失敗＋遅延、ヨーロッパの打ち上げロケットはどこへ行くのか？

最近、ESAはベガCロケットVV22の打ち上げ失敗の原因を発表し、ウクライナ製のノズルスロートアセンブリが原因であると非難した。品質管理がこれほど不十分で、ESAの会長がアリアネ6号は2023年末までに打ち上げられないだろうと示唆している状況で、ヨーロッパの打ち上げロケットの衰退は熟考する価値がある。なぜヨーロッパの打ち上げロケットはここまで退行してしまったのだろうか？

ベガCロケット2回目の飛行「星は海に沈む」

ベガの3度目の敗北

2019年と2020年にESAのベガロケットが相次いで失敗したことで、ヨーロッパの10年以上続いた宇宙での連続成功記録は破られた。 VV15の失敗は老舗保険会社が航空宇宙保険業界から撤退する直接的な原因となり、第4段ロケットケーブルの逆挿入によるVV17打ち上げ失敗も信じがたいものだった。さらに、2018年のアリアン5号打ち上げプログラムのバインディングエラーにより、衛星を計画された軌道に送ることができなかった。わずか3年間で3件の事故が起きたことにより、ESAの信頼性に疑問が生じるのは避けられません。当時、アリアネ6号とベガCロケットは2020年末の初飛行を目指していたが、これは単なる希望的観測に過ぎなかったことが判明した。

ベガCロケットVV21が初飛行に成功したのは2022年7月のことでした。しかし、そのわずか数か月後の2022年12月、ベガCロケットが2回目の飛行を行い、VV22ロケットが2機の高解像度画像衛星プレアデスNEOを打ち上げた際、ロケットは正常に打ち上げられたものの、第2段飛行中に重大な故障に見舞われた。 2つの衛星は高度110キロメートルにしか到達せず、最終的には大西洋に落下した。

ベガCの主導団体であるESAは、6か月間の調査を経て、この問題はウクライナのカーボンファイバー製ノズルスロートライニングが原因だったと発表した。ロケットの飛行中に欠陥のあるスロートライニングが焼け落ち、飛行姿勢が制御不能となり、打ち上げは失敗した。ウクライナはこの結論を強く否定し、自国製品に問題はなかったと主張した。 ESAは、ウクライナ製品に代わる新素材の開発には時間がかかることから、ベガCロケットの再開は2024年に延期され、飛行再開のペイロードも極めて重要なセンチネル1C合成開口レーダー衛星になるとしている。 ESA はまだ 2 基の Vega ロケットを在庫しています。ベガVV23ロケットは、ESAの残り少ない宇宙打ち上げ活動をなんとか維持するために、2023年夏の終わりに打ち上げられる予定です。

ESA は、「独立」という評判を維持するために、ファルコン 9 を使用して Sentinel-1C 衛星を事前に打ち上げることさえ望んでおらず (Sentinel-1A は故障のため退役しており、1C は非常に緊急であった)、代わりに衛星を Vega C ロケットで打ち上げることを要求した。これは非常に危険な行動です。では、なぜヨーロッパはそのような行動を取っているのでしょうか?

中断の状況

ロシアとウクライナの間で紛争が続いているため、ESAはロシア製のソユーズSTロケットの使用継続を拒否し、押収した。ユークリッド探査望遠鏡は宇宙に打ち上げることはできず、2023年7月にファルコン9ロケットで打ち上げられることが決定した。ワンウェブの衛星も新たな打ち上げサービスプロバイダーを探す必要に迫られ、ファルコン9とインドのロケットで複数のバッチが打ち上げられた。

アリアン6ロケット、初のフルロケットリハーサル打ち上げ

より重要な大型ロケットであるアリアン6の初飛行は2024年に延期された。最後のアリアン5ECA+ロケットの打ち上げは2023年6月21日に予定されている。2023年6月から9月まで、ヨーロッパでは利用できるロケットがなくなる。 9月から年末までは、ほぼ引退したベガロケットのみが打ち上げに使用できる。したがって、近い将来、ヨーロッパは宇宙へ進出するために自国の打ち上げロケットに頼ることはほとんどできなくなるだろう。

