着陸に成功したスペースXの「ファルコン9」ロケット - 実は「フル・スラスト」という名の進化版だった

昨年12月21日、打ち上げ後に地上への着陸に成功した米スペースXの「ファルコン9」ロケット。大きなロケット機体が地上に舞い戻る様は大きな話題となったが、その一方で、あまり話題にはならなかったものの、この打ち上げで使われた「ファルコン9」は、実は新しい技術で改良された「ファルコン9 v1.1 フル・スラスト」という新型機だった。

2010年に登場したファルコン9ロケットのシリーズにとって、第3世代機となるファルコン9 v1.1 フル・スラストは、これまでから何が変わり、どんな性能をもっているのだろうか。

ファルコン1からファルコン9へ

低価格で高性能なロケットを擁し、さらにロケットを垂直に着陸させることに成功するなど、いまや時代の寵児としてもてはやされている「スペースX」は、2002年に設立されたばかりの、まだ若い会社である。設立者は電子決済サービス「PayPal」を立ち上げ、また革新的な電気自動車で知られる「テスラ・モーターズ」の設立者としても知られるイーロン・マスク氏という人物である。

同社は徹底した低コストのロケットと、それを使った人工衛星打ち上げビジネスを目指して宇宙業界に参入した。当時、米国を中心の有象無象の宇宙ベンチャーが立ち上がっていたこともあり、スペースXの存在は当初から注目されていたわけではない。ただ、その後数年で倒産、あるいは活動休止に陥った他の宇宙ベンチャーとは違い、大胆かつ堅実な歩みを進めた。

もっとも、スペースXはまったくのゼロからロケットを造り始めたわけではない。同社は米国内の航空宇宙メーカーから工学者、技術者を引き抜いた。たとえば同社の副社長を務めるトム・ミューラー氏は、かつてTRW(アポロ月着陸船の降下・上昇用エンジンを開発したことで有名)に勤めており、同社のロケット・エンジン部門で米航空宇宙局(NASA)の次世代ロケット向けの新型エンジンの開発などを手掛けていた。

彼らはまず、「ファルコン1」という小型ロケットの開発から始めた。打ち上げ能力は地球低軌道に200kgほどで、当時流行になりつつあった小型衛星の市場を狙ったものだった。ロケットは2段式で、全段に液体酸素とケロシンを使う。機体やエンジンの設計は手堅く、取り立てて高性能というわけではない。ファルコン1は2006年から2009年までに5機が打ち上げられ、4号機で初成功し、5号機も成功した。

同社はまた、ファルコン1の開発と並行して、2005年から大型ロケット「ファルコン9」の開発にも着手する。NASAはこのころ、国際宇宙ステーション(ISS)への補給物資や宇宙飛行士の輸送を民間企業に委託する計画を立ち上げており、スペースXはこれに参加すべく、ファルコン9の開発を進めた。

ファルコン9 v1.0

ファルコン9は日本の「H-IIA」ロケットに近い性能をもつ大型ロケットで、ファルコン1をそのまま大きくしたような形をしている。ロケットは2段式で、全段に液体酸素とケロシンを使い、エンジンも1段目と2段目の両方に、ファルコン1の第1段エンジンでもある「マーリン1C」を装着する。特に第1段は、マーリン1Cを9基「田」の字の形に並べて装着して同時に噴射するという、特徴的なつくりになっている。

2010年7月4日に行われたファルコン9の1号機の打ち上げは成功し、また当初の目論見どおり、NASAからISSへの物資輸送の委託を受けることにも成功。ファルコン9はその後も5号機まで順調に打ち上げ成功を重ねた。

そしてさらに、ファルコン9の打ち上げと並行して、新しい「改良型ファルコン9」の開発も進められていた。

ファルコン9 v1.1

改良型ファルコン9はよく「ファルコン9 v1.1」とも呼ばれる。これは同社が、ソフトウェアのように次々と新しいバージョンのロケットを出してくることから付けられたものだが、初代のv1.0とv1.1では、大きな違いがある。

まず何より、外見が大きく異なっている。ロケットの第1段機体の全長は、v1.0よりも60%も伸びており、すこし野暮ったい姿をしていたv1.0と比べ、v1.1はすらりと背が高く、精悍な姿となっている。

