朱雀3号試験ロケットの試験は成功した。私の国の再使用型ロケットのレベルはどのくらいですか？

制作：中国科学普及協会

制作: Trantor Space (ポピュラーサイエンスクリエイター)

プロデューサー: 中国科学博覧会

最近、我が国が独自に開発した再使用型垂直回収試験ロケット「朱雀3号」が酒泉衛星発射センターで10キロメートル級の垂直離着陸帰還飛行試験を完了しました。これは、2024年1月に朱雀3号VTVL-1検証ロケットが試験を無事完了して以来の新たなマイルストーンとなる。

すざく3号は我が国の民間ロケット会社ランドスペースの製品であり、すざくシリーズの最新モデルです。ブルーアロー・エアロスペースは2018年に朱雀1号の試験を開始し、現在の朱雀3号VTVL-1検証ロケットにまで開発を進めた。これは、我が国の商業航空宇宙産業における再使用型打ち上げロケット技術の大きな進歩を意味します。今後の開発方向としては、再利用可能な大容量かつ低コストの打ち上げロケットの開発です。

ブルーアローVTVL-1ロケットが10キロメートル高度回復テストを実施しているライブ画像

（写真提供：Landspace）

ブルーアローエアロスペース すざく3号大型再使用ロケット 垂直帰還技術 VTVL-1試験ロケット

（写真提供：Landspace）

なぜ再利用可能なロケットを開発するのですか?

再使用型ロケットとは、ロケット部品の一部または全部を回収して再利用できる打ち上げシステムを指します。スペースシャトルは実は再利用可能な打ち上げシステムなのですが、低コストで使用できないのが問題なのです。

NASAエイムズ研究センターの2018年の会議のデータによると、スペースシャトルで27.5トンの積載物を低軌道に送るには約15億ドル、1キログラムあたり約5万4500ドルかかる。一方、商業打ち上げに使用されるファルコン9ロケットでは、22.8トンの積載物を低軌道に送るのに6200万ドル、1キログラムあたり約2720ドルかかる。もちろん、スペースシャトルも再利用可能な打ち上げシステムではありますが、打ち上げコストが高すぎるため、最終的には廃止されるでしょう。

スペースシャトル計画には断熱装置の安全性の問題もあり、NASAはスペースシャトルを打ち上げる際に別の打ち上げ場にもう1機のスペースシャトルを準備しておき、いつでも救助できるようにしなければならず、打ち上げコストがさらに増加し​​た。

発射ステーションには同時に2機のスペースシャトルが待機しており、1機は救助のために待機していた。その結果、スペースシャトルは再利用可能な打ち上げシステムであるにもかかわらず、打ち上げコストが非常に高くなっています。

(画像提供: NASA)

再使用型ロケットの現在の定義は、低コストに重点が置かれています。つまり、低コスト運用が実現できなければ、再利用性の意味がなくなってしまうのです。打ち上げロケットの観点から見ると、現在、大規模な低軌道開発を阻んでいるボトルネックとなっているのはコストの問題です。ここでのコストは、ロケット打ち上げの総コストではなく、打ち上げ見積もりおよびペイロードの質量に基づいて計算された、軌道に入るペイロードの 1 キログラムあたりのコストです。

戦略国際​​問題研究所（CSIS）のデータによると、ファルコン・ヘビーロケットが低軌道に入るための積載量1キログラム当たりの現在のコストは1,500ドルで、欧州のアリアン5Gロケットの積載量1キログラム当たり9,167ドルやプロトンロケットの積載量1キログラム当たり4,320ドルよりも低い。

軌道上に何かを送り込むコストが削減されれば、低軌道の大規模な開発や低軌道の商業化が可能になります。再利用可能なロケットを開発することが、宇宙大国としての私たちの現在の目標です。例えば、現在実施中の中国星星網の千帆星座プロジェクト、紅湖星座プロジェクト、GW星座プロジェクトでは、いずれも数万基の衛星を低軌道に送り込む必要がある。 2020年4月、我が国は初めて衛星インターネットを新たなインフラの範囲に含めました。

打ち上げコストの削減は、より多くの衛星を軌道に乗せることができることも意味します。大推力の再使用型打ち上げロケットを使用すれば、宇宙ステーションの建設コストが下がり、宇宙ステーションの規模は自然に大きくなり、その機能もさらに拡張されます。

千帆衛星群の建設が始まった

（写真提供：CCTV）

再利用可能なロケットの原理は何ですか?

