人工衛星を目的の軌道まで送り届ける「遠征一号」

第1回では、中国の全地球測位システム「北斗」の計画立ち上げから、第2世代衛星によるアジア・太平洋地域を対象にしたサーヴィス開始までの経緯について紹介した。また第2回では、2015年3月30日に打ち上げられた初の第3世代衛星「北斗三号」と、北斗の今後について紹介した。

最終回となる今回は、その北斗三号の打ち上げで使われた新型の上段「遠征一号」について紹介したい。

「上段」とは

「上段」(Upper Stage)という部品は、あまり有名ではないかもしれない。上段はロケットの最終段、言い換えればロケットと積み荷である人工衛星との間に位置し、衛星を最終的な目的地の軌道へ送り届ける役割を持つ。母機となるロケットとは別の名称を持つものも多いが、影は薄く、たいていの場合「ロケットの第何段」とか、あるいは「最終段」としか呼ばれない。それは間違いではないものの、いくつかの上段に関しては、それ自体が独立したロケット、あるいは宇宙機になっており、また上段の性能がそのロケット全体の能力を決定付けることもあるほどだ。

例えばロシアの「ブリースKM」や「ブリースM」と呼ばれる上段は、エンジンを最大8回再点火することができ、軌道上での最大24時間にわたって運用ができる。この性能を生かして、複数の衛星を異なる軌道に投入したり、静止衛星を直接静止軌道に投入したりすることが可能だ。また同じロシアの「フリガート」という上段も、最大3日間の軌道滞在と、20回以上ものエンジンの再点火が可能な性能を持つ。

また米国にも「セントール」という、改良されながら半世紀以上も使い続けられている高性能な上段があり、現在でもアトラスVロケットの上段として使われている。

日本では長らく上段らしい上段は持っていなかったが、最近になりH-IIAロケット第2段を改良し、運用可能時間を従来の約1時間から約5時間にまで強化する試みが実施されている。本格的な初飛行は今年末ごろになる予定だが、すでに一部の技術は、2014年末の「はやぶさ2」の打ち上げで使用されている。

一方、中国も再点火が可能なエンジンを持つ第3段を装備したロケットはあったが、衛星を直接目標の軌道に投入したり、複数の衛星を異なる軌道に投入するには力不足であった。そこで開発されたのが、今回初飛行した「遠征一号」だ。

人工衛星を目的の軌道まで送り届ける「遠征一号」

遠征一号は「長征三号」ロケット・シリーズの第3段と、搭載する人工衛星との間に装着される。長征三号シリーズは3段式だから、遠征一号を搭載することで4段式ロケットになる。また遠征一号、積み荷である衛星と一緒にフェアリングの内部に収められており、打ち上げ時は外部に露出していない。

遠征一号は球形の推進剤タンクを持ち、それを4つ四角形状に並べ、その中心にできる隙間にロケット・エンジンを装備している。エンジンの推進剤には四酸化二窒素と非対称ジメチルヒドラジンの組み合わせを使用し、2回の再点火が可能だという。軌道上での運用可能時間は最大で6.5時間とされる。開発と製造は、長征二号ロケットや長征三号ロケットの製造も手掛けている中国運載火箭技術研究院(CALT)が行っている。

外見やタンクとエンジンに配置などから、おそらくはロシアのブリースやフリガートを参考に開発されたものと推測される。エンジンの再点火可能回数や、軌道上での運用可能時間などの性能はブリースやフリガートより劣っているが、これには2つの理由が考えられよう。

1つ目は、中国がこれまでに、この手の上段を開発したことがないことから、技術を持っていないためという可能性だ。ただ、上段という形ではないが、いくつもの人工衛星や有人宇宙船「神舟」の開発と運用を通じて、ロケット・エンジンを軌道上で何日も運用し、そして何度も再点火させる実績はあるため、根拠としては弱い。

2つ目は、ブリースやフリガートの性能を過剰なものとして捉え、必要な能力のみ出せるようにした結果である可能性だ。実際、フリガートの最大3日間の滞在と、20回以上ものエンジンの再点火が可能という性能は、通常の人工衛星の打ち上げに使うことを考えると過剰である。今後、遠征一号の次に開発されるであろう、新しい上段がどのような性能を持つかが注目される。

遠征一号は北斗のような航法衛星や、静止軌道に投入される通信衛星などの打ち上げで威力を発揮する。従来であれば、ロケットの能力の限界から、衛星は目標軌道の一歩手前の軌道に投入され、そこからは衛星が自身のスラスターを噴射して、最終的な目標軌道まで移動していた。だがもし、ロケット側がそれを肩代わりし、目標の軌道や、それに近い軌道まで衛星を送り届けることができれば、衛星にとっては大きな負担軽減となる。

実際に、これまでの北斗衛星や静止衛星の打ち上げでは、ロケットは目標軌道の一歩手前の軌道に衛星を投入していたが、今回の打ち上げでは、北斗衛星17号機は高度約3万6000km、軌道傾斜角55度の、実際に衛星が運用されるのに近い軌道に投入されている。

遠征二号とTY-1、先進上段

いくつかの報道によれば、現在より大型の「遠征二号」の開発も進められているという。これは同じく現在開発中である大型ロケット「長征五号」に搭載できるように造られており、長征五号に合わせて大型化され、エンジンも2基装備される。エンジンの再点火可能回数や、運用可能時間など、性能についてはまだ情報はない。遠征二号が完成すれば北斗衛星を最大4機同時に打ち上げることが可能になり、北斗システムの構築や維持がより効率良くできるようになるという。

また、主に低軌道や極軌道への衛星打ち上げに使われている「長征二号」ロケットや「長征四号」ロケットに使用できる上段「TY-1」の開発も行われている。手掛けているのは上海航天技術研究院(SAST)で、同研究院が開発中の新型小型ロケット「長征六号」にも使用できるという。具体的な性能は不明だが、主に小型衛星を複数載せることを意図しており、最大で10機の衛星を異なる軌道に乗せることができるとされる。またTYは中国語の名称の頭文字であることは間違いないが、元の名前が何であるかはわかっていない。TY-1が「多星発射上面級」、英語では「Multi-Launch Upper Stage」と呼ばれていることまではわかっているが、どう略してもTYという頭文字にはならない。

さらに、ケロシン系燃料(RP-1とされる)と過酸化水素を使う、より高性能な上段「先進上段」(Advanced Upper Stage, AUS)の開発も進んでいるという。こちらも、エンジンの再点火可能回数や、運用可能時間についてはまだ情報は明らかになっていない。

こうした上段を手にすることで、中国の衛星打ち上げ能力は大きく向上することになる。現在中国は、国際武器取引規制(ITAR)によって、事実上海外の商業衛星の打ち上げができない状態にあるが、万が一商業打ち上げ市場に再参入することがあれば、この上段の存在意義は大きい。

また何よりも、資源探査衛星や軍事衛星など、地球軌道に実用衛星を多数打ち上げている中国にとって、衛星の寿命が延ばせるなどの大きな恩恵がある。そして特殊な軌道へ送られることの多い科学衛星や、月や惑星へ航行する探査機にとっても、こうした上段の存在は、非常に大きな意義を持つだろう。

参考

・http://www.spacechina.com/n25/n144/n206/n214/
c882056/content.html
・http://www.spaceflight101.com/long-march-3c---
beidou-3-first-launch.html
・http://www.spacechina.com/n25/n144/n206/n133097/
c689089/content.html
・http://news.xinhuanet.com/2014-03/03/c_119573119.htm
・http://www.shanghai.gov.cn/shanghai/node2314/node2315/
node4411/u21ai948291.html