ロケットの回収には何段階のステップが必要ですか?

私は我々の北斗システムが構築されたと言いましたが、あなたは彼らのロケットは回収できると言いました。私は我々の宇宙ステーションが建設されたと言いましたが、あなたは彼らのロケットは回収できると言いました。私は月から土を掘ったと言いましたが、あなたは彼らのロケットは回収できると言いました。私は人類を月に送ろうとしていると言いましたが、あなたはまだロケットは回収できると言っています。さて、今日は「Arrow of the Sky」シリーズの最終回で、今日はロケットの回収についてお話します。

ロケットの早期回収

実際、人類の宇宙探査が始まった当初から、ロケットの回収は素晴らしい願いでした。第二次世界大戦の終結後、米国はドイツから入手したV-2ミサイルを使用して一連の飛行試験を実施した。しかし、彼らが回収したミサイルの数は限られており、テストを重ねるごとにミサイルの数はどんどん減っていった。そこで彼らは、地面に墜落するのではなくゆっくりと着陸するようにパラシュートを追加できないかと考えました。しかし、理想は満ち溢れ、現実は乏しい。当時、V-2は落下速度が速すぎたため、予想通り、パラシュートは放出されるとすぐに粉々に引き裂かれてしまいました。成熟していませんでした。

その後、アメリカとソ連は宇宙分野でスター戦争を開始しました。当時、両国は、初の人工衛星、初の有人宇宙船、初の宇宙遊泳、初の有人月面着陸、初の宇宙ステーションなど、何としても初の実現を目指していました。費用はいくらぐらいですか？どうでもいい！その後、アポロ計画の成功により、アメリカ人は宇宙開発競争において客観的なリードを獲得することができました。歓声を上げながらも、彼らはその紙幣を見て、少しだけ痛みを感じた。

そこで彼らは再利用可能なロケット、スペースシャトルの実験を始めました。上で述べたことは少し不自然に聞こえますか?それはロケットですか、それとも飛行機ですか?実際、飛行機の形をしたロケットと考えることができます。離陸時に使用する動力は、中央の3基の液体水素と液体酸素のロケットエンジンと、側面の2基の固体ロケットエンジンなので、もちろんロケットです。帰還時には、飛行機のように、より正確にはグライダーのように滑空して空港の滑走路に着陸します。両側のブースターはパラシュートを使用して回収されます。中央にある大きなタンクは、スペースシャトルシステムの中で最も安価な部分です。基本的にはただのタンクなので回収されません。

アメリカ人の想像では、各スペースシャトルは100～150回再利用することができ、製造コストは1回の打ち上げにかかるコストのわずか100～150分の1になるという。彼らはどう考えてもお金を節約することしか考えておらず、それが牡牛座の人々を夢の中で笑わせるのです。しかし、使用してみると、壊れていることに気づきました。これは有人宇宙船であり、通常のロケットよりもはるかに高い要件と、はるかに複雑なシステムを備えていました。回収はできたものの、回収後のメンテナンス費用は、普通のロケットを作り直すのと同じくらい、とてつもなく高額だった。さらに、スペースシャトルの自重は約70トンです。この 70 トンはいずれにせよ宇宙に行かなければならず、通常のロケットではペイロードとしてカウントされなければなりません。言い換えれば、他に何を軌道上に運びたいとしても、まずはこの 70 トンの物資を打ち上げることを検討する必要があるのです。大型トラックのようです。宇宙ステーションの部品など重いものを宇宙に運ぶのに使うなら費用対効果は高いですが、数人を宇宙ステーションに送り込むだけなら、大型トラックを運転して食料品を買うようなものなので、費用対効果は高くありません。結局、スペースシャトルはお金の節約にはならなかったのです。どれも100回使用されていません。宇宙に行くことができた5機のシャトルは合計でわずか135回しか使用されなかった。そのうち2つが爆発し、14人が死亡した。それは費用がかかり、命を脅かすものでした。

