M-Vからイプシロンへ

モバイル管制、人工知能、そして日本の固体ロケットの良き伝統――。さまざまな話題と共に、「イプシロン」ロケットの1号機が打ち上げられたのは、今からちょうど2年前の、2013年9月14日のことだった。大勢の人々に見守られながら、内之浦宇宙空間観測所を離昇したイプシロンは、搭載していた衛星「SPRINT-A」(のちに「ひさき」と命名)を無事に予定通りの軌道に乗せ、華々しいデビューを飾った。

そして現在、この1号機より能力を高めた「強化型イプシロン」の開発が進んでいる。この「強化型」で、イプシロンはどのように変わるのだろうか。

連載の第1回となる今回は、イプシロンが先代のM-Vロケットから、どう変わることを目指して開発されたのかについて見ていきたい。

M-Vを継ぐもの

「イプシロン」ロケットは、2006年に引退した「M-V」ロケットの後継機として、そして糸川英夫博士のペンシルから続く、日本の固体ロケット技術を継ぐものとして開発された、小型の固体燃料ロケットである。

M-Vは優れた性能をもつロケットだったが、運用コストが高いという欠点を抱えていた。資料によってまちまちだが、1機あたり75億円から90億円ほどだったという。これは確かに、ほぼ同じ性能をもつ他のロケットと比べると割高ではあった。

もっとも、M-Vは商業ロケットとして開発されたわけではなく、あくまで宇宙科学研究所(ISAS)にとっては実験装置だった。実際、筆者は2010年に、関係者から「M-Vは実験装置であり、他のロケットとコストの面で比べるのはおかしい」との話を聞いている。

それを象徴するのが「M-Vには決まったスペックがない」という有名な話である。M-Vは打ち上げごとに、搭載する衛星に合わせて最適化が行なわれていた。搭載衛星に合わせた調整は他のロケットでも行なわれているが、M-Vの場合は見た目からもわかるほどの大きな改良が加えられることさえあった。そのため、たとえば全長から性能、使っている素材まで、各号機によってすべてがまちまちだったのだ。そしてこうした改良そのものが、ISASのロケット科学者にとっての研究であり、論文という成果となった。

しかし、それで高価であることがすべて正当化されるかといえば、もちろんそうではない。高価である背景には、毎回カスタマイズが施されているということ以外にも、そもそもロケット自体が中型に分類されるほどの規模をもっていたこともある。

さらに、製造や打ち上げ準備、そして打ち上げそのものにかかる期間が長いという問題もあった。

こうした、(ISASにとって)機体の規模が大きく、高価で、そして運用しづらいという問題は、開発したISAS自身にとっても負担となっていた。これについても、筆者は2010年に、前述とは別の関係者から「確かに振り回し辛いという問題もあった」という話を聞いている。

一方、人工衛星の側からすれば、とにかく宇宙へ連れて行ってくれれば良いわけで、何もM-Vにこだわる必要はなかった。また衛星側にとってもM-Vは大きすぎることがあり(もちろんM-Vの性能が必要な衛星もあった)、M-Vで打ち上げるために衛星も従来より大型化が必要になり、コストが増え、開発期間も延び、研究や実験の頻度が少なくなってしまうということもあった。

さらにM-Vは、固体ロケットならではの大きな振動が発生するという欠点も抱えていた。その振動に耐えるように造らなければならないことは、衛星側にとって決して小さくない負担であった。

こうした事情を背景に、2006年ごろから、M-Vを廃止するという話が徐々に出てきた。また同時期、JAXAは「GX」という別のロケットの開発を進めていた。GXはM-Vよりも打ち上げ能力が大きく、それでいて打ち上げコストはM-Vよりも安くなることが見込まれていた。さらにGXは全段に液体燃料ロケットを使うため、振動もM-Vより小さいことが期待された(ただし、GXは後に「需要が見込めず、価格競争力も不足し、受注できる見通しが十分ではない」との理由で、開発が中止されている)。

実はISASでは、かねてより、M-Vのもつ性能はそのままに、コストを大きく削減することを狙った改良案があった。またM-Vの第1段をなくし、第2段から第4段だけで打ち上げることで、小型の衛星打ち上げに対応する「M-V lite」という機体の開発構想もあった。だが、結局それらは実現することはないまま、宇宙航空研究開発機構(JAXA)は2006年7月26日、M-Vの運用終了を発表した。

そして同じ年の9月23日、最後のM-Vとなる7号機が打ち上げられ、完璧な成功をもって、その運用を終えた。

イプシロンのプロジェクト・マネージャーを務める森田泰弘さんは、そのころのことを次のように語っている。

「私はM-Vと共に人機一体の精神で育ったようなものですから内心悔しい気持ちでいっぱいでしたが、最終号機による太陽観測衛星『ひので』の打上げを間近に控え、"有終の美ではなく、未来に向けた第一歩にしよう"と実験班のみんなに言い続けたことを覚えています」。

