長征5号Bロケット：「ビッグガイ」のユニークなスキル

7月24日14時22分、中国の文昌宇宙発射センターから、長征5号Bロケットが世界最大の単独有人宇宙船である中国宇宙ステーション文天実験室の打ち上げに成功した。

長征5号Bロケットが文天実験モジュールを打ち上げる（中国航天新聞記者、王磊撮影）

2020年に初飛行に成功した長征5号Bロケットは、長征5号をベースに改良されたロケットで、低軌道に大型ペイロードを打ち上げることに特化した設計となっている。簡単に言えば、長征5号の2.5段構成が1.5段構成に変更され、コア段と4つのブースターは変更されず、コア段2のみが削除されることになります。現在、その主な任務は我が国の天宮宇宙ステーションのさまざまなコンポーネントを打ち上げることです。 「長征5号B」の飛行ミッションの成否は、わが国初の宇宙ステーション建設の成否に直結する。

長征5号Bは長征5号より全長が約3メートル短く、重量が約20トン軽いが、長征5号の優れた「遺伝子」をほぼ受け継いでいる。長征5号と同様に、長征5号Bのコアステージは直径5メートルで、直径3.35メートルのブースター4基が束ねられている。第2コアステージは取り外されましたが、宇宙ステーションモジュールの外殻要件を満たすためにフェアリングの長さが延長されました。ロケットの全長は約53.7メートル、離陸質量は約849トン、低軌道積載量は25トンに達する。

長征5号ロケットが文天実験モジュールを打ち上げる（中国航天新聞記者、王磊撮影）

長距離輸送に優れ、静止軌道以上に焦点を当てた長征5号とは異なり、長征5号Bは重量挙げ選手のようなもので、より質量の大きい積荷の取り扱いに優れています。これは、我が国の宇宙ステーション建設の主戦場である、高度300～500キロメートルの低軌道に焦点を当てています。我が国の宇宙ステーション建設ミッションを完遂するために、「長征5号B」もいくつかの独自の技術を開発しました。

特技1：「ビッグヘッド」フェアリング

我が国の天宮宇宙ステーションは、T字型に配置されたコアモジュールと2つの実験モジュールで構成されています。長征5号Bは、天河コアモジュール、文天実験モジュール、夢天実験モジュールの3つの大型モジュールを順次低軌道に送り込み、軌道上での組み立てと宇宙ステーションの基本構成の構築を行った。分解されているにもかかわらず、各部の大きさは依然として驚異的です。天河のコアモジュールは長さ16.6メートル、直径4.2メートル、重さ22.5トンである。文天実験モジュールの軸長は17.9メートルで、天河コアモジュールより1.3メートル長く、直径と重量はほぼ同じである。孟天実験モジュールは約21トンとやや軽量だが、長さと直径は文天実験モジュールと基本的に同じである。

このような大型の宇宙ステーションモジュールを収容するために、「長征5号B」には我が国で最も長く、最も大きなフェアリングが装備されています。フェアリングの長さは20.5メートル、直径は5.2メートルです。フェアリングは6階建てのビルの高さに相当し、宇宙ステーションのコアモジュールと実験モジュールの打ち上げに適した広々とした空間を提供します。フェアリングにより、宇宙ステーションのモジュールが地球の表面から宇宙への移動中に、空気力、空気加熱、音響振動などの有害な環境の影響を受けないことが保証されます。

長征5号Bロケットフェアリング（中国航天新聞記者王磊撮影）

このような巨大なフェアリングが飛行中のロケットの空気抵抗を低減し、十分な構造強度を持つようにするために、フェアリングは流線型のフォン・カルマン曲線形状も採用しています。カルマン曲線形状の回転体は、展開すると表面が平面ではなくなるため、従来の円錐フェアリングの製造方法をそのまま適用することができず、製造難易度が一段と高くなる。

特殊スキル2：大口径キャビンロケット分離能力

エンジンが作動している飛行のアクティブ段階では、打ち上げロケットは大きな振動と過負荷を生じます。輸送されるペイロードの安全を確保するためには、自動車の「シートベルト」が「乗客」を固定して安全を確保するのと同じように、ロケットとペイロードの間には安定した信頼性の高い接続が必要です。しかし、その要件は自動車の「シートベルト」よりも厳しいものとなっています。軌道に入った後、打ち上げロケットは遅延なくペイロードを迅速かつスムーズに放出する必要があります。そうしないと、ペイロードに一定の損傷が発生する可能性があります。

「長征5号B」の最大の特徴は、宇宙ステーションモジュールとの接続インターフェースの直径が4メートル以上あることだ。このような大口径かつ複雑な荷重・環境条件では、接続の信頼性・安全性と迅速かつ確実な分離の両方を考慮する必要があり、さらに分離プロセス中に発生する衝撃環境などの悪影響を最小限に抑える必要があります。このため、「長征5号B」は「衝撃隔離フレーム＋ダンピングボックス」の衝撃軽減ソリューションを採用し、ダンピングボックスに「粒子ダンピング技術」を適用することで、キャビンとロケットの分離インターフェースの分離衝撃と振動を効果的に改善しました。

「粒子制振技術」は新しいタイプのパッシブ振動制御技術です。振動体の限られた密閉空間内に多数の微粒子を充填し、振動時の微粒子間の摩擦と非弾性衝突を利用して振動エネルギーを素早く消散させ、衝撃を軽減する効果を実現します。

特殊スキル3：高推力直進軌道能力

ペイロードを正確な位置、姿勢、速度で放出できるようにするため、打ち上げロケットは一般にロケットの最終段に小推力ロケットエンジンを使用し、終端速度補正および姿勢調整電源システムも装備しています。しかし、「長征5号」と比較すると、「長征5号B」はコアとなる第2段が削除されたため、コアとなる第2段に搭載されていた低推力ロケットエンジン、終端速度補正、姿勢調整動力システムも削除されたことが分かっています。

「長征5号B」は、第一段ロケットを使用して宇宙ステーションモジュールを所定の軌道に直接送り込みます。第1段ロケットエンジンが停止すると、数秒以内に約140トンの推力が消失し、これは高速列車が突然「ブレーキ」をかけるのと同等となる。では、「長征5号B」はどのようにして宇宙ステーションモジュールが正確に軌道に入り、指定された場所にロケットが着実にドッキングすることを保証するのでしょうか?

この機能を実現するために、「長征5号B」では、姿勢制御ゲインの最適化や複合誘導方式を採用することで、ロケットの姿勢制御精度を向上させ、誘導誤差が精度に与える影響を低減しました。この制御方法を採用することで、ロケットは分離時に最適な姿勢と最も正確な位置を保つことが保証されます。さらに、「長征5号B」には2基の軌道離脱ロケットも搭載されており、第1段ロケットが宇宙ステーションモジュールを分離・放出した後、宇宙ステーションモジュールが動作する軌道面を回避し、衝突の可能性を回避し、モジュールとロケットの分離の安全マージンを高めるために、軌道上での操作を適時に実行できる。これらの対策により、長征5号Bは、ブーストと第1段飛行のみでペイロードを正確に軌道に乗せることができる初のロケットとなります。