垂直着陸技術

スペースシャトルはケチという本来の目的は達成できなかったが、宇宙飛行士たちのケチな目標は変わらないだろう。スペースシャトルが退役するのと同時期に、米国のスペースX社は、飛行機のような滑走路やパラシュートを必要とせず、ロケットを自律制御して地面に垂直に落下させる試みを始めた。もちろん、これは彼らが最初に発明した技術ではありません。マクドネル・ダグラス社は1993年に早くも「クリッパー」と呼ばれるロケットを開発しました。このロケットは垂直に離陸し、その後垂直に落下することができ、ロケットが地上に静止するまで自己制御できることを証明しました。解決すべき他の課題としては、回収したロケットを上部から分離し、自力で着陸地点まで飛行させ、速度を十分小さくしてから着陸地点を目指すことなどがある。

SpaceX が上記のプロセスを比較的成熟した形で完了したことは誰もが知っています。使用するのはファルコン9ロケットで、これは2段式ロケットであり、垂直に回収されるのは第1段のみとなる。第一段には9基のマーリン液体酸素ケロシンロケットエンジンが搭載されている。離陸時には、9 つ​​のエンジンすべてが同時に作動し、十分な離陸推力を提供します。約2分半後、第1段の9基のエンジンが同時に停止し、その後、第1段と第2段が分離し、第2段が点火し、第1段が回収の旅に出ます。

皆さん、一つだけ注意してください。この時点で、第 1 段が正常に回収されるかどうかは、打ち上げられたペイロードが安全に軌道に乗れるかどうかとは関係ありません。第一段ロケットの回収に対する心理的プレッシャーはずっと小さいのでしょうか？回復が成功すれば利益になります。失敗した場合、最悪の事態は、市場に出回っている他のロケットと同じになるということだ。スペースシャトルの場合は、機体全体を回収する必要があり、搭乗者も一緒に回収しなければなりません。回復の過程ではミスが許されず、プレッシャーも非常に大きいです。これが、SpaceX が回復を続け、失敗し続け、多くの経験を蓄積して製品を迅速に反復できる主な理由の 1 つです。

回収作業が始まったとき、ファルコンの第1段ロケットの燃料はほぼ消費されていたため、比較的軽量で、減速して着陸するのにそれほど大きな推力は必要ありませんでした。実際、着陸までに残っている燃料は6～10％しかないため、第1段から分離した後、ロケットを減速させるのに必要なのは9基のエンジンのうち3基だけとなる。陸上回収と海上回収の第1段の飛行軌道は異なりますが、どちらも減速するために3つのエンジンを複数回オンとオフにする必要があります。最終的に着陸する頃には、ロケットはさらに軽量化され、作動させるエンジンは 1 つだけになります。

垂直リサイクルの主要技術

上記のプロセスには、ロケットを所定の着陸地点まで飛ばす方法など、いくつかの重要な技術があります。ロケットエンジンの制御とサイドジェットの制御に加えて、ファルコン 9 では、前述のグリッド ラダーも使用されます。これにより、ロケットは大気圏内を飛行する際に優れた制御を獲得し、効果的に減速できるようになります。ロケットは回収時に下向きに落下し、飛行方向は打ち上げ時と全く逆になるため、グリッドラダーは打ち上げ時には折りたたまれて効果がなく、回収時には再び展開されます。中国はまだロケットの垂直回収には成功していないが、2019年にはすでにこのグリッドラダーを使ってロケット第1段の着陸エリアの精密制御実験を行っており、これは実際にロケットが指定された着陸エリアまで飛行できるようにする部分である。

次に解決すべき問題は、エンジンでロケットを減速させることです。先ほどのファルコン9の打ち上げと回収のプロセスの説明から、この種のロケットのミッションでは、第1段エンジンを何度も始動したり停止したりする必要があることがわかります。これを多重点火技術といいます。落下中に、燃料タンク内の燃料が揺れて底まで沈まない可能性があり、圧力不足や燃料供給の中断につながる可能性があります。複数回の点火には、安定した信頼性の高い炎も必要です。これらは多重点火技術における重要かつ難しい問題です。

