更する必要がなく、技術的な難易度も比較的低いため、ロケット打ち上げのコストを大幅に削減し、最も人気のある再利用可能な技術ルートとなっています。

再利用可能な航空機の寿命を測定する方法

再使用型ロケットの再使用回数の限界、つまり寿命の限界について議論する前に、まず再使用型ロケットの寿命に影響を与える要因を理解する必要があります。さまざまな影響要因に応じて、再使用型打ち上げロケットの寿命は、設計寿命、経済寿命、技術寿命の 3 つのタイプに分けられます。経済寿命は設計寿命よりもはるかに長く、技術寿命と経済寿命はそれぞれのコストに依存し、通常はコストの高いものが低コストのものに取って代わられます。

2018年2月7日、ファルコン・ヘビーロケットはチェリー色のテスラスポーツカーを深宇宙軌道に打ち上げることに成功し、2つのブースターは着陸と回収に成功しました。

設計寿命とは、再使用型ロケットが新品の状態から、主要機器が故障してロケットが打ち上げられなくなるまでの期間を指します。例えば、着陸ブラケットの衝撃破損、ロケット本体の老朽化と亀裂、エンジン冷却パイプの過度のコーキング、ターボポンプの疲労亀裂などにより、打ち上げロケットは使用できなくなります。

技術的寿命とは、再使用型打ち上げロケットの使用開始から技術的陳腐化により廃止されるまでの期間を指します。技術の進歩により、既存のロケットモデルの耐用年数は短縮され、早期に退役することになるだろう。例えば、新しいロケットは特定の技術革新の採用により一回の発射あたりの搭載量が増加し、より高い市場収益を得ることができるため、古いロケットモデルの寿命は自然に短くなります。

ファルコン9ロケットを例に挙げてみましょう。技術的な反復に応じて 3 つの世代に分けられ、コード名は v1.0、v1.1、v1.2 です。 v1.2はさらにブロック3から5までの3つのバージョンに分けられます。v1.1から始めて、SpaceXは第1レベルの垂直回収テストを実施し、v1.2ブロック3のF21とF23の陸上と海上での回収にそれぞれ初めて成功しました。 F55 は v1.2 Block5 構成の初飛行であり、第 1 段階は番号 B1046 から始まります。 Block5 より前のバージョンでは再利用性が実現されていましたが、2 回以上使用されたことはありませんでした。これらは、技術的な遅れにより自然に淘汰され、技術的寿命を終えました。

経済寿命とは、再使用型ロケットの最も経済的な耐用年数を指します。つまり、その耐用年数は、最低の運用コストまたは最高の経済的利益の評価基準に基づいて決定されます。再使用型ロケットの使用回数が増えると、主要部品の性能が徐々に低下します。寿命が尽きると、頻繁に故障が検出されるため、メンテナンスコストが大幅に増加します。再使用型ロケットは、使用開始後、使用期間が長くなるほど年間の建設コストは少なくなりますが、その都度、保守・運用コストは高くなります。ロケットの打ち上げにかかる平均コストは、最も適切な使用回数の範囲内で最も低く、これがロケットの経済寿命となります。

再利用可能な技術において画期的な進歩を遂げたとしても、それが経済的に実現可能でなければ、長期的な応用を実現することは困難です。たとえば、スペースシャトルは技術的には先進的ですが、回収後のメンテナンスと打ち上げにかかるコストは予想をはるかに上回ります。当初の見積もりは3000万ドル強だったが、実際のコストは4億～5億ドルに達し、スペースシャトルの維持が困難になる大きな理由となった。

ファルコン 9 ロケットの再利用回数の現在の制限は、主にその経済寿命によって決まります。

再利用可能なロケット：寿命の限界を探る

輸送手段の正確で信頼性の高い経済寿命を得るためには、大規模なサンプルサイズで統計を行い、正確な予測モデルを確立する必要があります。このようにして、メーカーは、私たちがよく知っている自動車と同じように、自動車のメンテナンスが何回必要か、大規模な修理が何回必要か、そして、廃車にすべき回数を判断できます。実際、飛行機でも同じことが言えます。たとえば、エアバス 320 は、飛行時間 600 時間後に A チェックを受ける必要があり、飛行時間 18 か月後には長時間の C チェックを受ける必要があります。基本的に、検査のためには機体全体を分解する必要があり、修理時間は20日から60日ほどかかる場合があります。

しかし、ファルコン9ロケットはまだそのようなサンプルレベルには達していない。 SpaceX は依然としてその経済的寿命の限界を模索している。マスク氏はかつて、ファルコン9ロケットは10回以内で回収でき、最初に回収に成功したブースターと同様にメンテナンスなしで燃料を補充できると主張していた。しかし、同じブースターを再利用する実際の時間間隔を見てみると、最短は38日、最長は619日、平均は167日となっています。 1か月以内に再利用された例さえなく、これはSpaceXがこの時間を活用して回収したブースターの徹底的な検査とテストを実施していることを示しています。各コンポーネントのパフォーマンス低下を可能な限り詳細に理解することによってのみ、正確な寿命モデルと動作仕様をより迅速に確立することができます。経済的な再使用型ロケットは、帰還のたびにバラバラに分解する必要がなく、各部品を慎重に検査し、少しでも欠陥があれば再使用しません。

ファルコン9ロケット回収失敗、第1段は海に落下

2020年2月初旬、スペースXのエンジニアは、民間航空機の整備と同様のロケット本体改修チームを設立したことを明らかにした。改修プロセス中は、接合部と溶接部を点検し、すべての航空電子機器が適切に動作していることを確認する必要があります。現在のメンテナンス作業は極めて細心の注意が必要で 1 か月かかり、チームはまだ実践を模索中です。これは、真に迅速な検出と再利用がまだ研究とテストの段階にあることを示しています。

ワークショップでオーバーホール検査を受けているB1051.7ブースター

2020年3月18日、初めて5ハンドの第1段ロケットを使用して、6番目のスターリンク衛星が打ち上げられました。しかし、第1段飛行の終わりに外側のエンジンの1つが故障し、第1段の回復に問題が発生したため、着陸に成功しませんでした。打ち上げ前夜、ショットウェル社長兼最高執行責任者は、同社はファルコン9ロケットの第1段の設計を今後改良することはなく、第1段を10回以上再利用する予定もないと述べた。

SpaceXがFalcon 9ロケットの第1段の技術をアップグレードしない場合、その再利用回数は10回に制限される可能性があるようです。

ファルコン 9 ロケットが再利用において画期的な成果を達成できた主な理由は、SpaceX がこのキラー機能を活用して打ち上げコストを大幅に削減し、商業衛星打ち上げ市場で絶対的な優位性を獲得する必要があったためであることがわかっています。新たなライバルが現れれば、激しい競争の下で、再使用型ロケット技術は推進され、その寿命も向上し続けることが期待できる。