これからがH-IIAと日本の商業打ち上げのはじまり(前編)

2015年11月24日に打ち上げが予定されているH-IIAロケット29号機には、「高度化」と呼ばれる改良が初めて施されている。この高度化により、これまでH-IIAが抱えていた問題が解決され、世界のロケットとほぼ同じ地位に立つことができるようになった。

連載の第1回では、従来のH-IIAが抱えていた問題について紹介した。第2回では、その問題を解決する代表的な3つの方法と、そして高度化が選ばれた理由について紹介した。

第3回となる今回は、高度化で開発された技術と、今後の展望について紹介したい。

高度化で使われている技術

第2回で触れたように、H-IIAで世界標準の静止トランスファー軌道に衛星を打ち上げられるようにするためには、ロケットの第2段機体をより長時間宇宙を飛行できるようにし、またロケット・エンジンの着火と停止が繰り返しできるようにしなければならない。

具体的には、従来の第2段は7200秒(2時間)しか飛行できなかったが、これを最大2万秒(5時間半)まで延ばし、そしてエンジンの着火と停止の回数は1回増え、計3回の着火と停止に耐えられるようにしなければならない。

それらを実現するために、高度化H-IIAでは、次のような改良が加えられている。

白くなったタンク

高度化が施されたH-IIAを見て、まず目に留まるのは、第2段の液体水素が入った燃料タンクが、白く塗られていることだろう。通常、この部分は断熱材の地の色である黄土色だった。

液体水素は放っておくとどんどん気体になってしまうため、長時間宇宙で運用するには、これを少しでも防がなくてはならない。そこで高度化では、タンクを白く塗り、太陽光を反射させることによって、温度が上がり過ぎないようにするという対策が採られている。なお、この白い塗料は、従来見えていた黄土色の断熱材の上に塗っているため、その分第2段自体の質量は増えているが、その増えた分が具体的にどれぐらいなのかは答えられないとのことだった。

この白く塗られた第2段は、2013年に打ち上げられたH-IIA 21号機で実際に飛行し、試験がおこなわれ、その結果液体水素の蒸発量が予想通りだったことが確認されている。また、2014年の「はやぶさ2」の打ち上げでも使われており、後述の他の改良点と合わせ、5000秒の飛行に成功している。

熱制御とバーベキュー・ロール

太陽光による温度上昇は、燃料だけではなく搭載機器にも影響する。もし、ある一面にのみ太陽光が当たり続けた状態で長時間飛行すると、温度変化に耐えられなくなった機器が故障してしまう。

そこで高度化では、第2段をロール軸(機軸)周りにゆっくりと回転させ、機体の側面にまんべんなく太陽光が当たるようにして飛行する機能が追加されている。こうした、機体を回転させて熱を制御する技術は多くのロケットや衛星でも採用されており、ちょうどバーベキューで串に刺さったお肉を、焦げないように回しながら焼く様子に似ていることから、一般的に「バーベキュー・ロール」や「バーベキュー・マニューヴァー」と呼ばれている。

また、逆に太陽光の当たらない部分はとても冷えてしまうため、ヒーターも新たに搭載されている。

蒸発する水素を使った小型スラスター

ところで、いくらタンクを白く塗っても、液体水素が蒸発することを完全に防ぐことはできない。そこで高度化では、この蒸発した水素をロケットの下部から噴射し、ロケットに若干の加速度を与える機能が追加された。

無重量状態では、液体は常に「ちゃぷちゃぷ」、あるいは「ふわふわ」といった感じの、なんともいえない動きをする。そのままの状態でエンジンを動かそうとすると、推進剤を正常に送り込めず、エンジンが動かないか、壊れることもある。

そのため、ロケットを少しだけ加速させ、液体をタンクの下側、つまりエンジンへ向けた出口があるところに向けて、押し付けてあげる必要がある。これまではヒドラジンという燃料を使う、小型の噴射装置(ガス・ジェット装置と呼ぶ)させておこなわれていたが、長時間航行し続けるためには、追加で燃焼を積まなくてはならず、質量が増えてしまう。

そこで、軌道を航行している間は、蒸発した水素を噴射に使うガス・ジェット装置を搭載することで、ヒドラジンの搭載量を増やさずに、推進剤を押し付けられる時間を延ばすことができるようになった。

