9メートル高跳びテストをクリアしたあと、この「ガスタンク」の由来は何でしょうか？

最近、アメリカン・ストック社は再使用型ロケットの上段のジャンプ試験に成功した。 15秒間の飛行試験中、ロケットの第2段試作機「ホッパー2」は約9メートルの高さまで上昇し、発射台から4.5メートルの地点に着陸した。では、ジャンプテストとは何でしょうか?このロケットはどのような斬新なデザインを採用しているのでしょうか?今後の見通しはどうなるのでしょうか？

ジャンプテストを過小評価してはいけない

ジャンプテストは垂直離着陸テストであり、上昇中および下降中にロケットを制御し、軟着陸する能力を実証することを目的としています。これは、特にストッカーがロケットの第 2 段プロトタイプ用に開発した新しい分散型スラスタ システムにとって、非常に難しい誘導、ナビゲーション、制御の問題です。

ロケット第2段試作機が打ち上げられる瞬間

ジャンプテストの重要性は大きい。 100メートルおよび1キロメートルレベルの垂直回復飛行試験では、エンジンの状態が地上試験時と異なることを確認し、実際の飛行環境におけるエンジンの安定性を評価することができます。ジャンプテストはより本物であり、エンジニアリング開発において実用的な評価意義を持っています。

同時に、ジャンプテストでは横方向誘導アルゴリズムの検証も行えます。テスト中に横方向誘導アルゴリズムを追加し、目標点の座標を事前にバインドし、搭載コンピューターを通じて計算と計画を行い、横方向誘導指示を出し、ロケットを目標座標まで横方向に移動するように誘導し、ロケットのオフサイト帰還回収技術の検証を行います。これにより、将来、さまざまな場所での軌道ロケットの回収と再利用、さらには大陸間旅行のための予備的な技術検証が可能になります。

また、今回のジャンプ試験では、ロケットの垂直回収時のロケット本体の空力問題や、熱・振動環境への長期適応性、エンジンの長期・広範囲可変推力作動能力、再利用可能なロケット本体構造と着陸緩衝装置、横方向誘導および姿勢制御能力などの主要な中核技術をさらに検証し、その後の研究を行うための強固な基礎を築くことができます。

垂直離着陸技術路線は今や絶対的な主流となっている。現在、世界では研究・サービス・概念設計段階にある再使用型宇宙打ち上げシステムが28種類あり、そのうち垂直離着陸型が19種類で全体の68％を占めている。現在、Stock は資金調達からジャンプ テスト技術の実証までを最も迅速に実行している企業です。同社は、完全に再利用可能なロケット上段試作機の試験飛行を世界で2番目に実施した企業となり、また、液体水素および液体酸素ロケットエンジンの試験飛行を米国で3番目に実施した企業となった。このテストは、ストックホルムにとって完全に再利用可能な打ち上げロケットの開発に向けた重要な一歩となる。

斬新なデザインで完全に再利用可能なロケットを実現

周知のとおり、SpaceX はファルコン 9 ロケットの垂直離着陸技術を使用して、ロケットの第 1 段の打ち上げと回収を実証しており、ストック氏は完全に再利用可能なロケットの構築を革新的に提案しています。同社はロケットの第2段については主に3つの斬新な設計を提案した。

1つは、まったく新しいスラスター設計です。従来のロケットの第2段は一般的に単発エンジン構造を採用しており、エンジンには大きなベル型のノズルが付いています。その構造の目的は、真空中のエンジン排気の流れを最適化することです。しかし、この構造設計の欠点は、延長されたノズルが非常に壊れやすいことが多く、ロケットが再突入するときにエンジンノズルを保護するのが非常に困難になることです。ストッカーは推進システムとして 30 個の小型スラスターのリングを使用します。真空中では、これらのノズルからの噴流が一体となって機能し、ロケットの再突入時に部分的なスラスタ点火を行うことでノズルを保護しやすくなり、構造設計により垂直着陸のニーズをよりよく満たすことができます。

2つ目は、ヒートシールドの再生冷却を試すことです。ロケットの第2段階の再突入中は、宇宙船全体を過熱した大気の影響から保護する必要があります。この問題に対して、ストック氏は「再生冷却式のヒートシールドを試すのが最も理にかなっている」と述べた。ロケットが再突入する際、機体の延性金属の外層には小さな空洞が設けられ、推進剤が通過して冷却状態を保つことができる。ロケットの第 2 段は、再突入時に再生冷却熱シールドを使用するカプセルのように機能します。