現在、ESAは、退役間近の大型ロケット「アリアン5ECA+」と、まだ初飛行を行っていない「アリアン6」を含む4つのロケットを開発中および運用中である。また、現在故障対応中の小型ロケット「ベガC」や調達を中止した中型ロケット「ソユーズST」も対象となります。これらの打ち上げロケットは、2 トンから 20 トンまでの積載能力の段階的な範囲を形成します。アリアン6号は当初2020年に初打ち上げが予定されており、初期の打ち上げで徐々に信頼性と評判を積み重ねていく計画だ。アリアン5ECA+ロケットは2022年から2023年に退役しますが、予期せぬ事態が起きなければ10回の打ち上げ成功記録を持つことになり、前世代のロケットに完全に取って代わり、商業および政府の打ち上げサービスに投入されることになります。しかし、計画は常に変化に追いつくことができません。

2016年、アメリカの民間航空宇宙企業SpaceXは海上で小型ロケットの回収に成功した。その後数年間、同社は低コストと高い履行能力を武器に世界の商業宇宙打ち上げ市場を席巻し、市場の商業打ち上げサービスの約80％を獲得しました。 2020年、新型コロナウイルス感染症のパンデミックが世界を席巻し、各国の宇宙打ち上げに大きな影響を及ぼした。 「アリアン6号」は、まずスタッフの感染者が多数出たことで進捗が遅れ、その後、打ち上げ場も閉鎖された。しかし、時間が経つにつれて、「アリアン6」の遅延の理由はますます不可解になり、何の理由もなく2023年第1四半期から2024年へと延期されることさえありました。

これまでのところ、アリアン6号は模擬矢訓練を完了しているものの、第1段および第2段ロケットはフルモジュールの静的点火試験を完了していない。完成度は想像を絶するほど低く、10年近く開発が続けられたロケットとは思えない。もちろん、遅れているのは進歩だけではありません。当初の目標は空論と化しています。

高い研究開発費

これまでアリアン6号の開発にどれだけの資金が費やされてきたかを推測してみましょう。 10億？ 20億？ ESAが低コストと謳う打ち上げロケットですが、開発価格はいくらですか？

答えは40億ユーロ、約300億人民元に相当します。前身のアリアン5MEを含めると50億ユーロを超える可能性がある。ベガ小型固体ロケットの開発費は7億1000万ユーロ、その第1段P80固体ロケットの開発費は7600万ユーロである。アリアン6ブースターおよびベガCロケットの第1段として機能するゼネラルパワー固体ロケットP120Cの研究開発費は10億ユーロで、P80の13倍に相当します。

P120C固体ロケットが最終組立棟へ輸送される

アリアン6号が宣伝していた低コストを覚えていますか? 62 構成では 1 回の打ち上げにつき 7,500 万ドル、64 構成では 1 回の打ち上げにつき 9,000 万ドルの費用がかかります。これはアリアネ 5ECA+ ロケットの半分の価格です。しかし、この価格を実現するには、ロケットが年間6回の政府ペイロード打ち上げ+3回の商業打ち上げの頻度に達する必要があり、政府からの補助金によってのみ価格をこのレベルまで下げることができます。 ESAは当初、アリアン6号が2040年から2045年までこの頻度かそれ以上の頻度で打ち上げを続け、約200回打ち上げられると予想していた。

しかし、現時点で「アリアン6号」が強力な競争相手に打ち負かされ、いわゆる退役予定年や打ち上げ頻度などはすべて空中楼閣と化していることは明らかだ。 2023年3月23日、ESA理事会は、世界の商業打ち上げ市場におけるヨーロッパのシェアが10年前の約50％から現在では「ほぼ市場から撤退」するまで低下していると指摘した。現在、アリアン6号の打ち上げ注文は30件しか確定しておらず、そのうちの6分の1だけが従来の商業打ち上げサービスによるものである。残りはすべて政府の仕事です。結局、自国のロケットを使うことがどんなに困難であっても、独立性を確保しなければなりません。さまざまな特許障壁を利用してアリアン6号への移管を強行し、この30件の注文を維持することに成功したのは、伝統的な欧州の衛星製造業者と政府であった。現在の注文数に基づくと、アリアン6号の打ち上げ頻度は年間1～3回程度に維持されると推定される。比較すると、ファルコン9は今年100発の打ち上げが予定されている。