そう、これで「終わり」ではなかったのだ。M-Vの運用終了が決定されたのと同時に、固体ロケットの技術を維持、継承することを目的として、M-Vの後継機となる次期固体ロケット、のちに「イプシロン」と名付けられる新型ロケットの研究開始が決定されたのである。

イプシロン・ロケット

研究がはじまった当時、イプシロンの開発方針の中には、既存の部品や施設を流用、あるいは活用することによるコスト削減が真っ先に挙げられていた。この方針そのものは常に維持されてきたが、だからといって単なる「継ぎ接ぎ」ロケットになったかといえば、そうではない。

たとえば当初の検討では、イプシロンは第1段にH-IIAの固体ロケット・ブースター「SRB-A」を使い、第2段にM-Vの第3段として使われていた「M-34b」を改良したものを使う、2段式のロケットとして計画されていた。開発費や運用コストを安く抑えることを狙ったものだったが、しかし2段式というのはロケットの機体構成としては効率が悪く、またもともと固体ロケットは効率が悪いという宿命をもっていることもあり、想定された打ち上げ能力はひじょうに小さく、M-Vの3分の1ほどだった。

しかし、その後検討が重ねられる中で、第3段に「はやぶさ」を打ち上げたM-V 5号機の第4段として使われた「KM-V2」の改良型を載せる3段式ロケットとなり、打ち上げ能力はM-Vの約3分の2に匹敵し、さらなる改良でM-Vと同程度か、あるいはそれ以上の性能向上も可能とされた。

さらに、「ポスト・ブースト・ステージ」(PBS)と名付けられた、液体燃料を使う第4段を載せることで、軌道投入精度を高めることも可能となった。固体ロケットは途中で燃焼が止められないため、目標としている軌道から少しずれてしまうことがあるが、それを細かい制御ができる液体ロケットで修正できるようにしたのである。

また、性能向上だけではなく、運用しやすくすることも目標とされた。そのために、ロケットと地上施設の両方に、さまざまな新しい技術が使われるなどして、効率化が図られた。

たとえば、人工知能とも称される、コンピューターによるロケットの自己診断機能や、モバイル管制と呼ばれる、パソコン1台でも管制できるほど簡素な打ち上げシステムが採用された。M-VまでのISASのロケットの特徴でもあった、斜め向きの打ち上げも見直され、他のロケットと同じように垂直に打ち上げられるようになった。

また、製造から組み立て、発射場での作業と、打ち上げ、そして打ち上げ後の撤収までに必要な作業なども少なくされた。M-Vでは製造に3年、打ち上げ準備に42日、そして最後に衛星に触れてから打ち上げられるまで9時間と、時間がかかり、運用しづらいロケットだったが、イプシロンではそれぞれ「1年、7日、3時間」を目指すとされた。もちろんこれらは運用コストの削減にもつながる。

さらに、M-Vの抱えていた問題でもあるロケットの振動も小さくし、搭載している衛星への影響を小さくするといった改良も行われている。

ロケットそのものの技術と、こうしたロケットを支える地上設備や体制の改革もあいまって、打ち上げコストは1機あたり30億円前後になることが見込まれた。

こうして、「固体ロケットの技術の維持」、「既存の部品や施設を活用することよるコスト削減」という言葉から受ける印象とは裏腹に、イプシロンはM-Vの3分の2の打ち上げ能力でありながら、打ち上げコストは3分の1にまで下げ、それでいて扱いやすいロケットにするという高い理想が掲げられ、多くの意欲的な挑戦が行なわれた。

かくして開発されたイプシロンの1号機は2013年9月14日の14時ちょうど、内之浦宇宙空間観測所から打ち上げられた。ロケットは順調に飛行し、搭載していた惑星分光観測衛星「SPRINT-A」を、予定していた軌道に投入した。SPRINT-Aにはその後、「ひさき」という名前が与えられた。

だが、この1号機はあくまで試験機に過ぎなかった。JAXAでは、2号機の打ち上げを目指すと同時に、「高度化」の開発も始まっていたのである。

(続く)

参考

・http://www.jaxa.jp/projects/rockets/epsilon/topics_j.html＜br> ・http://www.isas.jaxa.jp/j/column/epsilon/index.shtml＜br> ・http://www.isas.jaxa.jp/ISASnews/No.241/mission-26.html＜br> ・http://www.jaxa.jp/press/2013/12/20131224_epsilon_j.pdf＜br> ・http://www.jaxa.jp/article/special/epsilon/index_j.html＜br>