十分に減速した後、ロケットを非常に低速で地面に着陸させたい場合は、ロケットエンジンの推力を広範囲にわたって非常に正確に調整する必要があります。たとえば、ファルコン 9 のマーリン エンジンの推力は 60% から 100% の間で調整できます。ロケットエンジンに関するエピソードでは、液体ロケットエンジンの推力を調整するのは比較的簡単だと言いました。燃料が多ければ推力は大きくなり、燃料が少なければ推力は小さくなります。しかし、これは固体ロケットエンジンに限った話です。広範囲にわたって正確な調整を実現したい場合、液体ロケットは多くの問題を解決する必要があります。例えば、必要な推力が異なれば、燃焼室に送り込まれる燃料の流量も異なり、燃焼室内の圧力も異なります。このとき、燃焼室内に燃料を噴射するノズルは、燃料流量と燃焼室圧力に合わせて調整する必要があり、そうでないと不安定な燃焼が発生する可能性があります。さらに、ターボポンプや推力調整器などの機構の調整も正確である必要があり、推力室とノズルの設計も、異なる推力下での燃焼条件に適応できなければなりません。これらは推力制御の技術的な難しさです。

さらに、着陸機構も重要な技術です。ファルコン 9 の着陸機構は、3 本の折りたたみ式脚です。このような脚で着陸する場合、姿勢の精度は比較的高くなければならず、着陸はできるだけ穏やかでなければなりません。折りたたみ機構は、離着陸の過程で空気力学、高温、振動によって損傷を受けてはなりません。これもまた挑戦です。そのため、エンジニアたちは足で地面に立つことに加えて、他の解決策も使い始めています。たとえば、SpaceX の Starship システムでは、ソーセージを箸でつかむのと同じように、2 本の回復アームを使用してロケットのグリッド ラダーをサポートする予定です。我が国の再使用型ロケット計画では、回収時にロケットを支えるロープを４本使うことも検討されている。このような解決策により、ロケットの可動部品の数を減らし、信頼性を高めることができます。また、回復および拘束機構によりロケットの衝撃が緩和され、減速されるため、着陸時の推力制御の必要性も軽減されます。

ロケットの使用がより便利になる

現時点では、SpaceX の Falcon ロケットによって宇宙旅行のコストは確かに大幅に削減されたようですが、同社の目標はそれをはるかに超えています。彼らは、ロケットの使用を飛行機の使用と同じくらい便利にし、着陸、燃料補給、そして飛行を継続できるようにしたいと考えています。現在のファルコンロケットは、回収後に改修と洗浄のために工場に入る必要がある。大きな理由の一つは、このロケットが使用する液化酸素灯油エンジンが、車を運転しているときに見られる炭素堆積物に似たコーキングを生成するため、打ち上げのたびに清掃する必要があることだ。清掃を容易にし、エンジン構造を簡素化するために、エンジンの循環方式は比較的原始的で非効率的なオープンサイクルを採用しています。

ロケットを次の打ち上げまでの間に工場で分解、洗浄、修理する必要がなくなるように、人々は液体酸素メタンエンジンに注目してきました。このタイプのエンジンはコークスを発生せず、回収後すぐに使用できます。そのため、このタイプのロケットエンジンはSpaceXのスターシップとそのブースターに使用されており、クローズドサイクルによって効率が向上しています。さらに、我が国のブルーアロー社やその他の企業も液体酸素エンジンやメタンエンジンの研究を行っています。ブルーアローは、このエンジンを使用してペイロードを低地球軌道に送った世界初のチームでもあります。このことから、このタイプのエンジンが将来の宇宙飛行士にとって主要な選択肢の 1 つになる可能性があることがわかります。

人類の航空の歴史を振り返ると、よろめきながらの離陸から、世界中の一般の人々にサービスを提供する旅客機に至るまで、わずか数十年しかかかりませんでした。将来、技術が成熟し、コストが下がるにつれて、航空宇宙技術はより多くの一般の人々の生活に入り込み、変化をもたらすことは間違いありません。殺人悪魔から恒星間列車まで、人類の先進技術はしばしば殺人から始まりますが、より多くの人々に利益をもたらすことができて初めて本当の意味を持つのです。

そうは言っても、私たちの「空の矢」シリーズは終わりを迎えました。この6つのエピソードを通して、星の海を探索する基本原理をマスターしていただければ幸いです。私はGou Shengです。ハードコアで興味深い航空宇宙の知識をお届けします。私に「いいね！」してフォローするだけで、授業抜け出しが終わります。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者 |梁一塵（ゴウ・シェン先生）西安航空大学講師

レビュー |中国科学院国家宇宙科学センター研究員 周炳紅

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