3つ目は、新型の第1段ロケットエンジンです。ストック氏は、技術者らがロケットの第1段用にフルフローの段階燃焼ロケットエンジンの研究開発を開始しており、そのうち7基がブースターに動力を供給すると述べた。現在、これらのエンジンのコンポーネントテストが進行中です。

しかし、第一段階の再利用と回収とは異なり、ストックの完全再利用可能ロケットの開発には、まだ長い道のりが残っている。現在、開発作業においては依然として一連の技術的な困難が残っています。

1つ目は、第2段ロケットエンジンが大気環境と真空環境の両方で正常に動作できるようにすることです。このロケットの2段では同じタイプの液体水素エンジンと液体酸素エンジンが使用されますが、第2段ロケットは打ち上げ段階では真空中で作動し、帰還段階では逆推力のために大気中で作動します。これら2つの異なる環境でノズルが動作する場合、ロケットエンジンの面積比（ノズル出口とスロート面積の比）が異なるため、両方の環境でエンジンが正常に使用できるようにする必要があります。

2つ目は、ロケットが帰還する際に膨大な運動エネルギーを消費することです。第2段ロケットがペイロードを軌道に乗せた後、ペイロードは最初の宇宙速度で地球に帰還します。これほど大きな運動エネルギーを消費して、数トンもの精密機器をいかにして減速し安全に着陸させるかは、技術的な課題です。ストック社は、第2段ロケットの回収に弾道再突入と動力着陸を利用する計画だが、この方法では十分な燃料を搭載する必要があり、第2段ロケットのサイズと質量が増大してロケットの積載能力に影響するため、実現可能性はまだ実証されていない。

3 つ目は、繰り返し使用する場合のフェアリングの密閉性をどのように確保するかです。第 2 段ロケットとフェアリングが大気圏に再突入すると、激しい空力加熱が発生します。ロケットの第 2 段の密閉に問題がある場合、再突入時の高温がロケットに極めて大きな破壊力を与えるため、ロケットを保護するために優れた熱保護層が必要になります。フェアリングの継ぎ目の密閉を確実にし、繰り返し使用できるようにする方法は、ストークがさらに解決する必要がある問題です。

ロケットの第2段試作機の離陸を別の角度から見る

商業宇宙飛行における強力な競争相手

ストック氏の目標は、最大7トンの貨物を低軌道に運ぶことができ、24時間で納品できる100％再利用可能なロケットを設計・製造することだ。このロケットは2025年に最初の試験飛行を行う予定だ。

ストッカーが開発したロケットは2段に分かれている。第1段ロケットの回収はファルコン9ロケットと同様です。第2段ロケットはフェアリングに接続されています。軌道に入った後、フェアリングは花びらのように広がり、荷重を解放します。閉鎖後、ロケット逆推力により第2段ロケットとともに着陸し、ロケット全体を再利用可能とする。

再利用可能なシステムは必然的に複雑になり、1回限りの打ち上げと比較すると、再突入減速のニーズを満たすためにより多くの燃料を搭載する必要があり、それが積載量に影響を及ぼします。しかし、この技術が成熟すれば、ストックウェルはロケットの第1段、第2段、フェアリングの完全な再利用を実現し、打ち上げ頻度を1日1回に増やすことができるだろう。低軌道またはさらに遠くでの再利用可能なロケット打ち上げサービスを提供できるようになり、打ち上げコストが削減され、打ち上げ回転サイクルが短縮されます。

将来の商用ロケットは、打ち上げ頻度を増やし、打ち上げコストを削減する必要がある。世界中で商業用再使用ロケットに対する大きな需要が予測されます。 SpaceX の Falcon 9 ロケットは、現在、大規模な実際のエンジニアリングを通じて検証された唯一の成功した、成熟した、再利用可能なロケットです。累計200回以上も復旧に成功しています。打ち上げデータから判断すると、再利用可能なロケットは莫大な経済的利益をもたらす可能性がある。

SpaceXは現在、ロケットの第1段ブースターとフェアリングをリサイクルして再利用できるようになった。マスク氏自身によると、ファルコン9ロケットの再利用率は80％に達したという。つまり、打ち上げ時には、第 1 段ロケットのメンテナンス、第 2 段ロケットの製造、および燃料のコストのみを費やす必要があり、コストが直接的に 70% 削減されます。

ストック氏が建造を計画している完全に再利用可能なロケットの場合、コストには定期的なメンテナンスと燃料消費のみが含まれる。このロケットは、ペイロードを軌道に乗せるコストをさらに削減し、宇宙輸送産業における強力な推進者および競争相手となる可能性があります。 （著者：張天良、王昭雷、画像提供：ストーク、レビュー専門家：中国航天科学技術集団科学技術委員会副委員長、江凡）