ロケットは回収できるのか？これらの驚くべきトリックをチェックしてください!

米ロケット研究所は最近、ヘリコプターによるロケットの空中捕獲・回収が度々失敗しているため、海に投げ出されたロケットの小段を海から回収し、修理・再利用する計画を変更することを検討していると明らかにした。これは、ますます人気が高まっているロケット回収ビジネスが「軌道変更」に入ったことを意味する。では、航空宇宙産業における既存のロケット回収方法にはどのような利点と欠点があるのでしょうか?将来、どのような独創的なロケット回収の技が見られるようになるのでしょうか?

ヘリコプターは空中のロケットを掴んで回収することに何度も失敗している（出典：Rocket Lab）

従来のリサイクルモデルには課題がある

ますます多くの宇宙船が、より頻繁に宇宙へ飛んでいるにもかかわらず、研究者たちは一つの点に決して満足していません。それは、宇宙船が「母なる地球の抱擁から抜け出す」のを、より安全かつ経済的に支援するにはどうすればよいか、ということです。専門的に言えば、宇宙打ち上げミッションの全体的なコストを削減するにはどうすればよいでしょうか?ロケット回収は間違いなく最も直接的な手段の一つです。

ロケット回収作業の現状から判断すると、米国スペースX社のファルコンシリーズのロケットは最も成熟した技術モデルを持ち、垂直自己帰還ソリューションを採用しており、100回以上の回収に成功している。複数のファルコン9ロケットの第1段は、15回の打ち上げミッションを繰り返し完了しました。

しかし、このロケット回収方法にも代償が伴うことは避けられません。つまり、二次点火と減速が間に合うようにロケットの第 1 段に燃料備蓄の少なくとも 1/3 を確保しておく必要があるのです。言い換えれば、再利用を実現するためには、ロケットは積載能力を失わなければなりません。さらに、ロケットの第 1 段が垂直に直立した状態でスムーズに着陸するためには、緩衝脚が不可欠です。この重量とスペースのコストを「許容」できるのは中型および大型のロケットだけであり、これにより適用範囲が目に見えない形で制限されます。

そこで、ロケットラボは2021年にヘリコプターを使って空中のロケットを掴み回収する計画を提案した。簡単に言えば、軽量のエレクトロンロケットサブステージをパラシュートの下で安定して降下させ、ヘリコプターが時間通りに接近し、プローブを伸ばして回収のために吊り下げるというものです。部外者にとって、この回収方法は刺激的で効率的であるものの、「受け取る」ヘリコプターの対応能力、揚力、信頼性はすべて厳しい要件の対象となります。 「日付タイミング」を保証するために、正確なデータ伝送制御を実現することも非常に困難です。

エレクトロンロケットの回収ミッション中、ヘリコプターのケーブル装置は無事に吊り下げられたが、空中での突然の巨大な荷重によりヘリコプターは制御を失いそうになり、残念ながら「手放す」しかなかった。別の回収ミッションでは、ロケットのサブステージが大気圏に戻った際にテレメトリデータが失われ、待機中のヘリコプターが時間内にサブステージの位置を特定できず、残念ながら「日付」を逃してしまいました。

さらに、各国は多重パラシュートや逆ロケットなどの回収モードもテストしたが、いずれもロケットセグメントの回収には適しておらず、さらなる技術的探究が必要である。海上に着水したロケットの副段を回収する場合、材料やタイミングなどの要件は間違いなくより厳しくなります。

「通過」するためのさまざまなルート

ロケットの回収を成功させることは容易ではないため、宇宙飛行士が成熟した計画を習得すれば、大きな報酬を得られることが期待できます。そのため、宇宙愛好家から上級科学者に至るまで、次々と目を見張るような新しいロケット回収計画が提案され、より高いレベルとより大きな利益をもたらす「チート」を見つけようと、複数のルートが並行して進められてきました。

近年、多くの国の宇宙飛行士がロープやネットを使ってロケットを吊り下げて回収するというアイデアを提案し、大きな注目を集めています。各国の提案の共通点は、四隅をそびえ立つタワーで安定させ、多数のケーブルを接続し、多層に配置し、各層を「井戸」の形にして、複雑な力で強固で強靭なネットワークを形成する長方形の回収プラットフォームを構築することです。ロケットサブステージがほぼ垂直の姿勢で感知エリアに落下すると、第1層のケーブルの複数の平行ケーブル群がセンサーの助けを借りて急速に動き、ロケットサブステージの落下方向と正確に一致してテールフックなどの部品を引っ掛け、第1層のケーブルすべてに力がかかると予想されます。ロケットサブステージが減速して落下し続けると、ロケットサブステージが落下を停止して安全に回収されるまで、各層のケーブルは同様に吊り下げられます。

