ロケットの上段とは何ですか？ロケットの上にあるんですか？ 「スペースシャトル」について詳しくはここをクリックしてください

ロケットの上段はよく耳にする装置です。上段の主な作業位置はカルマン線より上の宇宙空間ですが、その任務は宇宙応用ではなく、人工衛星やその他の宇宙船を所定の作業軌道に送ることです。そのため、多くの上段はロケットの段のようには見えませんが、そのような製品は今でもロケット製造部門によって開発され、使用されています。

ロケットの上段は大きなカテゴリのように聞こえますが、形やサイズはさまざまです。ロケットの段階のように見えるものもあれば、ノズルの付いた丸いケーキのように見えるものもあります。数階建てほどの高さのものもあれば、人間の体と同じくらいの大きさのものもあります。その特徴は何ですか？

ケンタウルス上段はロケット段に似ています。

ロケットの上段は何に使われますか？

上段の目的は、主に基本段機体、すなわち打ち上げロケットの性能とミッション適応性を向上させることです。従来の打ち上げ方式と比較して、基本段ロケット＋上段ロケットの複合打ち上げ方式を採用しています。まず上段と衛星が一緒に低軌道に送られ、その後ロケットが分離されます。上段は衛星を中軌道や高軌道の作業軌道、またはその他の軌道に送り、これにより搬送ロケットの飛行プロセスが簡素化され、地上での測定と制御の負担が軽減されます。

エレクトロンロケットの上段が第2段から分離

恒星間探査活動では、探査機や宇宙船を地球軌道から恒星間軌道に移動させるために上段も必要です。アポロ計画では、月着陸船は大型の上段ロケットを使って月周回軌道に送り込まれました。

ロシアはフレガート上段と火星探査車の合体モデルを展示

上段を使用することで、ロケットの能力を最大限に活用し、主衛星に加えていくつかの補助ペイロードや小型衛星を運ぶこともできます。これは特に大型および中型の打ち上げロケットにとって重要です。上段の使用により、1つのロケットで複数の衛星を打ち上げることが容易になり、打ち上げ効率が効果的に向上し、打ち上げ回数が削減されます。打ち上げ活動がますます頻繁になり、打ち上げ場が高集中率で稼働している今日では、これは非常に価値があります。上段自体にも宇宙技術試験機器を搭載でき、その価値を十分に発揮できる。

上段と打ち上げロケットの違いは何ですか？

上段は基本的に、完全な電力、誘導、航行および制御、熱制御、測定および制御、構造システムを含む完全な宇宙打ち上げロケットです。上段の主な飛行環境は、打ち上げロケットとは異なり、地球の上層大気と宇宙空間です。外には基本的に大気圧はないが、放射線環境は比較的厳しい。このような環境では、上段サブシステムと打ち上げロケットの設計上の特徴が異なることが決定されます。

上段エンジンは、最適な真空膨張比を持つ低圧燃焼室とノズルを使用できます。上段は一般的に、地球トランスファー軌道や惑星間トランスファー軌道などの軌道投入ミッションを完了するために使用されるため、その稼働時間は数時間から数日程度になる場合があります。一部の上段ロケットは、衛星の寿命全体にわたる軌道操作を可能にするために長期間衛星に接続する必要があり、数か月間の飛行が必要になる場合があります。

これによって推進システムの燃料選択が決まります。短時間稼働する上段では極低温燃料と固体燃料を使用することができます。たとえば、セントールは液体水素エキスパンダーサイクルエンジンを使用し、アリアン 5ECA の HM7B 上段はガスジェネレーター駆動ターボポンプを使用します。固体燃料上段エンジンは、中国が開発したEPKM上段やCZ-2C/FP上段など、最も単純な構造をしています。

長時間上段エンジンは、古典的なアジェナやデルタ-K、アリアン5ESの第2段などのハイパーゴリック推進剤を使用します。これらはすべて、UDMHと硝酸の組み合わせを使用します。高圧ガスで燃料を直接供給することで、ターボポンプを必要とせずにエンジンの燃焼要件を満たすことができます。これにより、燃料供給システムの設計思想も大きく異なることがわかります。

博物館に展示されているアジェナBの上段

固体燃料の上段を除き、他のすべては軌道上での停止と再起動を考慮する必要があります。軌道上で長期間にわたって燃料を供給し続けるためには、推進剤の管理と燃料供給という課題があり、また推進剤にガスが混入するのを防ぐという課題も解決する必要があります。また、宇宙空間の温度環境は大気圏よりも厳しく、深冷宇宙背景、太陽放射、地球の赤外線放射、地球の反射などの要因を考慮する必要があります。エンジン作動時のエンジン自体の煙や熱放射、および停止後の熱の逆浸透は、エンジン自体と燃料供給システムに複雑な影響を及ぼすため、エンジンの主要部品には温度制御に関する厳しい要件が課せられます。

安定性が増す方が良いのか、それとも機動性が増す方が良いのか?

上段の姿勢制御には、姿勢安定化と姿勢操縦の 2 つの側面が含まれます。前者は既存の姿勢を維持するプロセスであり、後者は方向転換のプロセスです。いくつかの上段ではスピン安定化制御方式が使用されていますが、現在ではほとんどの段で 3 軸安定化が使用されています。国内の学者の研究によれば、上段姿勢制御の設計では以下の4つの要素を考慮する必要がある。 1 つ目は、最小限の推進剤消費と最短の制御時間の間でバランスを取り、最適なオプションを選択することです。 2つ目は姿勢制御スラスタのレイアウトと最適化です。それらは多すぎても少なすぎてもいけませんし、正確な制御と簡素化された構造の両方を確保する必要があります。 3つ目は自己修復技術です。スラスタまたは部品が故障した場合でも、他のスラスタの調整により飛行ミッションを継続できます。 4 番目の要因は、複数の衛星を軌道に投入することに関係しています。一部の衛星を分離した後は、上段と残りの衛星の質量分布特性が変化するため、姿勢制御モードを再確立する必要があります。これは、小型衛星が普及している今日では特に重要です。

上段は一般的に空力形状を考慮する必要がないため、ロシアのフレガート号と中国のエクスペディションシリーズの上段にはフェアリングがありません。しかし、一部の大型の上段はロケットの上部に設置する必要があり、外殻を露出させて大気圏全体を通過するため、ロケットの段と同じように見える長い円筒形の外面も使用されます。

フレゲート上段ステージがワンウェブ衛星を打ち上げる

現在までに人類は20種類以上の上段を開発してきましたが、実際に使われているのは10種類程度です。複数衛星の打ち上げ方式が標準化され、特に衛星群の構築規模が大きくなり、種類が増えるにつれて、上段ステージは将来の宇宙打ち上げ活動においてより大きな役割を果たすことになるでしょう。

今日のロケットの上段は、複数の恒星や異なる軌道への宇宙輸送ミッションを担っています。将来的には、上段が別の新しい概念の宇宙船、つまり宇宙タグボートに進化する可能性があります。

現在、中国は上段開発技術を完全に習得し、飛行に成功している。恒星間探査、有人宇宙飛行、商業宇宙飛行のさらなる発展に伴い、上段は大型と小型の2つの方向に発展する可能性があります。大型上段ロケットは恒星間探査機や大型有人宇宙飛行施設の打ち上げに使用され、小型上段ロケットは小型衛星の打ち上げや衛星群の展開に使用される。これは商業宇宙飛行のための主要な打ち上げロケットの一つとなるでしょう。