宇宙航空研究開発機構(JAXA)は2月29日、種子島宇宙センター(鹿児島県南種子町)にて、新型基幹ロケット「H3」用の固体ロケットブースタ「SRB-3」の地上燃焼試験を実施、その様子をプレスに公開した。SRB-3の燃焼試験はこれが3回目で、最後となる予定。燃焼試験は無事完了し、良好なデータが取得できたという。

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    SRB-3の地上燃焼試験。轟音とともに、白煙が高く上がった

よりシンプルで高性能になったSRB-3

H3ロケットは、ブースタ無しの「H3-30S」形態もあるものの、打ち上げ能力が高い「H3-22L」と「H3-24L」では、従来のH-IIA/Bロケットと同様に、それぞれ2本/4本のブースタを使用する。H3用のブースタとして、現在開発が進められているのがSRB-3。2020年度に計画されているH3初号機の打ち上げは、SRB-3が2本使われる予定だ。

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    エンジン基数/ブースタ本数が異なる3つの形態が用意されている (C)JAXA

ブースタの役目は、第1段のメインエンジンの推力を補い、ロケットの高度を速やかに上げることだ。SRB-3の推力は約220トン。メインエンジン「LE-9」の推力は約150トンなので、H3-22L/24L形態では、じつに推力の半分以上をSRB-3が稼ぎ出していることになる。

SRB-3は、H-IIA/Bロケットで使われていた「SRB-A」と比べると、一見、良く似ている。直径はどちらも2.5mで、大きさ・重量はあまり変わらない。これは、製造設備などをなるべく流用し、開発コストを下げるためだが、SRB-3では設計が一新、様々な点で改良が施されている。

外部から見て分かる大きな変更は、ロケットとの結合・分離方式である。SRB-Aは、前方ブレス、スラストストラット、後方ブレス(各2)の計6点で保持していたが、SRB-3はこれを、前方分離スラスタ(1本)、スラストピン(1本)、後方分離スラスタ(2本)の計4点に削減、簡素化により、低コスト化を図った。

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    SRB-AとSRB-3の比較。結合・分離方式がシンプルになったことが分かる (C)JAXA

結合・分離機構は、結合すべきときはしっかり結合し、分離すべきときは確実に分離する必要がある。当たり前の話のようだが、この相反する要求を高い信頼性で実現するのは、じつはかなり難しい。実際、H-IIAロケットの打ち上げで唯一の失敗(6号機)は、SRB-Aが1本分離しなかったことが原因で起きた。

この事故は、SRB-Aのノズルに穴が開き、漏れた燃焼ガスで火工品のケーブルが切れたことが原因であり、結合・分離機構そのものの問題というわけでは無かったが、本質的に、よりシンプルな方が問題は起きにくいと言える。SRB-3では、分離用の火工品は8個から3個へと削減されているという。

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    SRB-Aは荷重を分散していたが、SRB-3は集中荷重を前提に設計した (C)JAXA

またSRB-Aは、電動アクチュエータによりノズルを動かし、飛行中に推力方向制御を行っていたが、H3はロケット本体側でこれを行うため、SRB-3では可動ノズルを廃止、これによりさらなる低コスト化を実現した。搭載する推進剤の量が増え、推力も向上するなど、ロケットとしての性能も強化されている。

2つのロケットのシナジーとは?

今回の燃焼試験で注目したいのは、これがH3ロケットの試験であるだけでなく、新型イプシロンロケット(通称:シナジーイプシロン)の試験でもあるということだ。これまで、イプシロンの第1段はSRB-Aを使用していた。今後H3に移行すればこれが使えなくなるため、イプシロンの第1段もSRB-3に変更する必要がある。

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    象徴的だったのが記者会見。両ロケットのプロジェクトマネージャが同席するというのはかなり珍しい

H3ではブースタ、イプシロンでは第1段となるわけだが、用途が違うので、本来、これらは推力の出し方(推力パターン)が異なる。性能だけを考えれば、それぞれに最適化した2種類のSRB-3を用意するのが望ましいが、それだと2種類のロケットを開発するのと変わらず、コスト的なメリットが小さくなってしまう。なるべく共通化したい。

