あなたはまだ相乗りやグループホッピングをしていますか?一緒に船上でロケットを作りましょう

シェアリングエコノミーが急速に発展する時代では、誰もがほぼあらゆるものを「シェア」できます。「相乗り」「一緒に遊ぶ」「グループシェア」など、あらゆる種類の「シェア」経済が人々の生活を占めています。結局のところ、「競争」経済とは「利益は少ないが回転は速い」という原則であり、それによって買い手は一方ではより安い価格で商品を購入でき、他方では売り手はより多くの利益を得ることができるのです。しかし、ロケットの「グループ打ち上げ」について聞いたことがありますか?なぜ衛星は宇宙に行くために「相乗り」しなければならないのでしょうか?そうすることでどのようなメリットがあるのでしょうか?見てみましょう。

衛星打ち上げには相乗りが必要：グループでロケットに乗ると多くのメリットがある

2021年7月9日、太原衛星発射センターで、長征6号ロケットが「中子」02号衛星群を所定の軌道に送り込み、打ち上げは完全に成功しました。長征6号が今年、国内で商業打ち上げミッションを遂行するのは今回が2度目となる。つい最近、長征6号は、1回の打ち上げで複数の衛星を打ち上げる方式を採用し、国内外のユーザー向けの複数の商用衛星を宇宙に打ち上げることに成功しました。

衛星を打ち上げる従来の方法は、1 つのロケットで 1 つの衛星を打ち上げるというものです。ロケット打ち上げの準備には数千万元もの費用と数年かかり、かなりの作業量となる。しかし、複数の衛星を組み合わせて、1つの搬送ロケットで複数の衛星を同時に、あるいは次々に軌道に乗せることができれば、衛星の打ち上げコストを大幅に削減することができます。

この用途のために「1つのロケットに複数の衛星を搭載する」技術が生まれました。我が国は、1981年9月20日からストーム1号ロケットを使用して3機の科学実験衛星を打ち上げ、1つのロケットで複数の衛星を打ち上げる技術を習得した世界で4番目の国となりました。現在では、「1つのロケットに複数の衛星を搭載する」という衛星打ち上げ方式も国際的に非常に普及しています。 2021年1月24日、米宇宙探査技術会社の「ファルコン9」ロケットが143基の衛星を宇宙に運び、1回の打ち上げで打ち上げた衛星の数の記録を樹立した。これまでの記録は、2017年2月に104機の衛星を軌道に乗せたインドのPSLV-C37極軌道衛星打ち上げロケットが保持していた。

理論的には、ロケットが大きく、搭載量が大きいほど、1 つのロケットで複数の衛星を打ち上げる能力が強くなります。しかし、衛星打ち上げ、特に商業打ち上げの場合、ロケットの積載量は大きいほど良いです。マイクロエレクトロニクス技術の発展に伴い、衛星はますます小型化しており、さまざまな立方体衛星や超小型衛星のコンセプトが普及しています。

2019年を例にとると、我が国は約80機の衛星を打ち上げましたが、そのうち超小型衛星が67.5%を占めました。今後5〜10年で、我が国の商用小型衛星の打ち上げ需要は4,000を超えるでしょう。これらの衛星の重量は、数十キログラム、あるいは数キログラムしかない場合が多いです。数百個のロケットを打ち上げるには、最大数トンの積載量を誇る「大型ロケット」が必要となり、「相乗り」にかかる時間が長くなる。たとえペイロードをフルに組み立てたとしても、スペースが足りないという問題が生じます。ロケットの小型化と高速化は、商業衛星打ち上げでも主流となっている。

新世代ロケットの「運び屋」：長征6号

衛星が安価になり、打ち上げミッションがより時間に敏感になるにつれて、単一の輸送に対する価格要件はますます低くなっています。国際商業打ち上げ市場において無視できない新興勢力として、我が国では、さまざまな衛星ペイロードを打ち上げることができる新しいタイプの低コストロケットに対する需要がますます高まっています。長征6号は、そのようなニーズを満たすために設計された我が国の新世代の運搬ロケットです。

長征6号とその派生モデルは、主に長征2CD型、長征4型シリーズなどの打ち上げロケットの代替として使用されます。測定および制御条件が許せば、主な市場である SSO (太陽静止軌道、ほぼ極軌道上を走行し、軌道高度は通常約 700 km) の軌道容量は 1 トンに達し、小型打ち上げロケットの不足による我が国の小型衛星打ち上げ能力過剰の問題が解決されます。ローカル測定と制御のみを使用する場合、500 kg の容量で SSO 負荷のかなりの部分を満たすこともできます。これはまた、より軽量なペイロードを搭載した衛星を打ち上げる際に、元望調査船、中継衛星、海外の測定制御局を利用せずにテレメトリミッションを完了できることを意味し、打ち上げミッションのテレメトリコストを大幅に削減します。

当社は我が国の新世代ロケット商業打ち上げの先駆者として、事業開始当初から「一回の打ち上げで複数の衛星を打ち上げる」という商業的道を歩み始めました。一度に複数の衛星を散布するのは見た目は美しいものの、実際には簡単ではありません。解決すべき重要な技術は、多数の衛星を放出する際に、ロケット同士や衛星同士の衝突を防ぐことだ。また、異なるサイズや異なる運用軌道にある衛星の互換性も考慮する必要があります。このため、長征6号ロケットは初めてシリーズ化・標準化された複数衛星打ち上げインターフェース装置を採用し、高精度の姿勢調整とロケット最終段の前進軌道制御を実現した。また、「複数衛星軌道周期制御法」などの技術を採用し、衛星の分離速度と方向が異なり、複数の衛星間および衛星とロケット最終段の軌道周期が引き伸ばされて、より遠くまで飛行し、星と星、および星とロケットの安全な距離を確保した。

