横になるか、立つか？ロケットを輸送する方法はたくさんある

少し前に、長征7号ロケットが天舟6号貨物宇宙船を積んで文昌宇宙発射センターに移送される映像が再び注目を集めた。ロケットは最終組立と試験が完了すると、最終組立・試験工場から発射場へ移送されます。このプロセスはロケットの移送または移転と呼ばれます。実際、ロケットを輸送する一般的な方法には、「横置き」輸送と「立て置き」輸送があります。では、なぜ類似の打ち上げロケットがまったく異なる輸送手段を開発するのでしょうか?それぞれの利点と欠点は何ですか?

水平転送コストが低い

打ち上げロケットは「横たわった」状態で輸送されます。これは科学的には水平輸送として知られています。ロケットの水平移動方式はソ連で最初に発明され、ロシアは現在も開発を続けています。国内では主流の送金方法であり、他国でも一般的な送金方法として使用されています。

ロケットを水平に輸送する場合、打ち上げシステムの設計は比較的単純です。ロシアでは、ロケット起立機とソユーズロケットを発射場まで牽引するために列車を使用するのが一般的であり、そこにはスチームパンクの歴史的重みが満ちている。 「プロトン」も列車で水平輸送されました。ソビエト時代の前例のないエネルギア大型輸送ロケットでさえ、水平輸送を採用していました。

ソユーズロケットが列車で輸送される

ロケットは最終組立・試験棟で水平に組み立てられ、その後、発射場まで水平に運ばれる。次に、組立機構が組立操作を実行し、水平のロケットとペイロードの組み合わせを、テストと打ち上げを待つ垂直の状態に変更します。かつて世界最大のロケットであったサターンVの直径はわずか10メートルです。一般的なソユーズロケットは平行バンドル設計を採用しており、コアステージの直径は2.95メートル、最大直径はわずか10.3メートルです。したがって、水平方向の輸送のみを必要とするほとんどのロケットの場合、最終組み立て工場の高さは 10 メートル以上あれば十分です。

ロケットを垂直に輸送する場合、高さ数十メートル、場合によっては数百メートルの組み立て・試験棟の建設が必要となり、コストがかかりすぎる。打ち上げロケットの垂直持ち上げは面倒で骨の折れる作業であるだけでなく、高高度での作業にはさらなる危険も伴います。水平搬送に対応した水平組立方式により、迅速な組立が可能となり、工場の拡張や組立ラインの増設も容易となり、ロケットの迅速な打ち上げに貢献します。ソ連が最初に打ち上げロケットの開発を始めたとき、彼らはロケットの垂直持ち上げの問題を回避する水平輸送方式を選択しました。それは非常に合理的な選択でした。

冷戦終結後、ソ連の水平移転技術は米国に支持された。例えば、米国のデルタIVロケットとファルコン9ロケットはどちらも水平転送方式を採用しており、その目的は地上でのロケット試験と打ち上げのコストを削減することです。

垂直転送の方が信頼性が高い

ロケットは「寝かせて」輸送するだけでなく、「立てて」垂直に輸送することもできます。ロケットの垂直輸送には当然垂直組み立てが必要であり、そのためには高い組み立て・試験棟が必要になります。それにもかかわらず、垂直組立、垂直試験、垂直移送という「3つの垂直」は、今でも広く使用されています。米国は長い間、「3つの垂直」モードが支配的でした。その影響を受けて、欧州宇宙機関や日本の主要な打ち上げロケットも「3垂直」モードを採用しています。一部の国、特にヨーロッパと日本のロケットは、一般的に垂直転送モードを使用します。我が国の長征2F、長征5、長征7ロケットも垂直転送モードを採用しています。主な理由は、垂直伝達の効果が優れているためです。