現行のイプシロンは、開発時、すでにSRB-Aが運用されていたため、これをほぼそのまま転用して使うしかなかった。しかしSRB-3は新規開発なので、最初からイプシロンでの使用を想定し、両者にとって最適な設計を考えることができる。

これについて、H3の岡田匡史プロジェクトマネージャは、「良く議論し、最良の妥協となった」と表現。「良い結果になっているので、我々としてはこれ以上の要求は無い」とした。一方、イプシロンの井元隆行プロマネは、「我々の推力パターンも考慮して設計したので、非常に良いモーターになった」と、自信を見せた。

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    岡田、井元の両プロマネはじつは同期。JAXA入社後、一緒に角田宇宙センターに赴任した、いわば「同じ釜の飯を食った仲」である

イプシロンは、2段階で開発する計画だ。まず第1段階では、既存技術をなるべく活用することで、短期間でコンパクトな打ち上げシステムを実現した。2013年に打ち上げた初号機、そして2号機以降の強化型がこれにあたる。SRB-3を使うのは、次の第2段階だ。転用ではないSRB-3と組み合わせることで、イプシロンは"真の姿"になると言えるだろう。

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    2段階の開発ロードマップ。第2段階がシナジーイプシロンとなる (C)JAXA

第2段階の開発において、キーワードとなるのは「シナジー」(synergy=相乗効果)である。

たとえば、強化型では第2段モーターが新しくなったが、ここで開発されたモーターケースや断熱材の軽量化技術、ノズルの高信頼性技術などが、SRB-3に適用されている。H3で開発した技術をイプシロンに転用する一方通行ではなく、イプシロンで開発した技術もH3で有効活用することで、シナジー効果を発揮するわけだ。

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    イプシロンで開発したこれらの技術を、H3のロケットや射点に適用した (C)JAXA

イプシロンは、少なくとも次の5号機までは強化型であることが決まっているが、第2段階の初打ち上げが何号機からになるのかは、現時点で未定。これまで、第2段階はシナジーイプシロンという通称しかなかったものの、井元プロマネは「強化型ではない新たなロケットということで、名前も新しくしたい」と希望を述べた。

今回の試験ではイプシロン用の機能も確認

SRB-3の燃焼試験は、これまで、実機型モーターが2018年8月、認定型モーターが2019年8月に実施されていた。今回は、認定型モーターの2回目となり、再現性などを確認するのが狙いだ。

SRB-3は、H3でもイプシロンでも、推力パターンは同じ。モーターの大部分は共通となるが、イプシロンで第1段として使うためには、H3用では省略した推力方向制御が必要で、この部分が異なる。前回までの試験では、H3用の固定ノズルを使っていたのに対し、今回は初めて、イプシロン用の可動ノズルを搭載し、燃焼中にノズルを動かす。

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    H3用とイプシロン用のSRB-3の違い。ノズルがそれぞれ固定/可動となる (C)JAXA

SRB-3の推力方向制御機能は、駆動用電池、2個の電動アクチュエータ、可動ノズルで構成される。SRB-Aも電動アクチュエータだったが、SRB-3はコントローラとアクチュエータが一体化し、よりシンプルになったという。可動ノズルの内側には、高温・高圧に耐えられるフレキシブルジョイントが使われており、これはSRB-Aと同様とのこと。

可動ノズルは、5.5°ほど向きを変えることが可能で、今回の試験では、それを水平方向に振って追従性を確認する。実際には、2個のアクチュエータで任意の方向に動かすことができるのだが、水平方向に動かすだけでもアクチュエータは2個とも使うことになるので、機能の確認としてはこれで十分だ。

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    推力方向制御の仕組み。直交した2個のアクチュエータで動かす (C)JAXA