これまで、長征6号は6回の商業打ち上げミッションを成功させている。 2015年9月20日の初打ち上げ以来、20機の超小型衛星を宇宙軌道に送り込み、我が国が1機のロケットで複数の衛星を打ち上げるという新記録を樹立しました。それ以来、同社は5回の商業打ち上げミッションを実施しており、その全てが「1つのロケットで複数の衛星を打ち上げる」打ち上げモードで行われ、成功率は100％である。

発売コスト: 配送料の即時削減?燃料から始める

ロケット自体と比較して、ロケット打ち上げミッションにはもう一つ、無視できない出費があります。それは燃料費です。

「ハエも肉である」という原則に従うと、ロケット燃料は安ければ安いほど良い。長征6号の打ち上げ前、我が国の商用ロケットは主に非対称ジメチルヒドラジン/四酸化窒素（酸化剤）を使用していましたが、これは比較的高価な燃料で、国際平均価格は1kgあたり約300ドルです。わが国の主な商業打ち上げロケットの一つである長征3号Bロケットを例にとると、商業打ち上げマーケティング見積は約6,000万ドル、ロケットの工場渡し価格は約1,500万ドルです。ロケットが使用する燃料（第1段および第2段のUDMH/N2O4）のコストは約300万米ドルで、これは打ち上げ価格の約5％、ロケットコスト（燃料を含む）の16％に相当します。

一方、ヒドラジンベースの燃料は毒性が強く、保管や燃料補給の際には特別な注意が必要です。落下したロケットの破片も環境を汚染する可能性があります。そのため、今日の環境保護要件がますます厳しくなる中、長征6号は従来のヒドラジン燃料を放棄し、より安価で安心な燃料エンジンであるYF-100/YF-77液体酸素/ケロシンロケットエンジンをロケットの第1段と第2段のエンジンとして採用しました。新世代ロケットの一つとして、長征6号に搭載されたロケットエンジンはモジュール化を考慮して設計されました。 YF-100は長征5号のブースターで、YF-77は長征7号の第2段ロケットと共通。汎用性が高いため、新世代ロケットエンジンの種類が減り、生産量が増え、コストが分散される。この世代のロケットエンジンの共通の特徴は、使用される材料がクリーンで、安心でき、安価であることです。

UDMHと比較すると、YF-100/YF-77エンジンに使用されている石炭ベースの航空宇宙用灯油は、我が国の豊富な石炭資源に依存しており、より安価で、対外依存度が低いです。簡単に調製できる液体酸素と組み合わせることで、燃料1キログラムあたりのコストを数百ドルから数ドルに削減できます。保管中および燃料補給中の極低温燃料の損失を考慮しても、燃料コストは 2/3 以上削減できます。灯油/液体酸素燃料のもう一つの優れた特徴は、無毒で無害であり、発射場や人員にとってより「優しい」ものであり、燃焼すると水と二酸化炭素しか生成されないことです。さらに、灯油/液体酸素は従来のヒドラジン燃料よりも腐食性が極めて低いため、ロケットエンジンは複数回テストすることができ、長征6号ロケットのエンジンは将来的に再利用できる可能性もあります。

各種液体ロケット推進剤の国際価格。長征6号が使用する航空宇宙用灯油はRP-1燃料と同様の仕様で、四酸化窒素/非対​​称ジメチルヒドラジン（UDMH）よりも安価です。

安価で安心な燃料は、長征6号がコストを節約するための第一歩に過ぎません。長征6号は燃料節約にも力を入れている。長征6号の第1段エンジンと第2段エンジンはどちらも高圧アフターバーニングサイクル（段階燃焼サイクルとも呼ばれる）技術を採用しています。高圧アフターバーニングサイクルの主な利点は、すべてのガスと熱が燃焼室から排出されるため、長征6号ロケットエンジンは試験運転中に98%の燃焼効率を達成できることです。燃焼室の高圧耐性により、エンジンに膨張比の大きいノズルを使用できるようになり、ロケットエンジンの比重が増加し、ロケット内の燃料を一滴残らず活用できるようになります。

迅速な配達には、「トリップレベリング」も最適な選択肢でしょうか?

安価な打ち上げに加え、迅速な打ち上げも長征6号ロケットの大きな魅力です。

水平全面試験、水平全面衛星・ロケットドッキング、水平全面輸送・組立・打ち上げの「三層技術」により、長征6号の打ち上げ準備サイクルは大幅に短縮された。同様に、我が国の長征11号や米国の「ミノタウルス」、日本の「イプシロン」など、迅速な打ち上げ能力で知られる固体ロケットの打ち上げ準備サイクルは7～16日かかるのに対し、長征6号は顧客のペイロードを宇宙に届けるのに最大7日しかかからない。

長征6号の連続打ち上げにより、我が国の新世代ロケットが商業宇宙飛行に本格的に活用される幕が開かれました。近い将来、長征6号ロケットは、さまざまな顧客の打ち上げニーズを満たすために、1つのロケットでN個の衛星の打ち上げミッションを繰り返し実行し、国際および国内の商業注文を履行する比較的忙しい時期を迎えると考えられます。