我が国が現在開発している再使用型ロケットは、再利用性を実現するために第一段ブースターの回収に重点を置いています。回復方法は、ブースターに任務を完了させてから垂直に着陸させることです。ロケットの第一段を垂直に着陸させるためには、エンジンの噴射方向とロケットの姿勢を制御する必要があります。着陸の過程では、エンジンが空気を下向きに噴出することで上向きの反力を発生させ、第 1 段の落下速度を徐々に制御します。地上から一定の高さに達すると着陸脚が展開され、最終的に定点垂直軟着陸を実現します。

技術面では、エンジン推力調整、第一段帰還時の姿勢制御関連技術等があり、再使用型ロケットエンジンの開発も必要となる。現在、再利用可能なエンジンに最も理想的な動力源は液体酸素メタンエンジンです。我が国の「すざく2号」に搭載されている「天雀」シリーズのエンジンは、軌道投入に成功した世界初の液体酸素メタンエンジンです。 200トンのYF215液体酸素メタンエンジンも開発中です。これは我が国初のフルフロー段階燃焼サイクル技術を採用したロケットエンジンであり、我が国の宇宙探査の拡大に貢献するものです。

わが国の酒泉衛星発射センターから「すざく2号」「堯2号」ロケットが打ち上げられた。

（写真提供：新華社通信）

第一段ブースターの回収はロケットの再利用にとって非常に重要な意味を持つ。再使用型エンジンのコストは比較的高く、ロケット打ち上げコスト全体の約60%～70%を占めていますが、これは主にエンジンが比較的高価であるためです。ファルコン9は9基のエンジンを使用しており、エンジン1基あたりのコストは約200万ドルです。エンジン用の第1段ブースターのコストだけでも約1,800万ドルかかると予想され、これは打ち上げ入札額6,200万ドルの大部分を占める。

ブースターの数が 3 つなど多ければ、これらのブースターが打ち上げコストに与える影響は大きくなります。同時に、第1段ブースターの分離高度はまだ大気圏を離れておらず、回収にも適しています。技術的な難易度は第2段エンジンの回収に比べるとはるかに低い。

今回のすざく3号VTVL-1検証ロケットの試験飛行では、垂直帰還技術の検証が行われました。第１段が点火して離陸した後、高度１０キロに到達した。この高度が選ばれたのは、10キロメートルという高度がさまざまな擾乱を検証するのに十分な高さだからです。降下中、第 1 段はグリッド ラダー、垂直逆推力、ロケット エンジンの再起動を組み合わせて姿勢を制御できます。これらはすべて、すざく3号VTVL-1検証ロケットでテストされるものです。

ロケットの質量が増加するにつれて、着陸クッションシステムがロケットの軟着陸の鍵となります。クッション装置はロケット本体の運動エネルギーと位置エネルギーを吸収し、複雑な状況下でもロケットの安全な着陸を保証します。

すざく3号VTVL-1ロケットの特徴は何ですか？

すざく3号VTVL-1は検証ロケットとして位置付けられており、実物大のエンジンを搭載したエンジニアリングプロトタイプです。ブルーアロー・エアロスペースは、垂直離着陸回復テストを通じて、再使用型ロケットのいくつかの主要技術を検証する予定です。

試験ロケットは、機体直径3.35メートル、全長18.3メートル、離陸質量約68トンの単段式液体酸素メタンロケットで、可変推力調整機能と多重点火機能を備えた80トンの改良型液体酸素メタンエンジン「天雀12」を搭載している。ロケット本体は高強度ステンレス鋼構造を採用し、4ピースグリッドラダーシステムを備え、軟着陸のための着陸緩衝機構を3セット備えています。外観から、Suzaku-3 VTVL-1は最終モデルではなく、まだ主に試験用に使用されていることが確認できます。フルステートの「すざく3号」は2025年に初飛行する予定だ。

私の国の垂直着陸技術のデモンストレーション

（写真提供：新華網）

朱雀3号のフルステータス画像

（写真提供：Landspace）

検証用ロケットは、その外観により、打ち上げミッションを遂行できるロケットと視覚的に区別できる。検証ロケットはフェアリングを持たず構造がシンプルで、試験に必要なハードウェア条件を満たすだけでよい。

完全装備の朱雀3号には、改良された天雀12号エンジン9基が搭載され、12～21トンの積荷を低軌道に打ち上げることができ、国際的に先進的な国となる。結局のところ、現在再利用可能なロケットを開発できるのは中国と米国だけである。しかし、我が国の民間航空宇宙企業は、多くの種類の再利用可能なロケットを開発しています。朱雀3号のほかにも、双曲線3号、天龍3号などのロケットがあり、百花繚乱の競争状況を形成し、我が国の低軌道宇宙の大規模な開発に強固な基礎を築いた。

再使用型ロケットは積載量で比較されるものではないため、積載量が大きいほど良いという基準で再使用型ロケットの能力が評価されるわけではありません。むしろ、特定の条件下で軌道に乗るためのペイロード 1 キログラムあたりのコストです。明らかに、積載量に影響を与えずにこのコストが低いほど、ロケットは優れています。この観点から見ると、すざく3号と天龍3号はどちらも低コスト化の可能性が非常に高いと言えます。

参考文献:

1. 近年、宇宙打ち上げのコストは大幅に低下している

2. 低地球軌道への宇宙打ち上げ：費用はいくらかかりますか？

3. 星間シャトル：再利用可能なロケットの素晴らしい旅

4. 海外メディアの注目：中国は「千帆星座」の構築に向けて重要な一歩を踏み出した