アマゾンからやってきたロケット・エンジン

約半世紀にわたり、米国の人工衛星や探査機を打ち上げ続けてきた「デルタ」ロケットと「アトラス」ロケット。しかし近年、ロケットに使っていたロシア製エンジンと、新興のスペースXの台頭が仇となり、その地位が脅かされることになった。

そして今、起死回生をかけて次世代ロケット「ヴァルカン」の開発が始まった。米国の基幹ロケットは「長寿と繁栄」を続けることができるのか。

連載第1回では、なぜ米国の基幹ロケットがその地位を脅かされるに至ったのかを紹介した。連載第2回では、ヴァルカン・ロケットの詳細と、それに使用される「アマゾンからやってきたロケット・エンジン」について紹介する。

アマゾンからやってきたロケット・エンジン

ULAがロシア製のRD-180に取って代わる、新しい米国製エンジンを開発することを発表したのは、2014年6月のことだった。当時はまだ、RD-180が使えなくなることがはっきりしていたわけではないが、徐々に懸念の渦は大きくなりつつあった。米国の基幹ロケット打ち上げを生業とする企業にとって、ロシア製エンジンからの依存を止めることは、遅かれ早かれ下すべき、当然の判断だったのだろう。

ULAは米国内のエンジン企業数社と契約を結び、まず実現の可能性を探った。そして同年9月、ULAはRD-180の代替となる新しいエンジンの開発を、ブルー・オリジンという企業と共同で進めることを発表した。

ブルー・オリジンは、ネット通販大手Amazon.comの創業者として知られる、ジェフ・ベゾス氏が立ち上げた宇宙企業である。今でこそ日本でもその存在が知られるようになったが、同社が秘密主義を貫いていたこともあり、当時はまだどのような企業なのか、米国内ですらあまり良く知られていなかった。宇宙観光用の小型の有人ロケット「ニュー・シェパード」を開発していることは漏れ伝わっていたものの、まさかRD-180を代替できるほどの高性能エンジンを造れる技術があったとは、というのが当時の大多数の反応だった。

ブルー・オリジンが開発するエンジンは「BE-4」という名前で、液化天然ガス(LNG)と液体酸素を推進剤とする。LNGが選ばれた理由は、RD-180が採用しているケロシンなどと異なり、ヘリウムによるタンク加圧が不要で、かつ低コストであるため開発が行いやすいこと、また爆発などの危険性が低いため、操作性や安全性が高いこと、さらにススが発生しないため、将来的に再使用型のエンジンへの発展も見込める、といった点にあったという。

特筆すべきは酸化剤リッチの二段燃焼サイクルという、高性能が見込めるものの取り扱いの難しい技術を採用している点である。この酸化剤リッチ二段燃焼サイクルはRD-180も採用しており、第1回で触れた「米国ですら手を焼いた」技術だった。

たしかに、RD-180が米国へ輸入され始めた1990年代当時は、自国での生産を諦めるほど、米国の水準からすると高度な技術が使われていたため、その習得には多くの資金と時間、人材が必要とされ、それならば輸入したほうが手っ取り早いという判断がなされた。しかし、完成品を輸入する形では製造や試験に口を出すことはできないし、価格も相手の言いなりにならざるを得ない。そのため遅かれ早かれ、米国がRD-180、あるいは性能が近いエンジンを、自国で開発したり生産したりすることになることは必然だったのだろう。

そもそも技術は魔法ではない以上、お金と時間をかければ造れないことはない。さらに21世紀に入り、コンピューター・シミュレーションの性能も進歩し、3Dプリンタが登場するなど、エンジン開発を取り巻く環境も向上し、ついに米国でもRD-180並のエンジンを造ることができるようになったのである。

2016年8月の時点で、BE-4の開発は順調に進んでいると伝えられる。現在はエンジンを構成する部品単位での試験が繰り返し行われており、今年中にもエンジンの燃焼試験を開始し、2017年の完成を目指すという。

なお、米国のロケット開発の名門であるエアロジェット・ロケットダインは、BE-4の対抗馬として、独自に「AR1」というエンジンを提案している。AR1はケロシンを燃料に使う酸化剤リッチ二段燃焼サイクルを採用する、まさに米国版のRD-180のようなエンジンである。