保守主義のコスト

欧州が本当により強力な輸送能力を望んでいたのであれば、2000年にアリアン5MEロケットをさらに開発し、より低コストのプロセスを開発し、HM-60A水素酸素エンジンを簡素化するなどしてコストを削減すべきだった。しかし実際には、「アリアン5ECA」はそれ以降大きな変更はなく、完全に古い評判に依存している。ヨーロッパには極めて優れた発射場があるため、フランス領ギアナのクールーにある宇宙発射場は北緯 4 度に位置しています。ここから静止軌道に打ち上げると、推進剤を20%節約できるため、衛星の複雑さを効果的に軽減できます。そのため、衛星ユーザーの中には、安価だが問題が起きやすい打ち上げロケットよりも、比較的高価なヨーロッパの打ち上げロケットを選択する人もいます。

そして、ESA は技術の進歩や市場を気にしていないようです。 2010年代初頭、ESAは常に雇用と投資の増加を考えており、市場開発、危機認識、コスト削減、効率改善にはあまり注意を払っていませんでした。 2019年から2020年にかけても、ESAの官僚たちはファルコン9の打ち上げ効率に依然として疑問を抱いており、報告書では、ファルコン9が米国政府からの巨額の補助金と投資の助けを借りて、どのようにしてそのような効率を達成したかについて語っていた。また、欧州では商業受注が多いものの、その多くは現地の企業サービスや政府打ち上げサービスによるものであり、一定程度の国内循環が残っている。米国、ロシア、その他の国々の打ち上げサービス提供者間の内部競争とは異なり、アリアンはヨーロッパで唯一の有力なプレーヤーである。ヨーロッパでは、各容量範囲に打ち上げロケットが 1 台しか存在しないのは、回転する力がないためです。したがって、品質管理が崩壊し、より効率的な打ち上げサービスが登場すると、一連の出来事が発生します。

ESA の主な液体ロケット技術はフランスとドイツから、固体ロケット技術はイタリアから来ています。ドイツは長年、さまざまな純液体ロケット計画を推進してきたが、イタリアなどの加盟国に作業負荷を配分するためには固体ブースターは避けられない。フランスはドイツの影響力をバランスさせるために、複雑な構成と長い生産チェーンを備えた設計をサポートしています。これが、アリアン6の初期に登場したさまざまな純粋な固体ストラップオン離陸方式の起源です。ESA自体にも内部対立があります。複数の国の力とリソースの割り当てと抑制と均衡により、構成設計は最適なレベルに到達できませんでした。同時に、各国は互いに牽制し合っているものの、新興の民間宇宙産業にESAが提供する資金はわずか数千万ユーロと非常に少ない。これは、ヨーロッパに民間の軌道級ロケットがまだ存在しない理由でもあります。

アリアン6ロケットの全固体ロケット打ち上げ段階の画像

近年、欧州のロケット開発が停滞しているのはなぜでしょうか？一部の政府が宇宙打ち上げの「独立性」を要求し、コストがいくらかかっても自国の軌道輸送能力を確保する必要性から、ESAは政府に「適切な延期」を通じてプロジェクトを進めるための補助金を要請した。 P120Cの開発コストを見ると、10億ユーロのうち実際にどれだけの額がプロジェクトに投入されたのかを判断するのは難しいことがわかる。 ESA はケープカナベラルと同じ 1,800 m/s の静止トランスファー軌道打ち上げサービスを推進し始め、その中核となる競争上の優位性を完全に捨て去った。問題は、クールーの軌道が遠地点高度 23,200 キロメートルの亜同期トランスファー軌道であるということだ。もし本当にアリアン6号がそのような軌道に到達するために使用されるのであれば、ファルコン9のような安価で強力かつ時間厳守のロケットを使用する方が良いでしょう。

実際、ロシアが本当に競争力を高めたいのであれば、アリアン5ECA+の建造を継続し、ミサイルを100発製造し、各ミサイルに40億ユーロの研究開発費を配分し、4000万ユーロの補助金を出すこともできる。これらの商業的競争力はファルコン9よりも強力となるだろう。アリアン6プロジェクトに多額の資金を投資するコストは、2つの主力宇宙観測所であるユークリッドとアテナへの総資金がわずか10億ユーロ程度であることだ。