ロケット・エンジンもより強力な、また世界最高級の効率をもつ高性能な「マーリン1D」が装備されている。その結果、打ち上げ能力も大きく増している。また9基のエンジンを「田」の字の形に並べるのも改められ、中央に1基、その周囲に8基のエンジンが取り囲むように並ぶ形となっている。

また打ち上げが重ねられる中で、ロケットの再使用化に向けた着陸試験が行われることになり、機体に着陸脚や空力フィン、窒素ガス・スラスターなどが順次装備されていった。

v1.0は2013年3月の5号機の打ち上げで打ち止めとなり、次の同年9月の打ち上げからはv1.1が投入された。そして先日の海洋観測衛星「ジェイソン3」の打ち上げ(あるいは船への着地失敗のほうが有名かもしれない)まで、15機が打ち上げられ、14機が成功している。

さらなる進化を遂げた「ファルコン9 v1.1 フル・スラスト」

ファルコン9 v1.1の性能は十分に高く、世界中の衛星オペレーターから引く手あまただったが、スペースXはさらなる改良を施した。その名は「ファルコン9 v1.1 フル・スラスト」である。

v1.1 フル・スラストの見た目は、v1.1とあまり変わらないが、内部の改良点は多岐にわたり、ほとんど別物のロケットになっている。

たとえばマーリン1Dエンジンは、これまでよりも推力(噴射の力)が向上している。エンジンにも改良は加えられているが、実はこれまでのv1.1では推力が低く抑えられており、ようやく本来の性能を発揮できるようになったというほうが近い。これは「フル・スラスト」の名前の由縁でもある。

それを実現できた背景には推進剤の過冷却がある。ロケット推進剤の酸化剤として使われる酸素は、-183℃で液体になる。しかしフル・スラストではさらに冷却をかけて、-206.7℃まで冷やすことで密度を高め、より多くの液体酸素をタンクに詰め込めるようにし、さらにエンジンの推力を高めている。また燃料であるケロシンも、従来の約20℃から-7℃まで冷やされている。

また第1段と第2段機体の構造も強化された他、第2段の全長が伸び、より多くの推進剤が充填できるようになった。第2段エンジンはノズルが伸びて性能が上がり、第1段と第2段の間にある段間部と呼ばれる部分の構造も強化され、さらに分離機構も改良されている。これらの改良によって、打ち上げ能力はv1.1と比べ、33%も向上しているという。

その他、細かな改良も随所に施され、性能向上に役立っているとされるが、具体的にどこかどうなったかということは、すべては明らかにされていない。

さらに、第1段機体の着陸の成功率を上げるため、着陸脚や空力フィン、窒素ガス・スラスターも改良されている。

ファルコン9 v.1.1 フル・スラストの1号機は昨年12月21日に打ち上げられ、衛星の軌道投入に成功すると共に、その性能も実証した。さらに将来のミッションにとって必要となる第2段エンジンの再点火試験にも成功。そしておまけに第1段機体の地上への着陸にも成功し、これ以上ないほどの完璧な門出となった。

今後のファルコン9はすべて、このv1.1 フル・スラストの機体が使われる。

また、このv1.1 フル・スラストの第1段機体を3基束ねることで、巨大な人工衛星の打ち上げにも対応できるようにした超重ロケット「ファルコン・ヘヴィ」の開発も進んでいる。順調にいけば、今年中にも初打ち上げを迎える予定となっている。

さらにスペースXは、より高性能な新しいエンジンなど、たゆまぬ研究・開発を続けている。v1.1 フル・スラストもまた適時改良が加えられ、あるいはそのバージョンがさらに増えることもあるかもしれない。

ロケットの着陸試験は派手なので、どうしてもそちらに注目が集まりがちだが、ロケットの機体そのものの動向にも注目したい。

参考

・Full Thrust Falcon 9 stage conducts first static fire at McGregor | NASASpaceFlight.com
　http://www.nasaspaceflight.com/2015/09/full-thrust-falcon-9-stage-testing-mcgregor/
・SpaceX's New Spin on Falcon 9 | On Space
　http://aviationweek.com/blog/spacexs-new-spin-falcon-9
・Falcon 9 FT – Rockets
　http://spaceflight101.com/spacerockets/falcon-9-ft/
・Falcon 9 Performance: Mid-size GEO? | On Space
　http://aviationweek.com/blog/falcon-9-performance-mid-size-geo