現時点でULAは、BE-4とAR1のどちらを使用するかは判断を保留にしており、最終決定は2016年末に下すとしている。ただ、BE-4のほうが開発が先行しているため、本命をBE-4としつつ、BE-4の開発が失敗した際の保険としてAR1も選択肢に残す、という位置付けになるだろう。

ヴァルカン

ULAはRD-180代替エンジンの準備を始めると同時に、そのエンジンを使用する新しいロケットの検討も始めた。BE-4は燃料に液化天然ガスを使うため、ケロシンを使うアトラスVにそのまま装備することはできない。そのためアトラスVを改造するか、もしくはまったく新しいロケットを開発するか、という二択が天秤にかけられ、最終的に後者が選ばれた。

ULAは当初、このロケットを「ネクスト・ジェネレーション・ローンチ・システム」(次世代打ち上げシステム)と呼んでいたが、その後一般からの投票で、「ヴァルカン」(Vulcan)という愛称が付けられている。

ヴァルカンの詳しい性能はまだ発表されていないが、静止トランスファー軌道へ最小5トン、最大で14トンの衛星を運べる幅広い能力をもち、アトラスVはもちろん、デルタIV、そしてデルタIVヘヴィさえも代替できるだけの性能をもつロケットであること、1機あたりの打ち上げ価格は9900万ドルをベースとする(打ち上げ能力によって変動する)、あるいはアトラスVの約半額を目指す、といったことなどが明らかにされている。

ロシア製エンジンの問題に端を発したこれまでの経緯から、ヴァルカンはアトラスVの後継機と思えるが、実はそうではなく、アトラスVとデルタIVの両方にとっての後継機になる。第1回で触れたように、デルタIVはアトラスVと比べ高価なものの、一方でデルタIVヘヴィの大きな打ち上げ能力はアトラスVでは代替できないものであったことから、ULAはデルタIVを維持せざるを得なかった。しかしヴァルカンが完成すれば、その必要はなくなるばかりか、デルタIVヘヴィと同等ながら、より安価なロケットを運用できるようになる。

ヴァルカンは全体的にアトラスVを少し大きくしたような形状をしている。とくに第1段機体は、アトラスVの直径3.81mから、5.4mへと増えている。これはBE-4の燃料である液化天然ガスの密度がケロシンよりも低いため、タンクを大型化する必要があったためである。なお、もしAR1になる場合は、タンクはアトラスVに似た大きさになるだろう。

また、固体ロケット・ブースターの装着基数を0から6基の間で変えることで、さまざまな衛星の打ち上げに柔軟に対応できる能力や、衛星フェアリングの大きさを直径4mと5mで選ぶことができ、とくに5mフェアリングの容積が他の同等のロケットの中で最大級といった特長ももつ。これらはアトラスVの特長でもあり、そのまま踏襲された形となる。

宇宙を飛ぶレシプロ・エンジン「ACES」

最も大きく、そして決定的な違いは第2段にある。ヴァルカンの初期型にあたる機体では、アトラスVの第2段と同じ「セントール」という機体を使用する。セントールは、ロケットの第2段機体として非常に高性能で、また改良を重ねつつ長年にわたって使用されている機体であり、能力も信頼性も申し分ない。このセントールを使う場合、打ち上げ能力はアトラスVとほぼ同じになる。

また、その後の発展型として、「ACES」という新型の第2段を搭載する計画もある。このACESを使用した場合、最大打ち上げ能力はアトラスVを超え、ULAが運用する現時点で世界最大のロケットである「デルタIVヘヴィ」にも匹敵する。これが完成して初めて、アトラスVとデルタIVの両方を完全に置き換えられることになる。

レシプロ・エンジンというと自動車などでお馴染みだが、なぜそれが宇宙ロケットに搭載されるのだろうか。実は、ロケットの第2段には電子機器を動かすための電源、タンクを加圧するためのヘリウム・ガス、姿勢制御スラスターを動かすヒドラジン燃料など、付属品が数多く装着されており、これらはそれぞれ別の部品であるため、製造や組み立て、試験は非常に面倒である。

そこで、推進剤から蒸発する水素ガスと酸素ガスを利用してレシプロ・エンジンを動かし、それにより発電したり、タンクを加圧したり、姿勢制御スラスターを動かしたり、さらにエンジンの複数回の再着火に使用したりすることで、専用の電源や加圧用ガスのタンクなど細々としたものを、たったひとつの装置で置き換えることができる。これにより、軽量化やコストダウンが実現できるうえに、第2段をそのまま宇宙船のように、何週間にもわたって宇宙で動かすこともできるようになる。