ロケットのサブステージに引っ掛けるケーブルの信頼性を確保するため、特殊な材料で作られたクランプを追加する計画もあり、これによりロケットは比較的わずかな横方向の力を受けることになり、減速効果がより大きくなる可能性があります。

明らかに、この斬新な回収方法により、ロケットは大量の燃料を備蓄する必要がなくなり、緩衝脚などの部品も節約できます。これにより、搭載能力が大幅に向上し、ロケットの姿勢維持のための制御の難しさも大幅に軽減されると期待されます。しかし、ロケットのサブステージを時間内に「迎撃」するためには、ケーブルの材質とシステム全体の構造が、強度と精度の面で厳しいテストに直面することになる。さらに、ロケットのサブステージの射出の正確な制御と気象条件が、その「自己捕捉」の成否に影響を与える可能性があります。

おそらく、ロケットのサブステージが落下中に正確に着陸する地点を見つけるのはあまりにも困難で面倒だと感じたため、宇宙愛好家たちは近年、より単純でより大胆な解決策、つまり天坑回収を提案している。簡単に言えば、自然の地質構造を利用したり、深さ数十メートル、直径10キロメートル以上の大きな穴を掘り、そこに大量の緩衝材を詰め込むというもので、緩衝材にはリサイクル可能な廃プラスチックや改質された各種植物繊維などが使われる。

ロケットの回収プロセスも非常に簡単です。着陸地点が天坑の範囲内であれば、数十メートルの厚さの緩衝材によって、任務の安全性を大幅に確保することができます。次に、近くで待機していたヘリコプターが天坑の上空を素早く飛行し、フックを下ろしてロケットのサブステージを持ち上げて、次の打ち上げミッションに備えて作業場に戻した。

天坑リサイクルモデルは少々馬鹿げているように聞こえるかもしれないが、帰還時のロケット副段の材料コストと技術的難易度を軽減することができ、代替リサイクル拠点の設立にも技術的な障害は多くない。問題は、巨大な天坑の建設には莫大な投資が必要だったはずであり、屋外のリサイクル場は風雨や灼熱の太陽にさらされているため、緩衝材の状態はどうなっているのかということです。タイムリーなメンテナンスと保護を提供するにはどうすればよいでしょうか?残念ながら、提案者も確信が持てません。

実際、ロケット回収に関する数多くの素晴らしいアイデアの中には、まだ概念段階であるものの、理論的には非常に完璧な計画が 1 つあります。それは、自己滑空による帰還です。簡単に言えば、ロケットのサブステージに折りたたみ式の翼とサーボを装備し、安全を確保するために時間内に「変形」できるようにすることです。

周知のように、ロケットのサブステージの射出地点は高度数万メートルにあることが多く、巨大な位置エネルギーを秘めています。ロケットサブステージが自由落下すると、位置エネルギーが巨大な運動エネルギーに変換され、落下が加速し続けます。ロケットのサブステージを保護する従来の方法は、この極めて破壊的な運動エネルギーを垂直方向に可能な限り相殺し、ソフトとハードの両方の手段で減速させることです。自滑空帰還計画は「危険をチャンスに変える」ことを目的としており、運動エネルギーを利用してロケットサブステージを飛行させる。

ロケットサブステージの加速落下中、翼とサーボが時間通りに展開されれば、無人運転技術のサポートにより、ロケットサブステージは、高高度から急降下するグライダーのように、自由落下状態から水平飛行状態に素早く変化できると予想されますが、より安定した飛行を追求し、多大な運動エネルギーを継続的に消費し、最終的に安全に着陸します。

将来を見据えると、ロケットの外観設計がより最適化され、材料、プロセス、無人インテリジェント運転技術がより高いレベルに達すると、ロケットのサブステージが自律的に探索、位置を特定し、発射基地まで飛行して戻り、滑走路にスムーズに着陸し、宇宙船から航空機への「華麗な変身」を完了することは夢物語ではなくなるだろう。 （著者：孫飛）