神舟13号宇宙船とロケットの組み合わせが発射エリアに移動

ご存知のとおり、打ち上げロケットは垂直に打ち上げられ、垂直に搬送されるロケットは垂直に組み立てられます。ロケットは垂直に組み立てられると、打ち上げまで垂直の位置を維持します。垂直移動ロケットは、組み立て後に総合的なテストを受けるだけでよく、打ち上げ前のテストは大幅に簡素化されます。水平方向の組み立ては便利ですが、ロケットは横方向の力の不均衡を起こしやすくなります。移送が完了したら、発射ステーションで立て直しのプロセスが行われます。ロケットは水平方向の力を受ける側から垂直方向の力を受ける側へと変化します。全体的な力の状態の変化はロケットの状態に影響を与えます。水平組み立てが完了した後、テストは包括的かつ完全に行われ、組み立て後に多数のテストが実行され、組み立て前後のロケットの状態の変化が確認されます。

ロケットの積載量を向上させるために、科学研究者たちは構造重量の軽減という究極の目標を追求している。飛行中のロケットの縦方向の荷重支持要件を考慮するだけでも頭痛の種です。水平搬送方式を採用する場合は、横方向の強度強化も考慮する必要があります。同じ技術レベルであれば、構造重量は減るどころか増加し、収容力が低下します。

さらに重要なのは、繊細な衛星は配置状態に非常に敏感であるということです。一部の衛星には超大型軽量折りたたみアンテナが搭載されており、その設置姿勢は一切変更できません。星とロケットが結合して組み立てられた後は、衛星の状態が変化する可能性を最小限に抑えるために、垂直方向にのみ輸送できます。つまり、垂直移送には垂直組立の支援が必要であり、垂直組立棟の建設コストも比較的高いものの、垂直移送によってロケットと衛星の状態が最大限に維持され、ロケットと衛星の信頼性が向上する。

将来、ロケットを輸送する方法は数多くあるだろう

水平輸送はコストを節約し、垂直輸送は信頼性が高いですが、両方の利点を組み合わせる方法はありますか?アメリカの宇宙飛行はいくつかの革新的な試みを行ってきた。米国のデルタIVロケットは水平に輸送されるが、輸送写真からわかるように、その水平輸送はロシアの「ソユーズ」や他のロケットとは大きく異なっている。水平輸送されるデルタIVロケットは完全ではなく、ロケットの「ヘッドレス」第1段と第2段のみである。フェアリングとペイロードの組み合わせは、「ヘッドレス」ロケットが発射エリアに到着して組み立てられた後にのみ、垂直に持ち上げられて推進ステージとドッキングされます。このハイブリッドモードは、水平方向の組み立てコストが低く、ペイロードの垂直方向の組み立て状態が変わらないという利点があり、将来の開発方向となる可能性があります。現在、米国のファルコン・ヘビーロケットは、高価値の軍事衛星を打ち上げるために巨大な垂直組み立てタワーを建設しており、大型で精密な軍事衛星の垂直組み立てを実現している。

「3水平」と「3垂直」はどちらも、前世紀に生まれたロケットの試験および打ち上げモードです。再利用可能な宇宙打ち上げロケットの開発により、将来的にはロケットを輸送する必要がなくなるかもしれません。 1990年代、米国は、垂直に打ち上げられ、垂直に帰還する単段式軌道ロケットであるデルタクリッパー再使用型宇宙船の開発を計画しました。設計コンセプトから、組み立てや輸送の問題はありません。

もちろん、「トライアングルクリッパー」のDC-X検証機は途中で放棄され、その後の研究開発は終了したが、有望な道筋を示したことは事実だ。現在、SpaceXは、完全に再利用可能な2段軌道ロケットである「スターシップ」輸送システムを開発している。第1段の「スーパーヘビー」と第2段の「スターシップ」はロケットを正確に反転させて着陸し、発射塔の近くでホバリングし、発射塔上のロボットアーム「メカジラ」によって固定され回収される。スーパーヘビーとスターシップは、メカジラ ロボットアームの助けを借りて、発射塔上で直接垂直に組み立てられます。つまり、「スターシップ」システムの設計はより複雑ですが、輸送の問題もありません。将来のロケットでは輸送を中止するのが一般的な傾向になるかもしれません。 （著者：張雪松）