トリクル予冷

また酸化剤の液体酸素にも改良が加えられている。液体酸素はエンジンを燃やす際の酸化剤としてだけでなく、エンジンを再始動する際に、エンジンのターボ・ポンプを冷却する役目ももっている。冷却をしないと、温度が上がったターボ・ポンプによって推進剤が気体になってしまい、正常にエンジンへ送り込めなくなってしまう。

これまでの第2段では、エンジン着火前に液体酸素を大量に流し込んで冷却していたが、それでは無駄が多い。そこで高度化では、少しずつ流すことで冷却する「トリクル予冷」という技術が使われる。これにより液体酸素の消費量を抑えつつ、十分な冷却を実現している。

電子機器の改良

ロケットの航行時間が延びると、当然コンピューターや通信機器などを動かすための電力も増える。そこで新たに、大容量のリチウムイオン電池が搭載されている。

また、ロケットの第2段も高度3万5800kmまで飛行し、さらにそこでエンジンの噴射もおこなうことから、その様子を確認したり、指令を出したりといったことができるよう、長距離通信ができる装置が搭載された。

第2段エンジンの再"々"着火とスロットリング技術

これまでの打ち上げでは、第2段エンジンの「LE-5B」、もしくは「LE-5B-2」は、点火と停止を2回だけおこなえば良かったが、高度化によって遠地点でもう1回噴射するため、合計3回の点火と停止をおこなう必要がある。ただ、LE-5Bは設計時点から再々着火ができるように造られており、これまでの打ち上げの中で実証試験もおこなわれている。したがって、高度化ならではの改良というわけではなく、隠されていた本領がついに発揮される形になる。

また、第3回の噴射時には、エンジンの推力を60%ぐらいにまで絞った状態の、弱い推力で噴射される。これは、第3回の噴射で必要な増速量が秒速300mと小さいため、最大パワーで動かすと軌道投入精度が落ちてしまうことから、パワーを抑え、その分燃焼時間を長くすることで、必要な増速量と十分な精度の両方を確保するようにしたためである。

実は、この推力を変えられる能力も元からLE-5Bに備わっていたもので、2002年のH-IIA試験機2号機の打ち上げ時に実験もおこなわれている。ただ、今回高度化で実際に使うにあたり、あらためて開発がおこなわれ、また地上での試験もおこなわれている。

さらに、再々着火ができることで、たとえば2機の衛星を同時に打ち上げて、それぞれを高度の異なる軌道に投入するといったことも可能だ。こうした技術はすでにロシアなどで実用化されており、日本も同じ芸当をおこなうことができるようになる。

使いやすく、やさしいロケットにするための改良

高度化ではまた、打ち上げ能力を上げるだけでなく、使いやすく、また搭載する人工衛星にとってやさしいロケットにするための改良もおこなわれている。

ひとつは、ロケットが自律して、安全に飛行できるようにすることだ。これまでは地上にあるレーダーを使って追尾し、ロケットの飛行を見守っていたが、高度化では新たに、ロケットに飛行安全用の航法センサーが搭載される。これにより、地上のレーダーが不要になり、地上設備の簡素化、そして作業員の少人数化やコストダウンにもつながる。この改良は、今回の29号機で初めての技術実証がおこなわれることになっており、また今後も何度か試験を繰り返した後に、正式採用される予定となっている。

もうひとつは、ロケットから衛星を分離する際の衝撃を小さくするための改良である。これまでは火工品と呼ばれる、火薬を使った部品を使って、ロケットと衛星との結合部分を分離させていた。しかしこれでは衛星にかかる衝撃が大きくなってしまうため、火工品を使わない、機械式の分離機構が開発された。ただ、この改良点については、今回の29号機の打ち上げでは使われず、次の「ASTRO-H」の打ち上げで初めて実証がおこなわれる計画だという。

これ以外の改良点は基本的に、静止衛星や、衛星の複数打ち上げ、また科学衛星などの特殊な軌道に打ち上げる場合にのみ役に立つ技術だが、この2点は、すべての衛星の打ち上げにとって役に立つ改良となる。

(後編に続く)