300トンの地上近くへの配達？宇宙開発の時代において、将来ロケットの容量はどのくらい大きくなるのでしょうか？

最近、米スペースXのイーロン・マスクCEOは、「スターシップ」は非回復モードを採用し、低軌道容量は300トンに達すると予想されると高らかに宣言した。それで、「スターシップ」のこの驚くべき指標は信頼できるのでしょうか?現在、ロケットの能力を制限している要因は何ですか?将来のロケットの積載量はどれくらいになるのでしょうか?

300トンは空想ではない

スペースXの広報によれば、「スターシップ」は「火星の植民地化」や「人類を複数の惑星で暮らす種族にする」といった壮大なビジョンを実現するために開発された大型宇宙打ち上げ機だという。直径9メートル、高さ約119メートル、総離陸重量は約5,000トンです。今年4月20日に初の飛行試験を実施したが、残念ながら失敗に終わった。

スターシップが点火し離陸

現在、スターシップの2段には合計39基の液体酸素メタンエンジンが使用されており、離陸時の総推力は約7,600トンです。低軌道容量は、非回収モードで250トン、2段階回収・再利用モードで150トンに達すると予想されています。マスク氏が「スターシップ」の地球近傍軌道積載量が300トンに達し、指標を一気に20％引き上げると自信たっぷりに宣言した理由は、エンジンを含むロケットシステム全体の改良とアップグレードにある。

SpaceXにとって、ロケットの容量を20％以上増加させることは、現在人気のファルコン9ロケットの開発履歴からもわかるように、すでに前例となっている。ファルコン 9 ロケット V1.0 バージョンは、低軌道容量 10.5 トンで、2010 年に初飛行に成功しました。その後、低軌道搭載量13.1トンのV1.1バージョンと、低軌道搭載量17.95トンのV1.2バージョンが順次打ち上げられた。現在頻繁に打ち上げられているブロック5バージョンは、低軌道容量が22.8トンあり、現在も継続的な改良と「潜在能力の活用」が行われている。各バージョンの容量が以前のバージョンと比較して 20% 以上増加していることは容易にわかります。

技術と製品の迅速な反復と継続的な改善は、SpaceX の「日常」であると言えます。これは、頻繁に打ち上げられているファルコン9ロケットの場合も同様であり、まだ開発段階にある「スターシップ」の場合も同様である。実は、「スターシップ」は2016年に発表されたビッグ・ファルコン・ロケットから生まれたものです。国際宇宙会議以来、7年間で10回以上のプログラム反復を経て、その中核コンポーネントは継続的に改良・アップグレードされてきました。

ラプターエンジンを例に挙げてみましょう。 2012年に開発が始まって以来、第3世代まで進化し、今年5月13日に静的着火試験を実施した。その推力は269トンにも達した。スターシップの初飛行に使用された第2世代ラプターエンジンの推力は230トンです。明らかに、第 3 世代の Raptor エンジンは、Starship の積載量の向上を強力にサポートします。

マスク氏は、第3世代ラプターエンジンをベースに、「スターシップ」の第2段を10メートル長くし、真空版ラプターエンジンの数を3基から6基に増やすことを明らかにした。その時点で、「スターシップ」延長版の全高は現在の119メートルから129メートルに増加し、総離陸重量は6,000トンを超えると予想される。

計算によれば、「スターシップ」の拡張版が総離陸重量6,000トンで低軌道容量300トンを達成できれば、運搬効率は5％にも達することになる。比較すると、米国、ロシア、欧州、日本の多くの主要ロケットの積載効率は約3.5％で、ファルコン9ロケットの積載効率は4.15％です。

Starship の積載効率指数が非常に高い理由は主に 2 つあります。まず、比推力、再利用、運用、メンテナンスなど、さまざまな側面を考慮した高性能の液体酸素メタン全流量再生サイクルエンジンを採用しています。真空比推力は380秒にも達します。さらに、第2世代のラプターエンジンは重量がわずか1.6トンで、推力質量比は150です。第二に、「スターシップ」は共通の底部タンクなどの手段によって軽量設計を実現しました。超重量級のブースター段の構造係数は約7%ですが、現在主流のロケットサブステージの構造係数は一般的に10%程度です。

「2つの大きな障害」を乗り越える

航空宇宙業界では、地球近傍軌道まで運ぶ能力が20トンのロケットを大型ロケット、100トンを超えるロケットを重ロケットと呼んでいます。大幅な容量増加を達成するには、多数の重要な技術を突破する必要があります。

公開情報によると、我が国の長征5号ロケットは、大型液体ロケットの全体最適化設計、大口径ロケット本体構造、120トン高圧再生式液体酸素灯油エンジンなど12の主要なキーテクノロジーを代表として、247以上のキーテクノロジーでブレークスルーを達成した。

長征5号ロケット

ロケットの搭載能力向上の難しさについて分析すると、最も重要なのは高推力高性能エンジンと大口径ロケット本体構造であり、これらはロケットの搭載能力向上に対する「2つの大きな障害」であると言える。

エンジンは打ち上げロケットの「心臓部」であり、その重要性は自明です。一般的に、同じ設計レベルでは、ロケットの積載量と総離陸重量が大きいほど、エンジンに必要な離陸推力が大きくなります。ロケットのサブステージが高推力を達成するには、主に 2 つの方法があります。