不本意と譲歩

ルートについて議論する前に、まずアリアン6号が期待に応えたかどうかを理解することが重要です。

一つ目は、ここ数年欧州から高い評価を得ているアリアン6号の第2段に搭載されたAPUタービン発電機ユニットです。この装置は、第2段から蒸発した水素と酸素を使用してタービンを燃焼・駆動し、発電してロケットの上段が6時間滑空できるようにします。アリアン6 64構成では、約5トンのペイロードを静止軌道に送ることができると予想されています。しかし、ガスタービン発電機の性能は期待に応えられませんでした。 2022年の国際宇宙会議では、ASTRIS常温上段の登場により、アリアン6の極低温段の静止軌道への直接配送能力が削除され、第2段の長距離滑空能力も1.5時間、つまり1周に圧縮されたことが完全に確認されました。

アリアン6号の第2段階の性能は期待を大きく下回った。当初、ESAはロケット全体に5.4メートルの一般的な直径を使用しようとしたが、そうすると第2段の液体酸素タンクが「パンケーキ」状になり、構造係数が悪くなり、推進剤の管理が困難になる。最終的に、液体酸素タンクの直径を縮小することで第2段の直径は縮小されましたが、外殻は保持されたため、第2段の質量が急増しました。アリアン6の質量は860トンにまで増加したが、その積載量は依然としてアリアン5ECA+ロケットと同等である。そのため、アリアン6は、政府のペイロードや従来の商業ペイロード打ち上げサービスにおいてアリアン5ロケットに比べて大きな優位性はなく、直接配送能力がないため、ファルコン・ヘビーやバルカンなどの再利用能力を備えた新しい打ち上げロケットとの競争がより困難になります。

ファルコン9ロケットの再利用によってもたらされた低コストの影響を受けて、欧州宇宙機関も近年、再利用可能な打ち上げロケットの研究を開始した。 100トンの液体酸素メタンエンジン「プロメテウス」の使用を含む、再利用可能な「次世代アリアン」打ち上げロケットのコンセプトが提案された。次世代のアリアンロケットの目標は、アリアン6の打ち上げコストをさらに半分に削減し、1回の打ち上げコストを3,500万ユーロ以下に抑え、年間17回以上、最大25回の打ち上げを実現することです。 「次世代アリアン」ロケットの9回打ち上げ計画の質量は790トンに達するが、静止トランスファー軌道への1回の運搬能力はわずか6.6トン、再使用後の運搬能力は4.5トンである。その運搬効率は「ファルコン9」ロケットとは大きく異なる。しかも、そのデザインは完成には程遠く、大まかな計画すら存在しない。

アリアン6号は初飛行前に時代遅れになっているが、ESAは30年以上使用されてきた水素酸素離陸段階を放棄するつもりはない。そこでESAは2022年に、3基の「プロメテウス」を使った「液体再利用可能ブースター」にP120C固体ロケットブースターを交換するメタンブースター再利用計画を提案した。各ブースターは3基のプロメテウスエンジンを使用しますが、3基のエンジンモジュールの回復にはエンジンの推力対重量比が極めて高くなければならず、特にインジェクターの設計要件は高くなります。ヨーロッパにそのようなエンジンを開発する能力があるかどうかはまだ分からない。さらに、一度に4つのモジュールを打ち上げ、回収することで地上での作業手順が複雑になり、打ち上げごとの負担がさらに増大します。回収不可能な水素酸素コアステージは言うまでもなく、その費用対効果はファルコン 9 よりもはるかに低いことは間違いありません。再利用の費用対効果がコストよりも低くなる可能性さえあります。

欧州の宇宙産業は過去10年間で著しいペースで衰退しており、ベガCの失敗とアリアン6の継続的な遅延は欧州の宇宙産業の衰退の縮図となっている。これは、技術のアップデートと相互競争が必要であることを警告しています。従来の技術を盲目的に使用し、内部サイクルに頼って自らを麻痺させれば、いつかはより効率的な競争相手に追い抜かれてしまうでしょう。 （著者：張 陳）

この記事はもともとSpace Exploration誌2023年第5号に掲載されたものです。

出典: スペース・エクスプロレーション・マガジン