このシステムの開発には、米国のレーシング・カーのチームであるRoush Fenway Racingが参加する。レシプロ・エンジンのことは、その技術を誰よりも熟知しているレーシング・カーの開発元へ、つまり"餅は餅屋"というわけである。

なお、ACESに装着するロケット・エンジンはまだ選定中で、ブルー・オリジンのニュー・シェパードに使用されている「BE-3」エンジンを改良した「BE-3U」や、セントールのエンジンと同じエアロジェット・ロケットダイン製の「RL-10」、米宇宙企業XCORが開発中の新型エンジンの3種類が候補に挙がっている。

現時点では、まずセントールを使用するヴァルカンを2019年から運用に投入し、2020年代の中ごろにACESを装備するヴァルカンを投入することが計画されている。

ヴァルカンという名の由来

余談だが、このロケットにヴァルカンという名前が付けられた背景には、少し複雑な、変わった経緯がある。

ULAは当初、「イーグル」、「フリーダム」、「ギャラクシーワン」という3つの名前を用意し、このなかからSNSなどを通じて投票を呼びかけた。しかしあまりにもセンスがないと批判を受けることになった。

たとえばイーグルはアポロ11の月着陸船の名前としてすでに使われており、新鮮味に欠ける。フリーダムは現在の国際宇宙ステーションの前身である、米国や欧州、日本などの西側諸国で建造を目指していた宇宙ステーションの名前として使われていたため、やはり新鮮味に欠けていた。ギャラクシーワンに至っては「サムスンのスマートフォンのようだ」といった野次が飛んだ。

そこで急遽、新しい名前の案の募集が行われ、最終的に前述した3つに「ヴァルカン」と「ズース」の2つが加わることになった。ヴァルカンとはローマ神話の火の神ウゥルカーヌスの英語読み、ズースはギリシア神話に登場する全知全能の神ゼウスの英語読みである。アトラスもギリシア神話に登場する神の名前なので、神話由来という伝統に沿ったものだった。そして投票の結果、最終的にヴァルカンが選ばれた。

ところで、実はヴァルカンという名前には、もうひとつ別の意味も含まれていた。名前の追加と投票が行われる約1カ月前の2015年2月27日、SFドラマ『スタートレック』に登場するキャラクターのスポックを演じたことで知られる、俳優のレナード・ニモイ氏が亡くなったのである。スポックは同作品に登場する異星人「ヴァルカン」と地球人とのハーフという設定で、スタートレックの全シリーズを通して最も有名なヴァルカンでもあった。

もちろん、あくまで公式には、スタートレックやニモイ氏と関連があると明言されているわけではない。しかし、ニモイ氏が亡くなった直後にヴァルカンという名前が選択肢に追加されたこと、そしてSNSなどで「ニモイ氏を偲んでヴァルカンを追加しよう」「投票しよう」という声が多く聞かれたことは事実である。またかつて、スペース・シャトルの試験機に、スタートレックに登場する宇宙船「エンタープライズ」の名前をつけようと運動が行われ、それが実現したことからも、不思議な話ではない。

名称決定後に米国の複数のメディアが「スタートレックにもちなんでいる」と報じても、ULAは否定(もちろん肯定も)しなかった。ULAにとっては投票で名前が決まったということが重要であり、投票した人々にどういう意図があったかまでは干渉しないということだろう。

(第3回へ続く)

【参考】

・Mark Peller United Launch Alliance October 8, 2015
　http://www.ispcs.com/content/files/Mark%20Peller.pdf
・Blue Origin | BE-4
　https://www.blueorigin.com/be4
・The Advanced Cryogenic Evolved Stage (ACES)- A Low-Cost, Low-Risk Approach to Space Exploration Launch
　http://www.ulalaunch.com/uploads/docs/Published_Papers/Upper_Stages/
TheAdvancedCryogenicEvolvedStageACES2006LeBar7454.pdf
・AR1 Booster Engine | Aerojet Rocketdyne
　http://www.rocket.com/ar1-booster-engine
・United Launch Alliance Boldly Names Its Next Rocket: Vulcan! - NBC News
　http://www.nbcnews.com/science/space/united-launch-alliance-boldly-names-its-next-big-rocket-vulcan-n340881