「高い再使用性」と「史上最高の信頼性」を両立できた理由とは?

イーロン・マスク氏の宇宙企業スペースXは2018年5月12日(日本時間)、主力ロケット「ファルコン9」を大きく改良した最新鋭ロケット「ファルコン9 ブロック5」の、初めての打ち上げに成功した。

第1回では、ブロック5が目指す、再使用による打ち上げのさらなる低コスト化と、宇宙飛行士を乗せた有人打ち上げという、2つの使命について紹介した。

第2回ではその2つの使命を実現するため、ブロック5に施されたさまざまな改良について取り上げる。

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  ドローン船に舞い降りる、ファルコン9 ブロック5の第1段機体 (C) SpaceX

ブロック5の特徴は黒い部分

高い再使用性と有人飛行を実現するため、ブロック5は具体的にどこがどう変わったのだろうか。

まずロケットの外観を見ると、着陸脚や、機体の側面にあるケーブルなどが通るダクト、そして第1段と第2段をつなぐ段間部などが黒くなっていることが目を引く。マスク氏によると、ここにはスペースXが開発した新しい耐熱素材を使っているという。この素材は再使用性が高く、さらに疎水性(水をはじく性質)をもっているとされる。詳細は不明だが、おそらくカーボン複合材の一種だと考えられる。

また色が黒い理由は、塗料を塗る必要がなく、素材の地の色である黒色が露出しているためだという。塗料の分、軽量化になるほか、マスク氏は「塗料を塗らなかったのは美学。私は黒い段間部が好きなので。クールだろう?」とも発言している。

さらに、着陸脚をロックする機構を脚に内蔵し、さらに展開後に自動で折り畳めるよう、アクチュエーターも内蔵しているという。従来は格納するのに数時間かかったものの、この装置により自動的かつ短時間で行うことが可能になった。

くわえて、第1段に装着されているグリッド・フィン(格子状の安定翼)は、従来のアルミニウム製からチタン製に変更し、耐熱性が向上している(従来のアルミ製フィンは、燃えて壊れたこともあった)。

ちなみに、黒い段間部やチタン製のグリッド・フィンは、ブロック4以前の機体に装備して飛行試験が行われており、ブロック5で満を持しての標準装備となった。

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  ファルコン9 ブロック5は、ところどころ黒くなっているのが"特徴"であり、"特長"でもある (C) SpaceX

第1段のロケットエンジンの取り付け方も、従来は溶接していたものを、ボルトで固定するようにしたという。これにより分解や点検、交換がしやすくなり、再使用性の向上に大きく寄与している。

さらに耐熱性も向上し、エンジンが火災を起こしても、飛行中の間は耐えられるようになっている。ファルコン9はもともと、飛行中にエンジンが1基停止しても、他のエンジンを長く燃焼させることで飛行を続けられる能力があり、それが強化されることになる。

そして、エンジンの装着箇所の近く、ロケットの底に取り付けられた耐熱シールドも改良。従来の複合材料から耐熱チタンに変更し、再使用しやすくなったほか、水を使って冷却する機構も組み込み、再突入時やエンジンの逆噴射時に受ける熱への耐性も向上している。

改良の多くが耐熱性の向上に集中しているが、マスク氏によると、これまでのファルコン9の第1段の着陸の結果を反映した結果だという。とくに静止衛星の打ち上げでは、降下スピードが速く、予想よりも多くの熱量を受けることがわかったという。そうした過去の試験で得られたデータと、その分析結果が、今回の改良に活かされている。

こうした数々の改良を経て、ほとんどまったく新しいロケットになったにもかかわらず、打ち上げはもちろん第1段の回収にも成功した。

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  舞い降りたドローン船に載って、フロリダ州の港に帰ってきたファルコン9 ブロック5の第1段機体 (C) SpaceX

「史上最も信頼性の高いロケット」を実現

そしてファルコン9を、有人打ち上げができるほど「史上最も信頼性の高いロケット」にするため、安全性や信頼性の向上も図られている。

従来のファルコン9は、無人の衛星を打ち上げることを念頭に置いていたため、ロケットはその予想される最大負荷の、さらに25%上乗せした負荷に耐えるように造られていた。

しかし、人を乗せて打ち上げる場合は、40%にまで耐えることが求められた。そのためには機体を全体的に強化する必要があるが、それは同時にロケットが重くなることを意味する。

そこでスペースXは、ファルコン9のメイン・エンジンである「マーリン1D」にさらに改良を加え、効率や推力を向上させることで、重くなった分を補った。マスク氏によると「エンジンの素材や質量を変えずに、効率と推力を向上させた」とし、「これにより、マーリン1Dの推重比(エンジンの推力と重さの比率)は、もともと世界最高だったものの、この改良によりさらに向上した」という。もっとも、この開発は「とてもハードだった」とも振り返っている。

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  ファルコン9のマーリン1Dエンジン(写真は以前のもの) (C) SpaceX

また、これまでファルコン9が抱えていた弱点にもメスが入った。

ファルコン9は2016年、地上試験中に爆発事故を起こしたことはまだ記憶に新しい。このときの原因は、ロケットの第2段にあるヘリウムの入った「COPV」という圧力容器(タンク)が壊れたことだと推定されている。スペースXはこの事故後、推進剤を充填する手順を変えることで再発防止を図り、実際にこれ以降、事故は起きていないが、NASAからの勧告もあり、COPVの設計そのものを変更する抜本的な改修が行われた。

また、従来のファルコン9に使われていたマーリン1Dエンジンには、ターボ・ポンプという部品の一部にクラック(ひび)が入りやすいという欠陥があったことから、この設計も見直されている。

さらに電子機器の冗長性も向上し、システムが複数故障しても、ロケットが飛び続けられるようになっている。

こうした改良は有人飛行のためであると同時に、通常の人工衛星の打ち上げにおいても役に立つ。衛星会社にとって衛星は我が子も同然であり、有人飛行に使えるほど高い信頼性をもつロケットで打ち上げたいという"親心"を持つ企業は多い。もちろん、信頼性も高ければ価格も高いとなれば考えどころだが、ブロック5が本当に、高い信頼性と再使用による安い価格を両立させることができれば、言うことはない。

またさらに、飛行コンピューターやエンジンの制御システム、慣性計測装置なども新しくなるなど、改良箇所は多岐にわたる。

マスク氏はこの一連の改良について「すべてにおいて、これまでより良くなった」と語っている。

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  ドラゴン2宇宙船を載せて打ち上げを待つ、ファルコン9の想像図 (C) SpaceX

参考

・Bangabandhu Satellite-1 Mission | SpaceX
・Bangabandhu Satellite-1 Mission
・Full Elon Musk transcript about SpaceX Falcon 9 Block 5
・SpaceX debuts new model of the Falcon 9 rocket designed for astronauts - Spaceflight Now
・Musk details Block 5 improvements to Falcon 9 - SpaceNews.com