まず、エンジン 1 基あたりの推力が大きいため、サターン V ロケット、エネルギア ロケット、SLS ロケットのように、エンジンの数が少なくて済みます。その中で、米国の月ロケット「サターンV」の第1段には、大きな積載量を実現するために、推力690トンのF1液体酸素ケロシンエンジン5基が使用されている。最初の数回のエンジン地上テストでは、F1エンジンは不安定な燃焼のために頻繁に爆発しました。 NASA とロケットダインは、噴射ディスクの構成を改善することで不安定な燃焼の問題を解決するために多大な努力を払いました。

2つ目は、エンジンの数を増やすことで全体の推力を高めることです。これにより、単一のエンジンを開発する難しさは軽減されますが、複数のエンジンを確実に並行して使用することが重要な難しさになります。ソ連の月ロケットN1の4回の飛行試験はすべて失敗しており、複数のエンジンの統合とそれに伴う振動、燃料供給、制御などの問題を無視できないことを示している。幸いなことに、技術は常に進歩し発展しており、ファルコンシリーズのロケットは複数のエンジンを並行してエンジニアリング応用することに成功しました。

ロケット本体の直径はロケットの重要なパラメータであり、ロケットのアスペクト比を決定します。飛行負荷とロケット制御システムの難易度を軽減するために、ロケットのアスペクト比はできるだけ小さくする必要があります。つまり、ロケット本体の直径が大きいほど、パフォーマンスが向上します。さらに、ロケット本体の直径が大きいほど、より多くの推進剤を搭載でき、ロケットの積載量を拡大するためのスペースが増えます。しかし、ロケット本体の直径が大きくなると、サイズ効果（体積効果とも呼ばれ、金属特性が幾何学的サイズに与える影響）が発生し、圧力に対してより敏感になります。

同時に、軽量ロケットの需要はますます高まっています。そのため、ロケットタンク、砲弾セグメント、その他厚さがわずか数ミリの構造部品の設計、材料、加工技術に極めて高い要求が課せられます。我が国の長征5号ロケットは、直径5メートルのロケット本体構造の設計、製造、試験技術において画期的な進歩を遂げ、我が国のロケット本体の直径において飛躍的な発展を遂げたため、一般に「ファットファイブ」と呼ばれています。大型ロケットの場合、直径は10メートル以上になることが多く、製造設備や製造工程、構造物の輸送や試験など、すべてが大きな課題となります。

宇宙探査の時代は「国境なし」

宇宙時代は、1957年10月にソビエト連邦が最初の人工衛星を打ち上げたときに始まりました。 12年後、サターン5号ロケットがアポロ11号宇宙船の打ち上げに成功し、人類が初めて異星の惑星に足を踏み入れたことになる。しかし、それから50年以上が経った今でも、人類は足跡をさらに広げることができていない。ミッション要件が不足していたため、サターン V 型重ロケットはわずか 13 回の打ち上げミッションの後に博物館に収蔵されました。ソ連のエネルギア重ロケットも状況と任務の変化により失敗した。

21 世紀初頭、一連の野心的な宇宙計画とエンジニアリング要件の提案により、大型ロケットが再び世間の注目を集めるようになりました。 NASAは、アレスV大型ロケットとSLS大型ロケットの開発を相次いで行ってきました。前者は残念ながら「消滅」し、後者の技術レベルはサターンVロケットに対して大きな優位性はないが、新たなミッション要件は大型ロケット開発の新たな機会をもたらした。

その後、「スターシップ」はエンジニアリング段階に入った最大のロケットの「バトン」を引き継いだだけでなく、後世の研究開発と設計にさらなる前例を提供しました。将来的には、新しい材料、新しい電力コンセプト、革新的な構造設計などにより、人類がより大きく重いペイロードを目標軌道に届けられるようになると期待されています。

最大の朗報は、人類が今や、巨大な星座の建設、大規模な深宇宙探査、そして1時間以内の世界輸送に代表される大航空宇宙時代に入ったことです。宇宙ミッションの開発と利用の規模は拡大し続けており、大型ロケットの適用の余地が広がっています。数万基の衛星を配備する計画であれ、月や火星などへのより綿密で実用的な深宇宙ミッションであれ、あるいは1時間で地球を商業輸送するミッションなど、新しい概念の物流アイデアであれ、大型ロケットの開発が加速すると期待されています。

宇宙旅行の偉大な時代の多様な要求に駆り立てられて、ロケットの打ち上げ規模がますます大きくなり、ロケットの容量が先人たちが信じられなかったレベルにまで増大し、おそらく「無限」になるであろうことは想像に難くありません。現時点では、将来ロケットがどの程度の積載能力を持つようになるかを正確に予測することはできません。それは、数百年前に小さな木造船で大洋を航海した私たちの祖先が、今日の広大な海を航海する巨大な船を想像できなかったのと同じです。しかし、将来的には大型ロケットが地球近傍宇宙のより完全な開発を促進し、人類がより遠くまで飛行することに貢献することは間違いありません。 （著者：呉聖宝）