試験は同日11時より実施。燃焼時間は107.5秒、最大推力は2,173kN(約222トン)、最大燃焼圧力は11.0MPaで、いずれも予測値とほぼ同じだった。

燃焼試験の様子

今回、プレスはH-IIA/Bの射点に近い大崎海岸より燃焼試験を見学した。前回の竹崎展望台より距離は遠くなるものの、間には海しかないので、噴煙の様子は見えやすい。ただ、試験場との間に山がジャマしているため、SRB-3本体や炎は見ることができなかった。

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    燃焼試験直前の様子。最大望遠でもフレームデフレクタしか見えない…

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    少しでも良い角度を狙い、海岸ギリギリから撮影。これ以上近づくと靴が濡れる

燃焼試験の動画。残念ながら煙しか見えない

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    燃焼試験中の様子。一番見たい部分は、右側の山で隠れているのが残念

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    噴煙は海側に。有害なため、陸側に流れる風向きのときは実施できない

さすがにこれだけだと残念過ぎるので、JAXA提供の公式動画もお見せしよう。ノズルを注意深く見ると、左右に首を振っているのが確認できるだろう。

下手からの映像。ノズルの動きが見えやすい

上手からの映像。炎が動いているのが分かるだろうか

H3が射点に立つのはオリンピック後?

試験が行われたのは、種子島宇宙センター内の固体ロケット燃焼試験場だ。SRB-3は、実際の打ち上げ時とは異なり、横に寝かせた状態で設置されている。試験後には、このテストスタンドがプレスに公開された。燃焼のまだ2時間半後ということで、試験場には何かがコゲたような臭いが漂う、生々しさがあった。

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    テストスタンド。中央に見えるのがノズルで、海岸側に噴射する

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    試験後のモーター。イプシロンとH3のロゴが両方描かれてる

今回の試験で計測された項目は、推力、燃焼圧力、温度、歪み、加速度など約320点。詳細な評価は今後となるものの、データは全て正常に取得できたとのことで、SRB-3を担当するJAXAの名村栄次郎氏は「大成功」とコメント。SRB-3のメーカーであるIHIエアロスペース(IA)の岸光一氏は、「推力方向制御も良好な結果だった」と安堵の表情を見せた。

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    計測項目は約320点。推力方向制御が追加されたため、前回より増えた (C)JAXA

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    試験後の会見に出席したJAXAの名村栄次郎氏(右)とIAの岸光一氏(左)

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    推力の計測も可能。SRB-3の先端側にあるこの装置で計測するそうだ

H3ロケットは、2020年度に初号機を打ち上げる予定。今後、注目すべき大きな試験としては、実際に射点で行う「実機型タンクステージ燃焼試験」(CFT)があるが、これについて、岡田プロマネは「手直しの時間も考えるとできるだけ早くやりたいが、東京オリンピックよりは後になると思う」と、見通しを述べた。

すでに完了した第1段の「厚肉タンクステージ燃焼試験」(BFT)では、スタンド内に設置したエンジンを燃焼させていたが、CFTでは、いよいよロケット本体に組み込んだ形での試験が行われることになる。種子島の射点でCFTが行われるのは、H-IIBロケット以来。H3のCFTも、これに近い形となる可能性が高い。

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    H-IIBロケットのCFT。H3のCFTもこのような形態になると予想される (C)JAXA

2009年に実施されたH-IIBのCFTは、第1段と第2段の実機を使用、衛星やフェアリングは無く、SRB-Aはダミーを搭載していた。燃焼時間は、1回目が10秒で、2回目が150秒。初号機の打ち上げは、このCFTの5カ月後に行われている。

通常の打ち上げであれば、ロケットはすぐに飛んでいってしまうが、CFTは燃焼を続けたまま射点に居座るので、より長時間、ロケットエンジンの迫力を堪能できる。宇宙ファンにとっては非常に楽しみなところだろう。

なおH3のBFTは、2基形態と3基形態でそれぞれ行われたが、CFTは初号機の形態に合わせ、LE-9エンジン2基で実施される見込み。その後、3基形態のCFTを行うのかどうかについて、岡田プロマネは、「判断を待っているところ。やった方がいいかなという思いもあるが、2基のCFTの結果を見てから考えたい」とした。

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